Capitolo 5

Espressione genica:la trascrizione

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A

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Domande 5

• Come avviene la sintesi proteica?• Quanti e quali tipi di RNA sono presenti nella cellula?• Come viene sintetizzata la catena di RNA?• Ci sono differenza fra procarioti ed Eucarioti?• Cosa succede ad una molecola di RNA eucariote prima di uscire

nel citoplasma?• Come è fatto un gene eucariote?

Figura 5.9

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Cellula pro- ed Eu-cariote

Riassunto della trascrizione

L’RNA è chimicamente simile al DNA, ma:

E’ a filamento singolo, non a doppia elicaContiene ribosio, non desossiribosioOltre ad adenina, citosina e guanina, contiene non timina, ma uracile

Perciò:•Vale il principio della complementarietà delle basi: la molecola di RNA viene sintetizzata sulla base di un tratto di DNA•Esistono geni che codificano per proteine; dalla loro trascrizione origina l’RNAm; esistono geni che codificano per RNAt e l’RNAr.

Figura 5.1

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Schema della trascrizione

Nei procarioti, un’unica proteina complessa, l’RNA polimerasi o RNA P, catalizza la trascrizione

In E. coli, RNA P è costituita da 2 subunità α, 2 subunità β e una subunità σ. La subunità σ può dissociarsi, separandosi dal core o nucleo dell’enzima. Diversi fattori σ indirizzano la RNA P verso geni diversi.

.Schematicamente, tre fasi:1. Inizio. I siti del DNA che contengono i segnali d’inizio della

trascrizione si chiamano promotori. La subunità σ riconosce una regione del promotore, a cui si attacca. La doppia elica si denatura e σ si stacca dal core della RNA P

Da: http://www.pingrysmartteam.com/models.htm:

RNA P dei pprocarioti. La subunità σ è in arancione

Da: http://www.pingrysmartteam.com/models.htm:

Il core della RNA P e la subunità σ

Da: http://www.pingrysmartteam.com/models.htm:

subunità σ a contatto col DNA

Schema della trascrizione

2. Allungamento. Il core della RNA P comincia a scorrere lungo l’elica “senso” del DNA; ribonucleotidi trifosfati vengono legati all’estremità 3’ libera della catena; l’energia di legame proviene dalla rottura dei legami fosforici.

3. Terminazione. Sequenze di terminazione, o terminatori, sono presenti alla fine di ogni messaggero. In certi casi una proteina, fattore ρ, li riconosce, vi si lega e provoca il distacco dell’RNAm. In altri casi è la RNA P stessa che li riconosce e si stacca

Figura 5.3

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Quindi, schematicamente, un gene comprende:

Figura 5.2

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Come la replicazione, la trascrizione procede allungando la nuova elica in direzione 5’-3’

Il promotore è la regione non trascritta essenziale per il corretto accoppiamento fra elica stampo e RNA P

Promotori in vari geni di E. coli: TATA box e regione –35 (sequenze consenso)

La proteina σ trova il TATA box e posiziona la RNA P al sito d’inizio

In realtà, non tutti i geni hanno il TATA box(INR = Initiator element)

Figura 5.4

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Trascrizione in E. coli: inizio ed allungamento

Figura 5.5

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Trascrizione in E. coli: terminazione

Inverted repeats

Negli Eucarioti le cose si complicano

Oltre a promotore e RNA P, ci sono:

1. Enhancers: regioni del DNA in 5’ che attivano la trascrizione

2. Silencers: regioni del DNA in 5’ che reprimono la trascrizione

3. Repressori: proteine che, stabilendo contatti con i silencers, reprimono la trascrizione

4. Attivatori: proteine che, stabilendo contatti con gli enhancers, attivano la trascrizione

5. Fattori di trascrizione: proteine che si legano al promotore, favorendone il contatto con la RNA P

Le RNA polimerasi

• Nei procarioti, una sola RNA P si occupa della trascrizione di tutti i geni

• Negli Eucarioti, diverse RNA P catalizzano la sintesi di:

1. mRNA, che in seguito verrà tradotto in polipeptide (RNA P II)

2. rRNA, in segmenti di varie lunghezze che alla fine si aggregano a formare ribosomi (RNA P I)

3. tRNA, che riconoscono la sequenza dell’mRNA e allineano gli amminoacidi corrispondenti (RNA P III)

• Ridondanza genica per RNA P I e RNA P III.

