Biologia animale - parte 2

LA TRASCRIZIONE

L'informazione genetica contenuta nella molecola di DNA è scritta in un alfabeto formato da

quattro desossiribonucleotidi, che rappresentano le basi del codice genetico. Tuttavia, per

permettere al macchinario cellulare di utilizzare questa informazione e produrre le molecole

necessarie alla cellula, il messaggio scritto nel DNA deve essere tradotto in una forma

comprensibile per gli altri componenti cellulari.

Questo compito di traduzione è affidato alle molecole di RNA, che agiscono come

intermediari tra il DNA e i complessi proteici.

Il processo con cui l’informazione dal DNA viene riscritta in RNA si chiama trascrizione.

Esistono diversi tipi di RNA, ciascuno con ruoli

specifici:

-​ RNA codificanti: tra questi troviamo l’mRNA

(RNA messaggero), che trasferisce

l'informazione genetica per la sintesi delle

proteine, l’rRNA (RNA ribosomiale), che

costituisce i ribosomi, e il tRNA (RNA di

trasporto), che porta gli amminoacidi

necessari per assemblare le proteine.

-​ RNA non codificanti: includono il TERC, che

partecipa alla duplicazione dei telomeri (le

estremità dei cromosomi) per prevenire la

loro erosione, e l’Xist, che inattiva uno dei

due cromosomi X nelle femmine per

equilibrare il patrimonio genetico. Tra gli altri

ci sono:

-​ SnRNA (small nuclear RNA), coinvolto nello splicing e nella maturazione

dell’mRNA;

-​ SnoRNA** (small nucleolar RNA), necessario per la maturazione dell’rRNA;

-​ ScRNA** (small cytoplasmic RNA), che trasporta i componenti ribosomiali al

reticolo endoplasmatico,

-​ miRNA** (microRNA), che regola l'espressione genica inibendo la traduzione

e controlla circa un terzo dei geni umani.

Perché la trascrizione avvenga, sono essenziali:

Il DNA stampo da cui copiare l’informazione,

➢​ L’RNA polimerasi, che catalizza la sintesi dell’RNA,

➢​ I ribonucleosidi trifosfati (ATP, GTP, CTP e UTP) come substrati per la nuova catena

➢​ di RNA,

I segnali che indicano l’inizio e il termine della trascrizione (unità di trascrizione),

➢​ La complementarietà delle basi azotate, principio grazie al quale l’RNA si forma

➢​ seguendo il modello dell’elica stampo del DNA.

Giulio Iozzi 1

PROCARIOTI

La trascrizione nei procarioti è un processo chiave

per la sintesi di RNA, guidato dall'enzima RNA

polimerasi. Questo grande complesso enzimatico si

lega a una sequenza specifica di DNA chiamata

promotore, che si trova solitamente all'inizio del

gene.

Il promotore funge da punto di partenza per l'RNA

polimerasi, indicandole dove iniziare a trascrivere il

DNA. Per riconoscere il promotore, l’RNA polimerasi

utilizza una sua subunità specifica, detta subunità σ,

che stabilisce la direzione della trascrizione e

l'orientamento del DNA da copiare.

Il promotore è caratterizzato da due sequenze specifiche, chiamate -35 e -10 (note anche

Pribnow box), che si trovano rispettivamente a 35 e 10 nucleotidi prima del sito di

come

inizio della trascrizione. La Pribnow box è ricca di adenine e timine (A e T), e serve come

segnale per l'RNA polimerasi per identificare correttamente il punto di avvio. Una volta

individuato il promotore, l’RNA polimerasi si lega e inizia a separare i due filamenti di DNA

rompendo i legami a idrogeno che li tengono uniti.

A questo punto, l’RNA polimerasi comincia a leggere il filamento stampo del DNA in

filamento di RNA complementare in direzione 5' - 3'.

direzione 3' - 5' e sintetizza un

Questo nuovo filamento di RNA è praticamente identico al filamento codificante del DNA

(eccetto che, al posto della timina, utilizza l'uracile).

Durante il processo, l’enzima RNA polimerasi catalizza la formazione di legami

tra i ribonucleotidi trifosfato, ovvero i "mattoncini" dell’RNA, in modo da

fosfodiesterici

costruire una catena di RNA.

L’RNA polimerasi dei batteri è costituita da un apoenzima

di quattro subunità:

(core)

-​ 2 subunità alfa,

-​ 1 beta e

-​ 1 gamma.

Questo apoenzima forma il complesso che, una volta

associato alla subunità sigma, diventa l’oloenzima, che ha

la capacità di riconoscere i promotori e avviare la

trascrizione.

