Trascrizione ed espressione genica

MATURAZIONE E TURNOVER DELL’RNA

Una molecola di RNA appena prodotta dalla trascrizione, chiamata trascritto

primario, spesso deve andare incontro a cambiamenti chimici prima che possa

svolgere la sua funzione nella cellula. Si utilizza il termine di maturazione dell’RNA

per definire tutte le modificazioni chimiche necessarie per produrre un RNA funzionale

dal trascritto primario, che funziona da suo precursore. La maturazione, di solito,

implica la rimozione di regioni del trascritto primario, e può anche includere l’aggiunta

o la modificazione chimica di specifici nucleotidi.

I nucleoli sono coinvolti nella formazione dei

ribosomi

Un’importante componente strutturale del nucleo degli eucarioti è il nucleolo, la

fabbrica dei ribosomi della cellula. Le tipiche cellule eucariote contengono uno o due

nucleoli, ma non è raro che ne contengano di più; in determinate situazioni ne

potrebbero essere presenti centinaia o addirittura migliaia. Le fibrille contengono il

RNA ribosomale (rRNA),

DNA che è stato trascritto in la componente di RNA dei

ribosomi. I granuli sono molecole di rRNA impaccate con proteine (importate dal

citoplasma) per formare le subunità ribosomali. Queste subunità vengono poi

esportate nel citoplasma attraverso i pori nucleari.

Se l’rRNA viene sintetizzato nel nucleolo, anche le sequenze di DNA che codificano per

questo RNA devono trovarsi all’interno della struttura nucleolare. Questa ipotesi è

stata verificata direttamente isolando i nucleoli e dimostrando che essi contengono la

Nucleolus Organizer Region),

regione dell’organizzatore nucleolare (NOR, un

blocco di DNA che contiene copie multiple di geni per l’rRNA. Questi geni ripetuti sono

presenti in tutti i genomi e rappresentano quindi un esempio importante di DNA

ripetuto che contiene informazione genetica.

La dimensione del nucleolo è correlata al suo livello di attività.

La maturazione dell’RNA ribosomale comporta il

taglio di rRNA multipli da un precursore comune

L’RNA ribosomale (rRNA) è la forma più abbondante e stabile di RNA presente nelle

cellule. Di norma, l’rRNA rappresenta circa il 70-80% dell’RNA cellulare totale, il tRNA

costituisce circa il 10-20% e l’mRNA rappresenta meno del 10%. Negli eucarioti, i

ribosomi citoplasmatici contengono quattro tipi di rRNA, normalmente identificati dalle

loro differenti velocità di sedimentazione durante la centrifugazione.

Dei quattro tipi di rRNA presenti nei ribosomi degli eucarioti, i tre più grossi (28S, 18S

e 5,8S) sono codificati da una singola unità di trascrizione, sintetizzata nel nucleolo -

dall’RNA polimerasi I come un unico trascritto primario chiamato pre-rRN. Le

sequenze di DNA che codificano per questi tre rRNA sono separate all’interno

spaziatori trascritti.

dell’unità di trascrizione da segmenti di DNA chiamati La presenza

di tre differenti geni per gli rRNA all’interno di una singola unità di trascrizione assicura

che la cellula produca questi tre rRNA in uguale quantità. La maggior parte dei genomi

eucarioti possiede copie multiple di unità di trascrizione per il pre-rRNA, organizzate in

uno o più blocchi di ripetizioni in tandem. Queste copie multiple facilitano la

produzione delle grandi quantità di RNA ribosomale tipicamente richieste dalle cellule. 2

Dopo che l’unità di trascrizione per il pre-rRNA è stata trascritta dalla RNA polimerasi I,

la risultante molecola di pre-rRNA subisce un processo di maturazione che coinvolge

numerose reazioni di taglio, per rimuovere gli spaziatori trascritti e rilasciare gli rRNA

maturi. Il pre-rRNA viene anche maturato mediante aggiunta di gruppi metilici. Il sito

principale della metilazione è il gruppo 2′-ossidrile del ribosio, sebbene anche alcune

basi vengano metilate. Il processo di metilazione, così come il taglio del pre-rRNA, è

guidato da un particolare gruppo di molecole di RNA chiamate snoRNA, che si legano

a regioni complementari presenti nella molecola di pre-rRNA e identificano siti specifici

per la metilazione o il taglio. S-adenosil

La metilazione del pre-rRNA è stata studiata incubando le cellule con

metionina radioattiva, che rappresenta il donatore del gruppo metile nelle reazioni

cellulari di metilazione. Quando le cellule umane sono incubate con la S-adenosil

metionina radioattiva, tutti i gruppi metilici radioattivi inizialmente incorporati nella

molecola di pre-rRNA si ritrovano nei prodotti finiti di rRNA 28S, 18S e 5,8S, a indicare

che le regioni metilate sono selettivamente conservate durante la maturazione

dell’rRNA. La metilazione può aiutare il processo di maturazione proteggendo

specifiche regioni della molecola di pre-rRNA dal taglio.

(a) L’unità di trascrizione eucariota che include i geni per i tre rRNA più grandi è presente in

molteplici copie, organizzate in tandem. Spaziatori non trascritti (neri) separano le singole

unità. (b) Ciascuna unità di trascrizione include i geni per i tre rRNA (blu) e quattro spaziatori

trascritti (azzurro). (c) L’unità di trascrizione è trascritta dalla RNA polimerasi I in un unico

lungo trascritto (pre-rRNA) con un coefficiente di sedimentazione di circa 45S. (d) La

maturazione dell’RNA permette la formazione delle molecole di rRNA 18S, 5,8S e 28S. Di fatto,

il taglio avviene in una serie di fasi. L’ordine delle fasi varia all’interno delle specie e dei tipi

cellulari, ma i prodotti finali sono sempre gli stessi tre tipi di molecole di rRNA. 2

La maturazione dell’RNA di trasferimento comporta

la rimozione, l’aggiunta e la modificazione chimica di

nucleotidi

Le cellule sintetizzano varie dozzine di tipi di tRNA, ciascuno dei quali è deputato a

trasportare un particolare aminoacido a uno o più codoni dell’mRNA. Tuttavia, tutte le

molecole di tRNA mostrano una struttura generale comune.

