Lezione 12Lezione 12RNA

L’RNA (Ribo Nucleic Acid = acido ribo-nucleico) è una molecola complessa molto simile a quella del DNA. Si diversifica da questa per 3 elementi:

il filamento è unico (e non doppio);

lo zucchero è il ribosio (e non il desossiribosio)

le basi azotate sono sempre 4 ma manca la timina e, al suo posto, c’è l’uracile.

L’RNA comprende diversi tipi di molecole che possono essere raggruppate in due grosse famiglie: gli RNA non-codificanti (cioè che non sintetizzano proteine o altro) e quelli codificanti (che invece sintetizzano proteine o altro). Questi ultimi rappresentano un piccolissima parte dell’RNA totale (circa il 4%). In base alla funzione, gli RNA si dividono in RNA che svolgono un ruolo di regolazione genica (che, intervenendo a vari livelli, possono modificare l’espressione genica, cioè il risultato finale dell’informazione originariamente contenuta nel DNA) e gli RNA che svolgono un ruolo di traduzione genica (cioè, che traducono l’informazione del DNA in proteine).

I principali tipi di RNA sono i seguenti:

RNA citoplasmatici

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1) RNA messanger o mRNA (RNA messaggero), è l’unico tipo di RNA codificante; esso trasporta le informazioni dal DNA ai ribosomi, per consentire la sintesi proteica.

2) RNA transfer o tRNA (RNA trasportatore), lega gli aminoacidi nel citoplasma e li trasporta ai ribosomi per la sintesi delle proteine.

3) RNA ribosomal o rRNA (RNA ribosomiale), serve per la costruzione dei ribosomi.4) Small citoplasmatic RNA o scRNA (piccoli RNA citoplasmatici), svolgono diverse

funzioni, in parte sconosciute. 5) Small interfering RNA o siRNA (piccoli RNA interferenti), sono piccole molecole a

doppio filamento (19-21 nucleotidi), essenzialmente di origine esogena (cioè provenienti dall’esterno della cellula; sono di origine virale o sintetica). I siRNA sono coinvolti nell’RNA interference (RNAi), un processo che blocca l’espressione di singoli geni.

6) Micro RNA o miRNA, sono piccole molecole (20-22 nucleotidi) mononfilamento, di origine endogena (cioè provenienti dall’interno della cellula), molto presenti nelle cellule eucariote. Come i siRNA sono coinvolti nell’RNA interference (RNAi). Sono riconosciuti essere i principali regolatori dell’espressione genica.

RNA nucleari7) Small nucleolar RNA o snoRNA (piccoli RNA nucleolari), sono coinvolti nella

maturazione degli rRNA. 8) Small nuclear RNA o snRNA (piccoli RNA nucleari), sono coinvolti nei processi di

splicing (e quindi nella maturazione degli mRNA).

1) RNA-MESSAGGERO. L'mRNA si occupa di trasportare le informazioni codificate (scritte) nel DNA al citoplasma. Esso si presenta sotto forma di filamento unico sul quale sono presenti triplette di nucleotidi (dette codoni). La sequenza base del filamento di mRNA è complementare a quella del filamento del DNA dal quale è stato copiato (complementare … non identica!).Appena trascritto, l’mRNA contiene sia sequenze che verranno poi tradotte (esoni), sia sequenze che non verranno tradotte (introni) e che spesso svolgono un ruolo regolatore della trascrizione stessa. Per questo motivo, la molecola neotrascritta (appena trascritta) di RNA viene detta pre-mRNA.Successivamente, il pre-mRNA viene sottoposto ad un processo di maturazione che lo trasforma in mRNA maturo. Questo processo di maturazione richiede 5 passaggi: capping, poliadenilazione, splicing, editing, controllo. Capping (incappucciamento): consiste nell'aggiunta di un "cappuccio" all'estremità 5’ del

filamento del pre-mRNA. Questa modifica è importante per a. proteggere l’mRNA dalla degradazione da parte di RNAsi (che agiscono partendo proprio

dall’estremità 5’);

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b. per favorire il riconoscimento e l'aggancio dell'mRNA al ribosoma (da parte di una proteina del ribosma);

c. per facilitarne il trasporto dal nucleo al citoplasma. Poliadenilazione: consiste nell'aggiunta di una sequenza poliadenilica (da parte dell’enzima

poli(A)-polimerasi), composta da circa 200 nucleotidi di adenina (poli-A), all'estremità 3' del pre-mRNA. Le funzioni della poliadenilazione sono

a. proteggere la molecola di pre-mRNA dalla degradazione (da parte dell’esonucleasi 3’-5’);

b. intervenire nel processo di traduzione.

