Capitolo B2 - L'Espressione genica e la sua regolazione

B2 L’ESPRESSIONE GENICA E LA SUA REGOLAZIONE

La storia al tempo di...

MARY FRANCES LYON

(Norwich, 1925 – Oxfordshire, 2014)

L’INTERESSE PER LE MUTAZIONI DEL DNA

Mary Frances Lyon nasce in Inghilterra il 15 maggio del 1925. Si laurea nel 1946 all’Università di Cambridge con un lavoro sugli effetti delle radiazioni e di altri agenti fisici sulle mutazioni genetiche. I suoi studi avevano come soggetto il processo di mutazione stesso e la sua implicazione nelle malattie genetiche. In particolare, Lyon era interessata a capire se le basi molecolari delle mutazioni potessero svelare ai ricercatori applicazioni terapeutiche in medicina.

Durante la sua carriera ottenne molte onorificenze, infatti diventò membro della Royal Society, membro estero dell’Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti e membro onorario straniero dell’Accademia Americana delle Arti e delle Scienze. Nel 1997 vinse il premio Wolf per la Medicina e nel 2004 il premio per la biologia March of Dimes Prize in Developmental Biology

L’EFFETTO LYON, CIOÈ L’INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X

Nel 1961 Mary Lyon descrive l’inattivazione del cromosoma X, che da lei prenderà il nome di «effetto Lyon».

La genetista scoprì che uno dei due cromosomi X delle femmine di mammifero viene inattivato durante la vita embrionale e non è più in grado di esprimersi, proprio perché risulta costantemente condensato

e quindi diventa inaccessibile per l’RNA polimerasi che non può procedere alla trascrizione.

UN ESEMPIO IN NATURA: LE GATTE «A SQUAMA DI TARTARUGA»

Un esempio in natura è dato dalle gatte a «squama di tartaruga»: questi animali sono eterozigoti per il gene responsabile del colore del manto, che si trova sul cromosoma X. Nelle gatte a squama di tartaruga, le zone rosse del manto sono espresse dalle cellule che hanno attivo il cromosoma X con l’allele per il rosso, mentre le zone nere dalle cellule che hanno attivo il cromosoma X che porta l’allele per il nero. Per ottenere il fenotipo a chiazze rosse e nere, quindi, una femmina eterozigote dovrà avere entrambi gli alleli. Nel 1990 Lyon smette di fare attivamente ricerca in laboratorio.

> Fai un passo in più

Negli archivi della Royal Society, a proposito di Mary Lyon è riportata questa frase: Lyonisation, as others were quick to call the phenomenon, has perhaps opened more lines of enquiry and stimulated more work than any recent biological concept. Riassumi in una presentazione multimediale quali sono le linee di indagine scientifica che si sono aperte con la scoperta del silenziamento dei geni.

IL FLUSSO DELL’INFORMAZIONE GENETICA

BEADLE E TATUM DIMOSTRARONO CHE UN

GENE CODIFICA PER UNO SPECIFICO ENZIMA

Una volta definita la struttura molecolare del DNA, l’attenzione degli scienziati si spostò sulla necessità di capire come le informazioni genetiche vengano codificate, trasportate fuori dal nucleo e decodificate. Il nuovo campo di ricerca, dunque, divenne l’espressione genica, cioè il processo che porta dal DNA alle proteine.

Le ricerche per comprendere in che modo il DNA controlla le attività cellulari presero avvio da un’ipotesi elaborata nel 1908 dal medico inglese

Archibald Garrod (1857-1936). Egli, infatti, ipotizzò che alcune malattie, che definiva «errori congeniti del metabolismo», fossero causate dall’incapacità delle cellule di svolgere particolari processi biochimici e che tale incapacità dipendesse dalla mancanza di specifici enzimi. Secondo Garrod, inoltre, queste malattie erano ereditarie e potevano essere trasmesse da una generazione alla successiva. Questa ipotesi anticipava i tempi di quasi mezzo secolo, perché sottintendeva l’idea che i geni potessero influenzare la sintesi degli enzimi.

Fu solo a metà del Novecento, che i biologi cominciarono davvero a capire come tutte le attività biochimiche della cellula, compresa la sintesi degli enzimi, dipendessero dall’azione degli enzimi stessi. Inoltre, divenne presto chiaro che la specificità degli enzimi è dovuta alla loro struttura primaria, ovvero alla sequenza degli amminoacidi che li costituiscono.

