Microbiologia

Durante il processo di trascrizione, l’informazione codificata nella sequenza di DNA di uno o più geni viene trascritta in un filamento di RNA, chiamato anche trascrizione di RNA. La molecola di RNA risultante, composta da ribonucleotidi contenenti le basi adenina (A), citosina (C), guanina (G) e uracile (U), agisce come una copia molecolare mobile della sequenza originale del DNA. La trascrizione nei procarioti e negli eucarioti richiede che la doppia elica del DNA si svolga parzialmente nella regione di sintesi dell’RNA. La regione srotolata è chiamata bolla di trascrizione. La trascrizione di un particolare gene procede sempre da uno dei due filamenti di DNA che funge da modello, il cosiddetto filamento antisenso. Il prodotto dell’RNA è complementare al filamento di DNA modello ed è quasi identico al filamento di DNA non modello, o filamento di senso. L’unica differenza è che nell’RNA, tutti i nucleotidi T sono sostituiti con nucleotidi U; durante la sintesi dell’RNA, la U è incorporata quando c’è una A nel filamento complementare antisenso.

Trascrizione nei batteri

I batteri usano la stessa RNA polimerasi per trascrivere tutti i loro geni. Come la DNA polimerasi, la RNA polimerasi aggiunge nucleotidi uno per uno al gruppo 3′-OH della catena nucleotidica in crescita. Una differenza critica nell’attività tra la DNA polimerasi e la RNA polimerasi è la necessità di un 3′-OH su cui aggiungere nucleotidi: La DNA polimerasi richiede un tale gruppo 3′-OH, rendendo così necessario un primer, mentre la RNA polimerasi non lo fa. Durante la trascrizione, un ribonucleotide complementare al filamento modello di DNA viene aggiunto al filamento di RNA in crescita e un legame covalente fosfodiestere si forma per sintesi di disidratazione tra il nuovo nucleotide e l’ultimo aggiunto. In E. coli, la RNA polimerasi comprende sei subunità polipeptidiche, cinque delle quali compongono il nucleo dell’enzima polimerasi responsabile dell’aggiunta di nucleotidi di RNA a un filamento in crescita. La sesta subunità è conosciuta come sigma (σ). Il fattore σ permette alla RNA polimerasi di legarsi a un promotore specifico, permettendo così la trascrizione di vari geni. Ci sono vari fattori σ che permettono la trascrizione di vari geni.

Inizio

L’inizio della trascrizione inizia da un promotore, una sequenza di DNA su cui il macchinario di trascrizione si lega e inizia la trascrizione. La coppia di nucleotidi nella doppia elica del DNA che corrisponde al sito da cui viene trascritto il primo nucleotide 5′ dell’RNA è il sito di iniziazione. I nucleotidi che precedono il sito di iniziazione sono designati “a monte”, mentre i nucleotidi che seguono il sito di iniziazione sono chiamati nucleotidi “a valle”. Nella maggior parte dei casi, i promotori si trovano appena a monte dei geni che regolano. Anche se le sequenze dei promotori variano tra i genomi batterici, alcuni elementi sono conservati. Nelle posizioni -10 e -35 all’interno del DNA prima del sito di iniziazione (designato +1), ci sono due sequenze di consenso del promotore, o regioni che sono simili in tutti i promotori e nelle varie specie batteriche. La sequenza di consenso -10, chiamata TATA box, è TATAAT. La sequenza -35 è riconosciuta e legata da σ.

Allungamento

L’allungamento in fase di trascrizione inizia quando la subunità σ si dissocia dalla polimerasi, permettendo all’enzima centrale di sintetizzare RNA complementare al modello di DNA in direzione 5′-3′ ad una velocità di circa 40 nucleotidi al secondo. Mentre l’elongazione procede, il DNA viene continuamente srotolato davanti all’enzima centrale e riavvolto dietro di esso (Figura 1).

Figura 1. Durante l’elongazione, l’RNA polimerasi batterica segue le tracce lungo il modello di DNA, sintetizza l’mRNA nella direzione da 5′ a 3′, e svolge e riavvolge il DNA mentre viene letto.

Terminazione

Una volta che un gene viene trascritto, la polimerasi batterica deve dissociarsi dal modello di DNA e liberare l’RNA appena prodotto. Questo viene chiamato terminazione della trascrizione. Il modello di DNA include sequenze nucleotidiche ripetute che agiscono come segnali di terminazione, causando lo stallo della RNA polimerasi e il suo distacco dal modello di DNA, liberando la trascrizione dell’RNA.

