RNA polimerasi: regolazione della trascrizione nei procarioti

Parliamo oggi dell'RNA e del modo in cui viene prodotto a livello degli organismi procarioti.

Quindi, prendiamo il caso generico di un batterio. Noi sappiamo che il batterio ha il suo DNA non dentro il nucleo, ma in una zona chiamata nucleoide.

Quindi, una regione specifica interna al suo citoplasma, dove andiamo a trovare questo materiale genetico suo.

Poi in realtà ci saranno anche altri tratti, ci saranno dei plasmidi che è sempre del materiale genetico suo.

Ora, noi vogliamo andare a vedere in che modo possiamo ottenere quest'altra classe biomolecolare, quindi non più il DNA, ma l'RNA.

E c'è un dogma molto importante a livello della biologia che mi dice che io partendo dal DNA posso ottenere RNA e da quest'ultimo posso ottenere che cosa? Le proteine.

Quindi, come ben vediamo, ci sono due processi: da DNA ad RNA, questo processo si chiama trascrizione.

Invece, dall'RNA alle proteine si chiama o sintesi proteica oppure traduzione.

Ebbene, ma quali sono le differenze principalmente tra il DNA e l'RNA?

Molto semplice. Noi sappiamo che il DNA è un polimero a la forma ad alfa elica, quindi ha questa forma e ha dei passi d'elica contenenti le nostre classiche basi azotate: adenina, timina, citosina e guanina.

L'RNA, una particolarità sua, che al posto della timina va a presentare che cosa? L'uracile, un'altra base pirimidinica.

E la differenza sostanziale è, tra l'altro, andando a vedere proprio quali sono i mattoncelli costitutivi, sono i nucleotidi.

Perfetto. Il nucleotide del DNA è formato da è formato da uno zucchero, da una base azotata e un gruppo fosfato. E lo zucchero in questo caso, che qua ha legato la sua base azotata e qua ha legato il suo gruppo fosfato, questo zucchero va a presentare sotto il carbonio 3 un gruppo ossidrilico.

Questo è il deossi il deossiribosio. In questo caso, questo nucleotide mio contiene, appunto, come zucchero, il deossiribosio.

Invece, a livello dell'RNA, qual è la differenza? Questa, un altro gruppo ossidrilico.

Quindi, per questo, se io parto dall'RNA e vado a togliere un gruppo ossidrilico dal ribosio, ottengo il deossiribosio.

Perché, appunto, ho tolto un gruppo ossidrilico.

Ora, andiamo a vedere più nel dettaglio il modo in cui viene sintetizzato questo tratto di RNA.

Allora, diciamo che noi all'interno di questo DNA nostro c'è un tratto, ci sono tantissimi tratti in realtà, però prendiamo questo tratto.

Internamente a questo, noi cosa troviamo? Troviamo un gene. Ok, quindi noi abbiamo il nostro gene.

Che contiene che cosa? Delle basi azotate di DNA che mi porteranno alla trascrizione di un RNA che successivamente verrà tradotto per darmi le proteine.

Ora, noi sappiamo genericamente che il nostro DNA è formato da due filamenti antiparalleli che vanno a trovare una complementarità.

Quindi, ci sono le basi, si legano con legami di idrogeno, tra l'adenina e la timina avremo due legami di idrogeno e tra la citosina e la guanina, tre legami di idrogeno.

Quindi, facciamo caso che qui è il mio filamento 5' 3'.

E qui antiparallelo 5' 3'.

Ora, per semplicità e poi capirete il perché, andrò a prendere in considerazione ora solo uno dei due filamenti.

Quindi, via questo e visto che non ci sono sotto altre basi, teoricamente.

Abbiamo soltanto il 5' e il 3'. E scriviamolo così.

Andiamo a scrivere delle basi.

Allora, facciamo conto di avere un adenina, timina, guanina, poi guanina, timina, adenina, poi possiamo metterci citosina, citosina, timina, timina, adenina, guanina.

