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trascrizióne (biologia)

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Definizione

Processo biologico fondamentale consistente nel trascrivere una molecola di RNA (o RNA messaggero) sullo stampo di DNA che costituisce il gene che codifica per una determinata proteina.Costituisce il momento più importante del controllo dell'espressione dei geni. Le azioni e le proprietà dei vari tipi di cellule che compongono gli organismi viventi dipendono direttamente dalle proteine che esse contengono e, inoltre, dal loro livello; infatti esso può caratterizzare e differenziare una cellula da un'altra.

Il processo di trascrizione negli organismi semplici

Nel caso degli organismi monocellulari la presenza e il livello di proteine specifiche determina la sopravvivenza o meno dell'organismo stesso in relazione alle variazioni dell'ambiente e alle necessità nutritive. Il controllo della trascrizione regola la quantità di RNA messaggero prodotto e quindi la quantità e il turnover delle proteine nella cellula. La concentrazione dei vari mRNA è a sua volta determinata da geni che vengono trascritti in ogni particolare tipo di cellula. La “regolazione dell'espressione genica” definisce il processo o i vari processi con i quali l'informazione, codificata da un particolare gene, è interpretata e decodificata per produrre una determinata proteina e ciascuno dei passaggi di questo processo può provocare cambiamenti nell'espressione del gene stesso. L'RNA-polimerasi, l'enzima responsabile della trascrizione, deve posizionarsi precisamente all'inizio del gene ed è necessaria la presenza di un'adeguata concentrazione di ribonucleotidi (A, C, U, G) che costituiscono i mattoni che compongono l'RNA; inoltre, una volta trascritto, l'mRNA deve essere processato (splicing) dagli enzimi che rimuovono le regioni non codificanti (introni); per ottenere un mRNA funzionale, questa molecola deve essere trasportata con un processo attivo dal nucleo al citoplasma, dove avviene la sintesi delle proteine. Ci sono esempi di regolazione dell'espressione genica per ciascuno di questi passaggi, ma il più importante, studiato in una grande varietà di organismi, è quello rappresentato dall'inizio della trascrizione e dalla sua relativa specificità. In questo campo la ricerca ha avuto negli ultimi anni uno sviluppo enorme. Poiché, quando si analizza il controllo della trascrizione bisogna considerare le differenze tra organismi semplici e organismi multicellulari complessi, i meccanismi di controllo si sono evoluti tenendo conto di queste differenze. Uno dei primi modelli sperimentali sul controllo della trascrizione è stato fornito dall'operone (unità trascrizionale composta da diversi geni collegati tra loro) del lattosio nel batterio Escherichia coli. Questo operone include due geni, Z e Y, responsabili del metabolismo del lattosio (zucchero contenuto nel latte) e un terzo gene, A, che ha funzioni diverse. Il gene Z codifica per l'enzima b-galattosidasi che scinde il lattosio in galattosio e glucosio, forme di zucchero che la cellula usa con più facilità. Il gene Y codifica per la lattosio-permeasi che fa entrare attivamente il lattosio nella cellula attraverso la