COME LE CELLULE LEGGONO IL GENOMA: trascrizione

ESPRESSIONE DEL GENOMA Con il termine espressione genica si intende il processo attraverso cui l'informazione contenuta in un gene (DNA) viene convertita in una macromolecola funzionale Essa richiede la sintesi di molecole di RNA (trascrizione) che eventualmente dirigeranno la sintesi di PROTEINE (traduzione). L’Espressione del genoma è specifica del tipo di cellula e del suo stato.

L’mRNA ha una sequenza in basi che codifica una proteina Trascrizione La trascrizione è il meccanismo mediante il quale uno stampo di DNA è utilizzato da uno specifico enzima RNA polimerasi DNA dipendente per generare una delle tre differenti classi di RNA. Le tre classi di RNA sono: RNA Messaggero (mRNA) contiene l’informazione codificata nel genoma RNA di Trasporto (tRNA) L’ adattatore converte il “linguaggio” dei nucleotidi in quello degli aminoacidi RNA Ribosomale (rRNA) funzione strutturale e catalitica L’mRNA ha una sequenza in basi che codifica una proteina 3

DIFFERENZE CHIMICHE DNA E RNA L’ RNA come il DNA è costituito da nucleotidi legati tra loro mediante legame fosfodiesterico. L’impalcatura fondamentale contiene Ribosio invece del 2’ Deossiribosio. Il ribosio ha un gruppo ossidrilico in posizione 2’ (OH) 2) Contiene Uracile al posto della Timina 3) La presenza dell’ OH rende il legame fosfodiestereo + instabile L’RNA è normalmente una singola catena polinucleotidica che ripiegando su se stessa può formare brevi tratti di doppia elica

L’RNA HA UNA VERSALTILITA’ STRUTTURALE MOLTO MAGGIORE DEL DNA Se due tratti di sequenze complementari si trovano vicine l’una all’altra L’RNA PUÒ RIPIEGARSI PER FORMARE COMPLESSE STRUTTURE TERZIARIE Le regioni di non complementarietà formano le anse (loop) Le regioni complementari formano gli steli (stem) Non dovendo formare lunghe eliche regolari, l’RNA è libero di ripiegarsi nelle più diverse strutture terziarie L’RNA può ruotare intorno ai legami fosfodiesterici dove non forma doppia elica

Strutture a stem-loop Struttura a forcina Se due tratti di sequenze complementari si trovano vicine l’una all’altra, l’RNA può formare delle strutture secondarie Le regioni di non complementarietà formano le anse (loop) Le regioni complementari formano gli steli (stem) Struttura a gemma Struttura ad ansa

RNA RIBOSOMALE RNA TRANSFER

GLI RNA CONTENUTI IN UNA CELLULA BROWN PAG 16 GENE VIII PAG 119

FILAMENTO CODIFICANTE : PORTATORE DELL’INFORMAZIONE LA CUI SEQUENZA E’ IDENTICA A QUELLA DELL’ RNA TRASCRITTO FILAMENTO STAMPO : SU CUI AVVIENE ILPROCESSO DI POLIMERIZZAZIONE E CHE E’ COMPLEMENTARE AL FILAMENTO DI RNA TRASCRITTO

L’RNA messaggero (mRNA) contiene l’informazione codificata nel genoma Sono i trascritti di geni codificanti proteine Sono ~ il 4% dell’RNA totale della cellula Hanno vita molto breve Si presenta sotto forma di filamento e la sua sequenza base è complementare a quella del filamento di DNA dal quale è stato copiato.

mRNA procariotici ed eucariotici. Gli mRNA procariotici (a) normalmente contengono sequenze codificanti più geni e per questo vengono detti policistronici. Gli mRNA eucariotici (b) contengono sequenze codificanti x un solo gene (monocistronici) e sono il prodotto della maturazione dei trascritti primari.

