Espressione genica: trascrizione e traduzione, processi molecolari

Espressione Genica

ALESSIA LANCIANI ESPRESSIONE GENICA

• L'espressione genica è un processo mediante il quale il DNA dirige la sintesi di proteine o, in alcuni casi, di RNA. In particolare, attraverso la trascrizione e la traduzione, la cellula esprime i suoi geni
• Secondo il dogma centrale della biologia molecolare, l'informazione scorre dal DNA alle proteine:

1. il DNA può replicarsi
2. l'informazione codificata nella sequenza delle basi del DNA viene trasferita nelle molecole di RNA (trascrizione)
3. l'informazione contenuta nelle molecole di RNA passa nelle proteine (traduzione) L'informazione contenuta nelle proteine non viene mai trasferita negli acidi nucleici. I retrovirus (virus con genoma ad RNA) costituiscono un'eccezione al dogma centrale, poiché possono effettuare la trascrizione inversa, grazie all'enzima trascrittasi inversa. Inoltre, in alcuni virus, la molecola di RNA che rappresenta il genoma virale è in grado di replicarsi senza passare attraverso una copia di DNA, usando una RNA replicasi codificata dallo stesso genoma

Replica- zione RNA replicasi (sintesi di RNA) DNA Trascrizione RNA Traduzione Proteine Retrotrascrizione (sintesi di cDNA) Filamento non trascritto 5' 5' 3' Trascrizione DNA 3' A U U C C U G A A T A C AG A Filamento trascritto (Stampo) mRNA complementare al tratto di DNA trascritto A GA c U UG CGAA U G U C 5' Codone Codone Codone Codone Codone Codone 1 2 3 4 5 6 - 1 1 1 Catena H2N polipeptidica Met Thr Cys Glu Cys Phe C =0 OH Traduzione T C GCT T G A 3 G G CT T C GALESSIA LANCIANI

Trascrizione

• La sintesi di RNA consiste nel copiare l'informazione contenuta => in un tratto del DNA nell' RNA sono trascritti diversi tipi di RNA : TRASCRIZIONE perchè L'INFORMAZIONE RIMANE SCRITTA NELLO STESSO LINGUAGGIO (quello dei nucleotidi)
• RNA messaggero (mRNA) formato da un singolo filamento non avvolto, che porta l'informazione per la sintesi di una catena polipeptidica dal DNA al ribosoma, il "macchinario" cellulare deputato alla sintesi proteica. È l'unico RNA a essere tradotto in proteina
• RNA di trasferimento o transfer (+RNA) consiste in un singolo filamento che si ripiega su se stesso per assumere una forma specifica. Ogni +RNA si lega esclusivamente a uno specifico amminoacido e lo trasporta al ribosoma
• RNA ribosomale (rRNA) assume forma globulare e costituisce una componente importante dei ribosomi
• microRNA (miRNA) e piccoli RNA nucleari (snRNA) regolano l'espressione genica nelle cellule eucariotiche

Traduzione

• L'informazione trascritta nell'mRNA è utilizzata per sintetizzare la sequenza degli => amminoacidi di una catena polipeptidica 1 la relazione tra la sequenza di basi nucleotidiche delle molecole di mRNA e l'ordine degli amminoacidi nelle catene polipeptidiche si basa sul CODICE GENETICO CONVERSIONE DELLA TRADUZIONE SEQUENZA DI NUCLEOTIDI NELLA SEQUENZA DI AMMINOACIDIALESSIA LANCIANI

Trascrizione e Maturazione dell'RNA

Processo di Trascrizione

• la trascrizione produce un filamento di RNA (trascritto) complementare a uno dei filamenti del DNA (filamento stampo)
• la trascrizione avviene attraverso tre tappe principali :

