Espressione genica: dalla trascrizione alla traduzione e tipi di RNA

Espressione Genica

L'espressione genica è la sintesi di proteine, la cui informazione è contenuta nei geni. Significa quanto un gene viene trascritto, quindi quanto RNA si forma a partire da un gene, in particolare dall'informazione contenuta nel gene; dunque, quanta proteina viene sintetizzata a partire da quel determinato gene.

L'informazione del gene:

• viene prima decodificata per sintetizzare un rna messaggero;
• successivamente, l'informazione contenuta nell'RNA messaggero verrà decodificata per produrre le proteine.

A partire da un trascritto avremo la formazione di una proteina. In sintesi, l'espressione di un gene ci dice quanta proteina si produce a partire da un dato gene. Tutto il genoma è fatto da regioni intergeniche e regioni geniche (che contengono le informazioni per produrre una determinata proteina). Inoltre, le regioni geniche servono anche per codificare degli RNA che non verranno poi codificati in proteine, che non verranno utilizzati per la sintesi di proteine. Ad esempio, l'RNA ribosomiale NON SERVE per la sintesi delle proteine, non contiene le informazioni per sintetizzare una proteina, così come i tRNA, i microRNA, uno SMALL NUCLEAR RNA. Quindi, nell'espressione genica, l'informazione viene decodificata, viene trasformata in mRNA e poi in proteina.

Linguaggio del DNA e RNA

È interessante notare che il "linguaggio":

• nel passaggio da DNA ad RNA rimane lo stesso;
• Nel passaggio da RNA a PROTEINA cambia.

Mentre un gene è fatto da una successione di nucleotidi, con un'informazione che viene codificata in mRNA (sempre fatto da nucletotidi), nella proteina troviamo una successione di amminoacidi. In sintesi, il linguaggio di DNA e mRNA viene tradotto in un linguaggio che corrisponde ad un susseguirsi di amminoacidi. Il processo della sintesi proteica prende il nome, infatti, di TRADUZIONE, in quanto il linguaggio in successione di nucleotidi viene tradotto in successione di amminoacidi. In ciascun gene non solo abbiamo l'informazione che serve per dire QUALE successione di amminoacidi avremo, ma abbiamo anche l'informazione che ci dice QUANTA proteina fare in determinate situazioni.

Geni differenti si esprimeranno in modo differente. In effetti, nel gene, e in particolare in una regione di regolazione del gene che si chiama promotore, troviamo elementi di regolazione dell'espressione genica. Questi elementi faranno in modo che, a seguito di uno stimolo a livello di quella cellula, quella cellula risponderà attivando specifici fattori trascrizionali, che andranno a stimolare l'espressione di un dato gene. Infatti, nel gene (nel promotore) ci sono delle informazioni che dicono quanta proteina produrre in un determinato momento. Questo viene fatto grazie alla presenza dei FATTORI TRASCRIZIONALI inducibili. I meccanismi di regolazione dell'espressione genica sono tantissimi.

Regolazione dell'Espressione Genica

Perché un gene A è più spesso rispetto ad un gene B?

Possiamo avere:

• Effetto diverso della dna polimerasi;
• Effetto di specifici fattori trascrizionali;
• Particolari modifiche a livello della cromatina che circonda quel determinato gene.

Se un gene è in una regione eterocromatica sarà meno espresso rispetto ad un gene in regione eucromatica. Possiamo quindi avere molteplici livelli di regolazione dell'espressione genica. Un gene quindi potrà essere più espresso rispetto ad un altro gene.

Nucleotidi e Ribonucleotidi

Nell'RNA abbiamo

• il ribosio, che ha un gruppo OH in 2', che differenzia il ribosio dal desossiribosio, ed è fondamentale nel processo di splicing.
• l'uracile al posto della timina.

Abbiamo detto che con l'espressione genica l'informazione contenuta in un gene viene copiata in RNA, tramite un processo di TRASCRIZIONE. La trascrizione è mediata dall'enzima RNA polimerasi. L'RNA polimerasi batterica: è DNA-dipendente, in quanto usa il DNA come stampo. Sintetizza l'RNA e non necessita di innesco per iniziare la trascrizione, come faceva la DNA primasi, responsabile della sintesi del primer. Questo enzima procede SOLO in direzione 5'-3' Avremo dei geni, a seconda del filamento (ricordiamo che il DNA è fatto da 2 filamenti), localizzati su un filamento e in quel caso l'RNA polimerasi si muoverà in 5'-3' (da sinistra verso destra). Se i geni sono sull'altro filamento, l'RNA polimerasi si muoverà da destra a sinistra, in quanto deve seguire sempre la direzione 5'-3'.