Maturazione del trascritto primario in eucarioti Prima di essere esportato dal nucleo e poi tradotto, l’mRNA deve subire un processo di maturazione che prevede: l’aggiunta di un cap al 5’; ii) l’aggiunta della coda di polyA al 3’; iii) la rimozione degli introni. trascrizione Incappucciamento e poliadenilazione splicing mRNA cappuccio Coda di poli(A)

FUNZIONI DEL CAP IL CAP Protegge gli mRNA dalla degadazione L’insolito legame 5-’5’ protegge l’RNA dall’attacco di RNasi che agiscono a partire dal 5’ 2) Aumenta la traducibilità degli mRNA Una proteina che si lega al cap permette il legame dell’mRNA nel ribosoma 3) Facilita la traslocazione degli mRNA dal nucleo al citoplasma 4) Aumenta l’ efficienza di splicing degli mRNA IL CAP Il capping consiste nell’aggiunta di una 7mG all’estremità del trascritto con un insolito legame 5’-5’. Esso avviene quando l’RNA è lungo 20-40 nt, ovvero nella fase di transizione tra inizio e allungamento della trascrizione

IL POLY A La maggior parte degli mRNA eucariotici e i loro precursori hanno una catena di residui di adenina lunga circa 250 nt alla loro estremità 3’ La coda di poly A è aggiunta dopo la trascrizione da un enzima chiamato Poly (A) polimerasi che aggiunge residui di AMP, uno alla volta, ai precursori degli mRNA Quando l’RNA maturo entra nel citoplasma la sua coda di poly A va incontro a processamento, viene cioè continuamente accorciata da RNasi e ricostruita da Poly (A) polimerasi citoplasmatica

FUNZIONI DEL POLY A La coda di poly A aumenta sia la vita media che la traducibilità degli mRNA Protezione degli mRNA Traducibilità Una delle proteine che si lega agli mRNA durante la traduzione è la proteina I che lega il poly (A) Il legame a questa proteina sembra aumentare l’efficienza con cui è tradotto un mRNA

Lo splicing dell’RNA I geni eucariotici sono discontinui. Il trascritto maturo (mRNA) viene generato a partire da un RNA precursore attraverso la rimozione degli introni e la concatenazione degli esoni.

L’ RNA transfer ( tRNA ) Gli RNA transfer sono molecole di RNA che legano gli aminoacidi. Ciascun tRNA lega un aminoacido specifico. Gli RNA transfer interagiscono con l’RNA messaggero e con i ribosomi per trasferire aminoacidi specifici nella proteina in via di formazione.

L’ RNA transfer ( tRNA ) L’ adattatore converte il “linguaggio” dei nucleotidi in quello degli aminoacidi La traduzione è resa possibile dai tRNA che fungono da adattatori tra i codoni e gli amino acidi. I tRNA hanno una struttura conservata e una lunghezza compresa tra 75 e 95 nt. I tRNA contengono basi insolite, prodotte da modificazioni enzimatiche post-trascrizionali. Lo stesso tRNA può riconoscere più di un codone.

La struttura terziaria dei tRNA I tRNA assumono una struttura 3D simile ad una L rovesciata. Le molecole di tRNA cui è attaccato un a.a. sono dette cariche I tRNA vengono caricati per mezzo di un a.a. che si lega all’adenosina dell’estremità 3’ tramite un legame acilico ad alta energia L’energia rilasciata dalla rottura del legame viene impiegato nella formazione del legame peptidico

PROCESSAMENTO DELL’ RNA TRANSFER Il processamento del tRNA avviene secondo uno schema simile in Procarioti ed in Eucarioti I precursori sono molto più lunghi delle forme mature e devono essere accorciati ad entrambe le estremità 3’ FORMAZIONE DI ESTREMITÀ MATURE AL 5’ L’Rnasi P produce un taglio nel sito che diventerà l’estremità 5’ matura di un tRNA È l’unico enzima richiesto 5’

FORMAZIONE DI ESTREMITÀ MATURE AL 3’ Vi prendono parte almeno 5 RNasi L’RNasi II e la polinucleotide fosforilasi cooperano x rimuovere tutte le basi extra tranne 2 L’RNasi P rimuove la penultima base extra L’RNasi T e L’RNasi PH rimuovono l’ultima base extra liberando il tRNA maturo

L’RNA ribosomiale (rRNA) è la tipologia più abbondante di RNA presente nella cellula è il principale costituente dei ribosomi Strutture secondarie altamente conservate

PROCESSAMENTO DELL’ RNA RIBOSOMALE E’ sintetizzato come un lungo precursore che contiene al suo interno diverse differenti molecole di RNA e ognuna di esse deve essere precisamente tagliata In eucarioti il processamento dell’rRNA è orchestrata dai piccoli RNA nucleolari che si associano con molte proteine a formare le piccole ribonucleoproteine nucleolari (snoRNP)