Figura 5.6

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L’RNA polimerasi II (RNA p II) del lievito

Figura 5.7

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Il complesso di inizio della trascrizione comprende diversi fattori di trascrizione (TFIIA – TFIIH)

I fattori di trascrizione possono essere generali o specifici, e si dispongono in successione sul promotore

Ci sono proteine che favoriscono ripiegamenti del DNA che mettono a contatto col complesso di inizio della

trascrizione le regioni a monte del gene

Schema generale di mRNA al termine della trascrizione (Eu- e pro-carioti)

AUG UGA

Sequenza leader Sequenza codificante Sequenza terminale(non tradotta) (non tradotta)

5’ 3’

Figura 5.10

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1. Il cap in 5’

All’estremità 5’ del messaggero eucariote viene aggiunto un cap (cappuccio) formato da una G e due gruppi CH3.

Figura 5.11

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2. Il poli(A) in 3’

All’estremità 3’ del messaggero eucariote viene aggiunta una serie di A, o poli(A).

L’esperimento di Chambon

Scopo: isolare un geneProblema: avere tante copie dello stesso tratto di DNAMetodo: isolare un mRNA, copiarlo con una trascrittasi inversa: cDNA.

mRNA in una cellula Eucariotica specializzata e non specializzata

L’esperimento di Chambon: ibridazione mRNA-DNA

1. mRNA prelevato dal citoplasma2. cDNA3. Anse nell’ibrido mRNA-DNA4. Il gene dell’ovalbumina è interrotto da introni

Il gene dell’ovalbumina e la maturazione (splicing) del suo messaggero

Maturazione o splicing del messaggero

• Aggiunta di un cappuccio (G e 2 gruppi metilici) in 5’ (“capping”)

• Rimozione enzimatica degli introni• Poliadenilazione in 3’ (aggiunta di poliA, 10-30 basi a valle

della sequenza-consenso AAUAAA).

Figura 5.12

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Maturazione o splicing del messaggero

Meccanismo della rimozione di un intronenei complessi di splicing

N=qualunque baseR=purinaY=pirimidina

Maturazione (splicing) del messaggero:

in una fase transitoria, un’Adenina forma tre legami fosfodiesterei

Splicing alternativi: un gene fa tante proteine

Splicing alternativi: α-tropomiosina (ratto)

esoni costanti

Evoluzione degli introni: due ipotesi

PrecoceGli introni erano una caratteristica essenziale dei primi organismi. La loro assenza nei batteri sarebbe dovuta ai tempi più brevi di divisione cellulare, e dunque al maggior numero di generazioni durante le quali il genoma batterico si è evoluto, perdendo (quasi) tutti gli introni ancestrali.

TardivaGli introni non erano presenti nei primi organismi. Sarebbero arrivati di recente negli Eucarioti, nel corso dell’aumento di complessità che ha creato la necessità di sviluppare meccanismi di controllo coordinato dell’espressione genica.

Maturazione (splicing) nella cellula

Eucariote

Editing del messaggero

•Inserzione o delezione post-trascrizionale di nucleotidi, conversione chimica di una base in un’altra

•Nel nucleo, nel citosol, nei mitocondri e nei cloroplasti

•Risultato: Il messaggero maturo ha una sequenza di basi che non corrisponde esattamente a quella del DNA che la codifica

•Dove si osserva: in Tripanosoma; nei genomi mitocondriale e plastidiale di molte piante superiori; nei Mammiferi, in vari tessuti dove sono possibili splicing alternativi

Figura 5.15

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Editing del messaggero

Inserzione o delezione di nucleotidi, conversione di una base in un’altra

Nell’mRNA per il gene mitocondriale citocromo ossidasi III di Tripanosoma brucei (TB) vengono inseriti degli U

Cf=Crithridia fasciculata, Lt=Leishmania tarentolae

A G C T G C T T C G G A DNA

U C G A C G A A G C C U mRNA trascritto

A G C U A A G C U A A A U C G G A RNA guida

RNA guida

U C G A C G A A G C C U mRNA trascritto

U C G A U U C G A U U U A G C C U mRNA post editing

L’editing del messaggero in Tripanosoma richiede un RNA guida,trascritto da un altro gene nel genoma mitocondriale

Trascrizione ai geni per l’RNA in Eucarioti:unità di trascrizione, ridondanza genica

1250 serie di geniMaturazione

tRNA: basi modificate, regioni funzionali

tRNA: maturazione

Riassunto 05

• Il DNA viene trascritto in una molecola di RNAm• Il messaggero viene tradotto in un peptide• Nei procarioti una sola RNA P catalizza la trascrizione, negli

Eucarioti intervengono diverse RNA P specializzate in mRNA, rRNA e tRNA

• Sequenze particolari segnalano i punti di inizio e termine di trascrizione e traduzione

• Molti geni eucarioti sono interrotti da sequenze trascritte ma non tradotte: introni. Le parti tradotte prendono il nome di esoni

• Negli Eucarioti il trascritto iniziale matura attraverso l’eliminazione degli introni e altre modifiche biochimiche.

• Sia in Eucarioti che in procarioti, gli rRNA e tRNA subiscono un processo di maturazione