Nel 1941, il genetista George W. Beadle (19031989) e il biochimico Edward L. Tatum (19091975), insigniti del premio Nobel per la Medicina nel 1958, riuscirono a dimostrare la relazione esistente tra le mutazioni e la perdita di funzionalità di alcuni enzimi nella muffa rossa del pane, Neurospora crassa. I due ricercatori fecero crescere questa muffa su un terreno di coltura minimo, cioè contenente soltanto pochi nutrienti. Partendo da questo terreno, gli enzimi dei ceppi selvatici di neurospora (quelli del fenotipo più frequente in una popolazione naturale) erano capaci di catalizzare tutte le reazioni metaboliche per crescere e riprodursi.

Beadle e Tatum sottoposero poi un ceppo selvatico di neurospora ai raggi X (agenti mutageni) e ottennero diversi ceppi mutanti, cioè presenti in una piccola percentuale della popolazione e

portatori di un fenotipo che si discosta da quello selvatico. Quando esaminarono le muffe mutate, i ricercatori si accorsero che alcuni ceppi non erano più in grado di crescere su un terreno minimo, ma potevano farlo se si aggiungeva una specifica sostanza nutritiva (Figura 1). Quindi, Beadle e Tatum dedussero che questi nuovi ceppi avevano subito mutazioni nei geni che codificano gli enzimi per sintetizzare quelle specifiche sostanze nutritive che dovevano esser aggiunte. Per ciascun ceppo, i ricercatori individuarono quale sostanza fosse necessario aggiungere al terreno minimo per ripristinare la crescita delle muffe. Dai dati sperimentali

Figura 1

Beadle e Tatum studiarono alcuni mutanti «arg» di Neurospora crassa che, per crescere, necessitano dell’aggiunta di composti al terreno di coltura (ornitina e citrullina sono due amminoacidi precursori dell’arginina), così da poter sintetizzare l’amminoacido arginina.

supplemento aggiunto al substrato minimo

tipo selvatico

ceppo mutante 1

ceppo mutante 2

ceppo mutante 3 arginina citrullina ornitina nessuno

gene a enzima A gene b enzima B gene c enzima C ornitina precursore citrullina arginina neurospora in crescita in gel

Il ceppo selvatico cresce in tutti i substrati.

Il ceppo mutante 1 cresce solo in presenza di arginina.

Il ceppo mutante 2 cresce con arginina e citrullina. Converte la citrullina in arginina, ma non l’ornitina in citrullina.

Il ceppo mutante 3 cresce se almeno uno dei tre supplementi viene aggiunto.

Il ceppo 3 è bloccato qui. Il ceppo 2 è bloccato qui. Il ceppo 1 è bloccato qui.

Se un organismo non può convertire un dato composto in un altro, presumibilmente manca dell’enzima necessario e la mutazione si trova nel gene che codifica per quell’enzima.

si poteva dedurre che ogni mutazione danneggiasse solamente un enzima della via metabolica e tale conclusione è nota come l’ipotesi «un gene, un enzima».

Oggi si conoscono centinaia di esempi di malattie ereditarie nelle quali un singolo gene difettoso determina un errore nella produzione di uno specifico enzima.

DALL’IPOTESI

«UN GENE, UN ENZIMA»

A QUELLA «UN GENE, UN POLIPEPTIDE»

Presto, l’espressione «un gene, un enzima» si dimostrò un’eccessiva semplificazione. In primo luogo, non tutte le proteine sono enzimi, per esempio gli ormoni proteici come l’insulina, le proteine strutturali come il collagene e le proteine di membrana come la pompa sodio-potassio. In secondo luogo, le proteine che possiedono una struttura quaternaria sono composte da più catene di amminoacidi: l’emoglobina, per esempio, contiene quattro catene polipeptidiche di due tipi diversi (due catene alfa e due catene beta) codificate da due geni distinti. Quindi, l’espressione «un gene, un enzima» fu modificata in «un gene, un polipeptide», affermazione che tiene correttamente conto anche di questi nuovi aspetti.

In realtà, anche questa nuova espressione ha dei limiti, poiché è valida per molti geni, detti geni strutturali, ma non per tutti; infatti, esistono altri geni che portano le informazioni per la sintesi di molecole di RNA ma non di polipeptidi, e altri ancora che controllano sequenze di DNA e, quindi, hanno funzione regolatrice.