Ok. Quello che andiamo a fare è che questo qua è la mia polarità 5' 3'.

Andiamo a sintetizzare l'RNA che è rispettiva, rispettiva di che cosa? Di questo filamento.

Questo filamento noi abbiamo il nostro codice che dobbiamo andare a trascriverlo.

Abbiamo il nostro gene che è importantissimo, quindi questo qua sarà il filamento codificante.

Ok.

Proviamo a trascriverla.

La trascrizione avviene sempre da 5' a 3'.

Non questo 5' 3', ma quest'altro, l'altro filamento antiparallelo che deve andarsi ad inserire.

Quindi, con la guanina avrò la citosina.

Con l'adenina avrò l'uracile, perché non ho la timina nel nell'RNA.

Con la timina avrò l'adenina, adenina, guanina.

Qui sotto avrò l'uracile, adenina, citosina, citosina, adenina e uracile.

Bene.

Vediamo.

Posso utilizzare io questo RNA?

Beh, innanzitutto vado a vedere.

Le basi sono completamente diverse.

Perché? Perché qua ho un'adenina, timina, guanina e qua ottengo un uracile, adenina e citosina.

È vero che l'uracile appartiene all'RNA e non abbiamo una timina.

Però, già il primo codone.

Spoiler della traduzione.

Che è quelle quella tripletta di basi che va a codificarmi per un aminoacido specifico.

Dei 20 che abbiamo nel nostro organismo.

Ecco che mi dà un qualcos'altro.

E non va bene.

Vediamo qui.

Anche qua è completamente diverso.

GTA, CAU.

Anche qui.

Anche qui.

È diverso.

Quindi c'è qualcosa che non va, a quanto pare.

Perché non funziona?

Perché, apparentemente, oltre al nostro filamento codificante, noi avremo un altro filamento.

Che è l'altro è di DNA, appunto.

E questo ci dice che cosa? Che se io devo andare a trascrivere un gene che ho qua dentro.

Non dovrò andare ad utilizzare questo filamento.

Quello che lo contiene, ma quello stampo.

E infatti, andiamo a vedere perché.

Ok, cancelliamo questo tratto, visto che non è quello giusto.

E andiamo a scrivere il rispettivo di che cosa ora? Di DNA.

Ok.

Quindi, avremo qui una timina, adenina, citosina, citosina, adenina, timina, guanina, guanina, adenina, adenina, timina e citosina.

Ok.

5' 3'.

La sintesi si va ad effettuare sempre da 5' al 3'.

Quindi, da questa da questa parte.

Facciamo il rosso.

Cosa vado ad ottenere?

Facciamolo qui sopra per rendere tutto più semplice.

Vado ad ottenere.

Quindi, con la timina, un'adenina.

Con l'adenina, un uracile.

Con la citosina, una guanina.

Eh!

Cosa è spuntata?

Il codone di start.

Qua siamo in 5'.

Poi cosa ho qua?

Qui andrò ad ottenere una guanina.

Un uracile.

Un'adenina.

Una citosina, un'altra citosina.

Uracile, uracile, adenina, guanina.

Oh!

Un codone di stop.

Cosa ho ottenuto qua?

Codone di start e codone di stop.

Mentre questi sono degli altri codoni codificanti.

Quindi, triplette di basi.

Quindi, già una cosa buona.

Già il mio ribosoma saprà, ok, deve incominciare da qui, ce l'ho il codone di start.

E guarda un po', ho anche il codone di stop.

Quindi, ottimo.

Poi, andiamo a vedere effettivamente se è simile.

Rispetto al filamento codificante.

Qui ho un'adenina.

Qui un'adenina.

Qui una timina.

Qui un uracile.

È vero che è un uracile, però comunque nell'RNA non ci può stare una timina.

E quindi abbiamo questa modifica di cui possiamo non preoccuparci più di tanto.

Qui abbiamo una guanina.

Guanina.

Guanina.

Timina.

Uracile.