Durante la fase di allungamento della catena di RNA, la

subunità sigma si stacca, e l’RNA polimerasi prosegue la

nuovi ribonucleotidi

trascrizione aggiungendo

della catena in formazione.S

all'estremità 3'

Giulio Iozzi 2

La trascrizione subisce delle pause nei punti del DNA poiché i legami G-C sono più difficili

da rompere, essendo costituiti da tre legami a idrogeno rispetto ai due legami dei siti A-T.

Le pause possono segnare i punti in cui l’RNA polimerasi rallenta notevolmente o si arresta

del tutto, facilitando il distacco del trascritto RNA appena sintetizzato.

Esistono due modalità principali di terminazione della trascrizione nei batteri.

1)​ La prima è la terminazione indipendente, dove la formazione di una struttura a

forcina o loop nell’RNA, costituita da una sequenza ricca di G-C, destabilizza il

complesso di trascrizione e facilita il distacco dell’RNA polimerasi dal DNA.

2)​ La seconda modalità dipende dal cosiddetto fattore ρ (rho), una proteina che

riconosce il trascritto e, sfruttando le pause dell’RNA polimerasi, si lega a essa

favorendo il rilascio dell’RNA dal complesso di trascrizione.

EUCARIOTI

Gli organismi eucarioti possiedono un sistema complesso di regolazione genica, che

consente loro di adattarsi a diverse condizioni ambientali, come variazioni nella disponibilità

di nutrienti o situazioni di stress. Questa capacità di regolazione è particolarmente

importante negli organismi pluricellulari, come piante e animali, dove la complessità dei

tessuti e la specializzazione delle cellule richiedono un controllo genico molto preciso.

Infatti, una regolazione accurata dei geni è essenziale per assicurare che essi vengano

espressi correttamente nelle varie fasi di sviluppo e durante l’intero ciclo vitale. Inoltre, è la

regolazione genica a determinare le differenze tra i diversi tipi di cellule all'interno di un

organismo.

Negli eucarioti, il processo di trascrizione è mediato da tre tipi di RNA polimerasi, ognuna

delle quali riconosce promotori specifici e trascrive diverse categorie di RNA:

1.​ RNA polimerasi I: specializzata nella sintesi degli rRNA, tranne quello 5S.

2.​ RNA polimerasi II: trascrive l’mRNA, diversi piccoli RNA nucleari (snRNA),

microRNA e RNA lunghi non codificanti.

3.​ RNA polimerasi III: si occupa della trascrizione del tRNA, dell’rRNA 5S e di altri

piccoli RNA.

Queste polimerasi non lavorano da sole ma richiedono l’azione di proteine aggiuntive

fattori generali di trascrizione (GTF), che contribuiscono a riconoscere il

chiamate

promotore, legare il DNA, srotolare la doppia elica e preparare il tutto per l’inizio della

trascrizione.

Nel caso della RNA polimerasi II, i GTF principali sono numerosi e ognuno con un ruolo

specifico nel facilitare il legame e l'attivazione della polimerasi.

Giulio Iozzi 3

Nel DNA degli eucarioti, il sito di inizio della trascrizione è

preceduto da sequenze di controllo che permettono

l’attacco dei fattori generali di trascrizione e dell’RNA

polimerasi. Una delle principali sequenze promotrici è la

TATA box, la quale serve da punto di ancoraggio per il

TBP che

fattore di trascrizione, il quale contiene la

riconosce la TATA box e induce una curvatura del DNA,

facilitando l’attacco di altri fattori di trascrizione.

A volte, una seconda sequenza chiamata CAAT box,

situata ancora più a monte, aiuta ulteriormente nel

reclutamento dei fattori di trascrizione.

Dopo che TBP si è legato alla TATA box, altri fattori generali

di trascrizione si attaccano alla sequenza del promotore,

formando un complesso che recluta l’RNA polimerasi II e

prepara il sito per l’avvio della trascrizione.

Perché la polimerasi inizi a trascrivere, la coda della RNA

polimerasi deve essere fosforilata in più punti, processo

che richiede ATP.

Una volta avviata, la RNA polimerasi II apre la doppia elica

di DNA, rompendo i legami a idrogeno tra le basi e creando

una bolla di trascrizione.

La polimerasi si occupa di copiare una delle due eliche del

elica stampo, in una sequenza complementare

DNA, detta

di RNA. La catena di RNA cresce in direzione 5’P → 3’OH,

seguendo un modello di tipo a chela di granchio.