Figura 2

Secondo il dogma centrale della biologia, l’informazione genetica parte dal DNA, passa attraverso l’RNA e viene convertita in polipeptidi.

Il DNA può replicarsi.

L’informazione codificata nella sequenza delle basi del DNA passa a una particolare sequenza di basi dell’RNA.

L’informazione dell’RNA passa ai polipeptidi, ma non in senso inverso (dai polipeptidi agli acidi nucleici).

LA MOLECOLA DI mRNA

COLLEGA IL DNA ALLE PROTEINE

Subito dopo aver proposto il modello a doppia elica, Crick si dedicò al problema del rapporto tra il DNA e le proteine. Questo lo portò a formulare un modello noto come dogma centrale della biologia (Figura 2 e Scheda 1), secondo cui il gene è un tratto di DNA contenente le informazioni per produrre una catena polipeptidica e queste informazioni seguono un flusso monodirezionale: dal DNA all’RNA e poi alle proteine. Il dogma centrale della biologia sollevava, però, due nuovi interrogativi. In che modo l’informazione riesce a passare dal nucleo al citoplasma? Qual è il rapporto tra una sequenza nucleotidica di DNA e la sequenza amminoacidica di una proteina?

Crick fece due ipotesi per rispondere a queste domande: l’ipotesi del messaggero e l’ipotesi dell’adattatore. Per spiegare in che modo l’informazione passi dal nucleo al citoplasma, il gruppo di Crick propose che dalla sequenza di DNA di un gene strutturale, attraverso il processo di trascrizione, si formasse una molecola complementare di RNA messaggero (mRNA).

Secondo questo modello, l’mRNA si sarebbe spostato dal nucleo al citoplasma, dove avrebbe fatto da stampo per la sintesi ribosomiale delle proteine, anche detta traduzione (Figura 3).

Figura 3

Lo schema riassume i processi della trascrizione e della traduzione negli eucarioti.

trascrizione (sintesi di RNA)

traduzione (sintesi delle proteine)

(rRNA)

Invece, per spiegare come una sequenza di DNA si trasformi in una data sequenza di amminoacidi, Crick suggerì che dovesse esistere un adattatore, capace di legarsi in modo specifico agli amminoacidi e contemporaneamente di riconoscere una sequenza di nucleotidi. Per svolgere questo compito, Crick immaginò una molecola provvista di due regioni:

• una regione con la funzione di legame allo specifico amminoacido;

• l’altra regione capace di riconoscere la sequenza nucleotidica dell’mRNA.

L’adattatore è un tipo di RNA noto come RNA di trasporto o transfer (tRNA), costituito da una catena di RNA ripiegata a trifoglio a formare due regioni che permettono di riconoscere il messaggio genetico scritto nell’mRNA e di trasportare gli amminoacidi. L’RNA di trasporto attua la traduzione dal linguaggio del DNA a quello delle proteine. 1

Per saperne di più

I

RETROVIRUS INFRANGONO

IL

I

DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

l dogma centrale della biologia è stato smentito da scoperte successive, che però non ne hanno scalfito il significato più profondo. I responsabili di questa «violazione» sono stati i virus. I virus sono particelle infettive costituite da un acido nucleico rivestito da proteine, che si riproducono soltanto all’interno di cellule ospiti batteriche, animali e vegetali.

I RIBOVIRUS

Alcune specie virali, come i coronavirus (Figura A), il virus del mosaico del tabacco, i virus dell’influenza e quello della poliomielite, contengono come acido nucleico l’RNA anziché il DNA. Quando questi ribovirus (virus a RNA) introducono il proprio RNA nella cellula, i ribosomi dell’ospite si legano al genoma virale effettuando una trascrizione diretta da RNA a RNA, da cui ottengono un RNA complementare al proprio genoma (detto RNA negativo). Questo filamento non può essere letto direttamente dai sistemi cellulari, ma verrà impiegato per sintetizzare copie multiple, identiche al genoma virale che era stato introdotto con l’infezione.