Timina.

Uracile.

Adenina.

Adenina.

Guanina.

Guanina.

Perfetto.

Cosa abbiamo ottenuto? Abbiamo capito che, mentre questo è il filamento codificante.

Noi andiamo ad utilizzare lo stampo per ottenere cosa?

Per ottenere l'RNA da tradurre.

Questo cosa mi darà?

Proteine.

Quindi, una sequenza di aminoacidi.

C'è da dire un piccolo spoiler pure sulla traduzione.

Che mentre i batteri hanno il DNA che non è racchiuso all'interno di un involucro nucleare.

Questi tenderanno tenderanno ad effettuare la trascrizione e in concomitanza anche la traduzione tramite i ribosomi.

Sempre qui, invece a livello degli eucarioti, noi andremo ad avere questo DNA racchiuso all'interno di un nucleo.

E quindi la traduzione non avverrà più là dentro nel nucleo, però esternamente nel citosol.

Bene.

Avendo parlato di ciò.

Andiamo a pensare.

Ok, questo qua è il mio DNA del mio eucariote.

Che in realtà non dovete pensarlo così con delle estremità, perché è tutto racchiuso e circolare.

Però andiamo a prendere questo tratto.

Ebbene.

Ora, l'enzima che è quello operatore nella cellula che ha detto ad andarmi a sintetizzare questo tratto, come si chiama?

Si chiama, prendiamo una freccia qui.

Si chiama RNA polimerasi.

Ok, quindi, come dice il termine, va a polimerizzare una catena di RNA.

Polimerasi, polimerizzazione, sappiamo che è la costruzione di una catena lunga di monomeri.

Questi monomeri sono i nucleotidi, che in questo caso sono formati da che cosa? Dal ribosio.

Ora, come abbiamo visto nel video della replicazione del DNA.

Noi, inizialmente, per costruire questa catena, per il DNA, andavamo ad aggiungere dei dNTP.

Che sono i deossiribonucleosidi trifosfati.

In poche parole, abbiamo.

Qui, la mia base, qui ho il mio zucchero che sotto alla 3' presenta il gruppo ossidrilico.

E qui, oltre al primo fosfato.

Ecco.

Che ne ho altri due.

Un altro.

E un altro ancora.

Quindi, come dice il termine, deossiribonucleoside trifosfato.

Nucleoside è solo questo tratto.

E invece, tutta la continuazione mi dà il trifosfato.

E in realtà, noi sappiamo che a livello del DNA, noi non abbiamo tre fosfati, ma ne abbiamo soltanto uno.

E infatti, questi due fosfati andranno a rimuoversi.

Questo è lo stesso che andrà ad avvenire a livello dell'RNA, nel momento in cui si starà formando la catena.

Ma invece che un deossiribonucleoside.

Abbiamo un ribonucleoside trifosfato.

E quindi, qui avremo un altro gruppo OH.

Ribonucleoside trifosfato.

Andrà ad entrare a livello di una catena già polimerizzata per allungarla.

E nel momento in cui entrerà, cosa succede?

Andranno a rimuoversi questi due gruppi fosfati.

Rilasciandomi che cosa, internamente ora.

Un ribonucleotide.

Perché, appunto, invece che avere il deossiribosio, abbiamo il ribosio.

Perfetto.

Appurato ciò.

Pensiamo.

Ok.

Io questa RNA polimerasi.

Questa RNA polimerasi dovrà avere pure un modo per riconoscermi il gene da trascrivere.

Ora, a livello dei batteri, non stiamo parlando ancora del genoma eucariotico che possiede miliardi di basi.

Ma siamo comunque a livello di milioni di basi e avrà diversi geni.

E dovrà sapere, ok, ora devo andare a trascrivere questo e non quell'altro.

Ci dovrà pure essere un modo.

Ed effettivamente esiste.

Prima di entrare nel dettaglio, spieghiamo la struttura dell'RNA polimerasi dei batteri.