Una molecola di tRNA matura contiene soltanto 70-90 nucleotidi, alcuni dei quali sono

chimicamente modificati. L’appaiamento delle basi tra sequenze complementari

localizzate in diverse regioni causa il ripiegamento della molecola di tRNA in una

strutture a forcina,

struttura secondaria che contiene diverse mostrate nella figura. La

maggior parte dei tRNA è caratterizzata da quattro regioni con appaiamenti di

nucleotidi, rappresentati nella figura dai puntini azzurri; alcuni mostrano una quinta

ansa variabile.

regione di questo tipo a livello dell’ Ciascuna di queste regioni di

appaiamento rappresenta una corta regione di RNA a doppia elica. I biologi molecolari

struttura a trifoglio.

chiamano la struttura secondaria del tRNA

Come l’RNA ribosomale, l’RNA di trasferimento è sintetizzato come precursore sia nelle

cellule eucariote sia in quelle procariote. La maturazione di queste molecole di pre-

tRNA coinvolge parecchi passaggi diversi, come mostrato nella Figura 18.14a per il

tRNA della tirosina di lievito: sequenza leader

1. All’estremità 5′, una corta di 16 nucleotidi è rimossa dal pre-

tRNA.

2. All’estremità 3′, i due nucleotidi terminali del pre-tRNA sono rimossi e sostituiti

con il trinucleotide CCA, che rappresenta una caratteristica strutturale comune

di tutte le molecole di tRNA. (Alcuni tRNA possiedono già la sequenza CCA nel

loro trascritto primario e quindi non richiedono modificazioni all’estremità 3′.)

3. In una tipica molecola di tRNA, circa il 10-15% dei nucleotidi viene

chimicamente modificato durante la maturazione del pre-tRNA. Le principali

modificazioni includono la metilazione di basi e zuccheri, nonché la formazione

di basi insolite, come diidrouracile, ribotimina, pseudouridina e inosina.

4. La maturazione del tRNA per la tirosina di lievito è caratterizzata anche dalla ④

rimozione di una sequenza interna di 14 nucleotidi, benché i trascritti della

maggior parte dei tRNA non richiedano questo tipo di escissione. Un segmento

interno di un trascritto

di RNA che deve

essere rimosso per

originare un prodotto

di RNA maturo è

introne.

definito Gli

introni saranno trattati

con maggiori dettagli

durante la discussione

relativa alla

maturazione

dell’mRNA, poiché essi 2

rappresentano una caratteristica quasi generale dei precursori degli mRNA nelle

cellule eucariote.

La maturazione degli RNA messaggeri negli eucarioti

comporta l’aggiunta di un cappuccio e di una coda di

poli(A) e la rimozione degli introni

Alcuni RNA batterici, come i tRNA, sono sottoposti a maturazione. La maggior parte

degli RNA batterici, tuttavia, rappresenta un’eccezione alla generalizzazione che l’RNA

richiede la maturazione prima di poter essere utilizzato dalla cellula. Tali RNA vengono

sintetizzati in una forma che è pronta per la traduzione, anche prima che l’intera

molecola di RNA sia completata.

Al contrario, negli eucarioti la trascrizione e la traduzione sono separate sia nello

spazio sia nel tempo: la trascrizione avviene nel nucleo, mentre la traduzione avviene

principalmente nel citoplasma. Per convertire i trascritti primari in molecole mature di

mRNA, nel nucleo avvengono delle sostanziali modificazioni chimiche, in seguito alle

quali le molecole di RNA sono pronte per essere trasportate nel citoplasma e tradotte.

L’hnRNA è costituito da una miscela di molecole di mRNA e dei loro precursori, i pre-

mRNA. La conversione delle molecole di pre-mRNA in molecole funzionali di mRNA

normalmente richiede la rimozione di sequenze nucleotidiche, così come l’aggiunta del

cappuccio al 5′ e della coda al 3′, come sarà descritto nel prossimo paragrafo. Il

dominio C-terminale di una delle subunità della RNA polimerasi II ha un ruolo

nell’accoppiare questi eventi di maturazione dell’RNA alla trascrizione, probabilmente

perché agisce da piattaforma su cui si assemblano i complessi di proteine coinvolti

nella maturazione del pre-mRNA.

Il cappuccio al 5′ e le code di poli(A) al 3′

Ciascuna estremità di una molecola di pre-mRNA è modificata in modo particolare

(Figura 16.11). L’estremità 3′ viene sintetizzata per prima ed è coperta da un

cappuccio al 5′ (5′ cap), una forma modificata del nucleotide guanilico (G) che viene

legata all’estremità 5′ dopo la trascrizione dei primi 20-40 nucleotidi. Anche l’estremità

3′ della molecola di pre-mRNA viene modificata prima che l’mRNA abbandoni il nucleo.

A tale proposito è importante ricordare che il pre-mRNA viene tagliato e rilasciato

subito dopo la trascrizione del segnale di poliadenilazione AAUAAA. All’estremità 3′ un

enzima aggiunge da 50 a 2