La TRASCRIZIONE - da DNA a RNA

Abbiamo già parlato dell'espressione genica in termini generali e con riferimento al dogma centrale della biologia di Watson, di cui abbiamo visto i limiti, ci siamo forniti di uno schema di base. Step 1, trascrizione da DNA a RNA. Step 2, traduzione da RNA a catena polipeptidica. In questa lezione entriamo nel dettaglio dello step 1. La trascrizione.

La trascrizione, lo abbiamo accennato nella lezione 54, è il processo con cui le cellule trascrivono l'informazione presente in un gene, cioè la sua sequenza nucleotidica di DNA in una sequenza sempre nucleotidica, ma di RNA. Nelle lezioni 52 e 53, abbiamo visto che la replicazione del DNA da DNA a DNA avviene ad opera della DNA polimerasi. Nella trascrizione da DNA a RNA, l'attrice principale è invece la RNA polimerasi. Facile, no?

Negli organismi procariotici è presente un solo tipo di RNA polimerasi. Nella maggior parte degli eucarioti, invece, ne esistono tre tipi principali. La RNA polimerasi 1 per la sintesi di vari tipi di molecole di RNA ribosomiale o rRNA, cioè l'RNA che insieme a varie proteine costituisce la struttura dei ribosomi.

Abbiamo parlato di ribosomi nella lezione 29 e ne riparleremo quando approfondiremo la traduzione. La RNA polimerasi 2 per la sintesi dell'RNA messaggero o mRNA, cioè l'RNA che nei ribosomi viene letto e tradotto in catene polipeptidiche.

Per essere precisi, vengono trascritti dei precursori dell'RNA messaggero, ma ci arriviamo più tardi. E la RNA polimerasi 3 per la sintesi di una delle molecole di RNA, ma soprattutto per la sintesi degli RNA transfer o tRNA. I tRNA sono molecole adattatrici, già ipotizzate da Francis Crick, che fanno da ponte tra l'mRNA e la catena polipeptidica, che permettono la traduzione da un linguaggio all'altro.

La RNA polimerasi, come la DNA polimerasi, sintetizza in direzione 5'→3', aggiungendo ribonucleotidi all'estremità 3' della catena di RNA in allungamento. La RNA polimerasi legge il filamento stampo, detto anche filamento trascritto, del DNA in direzione 3'→5' e aggiunge all'RNA nucleotidi complementari in direzione 5'→3'. Il filamento stampo e l'mRNA sono perciò antiparalleli. Il filamento di DNA non trascritto, anche detto non stampo o codificante, invece, ha la stessa sequenza dell'mRNA, tranne che, ovviamente, per la sostituzione della timina del DNA con l'uracile dell'RNA.

Ora, una utile convenzione terminologica per capirci da qui in avanti. In una sequenza di basi, rispetto ad un punto di riferimento, ciò che è verso l'estremità 5' si dice a monte o upstream. Ciò che è verso l'estremità 3' si dice a valle o downstream. Da sopra il monte verso la valle.

Se la replicazione del DNA parte da una origine di replicazione, nella trascrizione l'RNA polimerasi parte da una regione chiamata promotore. Il promotore però non viene trascritto e la trascrizione comincia subito a valle di esso. Negli eucarioti la RNA polimerasi, per legarsi al promotore, ha bisogno dell'aiuto di una serie di proteine regolatrici, dette fattori di trascrizione.

Veniamo alla direzione di trascrizione. Il promotore ha un orientamento necessario a segnalare alla RNA polimerasi in quale direzione trascrivere, dove sta il monte e dove sta la valle per quel gene.

Attenzione, non fraintendetemi. La trascrizione avviene sempre in direzione 5'→3'. La RNA polimerasi aggiunge nucleotidi sempre in direzione 5'→3'. Con l'orientamento del promotore, l'RNA polimerasi capisce quale dei due filamenti del DNA deve usare come stampo. Quale filamento deve leggere in direzione 3'→5' per trascrivere il giusto gene in direzione 5'→3'. Leggere un filamento o l'altro fa assolutamente differenza, perché solo sul filamento giusto è presente la sequenza di nucleotidi codificante per l'mRNA che la cellula vuole trascrivere. Il messaggio presente nell'altra direzione può essere completamente diverso. Sottolineiamo per estrema chiarezza che non esiste un filamento sempre stampo. Il filamento stampo per un gene può essere il filamento non stampo per un altro gene.

La reazione di allungamento della catena di RNA nella trascrizione è simile a quella di allungamento della catena di DNA nella replicazione. Ma a differenza della DNA polimerasi, l'RNA polimerasi non necessita di un primer per iniziare la trascrizione. I nucleotidi liberi che l'RNA polimerasi aggiunge all'estremità 3' sono ribonucleotidi trifosfati. Ribo, cioè lo zucchero pentosio è il ribosio. Trifosfati, cioè legati al carbonio 5' ci sono tre gruppi fosfato. Il primo nucleotide all'estremità 5' della molecola di mRNA mantiene i tre gruppi fosfato. Dal secondo nucleotide in poi, la rottura del legame covalente tra il primo e il secondo gruppo fosfato rilascia l'energia necessaria a formare il legame tra il nucleotide precedente, già facente parte della catena di RNA, e quello successivo che la RNA polimerasi deve aggiungere alla catena.

