TRASCRIZIONE E TRADUZIONE NEI PROCARIOTI - FASI DELLA TRASCRIZIONE, REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE

TRASCRIZIONE E TRADUZIONE NEI PROCARIOTI

La trascrizione e il processo mediante il quale le informazioni contenute nel DNA vengono trascritte enzimaticamente in una molecola complementare di RNA. C'e quindi il trasferimento dell'informazione genetica dal DNA all'RNA. Nel caso in cui il DNA codifichi per una proteina, la trascrizione e l'inizio del processo che porta, attraverso la produzione intermedia di un mRNA, alla sintesi di peptidi o proteine funzionali.

L'enzima percorre il filamento stampo del DNA in direzione 3' 5'. Quindi la trascrizione avviene in direzione 5' 3', ovvero il nuovo filamento di RNA viene sintetizzato a partire dal suo 5'.

Nei procarioti la trascrizione e traduzione sono accoppiate, ovvero avvengono nello stesso stimento e contemporaneamente, infatti gia durante la formazione dell'mRNA un ribosoma si attacca al filamento ed inizia a tradurre l'informazione in proteina.

Nelle cellule procariotiche la trascrizione avviene grazie ad un OLOENZIMA (complesso enzimatico) chiamato RNA polimerasi che ha il ruolo di:

· svolgere il DNA

· riavvolgere il DNA

· catalizzare la reazione di addizione dei nucleotidi

L'RNA pol e composta da:

NUCLEO- ha il ruolo di catalizzare la polimerizzazione. E composto da 5 subunita; 2α [assemblaggio enzima], β [catalisi polimerica] , β' [legame allo stampo], ω. In assenza del fattore sigma, inizia la trascrizione in qualsiasi luogo nel filamento stampo del DNA.

FATTORE SIGMA (δ)- ha il ruolo di riconoscimento dei promotori dei geni e stimola un forte legame specifico dell'RNA pol al promotore.

FASI DELLA TRASCRIZIONE:

Riconoscimento

L'RNA pol scorre lungo il DNA stampo fino al momento in cui non trova il promotore del gene interessato. Si tratta di un complesso chiuso e ancora reversibile in quanto il doppio filamento di DNA non e despiralizzato.

L'RNA pol riconosce il promotore del gene del DNA duplex. Del promotore vengono riconosciute delle specifiche sequenze poste a livello -35 e -l0 (o TATA box).

Inizio

C'e un inizio abortivo in quanto l'RNA pol senza spostarsi dal promotore  sintetizza qualche sequenza molto breve di nucleotidi che verranno rilasciati.

Il sistema viene definito aperto e irreversibile in quanto l'RNA pol apre i filamenti di DNA formando la bolla di trascrizione.

Il fattore sigma si stacca dal complesso lasciando il nucleo dell'enzima libero di viaggiare lungo il DNA.

Man mano che la RNA pol si sposta lungo il DNA, il doppio filamento si superavvolge negativamente a monte, e positivamente a valle. Intervengono quindi topoisomerasi [rilassa i superavvolgimenti negativi ] e girasi [introduce superavvolgimenti negativi per contrastare quelli positivi].

Allungamento

Man mano che la bolla di trascrizione viaggia lungo il DNA, i nucleotidi vengono addizionati mediante legami fosfodiestere a formare il filamento di mRNA in formazione. mRNA e un filamento complementare a quello stampo del DNA e quindi presenta la sequenza identica a quella del filamento di DNA non stampo tranen che per la presenza di Uracile al posto della Timina.

L'ibrido DNA ed RNA mantengono una lunghezza costante di 9-l2bp

Terminazione

La sintesi dell'mRNA termina nel momento in cui la RNA pol incontra sullo stampo delle particolari sequenze che trascritte determinano una destabilizzazzione della bolla di trascrizione, rottura dei legami H tra DNA ed RNA, l'RNA pol si stacca ed il DNA duplex si ricompone.