1. INIZIO
2. ALLUNGAMENTO
3. TERMINAZIONE

• la trascrizione avviene ad opera dell'enzima RNA polimerasi, che catalizza la sintesi di RNA a partire da uno stampo di DNA
• 'RNA POLIMERASI: - legge il filamento stampo di DNA in direzione 3'->5' - sintetizza il trascritto di RNA in direzione 5'->3', aggiungendo nucleotidi all'estremità 3' - a differenza della DNA polimerasi, non necessita di un innesco (primer) per iniziare la trascrizione
• PROCESSO INIZIO
• Per iniziare la sintesi, l' RNA polimerasi richiede un promotore, una speciale sequenza di DNA che indica all'RNA polimerasi dove iniziare la trascrizione e quale dei due filamenti di DNA trascrivere (il promotore non è trascritto)
• dopo il legame dell'RNA polimerasi col promotore, la doppia elica del DNA viene denaturata a livello della regione riconosciuta dall'enzima, in modo da esporre il filamento di DNA stampo da utilizzare per la sintesi del trascritto ALLUNGAMENTO
• l'enzima scorre lungo la molecola di DNA per sintetizzare un filamento di RNA complementare a una delle due eliche di DNA (la molecola di RNA viene sempre sintetizzata in direzione 5'->3')
• il filamento stampo di DNA che funge da substrato per l'RNA polimerasi viene letto dall'enzima in direzione 3'->5'
• il filamento di DNA complementare allo stampo decorre in senso 5'->3' e viene definito filamento codificante o filamento senso (poiché la sua sequenza nucleotidica risulta identica a quella dell'RNA che viene prodotto)ALESSIA LANCIANI TERMINAZIONE
• distacco della RNA polimerasi dal filamento stampo
• rilascio della molecola di RNA di nuova sintesi
• ripristino della struttura a doppia elica a livello della regione di DNA che è stata trascritta PRE-INIZIO / INIZIO Gene 5' 3' DNA 3' 5' RNA polimerasi Filamento stampo Sito di terminazione Promotore Formazione della bolla di trascrizione 5' 3' 3' 5' Sintesi di legami fosfodiesterici ALLUNGAMENTO RNA in allungamento 5' 3' 5 Disassemblaggio del complesso e rilascio del trascritto TERMINAZIONE 3' 5' 5' 3' 3' 5' 5' 3'ALESSIA LANCIANI

RNA Polimerasi

• Le RNA polimerasi rappresentano grandi complessi enzimatici composti da numerose subunità proteiche, alle quali si associa un numero ancora maggiore di altre proteine implicate in tutte le fasi del processo di trascrizione
• nei procarioti è presente un singolo tipo di RNA polimerasi
• negli eucarioti sono presenti 3 tipi di RNA polimerasi : - RNA polimerasi l - RNA polimerasi ll - RNA polimerasi !!!

RNA Polimerasi nei Procarioti (Escherichia Coli)

• L'RNA polimerasi di E. Coli è complesso proteico che consiste in un core enzimatico costituito da 5 polipeptidi, cui si lega un fattore addizionale denominato subunità sigma (o)
• Il core enzimatico è composto da due subunità a (identiche), una subunità ß e una ' (leggermente diverse tra loro) e una subunità wo
• L'aggiunta della subunità o forma l'oloenzima, che lega le seq. - 35/-10 e permette l'inizio della trascrizione ai siti promotori
• Subunità o70 = maggiormente utilizzata Subunità 036 = utilizzata in caso di shock termico Fattore sigma a B W a Core della RNA polimerasi Oloenzima della RNA polimerasi

RNA Polimerasi negli Eucarioti

• Negli eucarioti, la presenza di 3 classi distinte di RNA polimerasi è attribuita alla maggiore complessità del trascrittoma rispetto alla cellula procariotica. Infatti, le tre RNA polimerasi eucariotiche sono deputate alla sintesi di classi distinte di RNA : - RNA polimerasi ( = catalizza la sintesi di rRNA 28S, 18S e 5,85; localizzata nel nucleolo - RNA polimerasi Il = catalizza la sintesi degli MRNA, dei miRNA e della maggior parte degli snRNA - RNA polimerasi III = catalizza la sintesi dei +RNA e rRNA 5S
• Nonostante la loro diversificazione funzionale, tutte le RNA polimerasi eucariotiche presentano subunità omologhe a quelle presenti nel core enzimatico delle RNA polimerasi procarioticheALESSIA LANCIANI