La trascrizione termina quando la RNA polimerasi incontra sul DNA stampo una sequenza di basi, la sequenza di terminazione, il cui compito è, appunto, segnalare la terminazione della trascrizione. Parleremo meglio di rRNA e tRNA nella prossima lezione, quando entreremo nel dettaglio del meccanismo della traduzione. Per adesso, concentriamoci sull'RNA messaggero, l'intermediario tra DNA e catena polipeptidica. E vediamo le differenze tra mRNA procariotico e mRNA eucariotico.

Gli mRNA procariotici vengono utilizzati, tradotti, così come sono, senza subire ulteriori modificazioni. Essi hanno a monte della sequenza codificante per la proteina, una sequenza non codificante, la 5' UTR, UnTranslated Region: regione non tradotta, che contiene vari segnali necessari al corretto posizionamento del ribosoma. A valle della sequenza codificante, una sequenza non codificante, la 3' UTR, di varia lunghezza. La sequenza codificante, quella che viene tradotta, parte da un codone, una sequenza di tre basi, di inizio, AUG. Questo codone dà inizio, appunto, alla parte codificante da tradurre dell'mRNA. Finisce con un codone di stop o di terminazione. Ne esistono tre: UAA, UGA e UAG. Questo codone termina, appunto, la parte codificante dell'mRNA.

Negli mRNA procariotici, un solo mRNA può contenere il trascritto codificante per più di una proteina, una dopo l'altra.

Il prodotto della trascrizione negli eucarioti, invece, viene detto pre-mRNA o mRNA precursore. Capita la precisazione di poco fa? Il pre-mRNA, prima di poter essere tradotto, deve andare incontro, mentre è ancora nel nucleo, a un processo di maturazione e modificazione post-trascrizionale, necessario a produrre un mRNA maturo, idoneo ad essere trasportato nel citoplasma e tradotto nei ribosomi.

I passaggi di questo processo sono tre. Inserimento di un cappuccio all'estremità 5'. L'aggiunta di questo cappuccio, che avviene già durante la trascrizione, è necessaria a permettere l'attacco del ribosoma all'mRNA maturo. Si pensa, inoltre, che questo cappuccio sia uno dei responsabili della maggiore stabilità dell'mRNA eucariotico rispetto a quello procariotico, perché proteggerebbe l'mRNA eucariotico dalla degradazione da parte di alcuni enzimi.

Il cappuccio a 5', 5' cap, è costituito da una 7-metilguanosina, un nucleotide insolito, legato all'estremità 5' del pre-mRNA attraverso un ponte di tre gruppi fosfato. Poliadenilazione all'estremità 3'. Vicino all'estremità 3' del pre-mRNA si trova una sequenza di basi che fanno da segnale per l'aggiunta di una coda di molte adenine, una coda di poli-A. Enzimi specifici riconoscono questa sequenza e tagliano l'mRNA nel sito corrispondente. Segue l'aggiunta, grazie ad altri enzimi, di una coda di 100-250 adenine all'estremità 3'. Sembra che questa coda di poli-A, oltre a fornire protezione all'mRNA maturo nel citoplasma, serva anche per la sua esportazione dal nucleo al citoplasma, appunto, e per favorire il riconoscimento dell'mRNA da parte del ribosoma. Rimozione degli introni e giunzione degli esoni, o splicing.

Aspettate, faccio un passo indietro. La maggior parte dei geni eucariotici è costituita da varie sequenze non codificanti, gli introni, inserite all'interno delle sequenze codificanti per gli amminoacidi della catena polipeptidica finale, gli esoni. Lo splicing è il processo durante il quale vengono tagliati via gli introni e riuniti tra loro gli esoni per rendere la sequenza codificante continua e pronta ad essere tradotta, da AUG a UAA, UGA o UAG che sia.

Solo come accenno, nella scorsa lezione abbiamo detto che un singolo gene può produrre più di una catena polipeptidica. Il meccanismo con cui questo può avvenire si chiama splicing alternativo. Alcuni geni producono pre-mRNA con schemi multipli di splicing. E ciò comporta la possibile formazione di due o più mRNA maturi diversi, e quindi due o più catene polipeptidiche diverse.

Dopo le modifiche post-trascrizionali, l'mRNA eucariotico maturo è pronto per uscire dal nucleo, raggiungere i ribosomi ed essere tradotto.

Bene, molto altro ci sarebbe da dire e da approfondire sulla trascrizione. Ma direi che con questa lezione siete ben imparati. Nella prossima parleremo del secondo step dell'espressione genica, la traduzione. Al solito, le raccomandazioni per la crescita di questo progetto. Like al video se vi sono stata d'aiuto e se non l'avete ancora fatto, iscrizione al canale per restare connessi con me e con la biologia. Ciao, alla prossima e buono studio a tutti.