Riassunto esame Biologia e biologia molecolare, Prof. Rimini Carlo Pirro, libro consigliato Biologia molecolare , Alberts

MATURAZIONE DEL RNA

I   processi   che   portano   alla   maturazione   del   RNA   sono   fondamentali   nel   controllo  

dell’espressione  genica  e,  soprattutto  in  alcune  fasi,  come  quelle  che  riguardano  i  meccanismo  

di  splicing,  sono  coinvolti  in  numerose  patologie.    

Con  il  termine  RNA  eterogeneo  nucleare  (hnRNA)  s’indica  la  molecola  di  RNA  prodotta  dalle  

RNA  polimerasi  eucariotiche.  Un  altro  termine  con  cui  viene  indicata  questa  molecola  è  pre-­‐

mRNA,   perché   precede   la   sequenza   di  mRNA  maturo.  I  fenomeni  che  consentono   di  passare  

alla  forma  matura  sono  il  meccanismo  di  capping,  quello  di  poliadenilazione  e  lo  splicing.    

La   stabilità   del   messaggero   è   diversa   tra   procarioti   ed   eucarioti:   nei   procarioti   è  

estremamente   labile,   viene   degradato   subito   dopo   la   sintesi   proteica  (la   sua   emivita   è   di   circa  

due   minuti).   Ciò   avviene   perché   i   batteri   devono   adattarsi   velocemente   ai   cambiamenti  

ambientali,  e  questo  si  traduce  nello  spegnimento  e  accensione  di  geni  diversi.  Negli  eucarioti,  

la   stabilità   del   messaggero   varia   da   una   a   ventiquattro   ore,   tuttavia   esistono   dei   casi   in   cui  

molecole   di   mRNA   vengono   mantenute   in   forma   inerte,   dal   punto   di   vista   della   sintesi  

proteica,  nel  citoplasma  delle  cellule.    

Altre  modifiche  post-­‐trascrizionali,  come  lo  splicing  alternativo  e  l’editing  post-­‐trascrizionale  

del   mRNA,   sono   dei   meccanismi   evolutivi   largamente   utilizzati   dalle   cellule   umane,   in  

particolare   come   evento   chiave   nel   generare   la   variabilità   anticorpale   durante   la   maturazione  

degli  anticorpi.    

Procarioti    

Nei   procarioti   la   traduzione   è   associata   alla   trascrizione,   per   cui   la   sintesi   proteica   avviene  

quando  la  polimerasi  non  ha  ancora  terminato  di  sintetizzare  la  molecola  di  messaggero.    

Il   messaggero   viene   degradato   da   enzimi   con   attività   endoribonucleasica,   che   agiscono  

quando   trovano   una   porzione   di   RNA   priva   di   ribosomi.   La   presenza   del   ribosoma,   infatti,  

blocca   la   degradazione.   L’enzima   degradante   è   un   complesso   multi-­‐enzimatico   che   taglia   il  

messaggero  cominciando  dall’interno  della  molecola.    

Le  molecole  di  RNA  messaggero  sono  distinte  in  più  parti.    

  È  presente  una  sequenza  di  RNA  al  5’  non  tradotta  chiamata  5’-­‐UTR.    

• C’è  quindi  un  codone  d’inizio,  che  nei  procarioti  è  preferenzialmente  il  codone  AUG.    

• Successivamente  si  trova  la  sequenza  codificante  per  la  proteina  corrispondente.    

• Infine,   si   trova   un   codone   di   STOP   (UAG,   UAA   o   UGA)   induce   l’arresto   della   sintesi  

• proteica.    

Dopo  il  codone  di  STOP  si  trova  una  sequenza  di  RNA  non  codificante,  di  dimensione  

• variabile,   detta   RNA   intercistronico,   che   è   seguita   da   un   altro   codone   d’inizio,   da   cui  

prende  inizio  la  sintesi  proteica  del  nuovo  gene.    

Eucarioti    

Come  detto,  le  molecole  di  messaggero  necessitano  un  processo  di  maturazione,  che  prevede  

degli   eventi   obbligati   quali   il   capping   al   5’,   lo   splicing,   la   poliadenilazione,   e   un   evento  

opzionale  qual  è  l’editing,  che  non  avviene  in  tutte  le  cellule.    

  Il   capping   identifica   una   particolare   modifica   del   pre-­‐mRNA,   che   viene   introdotta  

• durante   la   trascrizione,   perché   appena   il   gene   viene   trascritto   c’è   un   sistema  

enzimatico   che   modifica   il   5’.   La   polimerasi   stessa   posiziona   questi   enzimi   di  

modificazione  tramite  la  coda  carbossi-­‐terminale.  Questa  modifica  avviene  grazie  a  tre  

enzimi:  la  RNA  trifosfatasi,  la  guanil-­‐transferasi  e  la  metil-­‐transferasi,  che  fa  in  modo  di  

formare   un   legame   fosfodiestereo   particolare   in   cui   un   residuo   di   guanosina   viene  

legato   con   un   legame   5’-­‐5’   al   primo   nucleotide   di   RNA   eterogeneo.   Dopo   che   è   stato  

introdotto   il   residuo   di   guanosina,   la   metil-­‐transferasi   introduce   in   posizione   7   della  

guanina   un   gruppo   metile.   Residui   di   metilazione   possono   essere   introdotti   anche   a  

livello  di  altri  nucleotidi.    

