Il Trascrizione del DNA è il processo mediante il quale le informazioni contenute nell'acido desossiribonucleico vengono copiate sotto forma di una molecola simile, l'RNA, sia come passaggio precedente per la sintesi proteica sia per la formazione di molecole di RNA che partecipano a molteplici processi cellulari di grande importanza (regolazione di espressione genica, segnalazione, ecc.).
Sebbene non sia vero che tutti i geni di un organismo codificano per proteine, è vero che tutte le proteine di una cellula, siano esse eucariotiche o procariotiche, sono codificate da uno o più geni, dove ogni amminoacido è rappresentato da un insieme di tre basi di DNA (codone).
La sintesi della catena polipeptidica appartenente a qualsiasi proteina cellulare avviene grazie a due processi fondamentali: trascrizione e traduzione; entrambi altamente regolati, poiché sono due processi di grande importanza per il funzionamento di qualsiasi organismo vivente.
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La trascrizione implica la formazione di uno "stampo" per una molecola di RNA nota come "RNA messaggero" (mRNA) dalla sequenza "standard" codificata nella regione del DNA corrispondente al gene da trascrivere..
Questo processo viene eseguito da un enzima chiamato RNA polimerasi, che riconosce posti speciali nella sequenza di DNA, si lega ad essi, apre il filamento di DNA e sintetizza una molecola di RNA utilizzando uno di questi filamenti di DNA complementari come modello o modello, anche quando esso incontra un'altra sequenza di arresto speciale.
La traduzione, d'altra parte, è il processo attraverso il quale avviene la sintesi proteica. Consiste nella “lettura” delle informazioni contenute nell'mRNA che è stato trascritto da un gene, nella “traduzione” dei codoni del DNA in amminoacidi e nella formazione di una catena polipeptidica.
La traduzione delle sequenze nucleotidiche dell'mRNA viene effettuata da enzimi noti come aminoacil-tRNA sintetasi, grazie alla partecipazione di altre molecole di RNA note come "transfer RNA" (tRNA), che sono anticodoni dei codoni contenuti negli MRNA, che sono una copia fedele della sequenza del DNA di un gene.
Nelle cellule eucariotiche, il processo di trascrizione avviene all'interno del nucleo, che è il principale organello intracellulare in cui il DNA è contenuto sotto forma di cromosomi. Inizia con la "copia" della regione codificante del gene che viene trascritta in una molecola a banda singola nota come RNA messaggero (mRNA)..
Poiché il DNA è confinato in detto organello, le molecole di mRNA fungono da intermediari o trasportatori nella trasmissione del messaggio genetico dal nucleo al citosol, dove avviene la traduzione dell'RNA e dell'intero macchinario biosintetico per la sintesi proteica (ribosomi).
Un gene è costituito da una sequenza di DNA le cui caratteristiche determinano la sua funzione, poiché l'ordine dei nucleotidi in detta sequenza è ciò che determina la sua trascrizione e successiva traduzione (nel caso di quelli che codificano per proteine)..
Quando un gene viene trascritto, cioè quando le sue informazioni vengono copiate sotto forma di RNA, il risultato può essere un RNA non codificante (cRNA), che ha funzioni dirette nella regolazione dell'espressione genica, nella segnalazione cellulare, ecc. oppure può essere un RNA messaggero (mRNA), che verrà poi tradotto in una sequenza di amminoacidi in un peptide.
Il fatto che un gene abbia un prodotto funzionale sotto forma di RNA o proteina dipende da determinati elementi o regioni presenti nella sua sequenza..
I geni, eucarioti o procarioti, hanno due filamenti di DNA, uno noto come filamento "senso" e l'altro "antisenso". Gli enzimi responsabili della trascrizione di queste sequenze "leggono" solo uno dei due filamenti, tipicamente il filamento "senso" o "codificante", che ha una "direzione" 5'-3 '.
Ogni gene ha sequenze regolatorie alle sue estremità:
- se le sequenze sono prima della regione codificante (quella che verrà trascritta) sono note come "promotori"
- se sono separati da molti kilobasi, possono essere "silenzianti" o "potenziati"
- quelle sequenze che sono più vicine alla regione 3 'dei geni sono solitamente sequenze terminatore, che dicono alla polimerasi di fermarsi e terminare la trascrizione (o la replicazione, a seconda dei casi)
La regione del promotore è divisa in distale e prossimale, in base alla sua vicinanza alla regione codificante. Si trova all'estremità 5 'del gene ed è il sito che riconosce l'enzima RNA polimerasi e altre proteine per avviare la trascrizione da DNA a RNA.
