Dal DNA alle proteine

Dal DNA alle proteine: come la cellula legge il genoma

La trascrizione e la traduzione sono dei processi tramite i quali la cellula legge, quindi esprime, le istruzioni genetiche contenute nei suoi geni. Dallo stesso gene si possono trarre molte copie identiche di RNA e ogni molecola di RNA può dirigere la sintesi di molte molecole proteiche identiche. Queste amplificazioni successive permettono alle cellule di produrre la quantità necessaria di una proteina.

Una cellula può modificare l'espressione di ciascuno dei suoi geni a seconda delle esigenze del momento.

Tratti della sequenza di DNA vengono trascritti in RNA

Per la cellula il primo passo verso la lettura di uno tra le molte migliaia di geni consiste nel copiarne la sequenza nucleotidica in RNA (trascrizione). In questo processo l'informazione rimane scritta sostanzialmente nello stesso linguaggio, ossia quello dei nucleotidi. L'RNA è un polimero lineare formato da 4 tipi diversi di subunità nucleotidiche uniti attraverso dei legami fosfodiesterici. Differisce chimicamente dal DNA per due aspetti:

1. I nucleotidi sono ribonucleotidi, questo significa che contengono lo zucchero ribosio.
2. Contengono la guanina, l'adenina, la citosina, ma al posto della timina contengono l'uracile (U).

Quindi il DNA e l'RNA differiscono abbastanza radicalmente per quanto riguarda la struttura complessiva. Mentre nella cellula il DNA assume una struttura a doppia elica, l'RNA è a singolo filamento, quindi una catena di RNA può ripiegarsi in tanti modi, come accade a una catena polipeptidica che forma una proteina, mentre il DNA a doppia elica non può farlo (esistono vari tipi di RNA che svolgono diversi ruoli strutturali, di regolazione e persino catalitici).

La trascrizione produce RNA complementare al DNA

All'RNA uno dei filamenti del DNA

Tutto l'RNA cellulare deriva dalla trascrizione e questa comincia con l'apertura e la despiralizzazione di un breve tratto di DNA in cui vengono esposte le basi presenti su ciascun filamento, uno dei due filamenti di DNA poi fa da stampo per la sintesi dell'RNA. I ribonucleotidi si aggiungono alla catena di RNA in crescita uno a uno e la sequenza nucleotidica della nuova catena di RNA viene determinata dall'appaiamento complementare sullo stampo di DNA.

Quando l'appaiamento è appropriato, il ribonucleotide ultimo arrivato si unisce covalentemente alla catena di RNA in crescita tramite una reazione chimica catalizzata da enzimi appositi detta RNA polimerasi. Il trascritto di RNA si allunga di un nucleotide alla volta e la sua sequenza è esattamente complementare a quella del filamento di DNA utilizzato come stampo.

Il filamento di RNA non rimane appaiato al DNA stampo tramite legami a idrogeno ma si distacca ed è per questo che le molecole di RNA prodotte nella trascrizione hanno un filamento unico, complementare a uno solo dei filamenti di DNA. Inoltre, derivando dalla copiatura di regioni di DNA molto limitate, le molecole di RNA sono anche molto più corte delle molecole di DNA.

Le RNA polimerasi catalizzano la formazione di legami fosfodiesterici che uniscono i nucleotidi tra loro e formano l'ossatura zucchero-fosfato della catena di RNA. L'RNA polimerasi poi avanza passo passo lungo il DNA, svolgendone la doppia elica quel tanto che basta per esporre una regione del filamento stampo e consentire l'appaiamento delle basi. In questo modo la catena di RNA si allunga di un nucleotide alla volta in direzione 5' --> 3', consumando ribonucleosidi trifosfato (ATP, CTP, UTP e GTP) i cui legami ad alta energia alimentano la reazione, spingendola verso la sintesi.

Dato che il filamento di RNA si distacca quasi immediatamente dallo stampo di DNA è possibile fare molte copie dello stesso gene in tempi relativamente brevi; per un gene di dimensioni medie una molecola di RNA polimerasi impiega circa 50 secondi per la trascrizione.

Anche se l'RNA polimerasi catalizza sostanzialmente la stessa reazione della DNA polimerasi, i due enzimi differiscono per alcuni aspetti importanti:

1. L'RNA polimerasi utilizza i ribonucleotidi come substrati anziché i fosfati e catalizza la formazione del legame tra ribonucleotidi e non tra deossiribonucleotidi.
2. Le RNA polimerasi possono dare inizio a una catena di RNA senza bisogno di innesco (primer).

Questa differenza si vede nel fatto che la trascrizione non dev'essere così accurata come la replicazione del DNA, in quanto le cellule non utilizzano l'RNA come serbatoio permanente dell'informazione genetica, per cui gli errori trascritti di RNA hanno conseguenze relativamente trascurabili per la cellula.

