Trascrizione del DNA: come funziona?

Indipendentemente dal fatto che tu sia un principiante della biologia o un appassionato di lunga data, è molto probabile che predefinito, consideri l'acido desossiribonucleico (DNA) come forse il concetto più indispensabile in tutta la vita scienza. Come minimo, probabilmente sei consapevole che il DNA è ciò che ti rende unico tra i miliardi di persone sul pianeta, attribuendogli un ruolo nel mondo della giustizia penale e al centro della scena della biologia molecolare lezioni. Hai quasi sicuramente imparato che il DNA è responsabile di dotarti di qualsiasi tratto tu abbia ereditato dai tuoi genitori, e che il tuo DNA è la tua eredità diretta alle generazioni future, se dovessi averlo bambini.

Quello di cui potresti non sapere molto è il percorso che collega il DNA nelle tue cellule ai tratti fisici che manifesti, sia palesi che nascosti, e la serie di passaggi lungo quel percorso. I biologi molecolari hanno prodotto il concetto di "dogma centrale" nel loro campo, che può essere riassunto semplicemente come "DNA a RNA a proteine". La prima parte di questo processo – la generazione di RNA, o acido ribonucleico, dal DNA – è nota come

DNA e RNA sono acidi nucleici. Entrambi sono fondamentali per tutta la vita; queste macromolecole sono strettamente imparentate, ma le loro funzioni, sebbene squisitamente intrecciate, sono altamente divergenti e specializzate.

Il DNA è un polimero, il che significa che è costituito da un gran numero di subunità ripetute. Queste subunità non sono esattamente identiche, ma sono identiche nella forma. Considera una lunga serie di perline composta da cubi che sono disponibili in quattro colori e variano leggermente nelle dimensioni, e ottieni un'idea di base di come sono disposti DNA e RNA.

I monomeri (subunità) degli acidi nucleici sono noti come nucleotidi. I nucleotidi stessi sono costituiti da triadi di tre molecole distinte: un gruppo (o gruppi) fosfato, a zucchero a cinque atomi di carbonio e una base ricca di azoto ("base" non nel senso di "fondamento", ma significa "ione idrogeno accettore"). I nucleotidi che compongono gli acidi nucleici hanno un gruppo fosfato, ma alcuni hanno due o anche tre fosfati attaccati in fila. Le molecole adenosina difosfato (ADP) e adenosina trifosfato (ATP) sono nucleotidi di straordinaria importanza nel metabolismo energetico cellulare.

DNA e RNA differiscono in molti modi importanti. Uno, mentre ciascuna di queste molecole include quattro diverse basi azotate, il DNA include adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T), mentre l'RNA include i primi tre di questi, ma sostituisce l'uracile (U) per t. Due, lo zucchero nel DNA è il desossiribosio, mentre quello nell'RNA è il ribosio. E tre, il DNA è a doppio filamento nella sua forma energeticamente più stabile, mentre l'RNA è a filamento singolo. Queste differenze sono di grande importanza sia nella trascrizione in particolare che nella funzione di questi rispettivi acidi nucleici in generale.

Le basi A e G sono chiamate purine, mentre C, T e U sono classificate come pirimidine. Criticamente, A si lega chimicamente a, e solo a, T (se DNA) o U (se RNA); C si lega a e solo a G. I due filamenti di una molecola di DNA sono complementari, il che significa che le basi in ciascun filamento corrispondono in ogni punto alla base "partner" unica nel filamento opposto. Quindi AACTGCGTATG è complementare a TTGACGCATAC (o UUGACGCAUAC).

Prima di approfondire la meccanica della trascrizione del DNA, vale la pena dedicare un momento a rivedere la terminologia associato a DNA e RNA, perché con così tante parole dal suono simile nel mix, può essere facile confondere loro.

replica è l'atto di fare una copia identica di qualcosa. Quando fai una fotocopia di un documento scritto (old school) o usi la funzione copia e incolla su un computer (new school), stai replicando il contenuto in entrambi i casi.