I RETROVIRUS

Esiste, però, un gruppo speciale di virus a RNA, come quello dell’immunodeficienza umana o HIV (Figura B), che si comporta diversamente; infatti, questi retrovirus, dopo aver infettato l’ospite, copiano il proprio genoma a RNA in DNA. Questa copia viene poi usata per produrre altro RNA che serve sia come stampo per altre copie del genoma virale sia da messaggero per sintetizzare le proteine virali. La sintesi del DNA a partire da una molecola di RNA prende il nome di retrotrascrizione (Figura C) ed è operata da un particolare enzima detto trascrittasi inversa (una DNA polimerasi RNA dipendente).

È importante notare che la parte fondamentale del dogma proposto da Crick, cioè il fatto che l’informazione genetica non possa tornare indietro, muovendosi dalle

proteine verso gli acidi nucleici, non è messa in discussione da queste scoperte. In altri termini, Crick ha affermato che il fenotipo non può passare informazioni al genotipo, e ciò resta tutt’oggi confermato. Attualmente una delle branche più moderne della genetica è l’epigenetica che si occupa delle modificazioni del fenotipo, le epimutazioni, che non sono riconducibili a una modifica della sequenza del DNA, pur essendo comunque ereditabili.

Figura A

Immagine al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di un coronavirus.

Figura B

Immagine al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di virus dell’HIV che si moltiplicano in un tessuto umano.

trascrizione trascrizione inversa

Figura C Il dogma centrale della biologia rivisto alla luce della scoperta dei retrovirus.

ESISTONO TRE TIPI DI RNA

CHE SVOLGONO FUNZIONI DIVERSE

L’acido ribonucleico, o RNA, è un polinucleotide che differisce dalla molecola di DNA per tre caratteristiche:

1. è formato da un unico filamento e non da due filamenti complementari;

2. contiene lo zucchero ribosio al posto del desossiribosio (che ha un atomo di ossigeno in meno sul secondo carbonio);

3. contiene le basi azotate adenina, guanina, citosina e uracile (al posto della timina presente nel DNA).

Le cellule che sintetizzano grandi quantità di polipeptidi sono molto ricche di RNA, che si trova essenzialmente nel citoplasma, soprattutto a livello dei ribosomi. Le basi dell’RNA sono capaci di appaiarsi a quelle di un filamento di DNA secondo le stesse regole di complementarietà che valgono per l’appaiamento della doppia elica di DNA: la guanina si appaia con la citosina, ma l’adenina con l’uracile. Inoltre, l’RNA è capace di ripiegarsi nello spazio e appaiare alcune basi della sua stessa catena, assumendo così forme complesse. Esistono tre differenti tipi di RNA, tutti codificati da specifici geni (Figura 4):

1. RNA messaggero (mRNA) è la copia delle informazioni codificate nel DNA che può abbandonare il nucleo e ha una struttura lineare;

2. RNA transfer (tRNA) è l’adattatore che porta gli amminoacidi ai ribosomi e li colloca nella posizione corretta;

3. RNA ribosomiale (rRNA) è uno dei costituenti, insieme alle proteine, delle due subunità dei ribosomi, dove svolge un ruolo strutturale e funzionale.

Figura 4

I tre diversi tipi di RNA: mRNA, tRNA e rRNA.

Scegli il completamento corretto.

1. L’esperimento di Beadle e Tatum dimostrò che

A l’espressione di un gene necessita di un enzima.

B le mutazioni modificano il fenotipo.

C gli enzimi sono denaturati dalle radiazioni.

D i geni codificano per più di un enzima.

2. NON distingue il DNA dall’RNA

A lo zucchero pentoso.

B la base timina.

C il gruppo fosfato.

D la presenza di uno o due filamenti.

3. L’affermazione che NON deriva dal dogma centrale è

A l’RNA si produce dal DNA.

B il DNA si produce dal DNA.

C il DNA si produce dall’RNA.

D le proteine si producono dall’RNA.

4. Completa le frasi.

a) La molecola di rappresenta l’elemento di contatto tra il DNA e le proteine.

b) La molecola di si trova associata a proteine nel reticolo endoplasmatico ruvido.

c) L’RNA è una sorta di copia dell’informazione genetica contenuta nel DNA.