E incominciamo a dire che è un complesso proteico, un enzima.

Che andrà a muoversi sul solco maggiore del DNA e andrà a girare su questo solco maggiore.

Alla ricerca di questi geni.

Ok.

Ora.

Prendiamo un po' di colori, perché ci serviranno.

Ora, la mia RNA polimerasi batterica è formata da varie subunità proteiche.

Abbiamo una e due subunità che sono subunità alfa.

Alfa e alfa.

Successivamente, avrò altre due subunità.

Avrò questa e questa, subunità beta 1 e subunità beta 2.

Cosa sono queste qui?

Sono delle subunità catalitiche.

Poi, cosa avrò?

Avrò un'altra subunità.

Facciamola in arancione.

Un'altra subunità chiamata omega.

Che questa subunità, invece, sarà una chaperon.

Ora, lo chaperon non è altro che una proteina che ha, diciamo, diverse funzioni a livello della cellula.

Ma quella fondamentale è di andare a ripiegare e fare in modo che possa rimanere in questa struttura la nostra RNA polimerasi.

Un'altra cosa che abbiamo.

Ed è importantissima.

Importantissima.

E la faccio in viola.

È questa.

Questa si chiama.

Il fattore sigma.

Genericamente nei batteri è il sigma 70.

Anche chiamato vegetativo.

Ok.

Cosa mi andrà a fare questo sigma?

Questo sigma sarà proprio quello che mi servirà per che cosa? Per andare ad individuare una sequenza che è a monte del tratto del gene da trascrivere.

Cosa vuol dire che a monte?

Che si trova prima del gene da trascrivere.

E andrà a trovare una certa affinità.

Quindi, è come un'auto che sta cercando il suo parcheggio.

Nel mondo, e a un certo punto, oh!

Trova un posto abbastanza calmo e tranquillo.

E si dice, ma perché no?

Mettiamola qua l'auto.

La stessa la stessa roba avviene a livello dell'RNA polimerasi.

Che ha questo sensore speciale.

Che andrà ad individuare una sequenza nel promotore.

Ok.

Facciamoci spazio e facciamola qua.

Ok.

Andiamo a prendere questa mia zona.

Una e due.

Questo qua è il mio filamento di DNA.

5' 3'.

3' e 5'.

E facciamo caso che qui ho il mio filamento codificante.

Quindi, quello là che contiene il gene, e sotto c'avrò quello stampo.

Quello che utilizzeremo, appunto, per ottenere che cosa?

L'RNA.

Ebbene.

Ho la mia polimerasi.

Che si sta muovendo lungo il solco maggiore.

Anche per la il quantitativo di spazio che ha è maggiore rispetto al solco minore.

E quindi, perché disturbarsi?

Come avere una corsia larga e una minuscola.

Rimango su quella larga.

E quello che succede è che entra questa polimerasi.

Ora, non andrò a ridisegnare subunità alfa e beta, ne farò un tutt'uno.

Però, andrò ad inserire il fattore sigma, che è importante.

Quindi, avrò questa polimerasi.

E qua sotto.

Sì, il rosso, dai.

Avrò il mio fattore sigma.

Quindi, all'interno di questa.

Sigma 70.

Avrò le subunità alfa e le subunità beta.

E anche la subunità omega.

Invece, qui andiamo a focalizzarci a livello dell'omega 70.

Ok.

Cosa accadrà qui?

È che se qui ho il mio gene, chiamato CDS.

Coding sequence, ovvero sequenza unità trascrizionale.

Che mi contiene il mio gene.

Bene.

Lei si sta muovendo.

A un certo punto deve andare a trovare, appunto, questo parcheggio ideale per lei.

E come fa a sentirlo?

Perché qui ci sono dei sensori che mi vanno ad individuare delle zone nel promotore.

Facciamo conto che questo qua tutto sia il promotore.

Normalmente più piccolo.

Però, facciamo così per capire meglio.

Va a livello del promotore e qui ci saranno a livello del promotore.