Nella parte prossimale della regione del promotore possono legarsi fattori di trascrizione che hanno la capacità di modificare l'affinità dell'enzima alla sequenza da trascrivere, quindi sono responsabili della regolazione positiva o negativa della trascrizione dei geni..
Le regioni potenziatore e silenziatore sono anche responsabili della regolazione della trascrizione genica modificando l '"attività" delle regioni promotrici mediante la loro unione con elementi attivatori o repressori "a monte" della sequenza codificante del gene..
Si dice che i geni eucariotici siano sempre "spenti" o "repressi" per impostazione predefinita, quindi hanno bisogno della loro attivazione da parte degli elementi promotori per essere espressi (trascritti).
Qualunque sia l'organismo, la trascrizione viene effettuata da un gruppo di enzimi chiamati RNA polimerasi, che, simili agli enzimi responsabili della replicazione del DNA quando una cellula sta per dividersi, sono specializzati nella sintesi di una catena di RNA da uno dei filamenti di DNA di il gene che viene trascritto.
Le RNA polimerasi sono grandi complessi enzimatici costituiti da molte subunità. Esistono diversi tipi:
- RNA polimerasi I (Pol I): che trascrive i geni che codificano la subunità ribosomiale "grande".
- RNA polimerasi II (Pol II): trascrive i geni codificanti proteine e produce micro RNA.
- RNA polimerasi III (Pol III): che producono gli RNA di trasferimento utilizzati durante la traduzione e anche l'RNA corrispondente alla piccola subunità del ribosoma.
- RNA polimerasi IV e V (Pol IV e Pol V): sono tipiche delle piante e sono responsabili della trascrizione di piccoli RNA interferenti.
La trascrizione genetica è un processo che può essere studiato suddiviso in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione..
La RNA polimerasi (diciamo RNA polimerasi II) si lega alla sequenza della regione del promotore, che consiste in un allungamento di 6-10 coppie di basi all'estremità 5 'del gene, di solito a circa 35 coppie di basi di distanza. Sito di inizio della trascrizione.
L'unione della RNA polimerasi porta all '"apertura" della doppia elica del DNA, separando i filamenti complementari. La sintesi dell'RNA inizia nel sito noto come "sito di iniziazione" e avviene nella direzione 5'-3 ', cioè "a valle" o da sinistra a destra (per convenzione).
L'inizio della trascrizione mediata dalle RNA polimerasi dipende dalla presenza concomitante di fattori di trascrizione proteica noti come fattori di trascrizione generali, che contribuiscono alla "localizzazione" dell'enzima nella regione del promotore.
Dopo che l'enzima ha iniziato a polimerizzare, viene "liberato" sia dalla sequenza del promotore che dai fattori di trascrizione generali..
Si verifica quando la RNA polimerasi "si muove" lungo la sequenza del DNA e aggiunge ribonucleotidi complementari al filamento di DNA che funge da "stampo" per l'RNA in crescita. Quando la RNA polimerasi "passa" attraverso il filamento di DNA, si ricongiunge al suo filamento antisenso.
La polimerizzazione effettuata dalla RNA polimerasi consiste in attacchi nucleofili di ossigeno in posizione 3 'della catena di RNA in crescita al fosfato "alfa" del successivo precursore nucleotidico da aggiungere, con conseguente formazione di legami fosfodiestere e rilascio di un pirofosfato molecola (PPi).
Il set composto dal filamento di DNA, dalla RNA polimerasi e dal filamento di RNA nascente è noto come bolla o complesso di trascrizione..
La terminazione si verifica quando la polimerasi raggiunge la sequenza di terminazione, che è logicamente situata "a valle" dal sito di inizio della trascrizione. Quando ciò si verifica, sia l'enzima che l'RNA sintetizzato si "staccano" dalla sequenza di DNA che viene trascritta..
La regione di terminazione è normalmente costituita da una sequenza di DNA che è in grado di "piegarsi" su se stessa, formando una struttura del tipo "tornante". tornante).
Dopo la terminazione, il filamento di RNA sintetizzato è noto come trascrizione primaria, che viene rilasciato dal complesso di trascrizione, dopodiché può o meno essere elaborato post-trascrizionalmente (prima della sua traduzione in proteina, se applicabile) attraverso un processo chiamato " taglio e giunzione ".