Trascrizione negli eucarioti

I procarioti e gli eucarioti eseguono fondamentalmente lo stesso processo di trascrizione, con alcune differenze significative (vedi Tabella 1). Gli eucarioti usano tre diverse polimerasi, RNA polimerasi I, II e III, tutte strutturalmente distinte dalla RNA polimerasi batterica. Ciascuna trascrive un diverso sottoinsieme di geni. È interessante notare che gli archei contengono una singola RNA polimerasi che è più strettamente legata alla RNA polimerasi II eucariotica che alla sua controparte batterica. Gli mRNA eucariotici sono anche di solito monocistronici, il che significa che ciascuno codifica un solo polipeptide, mentre gli mRNA procariotici di batteri e archei sono comunemente policistronici, il che significa che codificano polipeptidi multipli.

La differenza più importante tra procarioti ed eucarioti è il nucleo legato alla membrana di questi ultimi, che influenza la facilità di utilizzo delle molecole di RNA per la sintesi delle proteine. Con i geni legati in un nucleo, la cellula eucariota deve trasportare le molecole di RNA codificanti le proteine nel citoplasma per essere tradotte. I trascritti primari codificanti le proteine, le molecole di RNA sintetizzate direttamente dalla RNA polimerasi, devono subire diverse fasi di elaborazione per proteggere queste molecole di RNA dalla degradazione durante il tempo in cui vengono trasferite dal nucleo al citoplasma e tradotte in una proteina. Per esempio, gli mRNA eucariotici possono durare diverse ore, mentre il tipico mRNA procariotico non dura più di 5 secondi.

Il trascritto primario (chiamato anche pre-mRNA) viene prima rivestito di proteine stabilizzanti dell’RNA per proteggerlo dalla degradazione mentre viene elaborato ed esportato fuori dal nucleo. Il primo tipo di elaborazione inizia mentre il trascritto primario viene ancora sintetizzato; uno speciale nucleotide 7-metilguanosina, chiamato tappo 5′, viene aggiunto all’estremità 5′ del trascritto in crescita. Oltre a prevenire la degradazione, i fattori coinvolti nella successiva sintesi proteica riconoscono il tappo, che aiuta ad avviare la traduzione da parte dei ribosomi. Una volta che l’allungamento è completo, un altro enzima di elaborazione aggiunge una stringa di circa 200 nucleotidi di adenina all’estremità 3′, chiamata coda poly-A. Questa modifica protegge ulteriormente il pre-mRNA dalla degradazione e segnala ai fattori cellulari che il trascritto deve essere esportato nel citoplasma.

I geni eucarioti che codificano i polipeptidi sono composti da sequenze codificanti chiamate esoni (ex-on significa che sono espressi) e sequenze intermedie chiamate introni (int-ron denota il loro ruolo intermedio). Le sequenze di RNA trascritte corrispondenti agli introni non codificano regioni del polipeptide funzionale e vengono rimosse dal pre-mRNA durante l’elaborazione. È essenziale che tutte le sequenze di RNA codificate dagli introni siano completamente e precisamente rimosse da un pre-mRNA prima della sintesi proteica in modo che le sequenze di RNA codificate dagli esoni siano correttamente unite per codificare un polipeptide funzionale. Se il processo sbaglia anche di un solo nucleotide, le sequenze degli esoni ricongiunti sarebbero spostate e il polipeptide risultante non sarebbe funzionale. Il processo di rimozione delle sequenze di RNA codificate dagli introni e di riconnessione di quelle codificate dagli esoni è chiamato splicing dell’RNA ed è facilitato dall’azione di uno spliceosoma contenente piccole proteine ribonucleo nucleari (snRNP). Le sequenze di RNA codificate dagli introni vengono rimosse dal pre-mRNA mentre è ancora nel nucleo. Anche se non vengono tradotti, gli introni sembrano avere varie funzioni, tra cui la regolazione genica e il trasporto dell’mRNA. Al completamento di queste modifiche, il trascritto maturo, l’mRNA che codifica un polipeptide, viene trasportato fuori dal nucleo, destinato al citoplasma per la traduzione. Gli introni possono essere spliccati in modo diverso, con il risultato che vari esoni sono inclusi o esclusi dal prodotto finale dell’mRNA. Questo processo è noto come splicing alternativo. Il vantaggio dello splicing alternativo è che possono essere generati diversi tipi di trascritti di mRNA, tutti derivati dalla stessa sequenza di DNA. Negli ultimi anni, è stato dimostrato che anche alcuni archaea hanno la capacità di giuntare il loro pre-mRNA.