L' RNA pol riconosce due tipi di terminatori:

Terminatore intrinseco/Rho indipendente - provoca la terminazione della trascrizione senza la presenza di fattori esterni. L'RNA pol trascrive sull'mRNA una sequenza particolare palindromica che induce l'RNA in formazione a formare una struttura a stelo-ansa che destabilizzera l'RNA pol e la bolla di trascrizione. Le ultime coppie dell'ibrido DNA-RNA sono AU in quanto presentano legami meno stabili e quindi il rilascio della molecola in formazione e piu semplice.

Terminatore Rho dipendente - per la terminazione richiede l'intervendo di una proteina, Rho che si lega ad un sito particolare del RNA detto RUT e viaggi lungo il filamento di mRNA inseguendo l'RNA pol. Quando si forma la forcina, l'RNA pol rallenta, Rho raggiunge la bolla di trascrizione e con attivita ELICASICA svolge l'ibrido DNA-RNA e tutti i componenti vengono rilasciati.

CORREZIONE DELLE BOZZE

La correzione avviene mediante 2 processi:

1. breve spostamento all'indietro dell'enzima e quindi della bolla di trascrizione, lungo il DNA. In questa maniera, l'estremita 3' dell'RNA in formazione rimane fuori dal sito catalitico dell'RNA pol.

2. secondo un'azione nucleasica, l'estremita 3' viene tagliata e la nuova estremita e pronta per una successiva polimerizzazione della catena nascente di RNA.

ANTITERMINAZIONE

Nel caso in cui piu geni vengono trascritti sullo stesso mRNA, dopo ogni sequenza che codifica per un gene, e presente un sito chiamato NUT (cis-agente) riconosciuto da una proteina trans-agente (codificata da un gene regolatore) che impedisce la terminazione della trascrizione dopo ogni gene. La sequenza NUT e posta a monte del terminatore del gene precedentemente trascritto.

. Nel caso della terminazione Rho indipendente; la proteina legandosi al sito NUT impedisce la formazione della forcina di terminazione.

. Nel caso della terminazione Rho dipendente; la proteina impedisce all'Rho di legarsi al sito RUT dell'mRNA.

ATTENUAZIONE

E un ulteriore meccanismo di regolazione degli operoni batterici che codificano per gli enzimi coinvolti nella biosintesi di qualche amminoacido. Permette di terminare precocemente la trascrizione eventualmente gia iniziata. L'attenuatore e un sito posto subito a monte dei geni. Tra l'operatore del gene e l'attenuatore, e presente una regione chiamata leader.

Nell'esempio dei geni che codificano per gli enzimi coinvolti nella biosintesi del triptofano: Dopo il riconoscimento da parte dell'RNA pol del promotore, in assenza del repressore, passa l'operatore ed arriva a trascrivere la regione leader fondamentale per la continuazione della trascrizione e quindi traduzione. Le triplette della regione leader trascritte infatti codificano per un polipeptide leader che contiene anche l'amminoacido triptofano. Queste triplette di triptofano fungono da sensori di quantita dell'amminoacido  nella cellula batterica.

Nel caso in cui il triptofano sia presente, ma non in quantita cosi elevate che ci sia un'attivazione del meccanismo di repressione, il peptide leader viene sintetizzato in quanto c'e la presenza del triptofano. Questo assumera una struttura a forcina che e di fatto un terminatore intrinseco e questo determinera la terminazione della trascrizione.

Se la quantita di triptofano e bassa a punto tale da determinare un arresto della traduzione del peptide leader in quanto assente il tRNA che trasporta l'amminoacido triptofano, non ci sara quindi la formazione della forcina di terminazione e quindi l'RNA pol continuera la trascrizione.

REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE

I fattori sigma specializzati consentono la trascrizione di geni richiestio in particolari situazioni (shock termico, necessita di utilizzare fonti di azoto, necessita di sintetizzare le componenti dei flagelli per consentire un aumento di movimento del batterio).

