TRASCRIZIONE DEL DNA: PROCESSO IN EUCARIOTI E PROCARIOTI - BIOLOGIA - 2025

La trascrizione del DNA è il processo mediante il quale le informazioni contenute nell'acido desossiribonucleico vengono copiate come una molecola simile, l'RNA, sia come passaggio alla sintesi proteica che per la formazione di molecole di RNA coinvolte nella processi cellulari multipli di grande importanza (regolazione dell'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 set di tre basi di DNA (codone).

Elaborazione di geni eucariotici (Fonte: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) tramite Wikimedia Commons)

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.

Cos'è la trascrizione del DNA?

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 stampo o pattern, anche quando incontra un'altra sequenza di stop speciale.

La traduzione, d'altra parte, è il processo attraverso il quale avviene la sintesi proteica. Consiste nella "lettura" delle informazioni contenute nell'mRNA 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 è 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 nel MRNA, che sono una copia fedele della sequenza del DNA di un gene.

Trascrizione in eucarioti (processo)

Durante la trascrizione negli eucarioti, il DNA viene utilizzato come modello per creare un filamento di RNA messaggero con l'aiuto dell'enzima RNA polimerasi.

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 l'intero macchinario biosintetico per la sintesi proteica (il ribosomi).

- Come sono i geni eucariotici?

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.

Rappresentazione della struttura di un gene eucariotico (Fonte: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) tramite Wikimedia Commons)

Il fatto che un gene abbia un prodotto funzionale sotto forma di RNA o proteina dipende da alcuni 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 dette "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 che deve 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 l'enzima RNA polimerasi e altre proteine ​​riconoscono per iniziare la trascrizione dal DNA all'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 hanno il compito di regolare positivamente o negativamente la trascrizione dei geni.

Le regioni enhancer e silencing sono anche responsabili della regolazione della trascrizione genica modificando l '"attività" delle regioni promotrici mediante il loro legame 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).

- Chi si occupa della trascrizione?

Qualunque sia l'organismo, la trascrizione viene effettuata da un gruppo di enzimi chiamati RNA polimerasi, che, simili agli enzimi preposti alla replicazione del DNA quando una cellula sta per dividersi, sono specializzati nella sintesi di una catena di RNA da uno dei filamenti di DNA del gene che viene trascritto.

Le RNA polimerasi sono grandi complessi enzimatici costituiti da molte subunità. Esistono diversi tipi:

- RNA polimerasi I (Pol I): trascrive i geni che codificano la subunità ribosomiale "grande".

- RNA polimerasi II (Pol II): che trascrive i geni che codificano le proteine ​​e producono 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.

- Qual è il processo?

Trascrizione del gene eucariotico (Fonte: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) tramite Wikimedia Commons)

La trascrizione genetica è un processo che può essere studiato suddiviso in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione.

Iniziazione

Durante l'inizio della regione del promotore, la regione del promotore del gene funziona come un sito di riconoscimento per la RNA polimerasi. È qui che viene controllata la maggior parte dell'espressione genetica

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, solitamente a circa 35 coppie di basi di distanza del 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.

Allungamento

Durante l'allungamento, l'RNA polimerasi scorre lungo la catena che funge da modello

Si verifica quando la RNA polimerasi "si muove" lungo la sequenza del DNA e aggiunge ribonucleotidi complementari al filamento di DNA che funge da "modello" 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 molecola di pirofosfato (PPi).

L'insieme composto dal filamento di DNA, dalla RNA polimerasi e dal filamento di RNA nascente è noto come bolla o complesso di trascrizione.

fine

Quando l'RNA polimerasi raggiunge la regione terminale del gene, l'RNA messaggero trascrizionale è completo. Quindi la RNA polimerasi, il filamento di DNA e l'RNA messaggero di trascrizione si dissociano

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".

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".

Trascrizione in procarioti (processo)

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.

- Come sono i geni procarioti?

Gli organismi procarioti hanno geni molto simili agli eucarioti: i primi utilizzano anche promotori e regioni regolatorie per la loro trascrizione, sebbene un'importante differenza abbia a che fare con il fatto che la regione promotore è spesso sufficiente per ottenere un'espressione "forte" del 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 a un'altra regione, solitamente "a monte", che è regolata da molecole repressive ed è nota come "regione dell'operatore".

Rappresentazione della struttura di un gene procariotico (Fonte: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) tramite Wikimedia Commons)

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 uno L'MRNA può contenere le 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 sono simultaneamente trascritti in una singola forma molecolare di RNA messaggero.

I geni procarioti 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).

- Come è l'RNA polimerasi procariotica?

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 permettono 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 quella che conferisce specificità alla polimerasi.

- Qual è il processo?

La trascrizione nei procarioti è molto simile a quella degli eucarioti (si divide anche in iniziazione, allungamento e terminazione), con alcune differenze nell'identità delle regioni del promotore e dei fattori di trascrizione necessari per l'RNA polimerasi esercitare le loro funzioni.

Sebbene le regioni del promotore possano variare tra diverse specie procariotiche, ci sono due sequenze "consensus" conservate che possono essere facilmente identificate nella regione -10 (TATAAT) e nella regione -35 (TTGACA) a monte della sequenza codificante.

Iniziazione

Dipende dalla subunità σ della RNA polimerasi, in quanto media l'interazione tra il DNA e l'enzima, rendendolo capace di riconoscere le sequenze del promotore. L'iniziazione termina quando vengono prodotte alcune trascrizioni abortive di circa 10 nucleotidi che vengono rilasciate.

Allungamento

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).

fine

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 man mano che avanza nella sintesi dell'RNA fino a quando quest'ultima raggiunge una sequenza ricca di guanine (G), rallenta ed entra in contatto con la proteina Rho. dissociandosi da DNA e mRNA.

La terminazione Rho-indipendente è controllata da sequenze specifiche del gene, solitamente ricche di ripetizioni di guanina-citosina (GC).

Riferimenti

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