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Meccanismi di maturazione e trascrizione dell'RNA Pol II, Appunti di Biologia Molecolare

Il processo di maturazione e trascrizione dell'rna pol ii, inclusi i meccanismi di capping, poliadenilazione, splicing e editing. Vengono inoltre esplorati i ruoli di fact, spliceosoma e altri fattori di trascrizione, nonché i meccanismi di protezione contro errori di splicing. Inoltre, vengono presentati i meccanismi di trasporto dell'mrna dal nucleo al citoplasma.

Tipologia: Appunti

2020/2021

Caricato il 22/03/2024

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francesca-ardizzone-1 🇮🇹

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TRASCRIZIONE NEGLI EUCARIOTI
Vi sono delle differenze con la trascrizione nei procarioti:
Vi sono più polimerasi, mentre i batteri ne hanno una sola;
Sono necessari più fattori d’inizio, che vengono detti
fattori generali di trascrizione GTF.
Si definisce core del promotore il gruppo minimo di sequenze
necessarie per un inizio di trascrizione da parte della pol II; in
genere il core del promotore è lungo circa 40-60 nucleotidi. Il
promotore possiede alcuni elementi, che sono:
BRE, che viene riconosciuto da TFIIB;
L’elemento TATA, la TATA-BOX;
L’iniziatore (Inr);
Elementi a valle del promotore (DPE, DCE e MTE).
Ci sono anche altri elementi, che costituiscono le sequenze
regolatrici; queste sequenze includono: elementi del core del
promotore, sequenze attivatrici a monte, enhancer e silencers.
Tutte queste sequenze di DNA legano le proteine regolatrici,
attivatori o repressori che aiutano o inibiscono la trascrizione.
I fattori di trascrizione aiutano la polimerasi a legarsi al
promotore e a separare il DNA: il gruppo completo dei fattori
generali di trascrizione e della polimerasi, legati insieme al
promotore viene detto complesso di pre-inizio. Il complesso di
pre-inizio comincia a formarsi a livello della TATA-box, in quanto
questa sequenza è l’elemento riconosciuto dal fattore generale
della trascrizione detto TFIID. TFIID è un complesso costituito da
molte subunità: il componente di TFIID che lega la TATA-box è
chiamato TBP. TBF, una volta legata al DNA, fa allargare il solco
minore della TATA-box fino ad assumere una conformazione quasi
piatta e inoltre piega il DNA di circa 80°.
Le altre subunità del complesso sono dette TAF, e si legano agli
elementi del promotore, l’iniziatore (Inr) e l’elemento a valle
del promotore (DPE).
In seguito al legame con il DNA, il complesso TBP-DNA risultante
fornisce una piattaforma per il reclutamento di altri fattori
generali della trascrizione e della polimerasi. Questi altri
fattori si associano nel seguente ordine al promotore:
1. TFIIA;
2. TFIIB, entra nel complesso di pre-inizio dopo TBP e sembra
far da ponte tra TBP legata alla tata-box e la polimerasi;
3. TFIIF assieme alla polimerasi;
4. TFIIE;
5. TFIIH.
La formazione del complesso di pre-inizio è seguita dalla
dissociazione dei due filamenti del promotore, che richiede
l’idrolisi dell’ATP ed è mediata da TFIIH, in quanto questo
fattore d’inizio ha due subunità, una ATPasica ed una chinasica:
quindi, fosforila la coda dell’RNApolII permettendo il distacco
del promotore.
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Scarica Meccanismi di maturazione e trascrizione dell'RNA Pol II e più Appunti in PDF di Biologia Molecolare solo su Docsity!

TRASCRIZIONE NEGLI EUCARIOTI

Vi sono delle differenze con la trascrizione nei procarioti:

  • Vi sono più polimerasi, mentre i batteri ne hanno una sola;
  • Sono necessari più fattori d’inizio, che vengono detti fattori generali di trascrizione GTF. Si definisce core del promotore il gruppo minimo di sequenze necessarie per un inizio di trascrizione da parte della pol II; in genere il core del promotore è lungo circa 40 - 60 nucleotidi. Il promotore possiede alcuni elementi, che sono:
  • BRE, che viene riconosciuto da TFIIB;
  • L’elemento TATA, la TATA-BOX;
  • L’iniziatore (Inr);
  • Elementi a valle del promotore (DPE, DCE e MTE). Ci sono anche altri elementi, che costituiscono le sequenze regolatrici; queste sequenze includono: elementi del core del promotore, sequenze attivatrici a monte, enhancer e silencers. Tutte queste sequenze di DNA legano le proteine regolatrici, attivatori o repressori che aiutano o inibiscono la trascrizione. I fattori di trascrizione aiutano la polimerasi a legarsi al promotore e a separare il DNA: il gruppo completo dei fattori generali di trascrizione e della polimerasi, legati insieme al promotore viene detto complesso di pre-inizio. Il complesso di pre-inizio comincia a formarsi a livello della TATA-box, in quanto questa sequenza è l’elemento riconosciuto dal fattore generale della trascrizione detto TFIID. TFIID è un complesso costituito da molte subunità: il componente di TFIID che lega la TATA-box è chiamato TBP. TBF, una volta legata al DNA, fa allargare il solco minore della TATA-box fino ad assumere una conformazione quasi piatta e inoltre piega il DNA di circa 80°. Le altre subunità del complesso sono dette TAF, e si legano agli elementi del promotore, l’iniziatore (Inr) e l’elemento a valle del promotore (DPE). In seguito al legame con il DNA, il complesso TBP-DNA risultante fornisce una piattaforma per il reclutamento di altri fattori generali della trascrizione e della polimerasi. Questi altri fattori si associano nel seguente ordine al promotore:
  1. TFIIA;
  2. TFIIB, entra nel complesso di pre-inizio dopo TBP e sembra far da ponte tra TBP legata alla tata-box e la polimerasi;
  3. TFIIF assieme alla polimerasi;
  4. TFIIE;
  5. TFIIH. La formazione del complesso di pre-inizio è seguita dalla dissociazione dei due filamenti del promotore, che richiede l’idrolisi dell’ATP ed è mediata da TFIIH, in quanto questo fattore d’inizio ha due subunità, una ATPasica ed una chinasica: quindi, fosforila la coda dell’RNApolII permettendo il distacco del promotore.

In vivo, l’inizio della trascrizione ha bisogno di altre proteine, tra cui il complesso del mediatore, proteine trascrizionali regolatrici e enzimi che modificano i nucleosomi; questo è necessario in quanto in vivo il DNA stampo è impacchettato nella cromatina e questa condizione rende più difficile il legame del promotore con la polimerasi. Le proteine trascrizionali regolatrici, dette attivatori, aiutano il reclutamento della polimerasi al promotore e ne stabilizzano il legame. Questo reclutamento è mediato dalle interazioni tra gli attivatori legati al DNA; una di queste interazioni avviene con il complesso del mediatore. Il mediatore è associato alla coda carbossiterminale della subunità maggiore della polimerasi attraverso una superficie di legame, mentre presenta altre superfici per l’interazione con gli attivatori legati al DNA. Il mediatore è costituito da più di 20 subunità, e solamente una (Srb4/Med17) è necessaria per la trascrizione in vivo di tutti i geni PolII. Una volta che la polimerasi si è distaccata dal promotore ed ha iniziato la trascrizione, si passa alla fase di allungamento. Dunque, in questo processo abbiamo altri fattori, detti fattori d’allungamento. Una di queste è la chinasi P-TEFb, che viene reclutata sulla polimerasi dagli attivatori trascrizionali. Una volta legata alla PolII, questa proteina fosforila la serina in pos.2 dei segmenti ripetuti della coda CTD. Questa fosforilazione facilita l’allungamento. Inoltre, questa chinasi attiva un’altra proteina detta SPT5, un fattore di allungamento. Infine, un altro fattore di allungamento, detto TAT-SF1, viene reclutato dalla chinasi. Le polimerasi in fase di allungamento devono risolvere il problema della presenza degli istoni sul DNA, e ci riescono grazie a dei fattori denominati FACT (facilitates chromatin transcription), che rendono più efficiente la trascrizione a partire da stampi organizzati in cromatina. FACT è un eterodimero di due proteine: spt16 e SSRP1. In particolare, Spt16 si lega ai dimeri H2A:H2B mentre SSRP1 si lega ai tetrameri H3:H4. A questo punto FACT rimuove un dimero H2A:H2B downstream alla RNA Pol II. Inoltre FACT svolge anche un'attività̀ di chaperone per gli istoni, che permette di ricostruire il dimero H2A:H2B immediatamente upstream l’RNA Pol. FACT riesce, quindi, a rimuovere gli istoni a valle e di riformarli a monte, mantenendo così l’integrità della struttura cromatinica e permettendo contemporaneamente alla polimerasi di continuare con l’allungamento. Una volta trascritto, l’RNA deve maturare prima di essere esportato fuori dal nucleo e poi tradotto. Gli eventi di maturazione sono:

  1. Capping all’estremità 5’;
  2. Poliadenilazione all’estremità 3’;
  3. Splicing.

La trascrizione dell’RNApol I e IIi

Gli eucarioti, oltre alla polII, hanno anche altre due polimerasi: PolI e PolIII. Queste polimerasi iniziano la trascrizione a partire da promotori diversi e trascrivono geni diversi: queste Pol trascrivono geni che codificano RNA specializzati e non proteine. Ciascuno di questi enzimi riconosce promotori distinti e utilizza gruppi specifici di fattori generali di trascrizione. Tuttavia, TBP è universale in quanto è coinvolto nell’inizio della trascrizione da parte delle Pol I, II, e III. L’RNA Pol I è necessaria per l’espressione di un solo gene, che codifica il precursore dell’rRNA che poi viene processato per formare gli rRNA 5.8S, 18S, e 25S. Il promotore del gene per l’rRNA è compost da due parti:

  • l’elemento centrale ( core );
  • l’UCE ( upstream control element ). Oltre alla Pol I, l’inizio della trascrizione necessita di altri due fattori:
  • SL1, comprende TBP e tre TAF specifici;
  • UBF. SL1 lega il DNA solo in presenza di UBF e quest’ultimo si lega all’UCE portandovi SL1 e stimolando la trascrizione del core del promotore attraverso il reclutamento della polI. La Pol III, invece, trascrive geni che codificano per i tRNAs e il 5S rRNA. I promotori riconosciuti dalla Pol III sono localizzati a valle del sito d’inizio della trascrizione:
  • I promotori della Pol III per i geni di tRNA sono composti da due regioni: Box A e Box B;
  • I promotori della Pol III per il gene 5S rRNA contiene la Box A e la Box C;
  • Altri promotori contengono un elemento TATA come quello della pol II. L’RNA Pol III usa due fattori di trascrizione per i geni dei tRNAs: TFIIIB e TFIIIC. A questi si aggiunge il TFIIIA per il gene dell’rRNA 5S. TFIIIC si lega alla regione del promotore e recluta TFIIIB immediatamente a monte del sito d’inizio, il quale a sua volta recluta la Pol III. L’enzima, quindi, inizia la trascrizione e rimuove TFIIIC dal DNA stampo. Anche la Pol III usa TBP, il quale si trova all’interno del complesso TFIIIB.

LO SPLICING DELL’RNA

Per i geni degli eucarioti, la sequenza codificante viene periodicamente interrotta da sequenze non codificanti dette introni. Mentre le sequenze codificanti sono dette esoni. Dunque, è necessario che dopo la trascrizione in un RNA, gli introni debbano essere rimossi e gli esoni legati per creare l’mRNA di quel gene. Il processo di rimozione degli introni dai pre-mRNA viene chiamato splicing dell’RNA. La chimica dello splicing I confini tra gli esoni e gli introni sono marcati da sequenze nucleotidiche specifiche all’interno del pre-mRNA, e queste sequenze specificano dove avverrà lo splicing. L’estremità 5’ dell’introne viene chiamata sito di splicing 5’, o sito donatore, mentre l’estremità 3’ viene chiamata sito di splicing 3’ o sito accettore; per lo splicing è necessaria anche una terza sequenza, chiamata punto di ramificazione, la quale si trova completamente all’interno dell’introne ed è seguita da un segmento di polipirimidina. Un introne viene rimosso grazie a due reazioni di transesterificazione, in cui alcuni legami fosfodiesterici all’interno dell’mRNA vengono rotti e ne vengono formati di nuovi.