5. Vero o falso?

a) I geni strutturali non portano le informazioni per la sintesi proteica. V F

b) Secondo il dogma centrale della biologia, il flusso delle informazioni è monodirezionale. V F

c) L’esistenza di proteine con una struttura quaternaria ha imposto una revisione all’ipotesi «un gene, un enzima». V F mRNA

Video 1

La trascrizione / Transcription

A colpo d’occhio

TRASCRIZIONE (NEL NUCLEO)

INIZIO

ALLUNGAMENTO

TERMINAZIONE

LA TRASCRIZIONE: DAL DNA ALL’mRNA

LA TRASCRIZIONE AVVIENE IN TRE FASI

Durante la trascrizione, sono prodotte molecole di RNA messaggero a partire da uno dei due filamenti di DNA; questo processo avviene in base allo stesso principio dell’appaiamento delle basi azotate che regola la replicazione del DNA. Nella trascrizione, i nucleotidi trifosfato liberi presenti nel nucleo si legano uno alla volta alla catena di RNA in formazione, con il distacco di due gruppi fosfato ciascuno. Si produce, così, una molecola lunga tra i 500 e i 10 000 nucleotidi, chiamata trascritto primario o pre-mRNA

La trascrizione procede seguendo tre fasi: inizio, allungamento e terminazione (Figura 5 e Video 1). 1. Nei procarioti, l’inizio della trascrizione avviene quando l’enzima RNA polimerasi si lega a una specifica sequenza di DNA detta promotore, situata in prossimità dell’estremità 5′ della regione che codifica una proteina. I promotori forniscono all’RNA polimerasi le seguenti informazioni:

• quale filamento di DNA trascrivere; • contengono una sequenza di riconoscimento che facilita l’attacco della RNA polimerasi e una TATA box (cioè una sequenza di DNA ricca di coppie di basi AT ripetute), sulla quale l’enzima inizia ad aprire l’elica di DNA in modo tale che il filamento stampo venga esposto.

Figura 5

Le tre tappe della trascrizione di un segmento di DNA.

doppia elica di DNA

1. Inizio: l’enzima RNA polimerasi si lega alla sequenza segnale, detta promotore, e inizia a svolgere i filamenti di DNA.

direzione della trascrizione promotore

estremità 5ʹ

trascritto di mRNA

2. Allungamento: la RNA polimerasi legge il filamento stampo e inizia la sintesi dell’mRNA aggiungendo nucleotidi in direzione 5′→3′

• il punto di inizio della trascrizione, che è dato da una sequenza specifica di DNA chiamata sequenza segnale o promotore; RNA polimerasi

2. Dopo che l’enzima si è legato al promotore, la doppia elica del DNA si apre a causa della rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate e inizia la fase di allungamento. In questa fase, la RNA polimerasi apre il DNA e legge il filamento stampo in direzione 3′→5′ . Come la DNA polimerasi, anche l’enzima RNA polimerasi aggiunge i nuovi nucleotidi all’estremità 3′ del filamento in crescita, quindi la direzione in cui cresce l’RNA è 5′→3′ , ma non ha bisogno di un primer per dare inizio al processo. Il nuovo RNA si allunga verso l’estremità 3′ partendo dalla prima base che costituisce l’estremità 5′; di conseguenza, l’RNA trascritto risulta essere antiparallelo al filamento stampo del DNA.

filamento stampo di DNA

ATCGG UAG C C

direzione della sintesi dell’RNA

trascritto completo di mRNA

3. Terminazione: la polimerasi giunge al sito di terminazione, si stacca dal filamento stampo e libera l’mRNA.

sequenza di arresto

estremità 3ʹ dell’mRNA sintetizzato

3. Così come il promotore segna l’inizio della trascrizione, sul filamento stampo del DNA si trovano particolari sequenze di basi, chiamate terminatori, che ne stabiliscono la fine.

Diversamente dalla DNA polimerasi, l’RNA polimerasi è un enzima incapace di revisionare e correggere la molecola che ha costruito. Anche se gli errori di trascrizione si verificano con una frequenza piuttosto alta, circa uno ogni 104-105 basi trascritte, le copie di RNA oltre a essere costituite da un numero inferiore di nucleotidi, sono numerose e spesso hanno una vita relativamente breve, quindi questi errori non sono dannosi come lo sono, invece, le mutazioni del DNA.