Nella cellula vengono prodotti diversi tipi di RNA

La maggioranza dei geni situati sul DNA cellulare specifica la sequenza amminoacidica delle proteine. Le molecole di RNA copiate da questi geni vengono indicate nel loro insieme come RNA messaggeri (mRNA). Di solito negli eucarioti un mRNA porta l'informazione trascritta per un solo gene e quindi codifica una sola proteina; invece spesso nei batteri un mRNA può essere il trascritto di una serie di geni adiacenti e quindi portare l'informazione relativa a parecchie proteine diverse.

Nel caso di altri geni il prodotto finale è l'RNA stesso. Questi RNA non messaggeri svolgono altre funzioni, tra cui quella delle molecole regolatrici, strutturali o catalitiche della cellula. Svolgono anche ruoli importanti nella traduzione del messaggio genetico in proteine: gli RNA ribosomiali (rRNA) formano il nucleo strutturale di base e catalitico dei ribosomi, sui quali avviene la traduzione dell'mRNA in proteine.

L’RNA transfer (tRNA) costituisce un insieme di adattatori che selezionano specifici amminoacidi e li collocano in posizione opportuna nel ribosoma perché possono essere incorporati correttamente nella proteina.

Il termine espressione genica indica quindi il processo attraverso il quale l’informazione codificata in una sequenza di DNA viene tradotta in una molecola che produce qualche effetto sulla cellula o sull’organismo di cui è parte. Quando il prodotto finale di un gene è una proteina, l’espressione genica comprende una trascrizione e una traduzione, mentre la traduzione non è prevista quando un prodotto è una molecola di RNA.

Appositi segnali sul DNA indicano all’RNA polimerasi dove cominciare e dove finire la trascrizione

Per comunicare e trascrivere, l’RNA polimerasi deve riuscire a riconoscere l’inizio di un gene e legarsi saldamente al DNA in quella posizione. Le RNA polimerasi dei procarioti e degli eucarioti differiscono leggermente per le modalità in cui riconoscono il sito di inizio della trascrizione.

Se un RNA polimerasi urta per caso una molecola di DNA, l’enzima aderisce debolmente alla doppia elica e scivola lungo il DNA. L’RNA polimerasi si attacca a una regione definita promotore, cioè una sequenza specifica di nucleotidi che indica il punto di inizio per la sintesi di RNA.

L’RNA polimerasi apre poi la doppia elica di fronte al promotore per esporre i nucleotidi dei due filamenti per un breve tratto di DNA. Quindi uno dei due filamenti esposti fa da stampo per selezionare tra i nucleotidi in arrivo quelli che si appaiano correttamente, e la polimerasi ne congiunge due per dare inizio alla sintesi della catena di RNA.

L’allungamento della catena procede finché l’enzima incontra un segnale sul DNA che sarebbe il segnale di terminazione, dove si ferma rilasciando lo stampo e il polimero di RNA appena sintetizzato. Questa sequenza di arresto è contenuta all’interno del gene e viene trascritta dall’estremità 3’ del nuovo filamento di RNA.

Dato che la polimerasi deve legarsi saldamente prima che la trascrizione abbia inizio, un segmento di DNA verrà trascritto solo se preceduto da un promotore. Questo garantisce che quei tratti di DNA che contengono un gene verranno trascritti in RNA.

Nella polimerasi batterica il compito di riconoscere il promotore sul DNA spetta principalmente ad una subunità della DNA polimerasi, ossia il fattore sigma.

Ogni base presenta caratteristiche uniche sull’esterno della doppia elica che permettono al fattore sigma di localizzare la sequenza del promotore senza dover separare i due filamenti di DNA. Un altro problema che deve affrontare l’RNA polimerasi è determinare quali dei due filamenti di DNA deve usare come stampo per la trascrizione: ogni filamento contiene diverse sequenze nucleotidiche e produce trascritti di RNA diversi. Il segreto sta nella struttura del promotore perché ogni promotore ha una determinata polarità; contiene due sequenze nucleotidiche a monte del sito di inizio della trascrizione che localizza l’RNA polimerasi,

2. La seconda differenza sta nel fatto che mentre nei batteri l’RNA polimerasi è capace di dare inizio da sola alla trascrizione, l’RNA polimerasi eucariotica richiede il concorso di numerose proteine e, tra queste, le più importanti sono i fattori generali di trascrizione, che devono aggregarsi in corrispondenza del promotore prima che l’enzima possa partire con la trascrizione.
3. La terza caratteristica sta nel fatto che i meccanismi che controllano la trascrizione sono molto più complessi rispetto alla cellula procariote. Nei batteri i geni tendono a essere situati molto vicino l’uno con l’altro nel DNA, separati da tratti brevissimi di DNA non trascritto, mentre negli eucarioti i vari geni sono sparsi nel DNA, intervallati da tratti lunghissimi. Questa architettura del cromosoma fa sì che un singolo gene possa essere controllato da un numero