La trascrizione è il primo step nel’espressione genica ed è il processo che permette di copiare il DNA in RNA. Durante la trascrizione un segmento di DNA è letto dall’enzima RNA polimerasi producendo un filamento di RNA complementare e antiparallelo chiamato trascritto primario.
L’attività della RNA polimerasi fu dimostrata per la prima volta circa sessant’anni fa nel nucleo di cellule epatiche di ratto. Ma l’interesse per questo campo aumentò molto in seguito alla pionieristica scoperta di Robert Roder nel 1969: ancora studente, scoprì l’esistenza di tre forme diverse di polimerasi. Le tre polimerasi vennero separate con la cromatografia e furono chiamate RNA polimerasi I, II e III. Questa scoperta stimolò la ricerca biochimica, dimostrando che i tre enzimi eucariotici sintetizzano tre diversi tipi di RNA: la polimerasi I trascrive gli RNA ribosomiali, la polimerasi II trascrive i precursori degli RNA messaggeri (mRNA) e sintetizza anche molti RNA non codificanti, la polimerasi III produce i tRNA e altri piccoli RNA non codificanti.
Il processo di trascrizione avviene in tre fasi: inizio, fine e allungamento. In ogni fase l’RNA polimerasi è supportata da fattori di trascrizione che attivano, regolano e ostacolano il processo. I fattori di trascrizione permettono una trascrizione gene-specifica, guidando l’RNA polimerasi verso il gene target: essi contengono infatti un dominio che si lega al DNA, in particolare al promotore o all’enhancer del gene specifico. Oggi sappiamo che esistono ben 1600 fattori di trascrizione!
INIZIO
L’RNA polimerasi insieme a uno o più fattori di trascrizione si lega al promotore del gene da trascrivere. Questo tratto di DNA è chiamato unità trascrizionale. Solo il filamento antisenso (3′–>5′) viene letto dalla RNA polimerasi creando un trascritto complementare al filamento guida di DNA in direzione 5′–>3′ con l’eccezione della sostituzione della timina in uracile. Questa caratteristica permette di evitare la formazione dei frammenti di Okazaki, come avviene nella replicazione del DNA (La replicazione del DNA). Una volta legata al DNA, l’RNA polimerasi svolge circa 14 paia di basi del filamento di DNA, creando la “bolla trascrizionale“, e inizia a trascrivere. Le due subunità della RNA polimerasi tengono ben uniti il filamento di DNA e il crescente trascritto di RNA: si crea un piccolo ibrido DNA-RNA di circa 9-11 nucleotidi che viene saldamente mantenuto all’interno della RNA polimerasi, permettendo l’allungamento del trascritto ed evitando così un inizio abortivo. Negli eucarioti la principale barriera al procedere della trascrizione sono i nucleosomi: i promotori attivi si trovano infatti in regioni prive di nucleosomi, in cui l’apparato trascrizionale ha libero accesso al DNA. Queste zone vengono create attivamente da specifici fattori di trascrizione che si legano ai nucleosomi e vi reclutano complessi enzimatici che rimodellano la cromatina e allentano i legami tra DNA e istoni, rendendo così accessibile il DNA alla polimerasi.
ALLUNGAMENTO
Durante questa seconda fase l’RNA polimerasi continua a trascrivere il filamento di DNA, allungando il trascritto nascente, seguendo sempre il principio della complementarietà delle basi.
FINE
Terminata la trascrizione l’RNA polimerasi si stacca dal DNA probabilmente dopo aver riconosciuto uno specifica sequenza di termine. Il prodotto finale è un precursore molto più grande dell’mRNA, che è subito modificato con l’aggiunta al 5′ di un cappuccio costituito da una molecola di guanosin-trifosfato metilato, che protegge l’estremità dalla dagradazione, e al 3′ di una sequenza poli-A (di circa adenine 100/200 adenine) che consente il trasporto nel citoplasma dell mRNA maturo. Questo precursore subisce il processo di splicing, durante il quale gli introni (regioni non codificanti) vengono rimossi e gli esoni (le regioni codificanti) vengono uniti.
Lo splicing avviene nel nucleo durante o al termine della trascrizione e avviene per mano dello splicesoma, un complesso di piccole proteine ribonucleari (snRNPs), che viene assemblato e attivato durante la trascrizione. Le snRNPs interagicono con i siti di splicing al 5′ e al 3′ degli introni, li rimuovono e saldano tra di loro gli esoni.
Lo splicing non è soltato un meccaniso per eliminare gli introni, ma consente anche di creare mRNA diversi e, quindi, di proteine diverse a partire da un unico gene: in questo caso si parla di splicing alternativo, che si basa, oltre che sull’eliminazione degli introni, anche di alcuni esoni, dando dunque origine a una loro diversa combinazione. Si pensa che più del 95% dei trascritti derivi da splicing alternativi, in maniera anche tessuto-specifica o in seguito a determinate condizioni cellulari.
Solo dopo aver terminato lo splicing, gli mRNA sono trasportati nel citoplasma….il loro destino lo vedremo nella prossimo “puntata”!
Bibliografia
- Biologia della cellula. edi-ermes
- Eucaryotic transcription turns 50. P. Cramer Cell 179, October 31,2019
- 50+ years of eucaryotic transcription: an expanding universe of factors and mechanisms. Robert G. Roeder NATURE STRUCTURAL & MOLECULAR BIOLOGY 2019