Trascrittoma

• il trascrittoma rappresenta l'insieme delle molecole di RNA presenti in una cellula o in una popolazione di cellule
• Per convertire l'informazione codificante di ogni gene (racchiusa nella sequenza nucleotidica del DNA) nella sequenza aminoacidica di una particolare proteina sono necessarie 3 principali tipologie di RNA "accessorie" :

1. una molecola di RNA messaggero (mRNA), in grado di trasportare a livello del ribosoma il codice per la sintesi del polipeptide;
2. diverse molecole di RNA di trasferimento (+RNA), per trasportare a livello dei ribosomi gli AA corrispondenti ai singoli codoni, in modo da consentirne l'incorporazione nel polipeptide corrispondente;
3. le molecole di RNA ribosomale (rRNA), che, come componenti strutturali fondamentali dei ribosomi, ne consentono il corretto funzionamento Estremità 3' Sito di attacco dell'aminoacido Estremità 5' Estremità 5' Estremità 3' RNA messaggero (mRNA) Ribosoma Subunità 60S Subunità 40S Anticodone RNA transfer (tRNA) RNA ribosomale (rRNA)

• Nelle cellule eucariotiche sono presenti anche altri tipi di RNA : - snRNA (small nuclear RNA) = Processamento pre-MRNA - snoRNA (small nucleolar RNA) = Processamento e assemblaggio rRNA - miRNA (microRNA) = Degrada MRNA o impedisce traduzione - siRNA (small interfering RNA) = Degrada MRNA tramite interferenza - piRNA (Piwi-interacting RNA) = Blocca trasposoni nelle cellule germinali - InRNA (long noncoding RNA) = Regolazione genica (es. Xist) localizzati nel nucleo localizzati nel nucleo e nel citoplasmaALESSIA LANCIANI

Classificazione degli RNA

• Gli RNA contenuti in una cellula possono essere classificati in : - RNA codificanti, la cui sequenza viene letta dai ribosomi per produrre una particolare proteina (mRNA) - RNA non codificanti, che esplicano la loro funzione nella cellula senza determinare la sintesi di proteine (IRNA, rRNA, snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, piRNA, InRNA)

RNA Messaggero (mRNA)

• molecola di RNA che contiene al suo interno l'informazione necessaria per definire la precisa sequenza aminoacidica di una o più proteine
• Nel corso della traduzione la sequenza nucleotidica dell'mRNA viene "letta" e decodificata nel citoplasma dai ribosomi in base alle regole del codice genetico, che consentono alla cellula di convertire la sequenza nucleotidica dell'MRNA nella struttura primaria della corrispondente proteina
• La parte della sequenza di un mRNA che viene decodificata viene definita regione codificante e consiste nel tratto di sequenza dell'RNA compreso tra il codone di inizio (AUG) e uno dei tre codoni di terminazione (UAA, UAG e UGA) della traduzione
• La regione dell'MRNA che verrà tradotta in proteina non copre l'intero trascritto : a monte e a valle di un gene vi è una sequenza non tradotta (untranslated region UTR): 5'UTR e 3'UTR Codone di inizio della traduzione Codone di terminazione della traduzione Cap al 5' Regione codificante Coda di poli(A) Regione 5'-UTR Regione 3'-UTR Sito di inizio della trascrizione Struttura di un mRNA
• Differenze tra mRNA dei procarioti e mRNA degli eucarioti : 1) Gli MRNA nei procarioti sono molto spesso poligenici (o policistronici), in quanto contengono al loro interno le sequenze codificanti in grado di specificare la sintesi di più proteine distinte. Negli eucarioti questa modalità di decodificazione dell'informazione genetica è utilizzata molto raramente