Riassunto esame Biologia e biologia molecolare, Prof. Bersanelli Marco, libro consigliato Biologia molecolare, Alberts

TRASCRIZIONE DEL DNA

Cenni  generali    

La  trascrizione  è  il  meccanismo  attraverso  cui  il  DNA  viene  copiato  in  RNA;  negli  eucarioti,  in  

particolare   nel   caso   dell’uomo,   circa   il   50%   del   genoma   viene   trascritto.   La   percentuale   del  

genoma  che  codifica  per  proteine  è  1-­‐2%,  quindi  circa  il  4%  è  RNA  codificante  per  proteine,  le  

sequenze   prodotte   in   eccesso   sono   RNA   ribosomiale   per   larga   parte,   prodotto   da   geni   che  

hanno  la  particolare  caratteristica  di  essere  ripetuti  in  tandem.  Una  certa  quota  va  a  formare  i  

tRNA  e  una  parte  significativa  di  RNA,  prodotto  solo  negli  eucarioti,  delle  piccole  molecole  con  

svariate  funzioni  (sono  coinvolte  nei  processi  di  maturazione  degli  RNA  ribosomiali,  snRNA,  e  

hanno  funzione  regolativa  nell’espressione  dei  geni,  i  microRNA  e  siRNA).    

Vi   sono   degli   enzimi   specifici   per   la   sintesi   della   molecola   di   RNA.   Nel   caso   dei   batteri,   vi   è  

un’unica  RNA  polimerasi  che  trascriver  tutti  i  geni  e  tutti  i  tipi  di  RNA.  Negli  eucarioti  c’è  una  

maggiore  specializzazione,  tanto  che  ci  sono  tre  tipi  di  polimerasi.  

  La  

polimerasi  I

 è  coinvolta  nella  sintesi  degli  RNA  ribosomiali.    

• La   polimerasi   II   è   coinvolta   nella   sintesi   di   tutte   le   molecole   di   RNA   codificanti  

• (mRNA)  per  proteine,  ma  anche  i  piccoli  RNA  come  gli  snRNA  e  i  microRNA.    

La   polimerasi   III   è   deputata   alla   sintesi   esclusiva   dei   tRNA,   del   rRNA   5S   e   alcuni  

• snRNA.    

Gli  organelli  come  i  mitocondri  hanno  una  loro  polimerasi  specifica  come  per  la  replicazione.    

Si  definiscono  i  due  filamenti  del  DNA  da  cui  la  molecola  di  RNA  ha  origine,  quello  in  senso  5’-­‐

3’  è  il  filamento  codificante,  l’equivalente  della  molecola  di  RNA  trascritto,  e  quello  in  senso  3’-­‐

5’,   è   il   filamento   stampo.   La   polimerasi   utilizza   il   filamento   stampo   per   la   sintesi   del   trascritto  

che  ha  la  stessa  sequenza  del  filamento  codificante.    

Trascrizione  nei  procarioti  

Nei   procarioti   ma   anche   negli   eucarioti,   si   parla   di   unità   di   trascrizione.   Per   controllare  

l’espressione  di  un  gene  in  maniera  regolare  ci  sono  degli  elementi  che  costituiscono  l’unità  di  

trascrizione:   quelli   posti   a   monte   del   punto   d’inizio   della   trascrizione   del   gene   si   chiamano  

elementi   promotori.   Nel   caso   dei   batteri   una   sequenza   promotrice   contiene   in   posizione   -­‐35  

e   -­‐10,   dal   punto   d’inizio   della   trascrizione,   delle   sequenza   tipicamente   esanucleotidiche  

riconosciute   da   una   delle   subunità   della   RNA   polimerasi   (un   oloenzima):   la   subunità   σ.  

Questi   elementi   definiscono   il   tipo   di   subunità     che   si   lega.   Diversi   elementi   -­‐35   e   -­‐10  

σ  

vengono  riconosciuti  da  subunità    diverse  e  fanno  esprimere  un  gene  in  maniera  controllata,  

σ

tempo   e   luogo   dipendente.   Il   punto   +1   identifica   l’inizio   della   trascrizione;   una   regione   al  

termine   del   gene   che   deve   essere   trascritto   si   chiama   regione   sterminatrice,   ed   è   la   regione  

che  condiziona  il  distacco  della  polimerasi  e  quindi  la  terminazione  della  produzione  di  RNA  

messaggero.  In  ogni  caso,  il  promotore  non  viene  trascritto.    

La  trascrizione  avviene  con  la  formazione  di  una  bolla,  molto  più  piccola  rispetto  a  quella  di  

replicazione;  si  chiama  bolla  di  trascrizione,  ha  una  lunghezza  intorno  a  una  decina  di  paia  di  

basi,   è   il   sito   a   livello   del   quale   al   RNA   polimerasi   inizia   a   sintetizzare   la   molecola   di   RNA.  

L’inizio   della   sintesi   del   RNA   comincia   con   la   deposizione   di   una   piccola   sequenza   di   RNA,  

circa   otto   o   nove   paia   di   basi.   Questo   inizio,   detto   abortivo,   viene   ripetuto   fino   a   quando   la  

polimerasi  non  riesce  a  estendere  la  bolla  di  replicazione,  che  si  sposta  in  direzione  3’  verso  la  

zona   che   deve   essere   trascritta.   La   velocità   di   replicazione   è   di   circa   1000   paia   di   basi   il  

secondo,  la  velocità  di  trascrizione  è  molto  più  lenta,  circa  40  paia  di  basi  al  secondo:  essa  è  

cineticamente  coerente  con  la  velocità  di  traduzione  (15  aminoacidi  al  secondo).  Ciò  definisce  

un   concetto   importante,   che   distingue   i   procarioti   dagli   eucarioti:   infatti,   nei   primi,   la  

trascrizione  è  accoppiata  con  la  traduzione,  quindi  mentre  la  molecola  di  RNA  mentre  viene  

sintetizzata  viene  anche  subito  tradotta.    

