La traduzione: che fine fa l’RNA messaggero?

Il mese scorso abbiamo lasciato il nostro RNA messaggero maturo che girava nel citoplasma legato a delle proteine. Bene, oggi scopriremo come prosegue il suo viaggio.

Il destino dell’mRNA è quello di essere tradotto: la traduzione è l’ultima tappa nel processo di espressione genica e coinvolge i tRNA e i ribosomi. La traduzione o sintesi proteica è il processo responsabile della produzione di proteine sulla base dell’informazione genetica contenuta nella sequenza nucleotidica dell’mRNA e quindi del DNA, da cui l’RNA è stato trascritto. La traduzione, uno dei processi più conservati in tutti gli organismi viventi, è il processo cellulare più complesso per numero di componenti e di interazioni molecolari implicate e impegna gran parte delle risorse energetiche della cellula.

Già dagli anni Quaranta e Cinquanta era stata osservata una stretta correlazione tra la quantità di RNA nelle diverse cellule e la loro capacità di sintesi proteica. L’uso di radioisotopi e di metodi di microscopia elettronica e di ultracentrifugazione hanno permesso di identificare piccole particelle dense contenenti RNA, in parte libere nel citoplasma e in parte attaccate al reticolo endoplasmatico. Divenne presto chiaro che questo componente particolato rappresentava la sede della sintesi proteica. A partire dal 1960 compare in letteratura il termine “ribosoma”. Lo studio del meccanismo molecolare della sintesi proteica ha recentemente fatto un salto di qualità grazie alla straordinaria impresa scientifica e tecnologica che ha portato alla risoluzione a livello atomico della struttura del ribosoma. Ciò ha permesso infatti il passaggio da una descrizione alquanto schematica e superficiale delle strutture e delle interazioni molecolari coinvolte nella traduzione al loro studio e alla loro comprensione a livello molecolare più fini.

Il ribosoma è una particella ribonucleoproteica, costituita cioè da RNA ribosomiale e da proteine che si assemblano a formare due subunità distinte, una maggiore e una minore. I ribosomi e le loro subunità vengono comunemente denominati in base alla loro velocità di sedimentazione, misurata mediante ultracentrifugazione ed espressa in unità Svedberg. Così i ribosomi eucarioti vengono chiamati 80S e 60S e 40S le loro rispettive subunità. La subunità minore contiene un canale in cui scorre l’mRNA, mentre il sito di uscita per la catena proteica nascente si trova nella subunità maggiore, che la attraversa come un tunnel. Ci sono poi tre siti di legame per i tRNA: il sito A (amminoacidico) che lega il tRNA amminoacilato (cioè portante un amminoacido) in ingresso, il sito P (peptidico) che lega l’ultimo tRNA entrato, che porta la catena peptidica nascente, e il sito E (exit) che lega il tRNA ormai scarico che deve essere rilasciato.

Verso la fine degli anni Cinquanta, Francis Crick (sempre lui…;)) ipotizzò l’esistenza di “adattatori” molecolari in grado di riconoscere da una parte i codoni (le triplette di nucleotidi) del messaggio genetico e dall’altra gli specifici aminoacidi da inserire nella sequenza di proteine. Questi adattatori altro non sono che i tRNA O RNA transfer, piccole molecole di RNA di 75-90 nucleotidi dalla caratteristica struttura secondaria a trifoglio, dovuta all’appaiamento di basi complementari tra regioni diverse. Si nota in particolare una struttura a stelo alla cui estremità si legherà l’aminoacido specifico e tre anse, di cui la centrale contiene l’anticodone, cioè la sequenza di tre nucleotidi complementare al codone dell’mRNA. Per svolgere il loro ruolo di adattatori, i tRNA necessitano dell’intervento di una classe di enzimi chiamati amminoacil-tRNA-sintetasi che caricano i tRNA con gli specifici amminoacidi. Come i tRNA anche le amminoacil-tRNA-sintetasi sono come minimo venti, uno per ogni amminoacido: esse sono in grado di riconoscere sia l’amminoacido sia lo specifico tRNA e catalizzano il loro legame. L’energia contenuta in esso è fondamentale per la sintesi proteica, perché verrà successivamente utilizzata per la formazione del legame peptidico.

Ma veniamo alla sintesi…come avviene???

La sintesi di tutte le proteine inizia sempre dall’estremità amminoterminale con l’amminoacido metionina, codificata dal codone AUG. La metionina iniziale è caricata su un particolare tRNA, il tRNA d’inizio o tRNAi (diverso da quello di tutte le altre metionine inserite all’interno della sequenza amminoacidica). Intanto la subunità minore del ribosoma interagisce con il 5′ dell’mRNA e da lì migra, mediante un processo di scansione, fino a trovare il primo AUG che verrà usato come codone di inizio. Come accennato prima la traduzione è un processo molto complesso e richiede l’intervento di molti fattori proteici di controllo. I fattori di inizio necessari sono infatti più di dieci e sono chiamati Eif (Eucaryotic initiation factor). Eif1A, Eif2 e Eif3 permettono il legame tra i tRNA e il ribosoma, a cui si lega poi anche Eif5b, completando la formazione del complesso di preinizio; Eif4f si lega al 5′ dell’mRNA e l’interazione con il complesso di preinizio permette il legame tra il ribosoma e l’mRNA, iniziando lo scanning. Quando la subunità minore raggiunge il codone AUG, i fattori di inizio vengono rilasciati, permettendo l’associazione della subunità maggiore e quindi l’inizio dei cicli di allungamento della sintesi proteica.

Ogni ciclo è costituito dal susseguirsi di tre fasi. Il sito P viene occupato dal tRNAi, mentre il sito A è vuoto. Durante la prima fase nel sito A si inserisce il successivo amminoacil-tRNA, accompagnato dal fattore di allungamento EF-Tu complessato con una molecola di GTP. Solo se l’appaiamento codone-anticodone è corretto, si procede all’idrolisi del GTP, al rilascio di EF-Tu e all’associazione stabile del tRNA al sito A del ribosoma. La seconda fase del ciclo di allungamento consiste nella formazione del legame peptidico tra l’ultimo amminoacido della catena peptidica nascente e quello portato dal tRNA nel sito A. La terza fase del ciclo inizia invece con lo slittamento dell’mRNA, che espone un nuovo codone, e il conseguente spostamento del tRNA carico con la catena dal sito A al sito P, così da lasciare il sito A libero per un nuovo tRNA. Il precedente tRNA scarico prosegue verso il sito E, da cui viene rilasciato. I cicli di allungamento si interrompono quando un codone di stop (UAA, UAG o UGA) entra nel sito A. Questi sono infatti riconosciuti da Erf1, un fattore di rilascio che attiva l’idrolisi della catena peptidica dal tRNA.

Durante le fasi di allungamento la proteina nascente si ripiega e assume già la sua struttura tridimensionale. Alla fine della traduzione le proteine possono venire modificate con l’aggiunta di vari gruppi chimici che ne allargano le funzionalità, possono subire la rimozione di alcun aminoacidi iniziali e possono ricevere una sequenza segnale specifica così da essere spedite ai rispettivi compartimenti cellulari dove svolgeranno la loro funzione.