  1. La prima reazione è avviata dal 2’OH della A conservata al punto di ramificazione. Questo gruppo agisce attraverso un attacco nucleofilo sul gruppo fosfato della G conservata nel sito di splicing 5’. Come conseguenza di questa prima reazione, viene tagliato il legame fosfodiesterico tra lo zucchero e il fosfato alla giunzione tra l’introne e l’esone e l’estremità 5’ viene unita alla A del punto di ramificazione, formando una giunzione a tre vie.
  2. Nella seconda reazione l’esone al 5’ cambia ruolo e diventa nucleofilo che attacca il gruppo fosfato al sito di splicing 3’. Questa seconda reazione ha due conseguenze: la prima è che unisce gli esoni 5’ e 3’, mentre la seconda è che questa reazione libera l’introne che funge da gruppo uscente nella reazione. Dato che l’estremità 5’ dell’introne è legata alla a del punto di ramificazione, l’introne appena liberato ha la forma di un cappio.

A questo punto, U1 è sostituito da U6 nel sito di splicing 5’ U4 è rilasciato dal complesso e questo permette a U6 di interagire con U2 formando the C complex. Questo arrangiamento genera il sito attivo, che è composto da U6 e U2. La reazione fra i siti 5’ and 3’ è mediata da U5 che avvicina le due estremità. Nell’ultima fase del ciclo dello spliceosoma, la struttura spliceosoma/introne è smantellata dall’RNA elicasi Prp Le snRNPs vengono riciclate e gli introni degradati.

Vi sono alcuni introni, tuttavia, che possono effettuare autonomamente lo splicing ed essere rimossi dal pre-mRNA senza l’ausilio dello spliceosoma: questi introni sono chiamati introni self-splicing. Per self-splicing si intende il fatto che l’introne stesso si ripiega in una conformazione specifica all’interno dell’RNA precursore e catalizza la chimica del suo stesso rilascio. Gli introni self-splicing sono classificati in due gruppi, in base alla loro struttura e al loro meccanismo di splicing:

  • Gruppo I;
  • Gruppo II; Nel caso degli introni del gruppo II, la chimica degli splicing e gli intermedi di RNA prodotti sono gli stessi di quelli prodotti per i pre-mRNA nucleari. Gli introni del gruppo I subiscono invece uno splicing con un percorso diverso; anziché utilizzare un residuo A nel punto di ramificazione, utilizzano un nucleoside G libero. Questa G è legata dall’RNA e il suo gruppo 3’-OH viene presentato al sito di splicing 5’. Adesso avviene la stessa reazione di transesterificazione che porta alla formazione del cappio, ed unisce la G all’estremità 5’ dell’introne. La seconda reazione poi avviene all’estremità 3’ che è libera dell’esone ed attacca il sito di splicing al 3’, questo unisce i due esoni e rilascia l’introne, in forma lineare. ERRORI DELLO SPLICING Lo spliceosoma, per evitare uno splicing inappropriato, si forma solo sulle sequenze di RNA che sono state riconosciute prima dalla snRNP U1 e poi dalla U6. Il riconoscimento del sito di splicing può comportare due tipi di errori:
  1. Salto dell’esone, che accade se i componenti dello spliceosoma, legati al sito di splicing 5’ di un esone, interagiscono con i componenti dello spliceosoma legati al sito 3’ non dell’esone successivo, ma di quello a valle;
  2. Selezione di uno pseudo sito di splicing, quando i componenti in un dato sito di splicing 5’ possono appaiarsi con i componenti legati erroneamente a uno pseudo sito di splicing 3’. Nel secondo meccanismo di protezione, durante la trascrizione, la coda dell’RNA Pol porta diverse componenti dello spliceosoma le quali vengono trasferite direttamente sull’RNA nascente appena questo emerge dall’RNA Pol. Nel terzo meccanismo di protezione contro l’impiego di siti non corretti vengono riconosciuti i siti di splicing vicino agli esoni. Le proteine chiamate SR (ricche di arginina e serina) si legano alle sequenze situate all’interno degli esoni dette enhancer di splicing esonico (ESE). Queste proteine portano alcuni componenti del macchinario dello splicing e in questo modo reclutano le proteine U2AF al sito di splicing 3’ e U1 al 5’.
  1. Il decadimento mediato da un codone nonsenso; questo meccanismo fa si che solamente gli mRNA con uno dei due esoni (mai con entrambi o nessuno) siano stabili. Infatti, includendo entrambi gli esoni si produce un mRNA che contiene un codone di stop prematuro. Lo splicing alternativo è regolato da specifici attivatori o repressori: le proteine che regolano lo splicing si legano a dei siti specifici detti:
  • Enhancer esonici o intronici di splicing;
  • Silenziatori esonici o intronici di splicing. I primi incrementano, mentre i secondi reprimono lo splicing sui siti di splicing vicini. La presenza o l'attività̀ di una di queste proteine può̀ determinare se un particolare sito di splicing viene usato da una cellula o in un particolare stadio dello sviluppo. La maggior parte dei silenziatori si legano all’RNA ma non hanno il dominio per reclutare lo spliceosoma. Quindi, legandosi ad un sito specifico bloccano l’uso di quel sito. Gli attivatori, invece, legano il pre-mRNA e reclutano lo spliceosoma al sito specifico. Errori nello splcing del pre-mRNA possono causare diverse malattie nell’uomo. Infatti, si stima che circa il 15% delle mutazioni puntiformi patologiche per l’uomo modifichi delle sequenze di riconoscimento per lo splicing. Un esempio è la b-talassemia: questa malattia genetica umana è caratterizzata da una produzione difettosa di b-globina, una subunità dell’emoglobina. I sintomi principali nei casi gravi includono:
  • Crescita ritardata;
  • Gonfiore addominale;
  • Pelle gialla (ittero); Senza trattamento, si ha l’ingrossamento di numerosi organi, compreso il cuore. Le ossa diventano più sottili e fragili. I pazienti hanno bisogno di continue trasfusioni. Queste frequenti trasfusioni causano l’accumulo di ferro nel cuore e in altri organi. Questo causa delle insufficienze cardiache negli adolescenti. Un tipo di b-talassemia è causato da una mutazione nel primo introne del gene della β-globina che crea una sequenza simile a un normale sito di splice 3’, da TTGGT a TTAGT. Nelle persone afflitte dalla malattia, lo splicing del pre-mRNA della β-globina avviene predominantemente nel sito creato dalla mutazione.