L’mRNA VIENE LETTO IN SEQUENZE DI TRE BASI AZOTATE

Avere identificato l’mRNA come messaggero delle istruzioni genetiche non aveva, però, ancora risolto il problema di come queste istruzioni potessero tradursi nella sequenza di amminoacidi di una proteina. La struttura primaria delle proteine, infatti, è costituita da 20 amminoacidi differenti, ma il DNA e l’RNA contengono ciascuno solo quattro diversi tipi di nucleotidi; ciò significa che i nucleotidi dovevano in qualche modo costituire un codice per gli amminoacidi.

Un codice è un sistema di segnali o di simboli ai quali viene attribuito, per convenzione, un significato preciso allo scopo di trasmettere un messaggio; nel caso del codice genetico, il messaggio contenuto nel DNA deve essere decodificato per sintetizzare una precisa sequenza di amminoacidi. Per capire in che modo la sequenza nucleotidica del DNA potesse contenere le istruzioni per la sintesi delle proteine, gli scienziati affrontarono il problema con gli stessi metodi che i crittografi usano per decifrare i messaggi segreti.

Figura 6

Il codice genetico indica i 64 diversi codoni che codificano per i 20 amminoacidi.

Per decifrare un codone, si cerca la prima lettera sulla colonna a sinistra, quindi si scorre orizzontalmente cercando la seconda lettera nella fila in alto, infine si legge l’amminoacido corrispondente alla terza lettera della colonna di destra nella casella così selezionata.

Se ciascun nucleotide codificasse un solo amminoacido, alle 4 diverse basi azotate potrebbero corrispondere solo 4 amminoacidi. Invece, se un amminoacido fosse codificato da sequenze di 2 nucleotidi, ci sarebbero al massimo 42 (cioè 16) combinazioni possibili, non ancora sufficienti per codificare tutti e 20 gli amminoacidi. Proseguendo in questo calcolo progressivo, ogni amminoacido deve essere determinato da almeno 3 nucleotidi in sequenza; in questo modo si avrebbero 43 (cioè 64) diverse combinazioni, più che sufficienti per codificare i 20 diversi amminoacidi. Secondo tale schema, un amminoacido è codificato da una combinazione di tre nucleotidi del DNA, cioè una tripletta, che sul filamento di mRNA è chiamata codone: l’insieme di tutti i possibili codoni differenti forma il codice genetico

Con il termine tripletta si intende una sequenza di 3 nucleotidi del DNA con direzione 3′→5′ , mentre il codone è il suo complementare antiparallelo di RNA (con l’uracile al posto della timina e scritto in direzione 5′→3′). Lo schema a triplette implica, però, che ci siano molti più codoni (64) che amminoacidi (20). Infatti, come si può osservare nella Figura 6, alcuni amminoacidi sono codificati da più codoni, mentre altri da uno solo: la leucina, per esempio, è codificata da sei codoni diversi, la tirosina da due, il triptofano da uno. Anche la metionina è rappresentata da un unico codone, AUG, che svolge anche una funzione particolare, perché è il codone di inizio, cioè il segnale che avvia la traduzione (anche chiamata sintesi proteica).

Esistono, infine, tre codoni di arresto, chiamati anche di STOP (UAA, UAG, UGA), che funzionano da segnale di terminazione della traduzione.

Grazie a questi codoni particolari, il sistema di lettura è chiaro: non si verifica sovrapposizione dei messaggi perché sono presenti precisi segnali di inizio e di fine lettura.

lisina asparagina

aspartico

cisteina codone di STOP triptofano

arginina

serina arginina

GGU

GGA GGG glicina

A colpo d’occhio

UNIVERSALE DEGENERATO

ARTIFICIALI HA PERMESSO

DI DECIFRARE IL CODICE GENETICO

A ottenere per primi la conferma che il codice genetico procedesse a triplette, furono il biochimico statunitense Marshall Nirenberg (1927-2010), premio Nobel per la Medicina nel 1968, e il suo collega tedesco Heinrich Matthaei (1929).

Nirenberg aggiunse amminoacidi marcati radioattivamente e campioni di mRNA prelevati da diversi organismi a estratti cellulari di E. coli. Tutti i campioni di mRNA stimolavano la sintesi proteica, quindi i ribosomi producevano proteine anche quando gli «ordini» ricevuti dall’RNA provenivano da organismi estranei. Perfino l’RNA del virus del mosaico del tabacco, che si moltiplica spontaneamente solo nelle cellule delle foglie di questa pianta, veniva letto dagli apparati cellulari dei batteri, come fosse un qualsiasi RNA messaggero.

tanto uno marcato radioattivamente. In diciannove provette non venne prodotto alcun polipeptide radioattivo, ma in una, quella che conteneva la fenilalanina marcata, i ricercatori ottennero catene polipeptidiche radioattive. Analizzando i polipeptidi radioattivi così ottenuti, si vide che questi erano costituiti da catene formate solamente dall’amminoacido fenilalanina.