Splicing (giuntatura): consiste nella eliminazione degli introni (porzioni di RNA che non servono per la sintesi proteica) e successiva unione degli esoni (le porzioni dell’RNA che contengono le informazioni per la sintesi degli aminoacidi costituenti le proteine). Il fenomeno dello splicing è complesso e può essere di vario tipo.

1) Lo splicing normale vede coinvolto un complesso, detto spliceosoma, grande quanto un ribosoma e composto da 5

snRNA e 150 proteine. Ciascuno dei 5 snRNA si lega a diverse proteine formando gli snRNP (ribonucleoproteine nucleari). Gli snRNP, a loro volta, si legano al pre-mRNA in 3

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punti: sulla zona di confine introne-esone prossimale (sito di splicing 5’), sull’altra zona di confine esone-introne distale (sito di splicing 3’) e sul sito branch (intermedio tra i due). Successivamente, lo spliceosoma produce un’ansa nell’introne ed effettua il taglio di questo (che si ripiega a cappio) … quindi salda assieme i due esoni.

2) Lo splicing alternativo è un processo mediante il quale un gene può produrre mRNA diversi in posti diversi ed in tempi diversi (… a seconda del tipo di cellula o dello stadio di sviluppo dell’organismo in cui ritrovano ad essere espressi). In questo modo si riesce a produrre proteine diverse dello stesso gene. Nell’uomo è stato stimato che lo splicing alternativo interessi circa il 60-80% dei geni e rappresenta una delle possibili spiegazioni del ridotto numero di geni negli organismi superiori. Il meccanismo dello splacing alternativo è basato sulla possibilità che hanno alcuni introni ed esoni di essere inclusi o meno nel trascritto finale; per cui, le possibili variabili di un trascritto genico aumentano. Le più frequenti combinazioni possibili di splicing alternativo sono riportate nella figura sotto.

3) In alcuni casi, l’introne stesso è dotato della capacità di autoeliminarsi e lo splicing viene detto self-splicing. Questa forma di splicing, non prevedendo l’intervento di altre molecole di RNA (come gli snRNA) e/o proteine (come per es. lo spliceosoma), rappresenta una forma primitiva di splicing, dalla quale sono derivate (nel corso dell’evoluzione) tutte le altre.

4) Talvolta il processo di splicing può avvenire tra due molecole diverse di pre-mRNA. In questo caso il fenomeno viene detto trans-splicing. Esso è infrequente negli eucarioti superiori, mentre rappresenta un processo comune in quelli di livello (filogenetico) inferiore.

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Editing (revisione): consiste nella delezione, inserzione o cambiamento di singole basi. Esistono due meccanismi che mediano l'editing:

a. editing per deamminazione, che comporta la trasformazione dell'adenina in inosina o, più raramente, in guanina e della citosina in uracile.

b.b.b.b.b.b.b.b.b.b.b.

editing per inserzione o delezione, che comporta l’aggiunta od eliminazione di basi all'interno della sequenza.

In entrambi i casi, l'editing può portare cambiamenti tali che la proteina risultante può essere molto diversa, nella composizione in amminoacidi, da quella prevista dal codice genetico.

Controllo. Una volta “maturati” gli mRNA vengono trasportati dal nucleo nel citosol. La molecola di mRNA per uscire, e quindi avere il lasciapassare per il citosol, deve legarsi ad un apposito gruppo di proteine del poro nucleare, ciascuna delle quali verifica che l’mRNA ha subito una maturazione perfetta. Tra queste proteine, alcune legano e controllano la poli(A), altre si fissano sul cappuccio, e altre ancora verificano la perfetta ricucitura del punto di splicing. Gli RNA “di scarto” (cioè quelli frammentati o riusciti male durante le fasi di taglio e cucitura) e gli introni, invece, non hanno questo “lasciapassare” e quindi rimangono nel nucleo dove vengono degradati e distrutti.

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Emivita degli mRNA. Una volta nel citosol. Gli mRNA vengono letti e tradotti dai ribosomi. Il tempo di permanenza di una molecole di mRNA maturo nel citosol determina la quantità di proteina che ne deriva. Questa quantità deriva dal numero di volte che una molecola di mRNA viene “tradotta” e quindi dalla sua “emivita”. La degradazione degli mRNA dipende da ribonucleasi cellulari che degradano l’mRNA in nucleotidi. La vita media di un mRNA varia da un mRNA all’altro. La maggior parte dei messaggeri è soggetta a demolizione entro breve tempo: nei batteri la loro vita dura di solito tre minuti, mentre nelle cellule eucaristiche è più lunga (da 30 minuti a 10 ore). La poliadenilazione sembra giocare un ruolo importante nell’emivita dell’mRNA (più lunga è la catena Poli-A maggiore è la durata dell’mRNA…e viceversa).

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