Poiché le cellule procariotiche non hanno un nucleo racchiuso nella membrana, la trascrizione avviene nel citosol, in particolare nella regione "nucleare", dove è concentrato il DNA cromosomico (i batteri hanno un cromosoma circolare).
In questo modo, l'aumento della concentrazione citosolica di una data proteina è sostanzialmente più veloce nei procarioti che negli eucarioti, poiché i processi di trascrizione e traduzione avvengono nello stesso compartimento..
Gli organismi procarioti hanno geni molto simili agli eucarioti: i primi utilizzano anche promotori e regioni regolatrici per la loro trascrizione, sebbene un'importante differenza abbia a che fare con il fatto che la regione promotrice è spesso sufficiente per ottenere un'espressione "forte" dei geni.
In questo senso, è importante ricordare che, in generale, i geni procarioti sono sempre "attivi" per impostazione predefinita..
La regione del promotore è associata ad un'altra regione, solitamente "a monte", che è regolata da molecole repressive ed è nota come "regione dell'operatore"..
Una differenza nella trascrizione tra procarioti ed eucarioti è che normalmente gli RNA messaggeri degli eucarioti sono monocistronici, cioè ognuno contiene le informazioni per sintetizzare una singola proteina, mentre nei procarioti questi possono essere monocistronici o policistronici, dove solo un MRNA può contenere il informazioni per due o più proteine.
Pertanto, è ben noto che i geni procarioti che codificano per proteine con funzioni metaboliche simili, ad esempio, si trovano in gruppi noti come operoni, che vengono simultaneamente trascritti in una forma a molecola singola di RNA messaggero..
I geni procariotici sono densamente imballati, senza molte regioni non codificanti tra di loro, quindi una volta trascritti in molecole di RNA messaggero lineare, possono essere tradotti immediatamente in proteine (gli mRNA eucariotici spesso richiedono un'ulteriore elaborazione).
Gli organismi procarioti come i batteri, ad esempio, utilizzano lo stesso enzima RNA polimerasi per trascrivere tutti i loro geni, cioè quelli che codificano per subunità ribosomiali e quelli che codificano per diverse proteine cellulari.
Nei batteri E. coli La RNA polimerasi è composta da 5 subunità polipeptidiche, due delle quali sono identiche. Le subunità α, α, β, β 'comprendono la porzione centrale dell'enzima e si assemblano e si smontano durante ogni evento di trascrizione..
Le subunità α sono quelle che consentono l'unione tra il DNA e l'enzima; la subunità β si lega ai ribonucleotidi trifosfato che verranno polimerizzati secondo lo stampo di DNA nella molecola di mRNA nascente e la subunità β 'si lega a detto filamento di DNA stampo.
La quinta subunità, nota come σ partecipa all'inizio della trascrizione ed è ciò che conferisce specificità alla polimerasi.
La trascrizione nei procarioti è molto simile a quella degli eucarioti (si divide anche in iniziazione, allungamento e terminazione), con alcune differenze in termini di identità delle regioni promotrici e quella dei fattori di trascrizione necessari alla RNA polimerasi per esercitare le proprie funzioni.
Sebbene le regioni del promotore possano variare tra diverse specie procariotiche, ci sono due sequenze di "consenso" conservate che possono essere facilmente identificate nella regione -10 (TATAAT) e nella regione -35 (TTGACA) a monte della sequenza codificante..
Dipende dalla subunità σ della RNA polimerasi, in quanto media l'interazione tra il DNA e l'enzima, rendendolo in grado di riconoscere le sequenze del promotore. L'iniziazione termina quando vengono prodotte alcune trascrizioni abortive di circa 10 nucleotidi che vengono rilasciate.
Quando la subunità σ viene staccata dall'enzima, inizia la fase di allungamento, che consiste nella sintesi di una molecola di mRNA nella direzione 5'-3 '(circa 40 nucleotidi al secondo).
La terminazione nei procarioti dipende da due diversi tipi di segnali, può essere Rho-dipendente e Rho-indipendente.
La proteina Rho-dipendente è controllata da questa proteina che "segue" la polimerasi mentre avanza nella sintesi dell'RNA fino a quando quest'ultimo raggiunge una sequenza ricca di guanine (G), rallenta ed entra in contatto con la proteina Rho. Dissociandosi dal DNA e mRNA.
La terminazione Rho-indipendente è controllata da specifiche sequenze del gene, solitamente ricche di ripetizioni di guanina-citosina (GC)..
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