La conclusione fu semplice: Nirenberg e Matthaei avevano dettato il messaggio «uracile-uracile-uracile...» e la risposta era stata «fenilalaninafenilalanina-fenilalanina...». L’esperimento aveva decifrato la prima «parola» del codice genetico (UUU = fenilalanina) e suggerito un valido metodo per comprendere tutte le altre.

IL CODICE GENETICO È RIDONDANTE, MA NON AMBIGUO

CURIOSITÀ

L’RNA messaggero è stato scoperto nel 1961 dai biologi francesi François Jacob e Jacques Monod, che spiegarono il modo in cui il DNA trasferisce l’informazione al di fuori del nucleo.

Pochi anni dopo, i due ricercatori scoprirono anche il modo in cui è strutturato il cromosoma batterico, definendo la «teoria dell’operone».

Nirenberg e Matthaei provarono poi a utilizzare un RNA messaggero artificiale; se gli estratti cellulari di E. coli potevano leggere un messaggio estraneo e tradurlo in proteine, forse essi avrebbero potuto leggere anche un messaggio creato artificialmente dagli scienziati. In quel periodo, il biochimico spagnolo Severo Ochoa aveva sviluppato un metodo per sintetizzare un filamento di RNA mediante l’unione dei suoi nucleotidi; con questa tecnica lo scienziato aveva prodotto artificialmente un mRNA che conteneva soltanto la base azotata uracile ripetuta più volte e per questo lo aveva chiamato poliU.

Sulla base di queste conoscenze, Nirenberg e Matthaei prepararono 20 provette differenti, ognuna contenente estratti cellulari di E. coli, ma anche ribosomi, ATP ed enzimi (Figura 7). In ogni provetta fu poi aggiunto l’mRNA artificiale «poliU» insieme ai 20 diversi amminoacidi, dei quali sol-

Esperimenti simili a quello di Nirenberg e Matthaei furono eseguiti in numerosi altri laboratori, usando mRNA artificiali in cui due o tre nucleotidi erano ripetuti più volte in una sequenza. In questo modo, sono stati decifrati i codoni dell’mRNA corrispondenti a tutti gli amminoacidi. Come mostrato nella Figura 6, si scoprì che esistono 61 diversi codoni codificanti 20 amminoacidi, quindi, ci sono più parole che oggetti da nominare: per questo motivo il codice genetico è definito degenerato, nel senso che è ridondante, ma non è ambiguo. Infatti, il codice genetico sarebbe ambiguo se un singolo codone codificasse due o più amminoacidi diversi, quindi senza poter specificare con certezza quale amminoacido inserire nella catena polipeptidica in accrescimento. La degenerazione del codice significa, per esempio, che esistono più modi per dire «inserisci la leucina»: un dato amminoacido può essere codificato da più codoni, ma un dato codone può codificare un solo amminoacido.

Figura 7

L’esperimento di Nirenberg e Matthaei dimostrò che il codone UUU codifica la fenilalanina e suggerì un metodo valido per decifrare tutti i 64 codoni del codice genetico.

ProLysArgHisTyrSerThrIleAsnGlnCysAspGluTrpGlyAlaValMetLeuPhe

polipeptide formato solo da unità di fenilalanina

IL CODICE GENETICO È UNIVERSALE (O QUASI)

Sono stati esaminati il DNA, l’mRNA e le proteine di molti organismi e la conclusione a cui si è giunti è che il codice genetico è pressoché universale, perché si conserva identico in tutti gli organismi.

Una spiegazione di questa universalità sta nel fatto che il codice genetico si è evoluto in tempi assai remoti, e da allora è rimasto inalterato continuando a rappresentare l’unità di base di tutti gli esseri viventi. L’esistenza di un codice genetico comune indica che anche il linguaggio dell’evoluzione è uno solo, poiché la materia prima del cambiamento genetico è sempre rimasta la stessa.