Vantaggi di avere gli introni Un chiaro vantaggio è che la presenza di introni, e la necessità di rimuoverli, consente lo splicing alternativo e perciò la possibilità di generare prodotti proteici multipli a partire da un singolo gene. Un altro vantaggio si pensa sia il fatto che avere la sequenza codificante dei geni divisa su più esoni permette la creazione di nuovi geni attraverso il rimescolamento degli esoni: gli esoni generalmente sono piuttosto corti, mentre gli introni possono essere anche molto lunghi, di conseguenza questa differenza di dimensioni assicura che, per un gene eucariotico superiore, la ricombinazione avvenga all’interno degli introni, rispetto agli esoni; quindi è più probabile che gli esoni vengano rimescolati piuttosto che interrotti. RNA EDITING L’editing dell’RNA, come lo splicing, può modificare la sequenza di un RNA dopo che è stato trascritto. Vi sono due meccanismi che mediano l’editing:

  • La deamminazione sito-specifica;
  • L’inserzione o la delezione di un’uridina diretta dagli RNA guida. In una forma di deamminazione sito-specifica, un determinato residuo di citosina all’interno di un mRNA viene convertito in un’uridina attraverso una deamminazione; questa reazione è catalizzata dall’enzima citidina deamminasi, e in questo caso la reazione avviene in maniera tessuto-specifica. Un altro esempio di editing dell’mRNA tramite deamminazione enzimatica è quello della deamminazione dell’adenosina: questa reazione è catalizzata dall’enzima ADAR (adenosina deamminasi che agisce sull’RNA), e produce inosina. L’inosina si appaia con la citosina, perciò questa modificazione può chiaramente alterare la sequenza della proteina codificata dall’mRNA. Gli RNA guida, invece, dirigono l’inserzione e la delezione delle uridine: dopo la trascrizione, vengono inserite uridine multiple in regioni specifiche dell’mRNA. Queste inserzioni possono essere così estese che, in un caso estremo, arrivano a costituire la metà della lunghezza dell’mRNA maturo. L’aggiunta delle uridine al messaggero cambia ovviamente i codoni e la fase di lettura e ne altera totalmente il significato.