Gli elementi necessari per la sintesi di RNA sono i nucleotidi di adenosina trifosfato

o altri come GTP, CTP, UTP, che forniscono l’energia necessaria per i legami

(ATP),

fosfodiesterici tra i nucleotidi dell’RNA nascente.

Il segmento di DNA che viene copiato è ciò che chiamiamo gene, e deve possedere

sequenze specifiche che guidano l'RNA polimerasi, indicando dove iniziare e dove terminare

la trascrizione.

La trascrizione si conclude quando la RNA polimerasi II incontra specifiche sequenze di

terminazione. A valle di queste sequenze, le proteine associate alla polimerasi inducono un

taglio nell’RNA nascente e si forma una coda di poli-A al termine 3’ del trascritto. Questa

coda è essenziale per la stabilità dell’mRNA e per la sua successiva esportazione dal nucleo

al citoplasma.

Giulio Iozzi 4

FATTORI DI REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE

Negli eucarioti, la trascrizione non è solo regolata da fattori generali, ma anche da proteine

regolatrici che modulano l'efficienza e la

velocità di questo processo.

Gli attivatori e repressori sono proteine

che si legano a specifiche sequenze di

DNA per aumentare o inibire la

trascrizione.

Gli attivatori si legano a sequenze dette

enhancer, incrementando il tasso di

trascrizione, mentre i repressori si legano

a sequenze chiamate silenziatori e

inibiscono l’attività trascrizionale.

Nonostante possano trovarsi anche molto lontano dal promotore, la struttura del DNA

permette loro di agire grazie alla sua flessibilità: piegandosi, il DNA può avvicinare gli

attivatori o ai repressori alla polimerasi, permettendo loro di esercitare il proprio effetto

regolatorio anche da grande distanza.

MATURAZIONE DELL m-RNA EUCARIOTICO

La maturazione dell’mRNA eucariotico è un

processo complesso che distingue in modo

significativo gli eucarioti dai procarioti.

-​ Nei procarioti, un singolo trascritto può

codificare più proteine in modo

continuo, e l’estremità 5' del trascritto

termina con tre fosfati.

-​ Negli eucarioti, invece, ogni trascritto

mRNA codifica in genere una sola

proteina, e subisce modifiche

specifiche sia all'estremità 5' sia

all'estremità 3', necessarie per il

corretto funzionamento e stabilità del

messaggero.

Nei geni eucariotici troviamo sequenze segmentate, composte da esoni (sequenze

codificanti) e introni (sequenze non codificanti).

L'mRNA eucariotico deve subire varie modificazioni per diventare funzionale:

l’aggiunta di un cappuccio al 5';

➢​ una coda di poli-A al 3';

➢​ lo splicing per rimuovere gli introni,

➢​ talvolta anche, un processo chiamato editing per modificare le sequenze codificanti.

➢​

Giulio Iozzi 5

L’aggiunta del cappuccio (o CAP) consiste nel legare una guanosina monofosfato (GMP)

all’estremità 5' dell’mRNA, attraverso un legame che comporta la perdita di un fosfato e il

capovolgimento della GMP stessa.

Il cappuccio serve a proteggere l’mRNA dalle ribonucleasi, che altrimenti degraderebbero

l’mRNA, e facilita anche il legame del ribosoma, fondamentale per l’inizio della traduzione.

Inoltre, il cappuccio è necessario affinché l’mRNA possa attraversare i pori nucleari ed

essere esportato nel citoplasma, dove avverrà la sintesi proteica.

All’estremità 3' dell’mRNA viene aggiunta una lunga sequenza di adenine, la coda poli-A.

Questa coda serve a stabilizzare l’mRNA, proteggerlo dalla degradazione nel citoplasma e

facilitare il trasporto.

La poliadenilazione è mediata da specifici fattori proteici che riconoscono il segnale di

poliadenilazione e tagliano l’mRNA in prossimità del sito di aggiunta della coda poli-A.

SPLICING

Il processo di splicing elimina le sequenze introniche dal

cuce insieme gli esoni

trascritto primario (pre-mRNA) e

per formare l’mRNA maturo.

Nello splicing, gli spliceosomi (complessi di snRNA e

proteine (snRNP)) riconoscono le sequenze specifiche

agli estremi degli introni, tipicamente GU all’estremo 5' e

AG all’estremo 3'.

Durante il taglio, si forma una struttura chiamata lariat, o

cappio, in cui l’introne viene eliminato e gli esoni si

uniscono. Questo processo avviene in particolari regioni

nucleari dette speckles, e l’mRNA maturo ottenuto

presenta, a partire dal 5', il CAP, una regione non

tradotta, la sequenza codificante con il codone di inizio e

fine, e infine il segnale di poliadenilazione seguito dalla

coda poli-A.