Il DNA si replica, ma l'RNA, per quanto la scienza moderna può accertare, no; deriva solo da trascrizione_._ Da una radice latina che significa "una scrittura trasversale", la trascrizione è la codifica di un particolare messaggio in una copia di una fonte originale. Potresti aver sentito parlare di trascrittori medici, il cui compito è digitare in forma scritta le note mediche fatte come registrazione audio. Idealmente, le parole, e quindi il messaggio, saranno esattamente le stesse nonostante il cambio di mezzo. Nelle cellule, la trascrizione comporta la copia di un messaggio genetico di DNA, scritto nel linguaggio delle sequenze di basi azotate, in forma di RNA, specialmente RNA messaggero (mRNA). Questa sintesi di RNA avviene nel nucleo delle cellule eucariotiche, dopo di che l'mRNA lascia il nucleo e si dirige verso una struttura chiamata ribosoma per subire traduzione.

Mentre la trascrizione è la semplice codifica fisica di un messaggio in un mezzo diverso, la traduzione, in termini biologici, è la conversione di quel messaggio in un'azione intenzionale. Una lunghezza di DNA o un singolo messaggio di DNA, chiamato a gene, alla fine si traduce in cellule che producono un prodotto proteico unico. Il DNA spedisce questo messaggio sotto forma di mRNA, che poi trasporta il messaggio a un ribosoma per essere tradotto nella produzione di una proteina. In questa prospettiva, l'mRNA è come un progetto o una serie di istruzioni per assemblare un mobile.

Si spera che questo chiarisca tutti i misteri che hai su cosa fanno gli acidi nucleici. Ma per quanto riguarda la trascrizione in particolare?

Il DNA, piuttosto famoso, è intessuto in un'elica a doppio filamento. Ma in questa forma, sarebbe fisicamente difficile costruirci qualcosa. Pertanto, in iniziazione fase (o fase) della trascrizione, la molecola di DNA viene svolta da enzimi chiamati elicasi. Solo uno dei due filamenti di DNA risultanti viene utilizzato per la sintesi dell'RNA alla volta. Questo filo è indicato come il non codifica filamento, perché, grazie alle regole di DNA e RNA base-pairing, l'altro filamento di DNA ha la stessa sequenza di basi azotate dell'mRNA da sintetizzare, rendendo così questo filamento il codifica filo. Sulla base dei punti fatti in precedenza, puoi concludere che un filamento di DNA e l'mRNA che è responsabile della produzione sono complementari.

Con il filamento ora pronto per l'azione, una sezione di DNA chiamata sequenza del promotore indica dove deve iniziare la trascrizione lungo il filamento. L'enzima RNA polimerasi arriva in questa posizione e diventa parte di un complesso promotore. Tutto questo per garantire che la sintesi dell'mRNA inizi esattamente dove dovrebbe sulla molecola del DNA, e questo genera un filamento di RNA che contiene il messaggio codificato desiderato.

Successivamente, nel allungamento fase, l'RNA polimerasi "legge" il filamento di DNA, partendo dalla sequenza del promotore e muovendosi lungo il filamento di DNA, come un insegnante che cammina su una fila di studenti e distribuisce i test, aggiungendo nucleotidi all'estremità in crescita dell'RNA che si sta formando di recente molecola.

I legami creati tra i gruppi fosfato di un nucleotide e il gruppo ribosio o desossiribosio sul nucleotide successivo sono chiamati legami fosfodiestere. Si noti che una molecola di DNA ha quello che viene chiamato un capolinea 3' ("tre primi") a un'estremità e un capolinea 5' ("cinque primi") all'altra, con questi numeri che provengono dal posizioni terminali degli atomi di carbonio nei rispettivi "anelli" terminali di ribosio. Man mano che la molecola di RNA stessa cresce nella direzione 3', si muove lungo il filamento di DNA nella direzione 5' direzione. Dovresti esaminare un diagramma per assicurarti di aver compreso appieno i meccanismi della sintesi dell'mRNA.