Processamento del precursore dell’rRNA 45S umano Il processo avviene nel nucleolo dove sono prodotti gli rRNA e dove sono assemblati i ribosomi 5 FASI Viene rimossa l’estremità 5’ Un taglio al centro genera 2 precursori: 20S e 32S Il precursore 20S è rosicchiato al 3’ fino alla taglia delle giuste dimensioni Il precursore 32 viene tagliato per liberare gli rRNA 5,8S e 28 S Gli rRNA 5,8S e 28 S si associano x appaiamento di basi Il processamento dell’ RNA è simile ma non identico allo splicing Simile in quanto viene rimosso RNA non necessario Differente in quanto nel processamento non vi è ricongiunzione

Processamento dell’rRNA procariotico E.Coli possiede 7 operoni ribosomali (rrn) che contengono oltre ai geni ribosomali anche i geni x i tRNA rrnD ha 3 geni x tRNA e 3geni x rRNA,la trascrizione produce un precursore da 30S rRNA (arancio) tRNA (rosso) RNA spaziatore (giallo) Gli RNA vengono processati dalle Rnasi III e E

I piccoli RNA nucleari (snRNA) Lunghezza variabile da 107 a 210 nucleotidi Ricchi in U Localizzati nel nucleo Partecipano al processo di splicing Ne esistono 5 tipi diversi (U1, U2, U4, U5, U6) Sono associati in piccole particelle nucleari ribonucleoproteiche (snRNP)

I piccoli RNA nucleolari (snoRNA) RNA di 70-350 nucleotidi Codificati a partire da introni di pre-mRNA di altri geni (oltre 300 snoRNA descritti) Localizzati nel nucleolo Implicati nella modificazione o maturazione di rRNA, snRNA, e mRNA snoRNA

L’RNA HA UNA VERSALTILITA’ FUNZIONALE MOLTO MAGGIORE DEL DNA PARTICELLE RIBONUCLEOPROTEICHE (RNP) L’RNA PUÒ SERVIRE DA IMPALCATURA: L’ossatura sulla quale in modo ordinato la proteina si assembla riconoscendo la sequenza primaria e/o i motivi strutturali secondari e terziari RNP CATALITICHE : La proteina funziona da enzima ma è compito dell’RNA di indirizzarla o legarla al substrato (telomerasi) oppure RNP CATALITICHE : L’RNA è catalitico mentre la proteina funge da impalcatura (ribosoma, RNAsi P) RNA CATALITICO: l’RNA può catalizzare numerose reazioni chimiche che avvengono nella cellula (Ribozimi) L’RNA PUÒ ESSERE MATERIALE EREDITARIO

Ribozimi Alcuni RNA assumendo strutture terziarie, possono essere biologicamente attivi e mediare reazioni enzimatiche Come gli enzimi Sito attivo Sito di legame per il substrato Sito di legame per i cofattori Rnasi P maturazione dei tRNA al 5’

IL CICLO VITALE DELL’RNA MESSAGGERO BATTERICO Nei batteri la trascrizione e la traduzione avvengono simultaneamente Gli mRNA batterici sono instabili e hanno un’emivita di pochi minuti Negli eucarioti l’mRNA è relativamente stabile e continua a essere tradotto per varie ore

IL CICLO VITALE DELL’RNA MESSAGGERO BATTERICO Il degradosoma è un complesso di enzimi batterici comprendente la Rnasi E, un’ elicasi e la PNPasi (una esonucleasi) La degradazione dell’mRNA batterico è un processo in due fasi Tagli endonucleolitici ad opera della Rnasi E vengono prodotti dietro i ribosomi in direzione 5’-3’ I frammenti rilasciati sono poi svolti da un’elicasi e degradati dalla PNPasi

IL CICLO VITALE DELL’RNA MESSAGGERO EUCARIOTICO Le strutture ai terminali 5’ e 3’ lo proteggono dalla degradazione da parte delle esonucleasi La proteina che lega il poly (A) è rilasciata quando la coda di poly (A) è ridotta a 10-15 residui La proteina che degrada il cappuccio ora può legare l’estremità 5’ e allontanare il cappuccio Una esonucleasi specifica 5’ 3’ (XRN1) degrada rapidamente l’RNA