Quando lo splicing è completato, lo spliceosoma associa

junction

al trascritto un complesso proteico, l’exon

complex, che segnala che l’mRNA è pronto per essere

esportato.

Una caratteristica interessante dello splicing è che può avvenire

in modo alternativo: lo stesso trascritto primario può generare

mRNA diversi in base alla combinazione variabile di esoni inclusi

splicing alternativo permette agli eucarioti di

o esclusi. Questo

ottenere una gamma di proteine diversificate da un numero

relativamente limitato di geni.

Alcuni introni, infatti, possono essere trattati come esoni in

specifiche condizioni, ampliando ulteriormente la varietà proteica.

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EDITING

Infine, il processo di editing modifica la sequenza di

alcuni nucleotidi dell’mRNA, alterando il contenuto

proteico risultante. Questo fenomeno è stato

inizialmente osservato nell'mRNA mitocondriale dei

protozoi, ma è presente anche negli eucarioti

superiori.

L'editing può consistere nell'inserzione o

eliminazione di nucleotidi, come avviene in alcuni

protozoi e muffe, o in modifiche enzimatiche dirette

nei mammiferi.

Un esempio è il gene dell’apolipoproteina B, che

subisce editing nell'intestino (ma non nel fegato),

generando due proteine diverse a seconda del

tessuto in cui si trova.

Gli mRNA a questo punto vengono esportati nel

citoplasma attraverso il complesso del poro

nucleare grazie all’azione di alcune proteine che

riconoscono queste particolari caratteristiche della

maturazione.

IL CODICE GENETICO

Il codice genetico rappresenta un insieme di regole che permette di interpretare

l’informazione genica, traducendo le sequenze di nucleotidi in amminoacidi.

In pratica, si passa da 4 basi azotate (adenina, citosina, guanina, uracile) a una catena

polipeptidica composta da 20 amminoacidi.

Per codificare un amminoacido sono necessarie tre basi consecutive, dette triplette, poiché

un singolo nucleotide non può bastare. La combinazione di 3 basi genera 4^3 = 64 triplette,

sufficienti a codificare 64 amminoacidi, ma il numero totale di amminoacidi richiesti è solo

20.

Questo porta a due effetti fondamentali, ovvero:

Codoni sinonimi: più triplette possono codificare per lo stesso amminoacido,

➔​ fenomeno noto come degenerazione del codice genetico.

Codoni non senso: alcune triplette (UAA, UGA, UAG) non codificano per alcun

➔​ amminoacido, ma fungono da segnali di termine della traduzione.

Ogni tripletta di basi prende il nome di codone, e l’insieme di tutte le triplette codificanti

(compresi i segnali di inizio e di stop) costituisce il codice genetico.

Questo codice è:

●​ Universale: identico per quasi tutti gli organismi finora studiati.

●​ Continuo: privo di segni di punteggiatura tra i codoni.

●​ Degenere: alcune triplette codificano per lo stesso amminoacido.

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Il codone di inizio AUG codifica per la

metionina e stabilisce il punto di

partenza della traduzione, fondamentale

per leggere correttamente il messaggio

genetico.

Se il punto di inizio non è corretto, si

rischia di tradurre proteine errate. Inoltre,

eventuali mutazioni nella sequenza,

come la perdita o l’aggiunta di una base

(mutazioni frameshift), possono

compromettere completamente la sintesi

proteica.

Un aspetto interessante del codice

genetico è la variabilità della terza base

oscillazione rende il codice più robusto: una mutazione nella

nei codoni sinonimi. Questa

terza posizione ha spesso un impatto minimo sulla sequenza proteica finale.

Infine, la lettura del messaggio genetico avviene per codoni consecutivi, senza spazi

intermedi, e richiede un ordine preciso e una complessità che riflette l’elevata

organizzazione delle informazioni genetiche.

TRASCRIZIONE PROTEICA

Nella trascrizione l'informazione trascritta dell'mRNA viene convertita in una sequenza di

tRNA (RNA transfer) è una molecola essenziale nel processo

amminoacidi della proteina. Il

di traduzione, responsabile del trasporto degli aminoacidi dal citoplasma al ribosoma e del

loro corretto posizionamento sull’mRNA. Ha una struttura caratteristica che gli consente di

svolgere questa funzione cruciale, mediando il legame tra i codoni dell’mRNA e gli

amminoacidi corrispondenti.

La struttura del tRNA può essere rappresentata come un trifoglio planare, formata grazie a

legami idrogeno tra basi complementari. Tutte le molecole di tRNA hanno la stessa forma

costituita d