L'aggiunta di nucleotidi - in particolare, trifosfati nucleosidici (ATP, CTP, GTP e UTP; L'ATP è adenosina trifosfato, il CTP è citidina trifosfato e così via) – per allungare il filamento di mRNA richiede energia. Questo, come tanti processi biologici, è fornito dai legami fosfato nei nucleosidi trifosfati stessi. Quando il legame fosfato-fosfato ad alta energia viene rotto, il nucleotide risultante (AMP, CMP, GMP e UMP; in questi nucleotidi, "MP" sta per "monofosfato") viene aggiunto all'mRNA e una coppia di molecole di fosfato inorganico, solitamente scritte PP_io, cadi via.

Quando avviene la trascrizione, lo fa, come affermato, lungo un singolo filamento di DNA. Siate consapevoli, tuttavia, che l'intera molecola di DNA non si srotola e non si separa in filamenti complementari; questo accade solo nelle immediate vicinanze della trascrizione. Di conseguenza, puoi visualizzare una "bolla di trascrizione" che si muove lungo la molecola del DNA. Questo è come un oggetto che si muove lungo una cerniera che viene decompressa appena davanti all'oggetto da un meccanismo mentre un meccanismo diverso richiude la cerniera nella scia dell'oggetto.

Infine, quando l'mRNA ha raggiunto la lunghezza e la forma richieste, il terminazione si avvia la fase. Come l'inizio, questa fase è abilitata da specifiche sequenze di DNA che funzionano come segnali di stop per l'RNA polimerasi.

Nei batteri, questo può accadere in due modi generali. In uno di questi, la sequenza di terminazione viene trascritta, generando una lunghezza di mRNA che si ripiega su se stesso e quindi si "ammassa" mentre l'RNA polimerasi continua a svolgere il suo lavoro. Queste sezioni piegate di mRNA sono spesso indicate come filamenti a forcina e coinvolgono l'accoppiamento di basi complementari all'interno della molecola di mRNA a filamento singolo ma contorto. A valle di questo tornante c'è un tratto prolungato di basi a U, o residui. Questi eventi costringono la RNA polimerasi a smettere di aggiungere nucleotidi ea staccarsi dal DNA, terminando la trascrizione. Questo è indicato come terminazione rho-indipendente perché non si basa su una proteina nota come fattore rho.

Nella terminazione rho-dipendente, la situazione è più semplice e non sono necessari segmenti di mRNA a forcina o residui di U. Invece, il fattore rho si lega al punto richiesto sull'mRNA e allontana fisicamente l'mRNA dall'RNA polimerasi. Se si verifica la terminazione rho-indipendente o rho-dipendente dipende dalla versione esatta della RNA polimerasi che agisce su DNA e mRNA (esiste una varietà di sottotipi) così come le proteine ​​e altri fattori nell'immediato cellulare ambiente.

Entrambe le cascate di eventi alla fine portano alla rottura dell'mRNA dal DNA nella bolla di trascrizione.

Esistono numerose differenze tra la trascrizione nei procarioti (quasi tutti sono batteri) e negli eucarioti (organismi pluricellulari come animali, piante e funghi). Ad esempio, l'iniziazione nei procarioti di solito comporta una disposizione della base del DNA nota come scatola di Pribnow, con la sequenza di basi TATAAT si trova a circa 10 paia di basi lontano da dove avviene l'inizio della trascrizione stessa. Gli eucarioti, tuttavia, hanno sequenze di potenziamento posizionate a una distanza considerevole dal sito di inizio, come così come proteine ​​attivatrici che aiutano a deformare la molecola di DNA in modo da renderla più accessibile all'RNA polimerasi.

Inoltre, l'allungamento si verifica circa due volte più velocemente nei batteri (circa 42-54 paia di basi al minuto, quasi una al secondo) rispetto agli eucarioti (circa 22-25 paia di basi al minuto). Infine, mentre i meccanismi di terminazione batterica sono descritti sopra, negli eucarioti questa fase coinvolge fattori di terminazione specifici, nonché un filamento di RNA chiamato poli-A (come in molti basi di adenina di fila) "coda". Non è ancora chiaro se la cessazione dell'allungamento inneschi la scissione dell'mRNA dalla bolla o se la scissione stessa interrompa bruscamente l'allungamento processi.