Il   secondo   evento   di   maturazione,   che   è   regolato   e   avviene   quando   la   polimerasi   ha  

• trascritto  tutto  il  gene  d’interesse,  è  il  processo  di  poliadenilazione,  ossia  l’aggiunta  

di  una  coda  di  poliA  di  lunghezza  variabile  tra  i  150  e  200  nucleotidi  al  3’.  Il  segnale  di  

poliadenilazione   è   formato   da   sequenze   che   quando   trascritte   danno   regioni   di  

AAUAAA.  Questo  è  il  consensus  per  la  terminazione,  si  trova  a  una  distanza  varabile  da  

10  a  30  paia  di  basi  a  monte  del  sito  al  cui  livello  avviene  il  taglio.  Questo  consensus  

quindi   funge   da   segnale   di   taglio   e   di   aggiunta   della   coda   di   poliA,   ed   è   riconosciuto  

dalle  proteine  CPSF  e  CTSF,  rispettivamente  il   fattore  di  specificità  del  taglio   e  della  

poliadenilazione   (riconosce   il   segnale   di   terminazione)   e   il   fattore   che   stimola   il  

taglio  idrolitico  al  3’.  Quando  la  polimerasi  perde  CPSF  e  CTSF  la  sua  processività  si  

riduce.     La   coda   di   poliA   interagisce   con   il   capping   al   5’   tramite   una   proteina   chiamata  

PABP.   PAP   (poliA   polimerasi),   reclutata   da   CTSF,   è   l’enzima   che   aggiunge   la   coda   di  

poliA;   è   una   RNA   polimerasi   che   aggiunge   residui   adenilici   senza   bisogno   di   uno  

stampo,  ma  solo  di  un  innesco.  La  presenza  del  capping  e  della  coda  di  poliA  regola  il  

processo   di   traduzione.   Inoltre,   il   capping   e   la   coda   di   poliA   proteggono   la   molecola   di  

RNA   dalla   degradazione   da   parte   di   enzimi   con   attività   esonucleasica   di   tipo   5’-­‐3’   se  

degradano  dal  capping  e  3’-­‐5’  se  partono  alla  coda  di  poliA.    

Lo   splicing   avviene   quando   tutto   il   gene   è   stato   trascritto   dalla   polimerasi,   in  

• concomitanza  con  gli  eventi  precedenti.      

Dopo   questa   serie   di   eventi,   il   messaggero   è   maturo,   e   passati   una   serie   di   controlli   della  

qualità   viene   trasportato   al   citoplasma   dove   può   essere   tradotto   in   proteine   dai   ribosomi.  

Questo  processo  impiega  quattro  ore.    

La  RNA  polimerasi,  dopo  aver  trascritto  la  sequenza  di  terminazione  e  dopo  che  questa  è  stata  

tagliata,   continua   a   trascrivere;   tuttavia,   il   successivo   RNA   non   subisce   il   processo   di   capping,  

per   cui   è   immediatamente   aggredito   dalle   esonucleasi   che   cominciano   a   degradarlo   con  

attività  5’-­‐3’  fino  a  raggiungere  la  polimerasi  e  a  scalzarla  dal  DNA.  Questo  modello  è  detto  a  

siluro.   Il   modello   allosterico,   invece,   spiega   questo   processo   sostenendo   che   la   polimerasi  

dopo  il  taglio  perda  affinità  con  il  DNA.    

Il   taglio   sembra   essere   il   frutto   di   un’attività   ribozimica   della   porzione   a   valle   del   sito   di  

terminazione,  che  si  strutturerebbe  in  forme  tridimensionali  e  svolgerebbe  un’attività  di  tipo  

endoribonucleasico  su  se  stesso.    

Il   degradosoma   è   un   complesso   multi-­‐enzimatico   che   degrada   le   molecole   di   mRNA   nei  

batteri.   Gli   enzimi   coinvolti   sono   la   ribonucleasi   E,   con   attività   endoribonucleasica,   la  

PNPasi,  con  attività  esoribonucleasica,  e  l’elicasi,  che  svolge  le  strutture  a  doppio  filamento  

che   si   vengono   a   formare.   Il   primo   enzima   che   interviene   è   la   ribonucleasi   E,   che   quando  

incontra  una  regione  di  RNA  priva  di  ribosomi  introduce  un  taglio,  il  quale  fa  sì  che  l’attività  

esonucleasica  3’-­‐5’  di  PNPasi  possa  degradare  la  molecola  di  RNA.  La  direzione  complessiva  

della   degradazione   è   5’-­‐3’   ma   avviene   grazie   all’attività   3’-­‐5’   della   esonucleasi  

(l’accorciamento  è  in  senso  5’-­‐3’).    

Negli  eucarioti  vi  sono  due  meccanismi  diversi  che  degradano  le  molecole  di  messaggero.    

  La   via   5’-­‐3’,   è   la   via   prevalente   e   si   trova   a   livello   del   citoplasma.   In   questa   via   è  

• necessario  un  sistema  che  rimuova  la  coda  di  poliA  e  il  capping,  le  due  modifiche  che  

stabilizzano  le  molecole  di  messaggero.    Vi  sono  dei  segnali  particolari  in  posizione  3’  

non   tradotto   sulle   molecole   di   RNA,   come   la   sequenza   ARE   (sequenza  

destabilizzatrice),   che   vengono   riconosciute   dal   sistema   di   degradazione   e  

determinano  la  vita  media  di  un  RNA.  In  questo  modo  si  può  controllare  l’espressione  

di   quel   gene.   Delle   endonucleasi   poi   tagliano   quel   RNA.   Nella   via   di   degradazione   5’-­‐3’,  

ci   sono   degli   enzimi   specifici   per   rimuovere   il   capping   e   la   coda   di   poliA:   una  

esonucleasi   con   attività   3’-­‐5’   degrada   la   coda   di   poliA,   la   proteina   PABP   non   è   più   in  

grado  di  rimanerle  legata  e  il  distacco  fa  sì  che  possa  essere  degradato  anche  il  capping,  

perch&eacu