Delle sequenze a -10 e a -35.

Ok.

-35 cosa?

Basi azotate prima che incominci il mio il mio gene che devo andare a trascrivere in RNA.

Nel momento in cui arriva l'RNA polimerasi, questa va a trovare un'affinità, perché in queste due zone ci sono dei tratti.

Che sono.

Timina, timina, guanina, adenina, citosina e adenina.

E invece qua c'è un tratto chiamato TATAT.

Ora, questo qua è simile al data box.

Che c'è a livello degli eucarioti, però, visto che è stato scoperto prima a livello dei procarioti.

Si chiama Pribnow box.

Che è colui che l'ha scoperto.

Nonostante ciò, abbiamo questo tratto TATAT.

E attenzione.

Quindi, trovati questi due tratti, si dice, ok.

Ho trovato il mio posto e qui devo parcheggiare.

Perché da qui posso incominciare a trascrivere.

Infatti, ciò che andrà a fare.

Perché sono importanti questi due tratti?

Vediamo nel particolare.

Parliamo di questo, del TATAT.

Perché vi può essere importante il TATAT?

Beh.

Perché noi sappiamo che.

Comunque, qui sotto, noi dobbiamo andare ad aprire questi due filamenti.

Perché?

Perché ci sono le basi che si appaiano.

E se si appaiano.

Come faccio io ad entrare in questa zona idrofobica, dove oltre alle forze.

Oltre ai legami di idrogeno, anche le forze di stacking, che sono quelle forze che si vanno ad instaurare tra una base e l'altra.

Contigue tra di loro e cercano di schiacciare questa struttura.

Beh.

Ci deve essere un modo.

E se voglio andare ad aprire questo DNA per far entrare la polimerasi e trascrivere in questo tratto.

Logicamente non dovrò andare ad aprire tutto il DNA.

E non dovrò partire da Lori C, che è l'origine dal quale parte la replicazione del DNA.

Ma mi servirà soltanto questo tratto.

E noi sappiamo che.

Tra l'adenina e la timina, rispetto alla citosina e la guanina.

Quanti legami di idrogeno ho?

Ne ho due.

E qui quanti ne ho?

Ne ho tre.

Quindi, se voglio andare a favorire l'apertura a valle, io non andrò a scegliere una zona ricca di citosina e guanina.

Ma una zona ricca di timina e adenina.

Perché, appunto, qui sarà più facile aprire tutto.

Ed è proprio quello che succederà.

Ciò che succederà è che una volta arrivata la RNA polimerasi e trovato il giusto fitting a livello del suo promotore.

Quello che accadrà è che tenderà ad aprirsi per 10-12 basi.

E questo basta per fare in modo che la mia RNA polimerasi possa entrare in azione e in media va a sintetizzare una quarantina, cinquantina di basi al secondo.

Quindi, in un secondo va ad aggiungermi 40 ribonucleosidi trifosfati.

E va ad effettuare questi attacchi nucleofili, rilasciandomi i vari pirofosfati che escono all'esterno.

Quindi, è importantissimo.

E successivamente potrà andarmi a codificare questo gene, come abbiamo visto qua.

Quindi, filamento codificante sotto.

È è quello sopra, va a distaccarsi.

Qua oltre il primo e il 5'.

E quindi, andrà ad inserirsi qui l'RNA polimerasi.

E andrà ad effettuare l'apertura.

Andrà ad effettuare l'apertura e successivamente la trascrizione.

A livello di questo tratto.

Bene.

Ora, in realtà, queste sequenze, bene o male, ci sono a livello di tutti i promotori.

Quindi, ci dovrà essere un qualcos'altro.

Che mi porterà a regolare la trascrizione dei geni che trovo all'interno di questo DNA dei batteri.

Ed effettivamente ci sono due tipologie di promotori.

Abbiamo uno, promotore forte.

E numero due, il promotore debole.

Ok.

Facciamo conto che questo fattore sigma.