membrana. A monte del gene Z vi è una regione, chiamata promotore, dove si lega l'RNA polimerasi per trascrivere l'RNA e a monte di questa regione c'è il gene I che produce una proteina denominata repressore, la quale è normalmente prodotta ed è legata alla regione del promotore che si chiama operatore. Quando il repressore è legato all'operatore, l'RNA-polimerasi non può iniziare a trascrivere, ma se le cellule vengono messe in presenza di lattosio, questa molecola provoca un cambio strutturale al repressore e questa proteina non è più capace di rimanere legata all'operatore; a questo punto l'RNA-polimerasi può legarsi al promotore ora libero e iniziare la trascrizione. Verrà prodotta la b-galattosidasi e inoltre verrà prodotta la permeasi, che consentirà l'ingresso di altro galattosio e quindi il ciclo andrà avanti fino a che sarà presente nella cellula una concentrazione tale di lattosio da inibire il legame del repressore con il suo promotore. Questo modello semplice proposto da F. Jacob, J. Monod e A. Lwoff, che per questa scoperta ottennero il premio Nobel, è valido in linea di principio per tutti gli organismi viventi e getta le basi di un concetto fondamentale in biologia, cioè la trascrizione dell'RNA è strettamente regolata e questa regolazione è molto raffinata e specifica. Con il passare degli anni i singoli componenti di questo schema sono stati isolati e purificati e recentemente sono state risolte le strutture tridimensionali di molti repressori diversi. Queste proteine hanno domini specifici che riconoscono in maniera molto precisa regioni definite del DNA del sito operatore al quale si legano, sono in generale dei dimeri di una stessa proteina e si legano attraverso delle strutture ad alfa elica nel solco maggiore della regione specifica di DNA. L'operone del lattosio, come molti altri, rappresenta un sistema di regolazione negativo in cui il maggior interprete è costituito dal repressore, tuttavia vi sono altri meccanismi di regolazione che hanno un controllo attivo. Un esempio semplice è costituito dal batteriofago lambda, il cui ciclo vitale può essere quello di produrre altro virus o quello di integrarsi nel cromosoma di Escherichia coli e rimanere silente. Il cambiamento che porta il fago dall'essere integrato nel cromosoma a diventare attivo è dato da interruttori biologici che sono legati all'attivazione di geni specifici. Il fago lambda viene mantenuto lisogeno (integrato nel cromosoma) da una proteina specifica che si chiama repressore di lambda. Questa proteina ha due caratteristiche fondamentali: reprime tutti i geni di lambda che servono alla produzione di nuovo virus e attiva il gene che produce il repressore, cioè se stesso. Questa proteina si lega a un particolare sito promotore dove i geni per la produzione di virus hanno un orientamento e il gene per la produzione del repressore un orientamento opposto. La luce ultravioletta attiva la crescita virale perché inattiva il repressore; a questo punto viene prodotta una proteina che si chiama CRO, che attiva i geni necessari al ciclo virale, legandosi sul DNA allo stesso sito dove si legava il repressore. Queste due proteine, insieme all'RNA-polimerasi, costituiscono l'interruttore biologico del fago lambda.