I geni dei procarioti sono organizzati in operoni, ovvero sequenza di DNA costituita da un gruppo di geni che vengono regolati in maniera coordinata e trascritti sullo stesso mRNA (RNA policistronico). Un operone contiene geni strutturali destinati ad essere trascritti, un operatore che controlla l'espressione dei geni strutturali, un promotore che precede l'operatore e i geni strutturali constituito da una sequenza di DNA che indica l'inizio della trascrizione e svolge il ruolo di riconoscimento e attacco per l'RNA pol.

Al di fuori dell'operone, e presente anche un gene regolatore, preceduto dal suo promotore, che regola a sua volta l'operatore.

Operone inducibile

Ne e l'esempio l'operone lac in quanto lo stesso lattosio induce la trascrizione degli enzimi coinvolti nella degradazione del lattosio. Il repressore della trascrizione e sempre legato all'operatore inibendo la trascrizione dei geni. Nel caso in cui ci sia lattosio, esso funge da induttore e legandosi al repressore lo inattiva e quindi permette lo scorrimento dell'RNA pol e quindi la trascrizione dei geni.

Il lattosio e un disaccaride e come tale non puo venir utilizzato ma solo se scisso in due monosaccaridi ovvero glucosio e galattosio. Nel caso in cui nella cellula del batterio sia presente direttamente glucosio, il batterio preferisce utilizzare diretammente il monosaccaride al lattosio. La proteina CAP (proteina attivatrice catabolica) si lega al sito CAP posto a monte del promotore. cAMP e una molecola la quale concentrazione e inversamente proporzionale a quella del glucosio, e funge da coattivatore in quanto si lega insieme alla CAP al sito CAP e stimolano la trascrizione di 20-40 volte.

. Nel caso in cui nella cellula sia presente solo glucosio, la trascrizione e quindi repressa dal repressore e quindi gli enzimi per la degradazione del lattosio non vengono trascritti. La comcentrazione in questo caso della cAMP e molto scarsa e quindi non legandosi alla CAP il complesso non si lega al sito CAP.

. Nel caso in cui nella cellula sia presente solo lattosio, il lattosio si lega al repressore e quindi lo inattiva e permette la trascrizione da parte della RNA pol dei geni lac. Essendo la concentrazione di glucosio nulla, quella dell'cAMP e molto alta e quindi formando il complesso cAMP-CAP si legano al sito CAP e la trascrizione e favorita.

. Nel caso in cui siano presenti sia il lattosio che il glucosio, la trascrizione avviene in maniera basale; ovvero dato che il lattosio inattiva il repressore, la trascrizione avviene comunque ma in maniera lenta, in quanto il complesso cAMP-CAP non e legato alla sequenza stampo del DNA.

Operone repremibile

Ne e l'esempio l'operone trp in quanto e lo stesso triptofano che reprime la trascrizione degli enzimi coinvolti nella biosintesi dell'amminoacido. Il triptofano infatti funge da corepressore legandosi al repressore inattivo e quindi attivandolo, si legano all'operatore inibendo la trascrizione dei geni.

(La proteina TRAP e il repressore inattivo che legato al trp si attiva)

FAGO LAMBDA

E un batteriofago che quindi attacca i batteri e svolge due possibili cicli in base alla regolazione della trascrizione; ciclo litico e lisogeno.

Nella via litica, l'RNA pol del batterio trascrive subito determinati geni del virus che codificano per proteine antiterminatrici come la proteina N, che si legano al sito NUT. In questa via, il fago induce la trascrizione dei propri geni a scopo di formare progenie e quindi fare scoppiare la cellula batterica e continuare ad infettare altre cellule.

Nella via lisogena, il DNA viene inserito in quello del batterio e i geni del fago sono quiescienti, ovvero repressi tutti dal repressore lambda trascritto dall'unico gene virale non represso, ovvero il gene cl. Il repressore infatti si lega agli operatore Ol ed Or spegnendo in questa maniera l'intero genoma virale. Il DNA del virus in questa maniera viene trasmesso alla progenie del profago senza che esca dalla cellula.