Trascrizione e regolazione genica negli eucarioti: dal DNA all'RNA

Generalità su trascrizione e regolazione negli eucarioti

In biologia molecolare la trascrizione è il processo che permette di trasferire l’informazione genetica, contenuta nel DNA, all’interno di un altro acido nucleico, l’RNA.
Questo avviene in tutte le cellule, eucariotiche e procariotiche, grazie ad un enzima specifico detto RNA polimerasi che sintetizza RNA partendo da una molecola di DNA che utilizza come stampo.
La trascrizione e la regolazione genica negli eucarioti sono guidate e controllate in ogni fase grazie ad una serie di proteine specifiche note come fattori di trascrizione.
Essi si dividono in:

fattori basali: contribuiscono a legare l’RNA polimerasi e alla formazione del complesso di inizio.
fattori di regolazione: prendono parte ai meccanismi di regolazione del processo trascrizionale.

La trascrizione e la regolazione genica tuttavia presentano significative differenze in eucarioti e procarioti tra cui, in primis, la localizzazione del processo, rappresentata dal nucleo nelle cellule eucariotiche e dal citoplasma in quelle procariotiche. Questo fa sì che nei procarioti la trascrizione e la successiva traduzione risultino spazialmente e funzionalmente accoppiate.
Negli eucarioti invece gli RNA neosintetizzati, prima di poter essere tradotti nel citoplasma, devono andare incontro ad un processo di maturazione.

Trascrizione e regolazione genica in eucarioti consentono di sintetizzare RNA maturi a partire da DNA — *Figura 1: trascrizione e regolazione genica in eucarioti consentono di sintetizzare RNA maturi a partire da DNA*

Trascrizione: RNA polimerasi e meccanismi

RNA polimerasi in eucarioti

Un’altra differenza nella trascrizione di eucarioti e procarioti sta negli enzimi responsabili del processo stesso. Di RNA polimerasi infatti ne troviamo ben tre nelle cellule eucariotiche e solo una nelle procariotiche.

Nello specifico le RNA polimerasi eucariotiche, dette rispettivamente RNA Pol I, II e III, si differenziano tra di loro in quanto trascrivono per classi di geni differenti.

RNA polimerasi I: trascrive i geni per l’rRNA.
RNA polimerasi II: trascrive i geni precursori dell’mRNA e piccoli RNA (miRNA, snoRNA, siRNA) implicati nella regolazione post trascrizionale.
RNA polimerasi III: trascrive i geni per l’rRNA 5S, per il tRNA e per alcuni small RNA.

Dal punto di vista strutturale le tre polimerasi eucariotiche sono simili e sono costituite da 12 subunità, di cui alcune esclusive di queste cellule e altre in comune con le polimerasi procariotiche.

La trascrizione avviene attraverso tre fasi: inizio, allungamento e terminazione. Vediamo nello specifico quelle relative all’azione della RNA polimerasi II, dalla quale si formerà l’mRNA.

Fasi della trascrizione negli eucarioti: inizio, allungamento e terminazione

La trascrizione ha inizio nel momento in cui l’RNA polimerasi riconosce e lega il promotore, la sequenza di DNA a monte del gene da trascrivere. Esso comprende a sua volta varie sequenze nucleotidiche tra cui una, particolarmente importante, detta TATA box. È così chiamata in quanto costituita da una successione di adenina e timina, basi legate da solo due legami a idrogeno, a differenza dei tre che uniscono citosina e guanina. Questo fa sì che i due filamenti di DNA di questa zona siano più facili da allontanare.
L’inizio della trascrizione negli eucarioti richiede l’intervento di numerose proteine regolatrici, i fattori di trascrizione.

*Figura 2: intervento dei fattori di trascrizione nella fase di inizio*

Il primo ad intervenire è TFIID, che contiene al suo interno TBP (TATA binding protein). TBP si lega al DNA in corrispondenza del solco minore, piegandolo di 80° e consentendo il successivo legame di TFIIA. Esso stabilizza il complesso TFIID-DNA, detto di pre inizio.
Successivamente TFIIB interagisce con tale complesso e consente di posizionare sul sito di inizio l’RNA polimerasi, precedentemente legata e stabilizzata da TFIIF.
TFIIE recluta sul complesso TFIIH, che grazie alla sua attività elicasica determina l’apertura del DNA. Poi con attività chinasica fosforila l’estremità C terminale della polimerasi determinandone il distacco dal promotore.

A questo punto inizia la fase di allungamento. L’RNA polimerasi scorre in direzione 5′->3′ lungo il DNA, in particolare lungo il filamento che funge da stampo, e progressivamente sintetizza un filamento nuovo di RNA.

Questa fase procede fino a che l’RNA polimerasi incontra un terminatore sul filamento stampo di DNA che segnala la terminazione del processo trascrizionale. Quello che si ottiene alla fine della trascrizione è però un trascritto primario. Esso dovrà poi subire ulteriori modificazioni prima di diventare il vero e proprio mRNA maturo, che sarà oggetto della traduzione.

Regolazione della trascrizione in eucarioti

La regolazione genica a livello trascrizionale negli eucarioti avviene durante tutte e tre le fasi del processo.
Essa prevede innanzitutto l’utilizzo di specifiche proteine dette fattori di regolazione, che funzionano come attivatori e repressori di geni specifici.

Gli attivatori si legano a particolari siti a monte/valle del gene, detti enhancer. Il loro ruolo è quello di attivare la trascrizione dei geni attraverso il reclutamento di fattori di rimodellamento della cromatina.
I repressori espletano invece la loro funzione legandosi ai silencer.

A differenza di ciò che avviene nei procarioti, negli eucarioti affinché l’mRNA possa essere tradotto deve essere traslocato dal nucleo al citoplasma e prima che questo avvenga deve andare incontro a due processi, detti di maturazione:

capping: avviene nelle prime fasi della trascrizione. Si basa sull’aggiunta di un nucleotide, detto CAP, all’estremità 5′ del trascritto primario. Tale nucleotide ha funzione di protezione e riconoscimento.
poliadenilazione: avviene sia nella fase di inizio che di allungamento della trascrizione e consiste nell’aggiunta di una coda di poliA all’estremità 3′. Serve a stabilizzare l’mRNA, a proteggerlo dalla degradazione e a favorirne la traslocazione.

*Figura 3: meccanismi di regolazione genica negli eucarioti*

Nelle cellule eucariotiche infine ci sono altri due meccanismi di regolazione, post trascrizionale, che sono:

splicing: è il processo di rimozione delle sequenze non codificanti (introni) dal trascritto maturo, che per essere tale deve essere costituito solo da sequenze codificanti.
oltre al semplice splicing c’è lo splicing alternativo: partendo da un mRNA, attraverso diversi eventi di splicing, si forma più di un mRNA maturo. Essi codificheranno per diverse proteine e contribuiranno quindi ad aumentare la variabilità genetica.
editing: si tratta di modificazioni dell’mRNA attraverso la conversione di una base azotata in un’altra e l’inserzione/delezione di nucleotidi.

Fonti

Francesco Amaldi, Piero Benedetti, Graziano Pesole, Paolo Plevani – Biologia Molecolare – Terza edizione – Casa Editrice Ambrosiana – ISBN 9788808185181
https://it.wikipedia.org/wiki/Trascrizione_(biologia)