È come un un mostro enorme che possiede sei braccia.

Quindi, se qui mi va ad utilizzare due braccia per abbracciare questo tratto e quest'altro tratto.

In realtà ce ne sono anche altri internamente.

Che vengono individuati e che sono rispettivi per questo promotore.

Quindi, questo qua sarà un promotore forte, in questo caso, perché con le sue sei braccia andrà ad abbracciare.

Che cosa? Tutti questi tratti che troverà qui dentro.

Ci sono, tuttavia, dei casi in cui, per esempio.

Ci possono essere dei promotori che è vero che hanno bisogno di sei braccia.

Però, sono sparpagliate e non va bene per la dimensione.

Magari di quel fattore sigma, che è troppo grande o troppo piccolo per andare ad abbracciarle completamente.

E quindi, in quei casi, verranno definiti come dei promotori deboli.

Questo non vuol dire che se un promotore debole, una volta che arriva la mia RNA polimerasi, facendo tutto questo giro sul solco maggiore, non andrà a trascrivere.

No, potrà andare a trascrivere.

Tuttavia, visto che non ci sarà tanta affinità, ecco che avremo un numero di trascritti.

Quindi, un numero di mRNA.

Che otteniamo, che sono ben inferiori rispetto a quelli là che mi potrebbe dare un promotore forte.

E quindi, è molto importante gestire è molto importante che ci sia una regolazione.

Anche a livello dei batteri.

Facciamo ora due accenni sul processo di elongazione di questo RNA.

E su un'altra cosa importante, come ho un inizio, devo a un certo punto avere la fine.

È vero che qui abbiamo detto che avrò un codone di stop e un codone iniziale.

Tuttavia, questo qua è il codone iniziale e di stop.

Per la traduzione.

Non per la trascrizione.

Quindi, in qualche modo, dovrò sapere l'RNA polimerasi, ok.

È arrivato il punto di fermarmi.

Sennò continuerà a trascrivere, trascrivere, trascrivere tutto.

E sarà un lavoro inutile, oltre che richiedere tantissima energia.

Pure a livello della nostra cellula.

Quindi, ci dovrà essere un meccanismo.

Allora, incominciamo a dire che nel momento in cui va l'RNA polimerasi.

Ok, facciamola qui.

Va dritto e mi trascrive.

Anzi, spostiamoci qua.

Questo qua è il mio filamento stampo.

Qua c'è la mia RNA polimerasi.

Che sta avanzando.

Se il mio filamento stampo.

Ha qui il 5' e qui il 3'.

Ok.

Questo sarà avanzando in questa direzione.

E mentre che sarà avanzando, andrà a trascrivermi il mio mRNA.

Quindi, questo qua è il tratto di mRNA.

Sta andando avanti e lo sta trascrivendo.

Beh, una cosa che possiamo notare subito è che manca il fattore sigma.

Perché?

Perché dopo all'incirca un 10 nucleotidi sintetizzati, ecco che il fattore sigma si rimuove.

Basta, non ne abbiamo più bisogno.

Successivamente, ne verrà aggiunto un altro a questa futura RNA polimerasi che si andrà a distaccare.

Ora, ci saranno due modi per terminare questa replicazione.

Una è che nel momento in cui sta trascrivendo, andrà a trovarsi alla fine con un trascritto.

Che a valle, al termine di questo trascritto, mi porterà la formazione di che cosa?

Così, avrò magari questo tratto.

E alla fine avrò una forcina.

Ok, questa tipologia di terminazione si chiama IT.

IT termination.

Tuttavia, ci può essere un'altra tipologia di terminazione.

Che si chiama rho dependent.

Ora, soltanto per tenere traccia.

Questo qua è il mio RNA.

Lo riportiamo qui verde.

Quello che andrà a fare è l'inseguimento.

Per andare successivamente a legare attorno a sé l'RNA.

Legando attorno a sé l'RNA, porterà successivamente alla terminazione di questa replicazione.