Il processo di trascrizione negli organismi complessi

Lo scenario di regolazione dell'inizio della trascrizione in organismi più complessi è molto più articolato, ma i processi descritti in questi modelli sono validi anche in questi casi. Per lo più la trascrizione inizia in un sito particolare lungo il DNA ed è controllata da proteine che si legano al DNA, chiamate fattori di trascrizione, che a differenza degli attivatori-repressori di organismi semplici, che si legano vicino al sito di inizio della trascrizione, possono legarsi in posizioni molto lontane dall'inizio della trascrizione. Negli organismi eucarioti esistono tre differenti tipi di RNA-polimerasi che servono a trascrivere RNA diversi. L'RNA-polimerasi I trascrive gli RNA ribosomali e si trova nel nucleolo, l'RNA-polimerasi II catalizza la trascrizione di tutti i geni che codificano per proteine e produce l'mRNA, l'RNA-polimerasi III trascrive il tRNA o RNA di trasporto, un piccolo RNA ribosomale chiamato 5S e un largo insieme di piccoli RNA che hanno funzioni regolatrici nel metabolismo cellulare, molti dei quali fanno parte dell'apparato di splicing del messaggero. Questi tre enzimi sono formati da varie subunità, molte delle quali in comune; sono, però, le subunità diverse a determinare la loro specificità per un determinato RNA da trascrivere. I promotori della RNA-polimerasi II sono composti di una regione definita contenente la sequenza TATA (definita TATA box), che si trova circa 30 nucleotidi a monte del sito di inizio della trascrizione e, inoltre, sono presenti, ulteriormente distanti dal sito di inizio, sequenze che servono al riconoscimento specifico di molti e diversi fattori di trascrizione. Le polimerasi si legano difficilmente da sole al loro promotore ma devono essere “guidate” da un complesso di molte proteine. Sono stati isolati e caratterizzati molti fattori di trascrizione specifici, e inoltre per molti è stata risolta la struttura tridimensionale del complesso con il DNA. Uno dei fattori più importanti, che si chiama TBP e che si lega specificamente alla TATA box, è in grado di ripiegare il DNA di 90° e in questa maniera avvicina al complesso proteine specifiche, legate in zone non troppo vicine, al promotore. Il complesso è composto da diversi fattori composti da varie subunità proteiche. Gli elementi di controllo principali della trascrizione eucariotica sono gli attivatori formati da due domini diversi, uno che si lega in maniera specifica in una regione del promotore e l'altro che interagisce, tramite interazioni proteina-proteina, con il complesso di trascrizione formato dai fattori generali della trascrizione. Gli attivatori si legano a due tipi diversi di sequenze specifiche, quelle nel raggio di 200 coppie di basi dal sito di inizio della trascrizione, che si definiscono “elementi prossimi”, e quelle lontane diverse centinaia di coppie di basi, che possono trovarsi a monte o a valle del sito di inizio della trascrizione e che sono chiamati enhancers. La trascrizione è regolata dall'azione congiunta di attivatori e repressori legati a queste sequenze che interagiscono con il complesso dei fattori legati a TBP. I domini di legame al DNA degli attivatori sono costituiti da diverse strutture proteiche, che generalmente sono alfa eliche che interagiscono con il solco maggiore della doppia elica del DNA. Alcuni attivatori possono formare complessi proteici con altri attivatori della stessa classe e questo fa variare il numero di domini di attivazione presenti nella cellula. I geni espressi in un particolare tipo di cellula sono regolati dal livello di espressione dell'attivatore specifico per quel tipo di cellula e, per esempio, i geni espressi nel fegato hanno regioni di controllo che fanno legare specifici attivatori. Tuttavia esistono anche attivatori universali che sono espressi in tutte le cellule e non è ancora chiaro il meccanismo del loro controllo. L'espressione di alcuni geni è regolata da segnali extracellulari come gli ormoni, e infatti alcuni di essi diffondono all'interno della membrana e attivano, legandosi, alcuni fattori di trascrizione. Molti fattori che reagiscono a questi stimoli sono rappresentati dalla famiglia dei recettori degli steroidi. In assenza degli ormoni questi fattori sono legati a molecole inibitorie e una volta che l'ormone è presente e si lega alla proteina la trasforma in un attivatore. Gli ormoni non steroidei non possono diffondere nella membrana plasmatica e così il meccanismo con il quale attivano la trascrizione di geni specifici è legato alla cascata di eventi della trasduzione del segnale intracellulare. Queste molecole interagiscono con recettori specifici presenti sulla superficie della cellula i quali si attivano e modificano i fattori trascrizionali presenti all'interno della cellula. Lo stesso meccanismo di trasduzione del segnale è usato per quei geni che sono regolati dalla luce. Alcuni fattori vengono modificati in seguito a un'alterazione di un recettore legato alla vista della luce e che attiva una serie di eventi che portano alla modificazione di una proteina specifica che diventa un attivatore della trascrizione di un gene regolato dalla luce. Nelle cellule eucariotiche il DNA è organizzato in una struttura complessa che si chiama cromatina in cui il DNA è associato ai nucleosomi e ad altre proteine. La presenza di nucleosomi reprime il livello basso di trascrizione che a volte si manifesta in assenza di attivatori, e in alcuni casi il DNA è avvolto da una struttura che impedisce ai fattori di trascrizione di raggiungere i siti di regolazione che occuperebbero se il DNA fosse nudo. La cromatina, tuttavia, ha regioni che rendono accessibili fattori specifici di trascrizione e questo aggiunge un altro livello di regolazione di questo complesso processo biologico. Un altro fattore importante nella regolazione della trascrizione è rappresentato dalla struttura topologica del DNA, che a seconda dei casi rende più efficiente la formazione del complesso generale di trascrizione. Il controllo della trascrizione coinvolge fenomeni come lo sviluppo e il differenziamento e molti geni omeotici che regolano lo sviluppo dell'organismo sono fattori di trascrizione e in molti tumori la trasformazione da cellula sana a cellula malata è la conseguenza di una regolazione sbagliata di geni specifici.

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