1. L'RNA polimerasi lega il DNA in un punto specifico, a livello del promotore;
2. Svolge la doppia elica tramite attività elicasica;
3. Sceglie come stampo uno dei 2 filamenti per poter iniziare la sintesi di un RNA messaggero.

L'RNA messaggero avrà la stessa sequenza del filamento di DNA 5'-3' (filamento senso). L'altro filamento è il filamento antisenso. Il filamento senso ha UGUALE sequenza dell'RNA messaggero. L'RNA polimerasi fa la stessa reazione della dna polimerasi. Utilizzando 5'-3' come filamento stampo, incorpora nucleotidi trifosfato mediante legame fosfodiestere tra gruppo fosfato alfa del nucleotide entrante e gruppo 3' OH del nucleotide precedente.

Tipi di RNA

Quali sono i tipi di RNA che possiamo ritrovare all'interno di una cellula?

• RNA messaggero: codifica per le proteine. Negli eucarioti, viene sintetizzato da una RNA polimerasi specifica;
• RNA ribosomiale: componente essenziale dei ribosomi. È presente in varie forme (18s,28s,5.8s,5s) che vengono sintetizzate a partire da RNA polimerasi diverse. In particolare 18s, 28s, 5.8s vengono sintetizzati da RNA polimerasi I, invece il 5s viene sintetizzato a partire da RNA polimerasi di tipo III. Le RNA polimerasi sono diverse sia per il fatto che sintetizzano RNA diversi, sia per la loro diversa sensibilità ad un veleno, l' a amanitina. Questa sostanza corrisponde all'alcaloide che troviamo nei funghi del genere amanita. È così tossico poiché blocca l'RNA polimerasi. Il primo organo che subisce il blocco è il fegato;
• tRNA serve per tradurre il linguaggio da nucleotidi a linguaggio da aa;
• Altri RNA, non codificanti, servono per regolare l'espressione genica, ad esempio gli small nuclear rna, fondamentali nella formazione dello spliceosoma (complesso ribonucleoproteico). Ci sono anche altri small nuclear RNA, che servono per il processamento degli rRNA. Troviamo anche i LONG NON CODING RNA, che svolgono un ruolo nella regolazione dell'espressione genica; così come i Micro RNA, che si legano ad un gene target, bloccandone la traducibilità o modulandone l'emivita.

Trascrizione

Prevede tre fasi:

1. Inizio;
2. Allungamento;
3. Terminazione.

Fase di Inizio della Trascrizione

L'RNA polimerasi viene assemblata, tramite l'interazione con altre proteine, a livello del promotore del gene. L'assemblaggio della RNA polimerasi al promotore rappresenta la fase di inizio della trascrizione. L'RNA polimerasi inizia a svolgere la doppia elica di DNA tramite attività elicasica. Il filamento 5'-3' fa da stampo per la formazione di un filamento 5'-3'. Nella fase di inizio in realtà, l'RNA polimerasi inizia anche a trascrivere, ma con una processività (velocità con cui l'enzima inserisce nucleotidi nella catena) abbastanza lenta. Serve solo come inizio della trascrizione.

Fase di Allungamento della Trascrizione

L'enzima aumenta la propria processività, aumenta la capacità di incorporare nucleotidi al secondo. Inizia a procedere molto velocemente. Questo passaggio è regolato da una serie di interazioni proteiche a livello di questo complesso di inizio della trascrizione.

Fase di Terminazione della Trascrizione

Si disassembla il complesso tra RNA polimerasi, DNA ed RNA. L'RNA viene rilasciato. Ci sono grandi differenze nella trascrizione procariotica ed eucariotica, non tanto a livello di meccanismo, quanto a livello di compartimentalizzazione (negli eucarioti). Negli eucarioti la trascrizione avviene nel nucleo. Contestualmente alla trascrizione avvengono i processi di maturazione del trascritto (aggiunta del cappuccio al 5', aggiunta di poli a al 3' e splicing).