La  forma  della  RNA  polimerasi  è  analoga  nei  procarioti  e  negli  eucarioti:  è  simile  a  una  chela  

di  granchio.  Questa  forma  non  è  casuale,  ma  garantisce  il  meccanismo  di  sintesi  del  mRNA.  Il  

meccanismo   di   polimerizzazione   è   analogo   a   quella   della   DNA   polimerasi,   con   la   presenza  

degli  ioni  bivalenti  nel  sito  attivo.    

La   RNA   polimerasi   è   formata   da   diverse   subunità,   delle   quali   solo   è   responsabile   del  

σ  

posizionamento  nella  corretta  posizione,  quindi  con  le  regioni  -­‐35  e  -­‐10  del  promotore.  Nella  

cellula   batterica   la   subunità   è   limitante   in   termini   quantitativi   rispetto   alla   restante   parte  

σ  

del   complesso,   il   nucleo   o   core   della   polimerasi.   Quando   il   fattore   trova   la   sequenza  

σ  

promotrice   specifica   e   interagisce   con   essa,   tramite   dei   contatti   specifici   con   le   basi   che  

rappresentano   il   massimo   dell’interazione,   si   forma   il   complesso   oloenzimatico   che  

comprende   la   subunità   e   il   nucleo   dell’enzima:   questo   complesso   si   chiama   complesso  

σ  

chiuso.  Attraverso  un  sistema  che  prevede  la  denaturazione  della  regione  in  posizione  -­‐10  del  

promotore   (è   ricca   in   adenina   e   timina   e   quindi   facile   da   denaturare)   si   forma   il   complesso  

aperto.   La   formazione   del   complesso   aperto   è   dovuta   all’azione   della   subunità   che   prima  

σ,  

interagisce   con   la   sequenza   -­‐35   e   poi   denatura   la   sequenza   -­‐10.   Il   complesso   si   definisce  

aperto   perché   la   regione   di   DNA   è   stata   denaturata.   Alla   formazione   del   complesso   aperto  

segue  la  sintesi  abortiva:  la  polimerasi  non  continua  nella  sua  sintesi  ma  riprende  un  nuovo  

ciclo.  Quando  è  iniziata  la  sintesi  processiva,  inizia  anche  la  fase  di  allungamento,  che  è  seguito  

dal  distacco  della  subunità   ;  si  ha  la  sintesi  di  tutta  la  sequenza  codificante  per  il  messaggero.  

σ

Quando  la  polimerasi  ha  raggiunto  la  regione  sterminatrice  si  stacca  come  si  stacca  anche  il  

messaggero  neosintetizzato.  Un  evento  chiave  è  il  distacco  della  subunità  σ,  che  contribuisce  

al  riconoscimento  e  alla  formazione  del  complesso  aperto  ma  non  alla  sintesi  processiva.  Le  

sequenze   -­‐35   e   -­‐10   hanno   un   consensus   conservato,   cioè   i   vari   geni   presenti   nelle   cellule  

batteriche   hanno   tipicamente   queste   regioni   con   sequenze   che   poco   si   discostano   tra   loro  

(sono   ricche   di   adenina   e   timina).   Ciò   che   è   varabile,   a   parte   i   nucleotidi,   è   la   spaziatura   tra   le  

sequenze,  tra  sedici  e  diciannove  paia  di  basi;  sia  la  sequenza  presente  a  questo  livello  sia  la  

spaziatura   condizionano   il   fatto   che   possano   essere   riconosciute   da   subunità   diverse,   per  

σ  

cui   l’espressione   di   queste   subunità   è   in   grado   di   modulare   l’espressione   di   geni   differenti.   La  

subunità   contatta   le   sequenze   -­‐35   e   -­‐10   essenzialmente   interagendo   solo   con   le   basi   del  

σ  

filamento  codificante  (solitamente  legami  idrogeno).  Oltre  agli  elementi  -­‐35  e  -­‐10  vi  possono  

essere   in   geni   diversi   degli   elementi   accessori,   per   esempio   l’elemento   UP,   a   monte   di   -­‐35.   UP  

viene   contattato   da   una   delle   subunità   della   polimerasi,   ,   diversa   da   ;   possono   esserci   degli  

α σ

elementi   estesi   in   cui   la   sequenza   -­‐10   ha   una   sequenza   prossimale   contattata   direttamente  

dalla  polimerasi.    

Della   polimerasi   si   riconoscono   cinque   diverse   subunità,   quattro   delle   quali   costituiscono   il  

nucleo  catalitico    o  core  dell’enzima  ( ,   ’),  mentre    costituisce  la  subunità  che  contatta  il  

α2,   β β σ

promotore.  Nelle  cellule  batteriche  vi  sono  un  numero  diverso  di  molecole  che  costituiscono  il  

nucleo   enzimatico   rispetto   alla   subunità   (settemila   per   il   nucleo,   un   terzo   per   per   cui  

σ   σ),  

essa   è   limitante;   vi   sono   alcune   subunità   come   70   che   hanno   la   funzione   di   riconoscere  

σ   σ  

sequenze   sul   promotore   con   consensus   diversi   tra   loro   oppure   con   sequenze   separatrici  

diverse.   Questa   diversità   consente   di   controllare   in   maniera   specifica   l’espressione   di   geni  

diversi   in   funzione   per   esempio   delle   condizioni   metaboliche.   Il   nucleo   enzimatico   può   essere  

reclutato  da  subunit&ag