L’universalità del codice ha ripercussioni anche sull’ingegneria genetica, perché ne deriva che un gene umano è scritto nello stesso codice di un gene batterico, perciò, sebbene con alcune differenze, un batterio può leggere geni umani e produrre una proteina. Tuttavia, esistono eccezioni all’universalità del codice genetico: la maggior parte riguarda i batteri o i mitocondri, che hanno un proprio DNA, indipendente da quello nucleare (vedi Scheda 2).

2 Per saperne di più

LA LINGUA DEL DNA SI ARRICCHISCE DI NUOVI DIALETTI

Una delle grandi certezze della biologia era proprio che esistesse un codice genetico universale, in grado di decodificare il linguaggio del DNA in tutti gli organismi viventi. Invece, il codice genetico potrebbe non essere così universale come si pensava. Analizzando il genoma di microrganismi mai studiati finora, un gruppo di ricercatori americani ha identificato alcune variazioni nel modo in cui il codice genetico viene letto.

LE ECCEZIONI ALL’UNIVERSALITÀ

DEL CODICE GENETICO

Già in passato erano emerse alcune eccezioni, soprattutto nei mitocondri e in alcuni protozoi, che venivano considerate perlopiù anomalie del processo evolutivo. Le cose sono cambiate quando le varianti hanno iniziato a divenire più frequenti del previsto. Esistono moltissimi microrganismi di cui gli scienziati sanno poco o nulla, soprattutto per la difficoltà di studiarli in laboratorio. Nel corso degli anni, questo ostacolo ha portato a concentrarsi quasi esclusivamente sui batteri più facilmente «maneggiabili», tuttavia gli «altri batteri» rappresentano quasi il 99% dei procarioti presenti sulla Terra. Si tratta soprattutto di microrganismi che vivono in particolari ecosistemi (Figura), dall’intestino umano alle remote hot vents dei fondali oceanici, cioè le bocche idrotermali (sono fratture nella

FACCIAMO IL PUNTO

Scegli il completamento corretto.

1. Il codice genetico NON può essere costituito solo da coppie di nucleotidi perché codificherebbe solo per

A 2 amminoacidi.

B 8 amminoacidi.

2. Completa le frasi.

C 16 amminoacidi.

D 4 amminoacidi.

a) Il codice genetico è degenerato ma non , perché una tripletta codifica sempre un solo amminoacido.

b) La è l’enzima responsabile della trascrizione.

c) Il codice genetico è stato decifrato utilizzando molecole di RNA messaggero

3. Vero o falso?

a) Il codice genetico è sempre lo stesso in tutti gli organismi viventi. V F

b) Le basi azotate della catena di RNA neosintetizzata sono del tutto uguali a quelle del filamento stampo di DNA. V F

superficie di un terreno, da cui fuoriesce acqua caldissima).

Oggi, però, nuovi sistemi di indagine permettono di studiare il genoma di questi batteri anche senza metterli in coltura in laboratorio: è sufficiente l’analisi genomica di una singola cellula per poterne leggere il DNA. I ricercatori hanno così iniziato a trovare anomalie sempre più frequenti.

CODONI DI STOP CHE NON ARRESTANO

LA TRADUZIONE BATTERICA

Per esempio, basandosi sulla posizione in cui cadevano i codoni di STOP, alcuni batteri sembravano avere geni incredibilmente corti; tornando però ad analizzare la sequenza di

nucleotidi, i biologi si sono chiesti che cosa sarebbe accaduto se quel prematuro codone di arresto, anziché segnalare un’interruzione avesse codificato per un aminoacido. Il risultato è stato spiazzante: la proteina, da tronca che era, tornava ad avere dimensioni normali.

Dopo essersi imbattuti in molti esempi analoghi, i ricercatori hanno potuto concludere che il codice genetico non è universale come si credeva. Dunque, nel linguaggio della vita, sembrano trovare posto dizionari differenti, in cui una stessa parola può acquisire significati diversi a seconda dell’organismo in cui si trova.

Figura

Ambienti estremi e fondali marini accolgono centinaia di specie batteriche, molte delle quali ancora da studiare dal punto di vista

genetico: è qui che si annida gran parte della Microbial Dark Matter

Video 2

La traduzione

Video 3

La sintesi

delle proteine / Protein synthesis

LA TRADUZIONE: DALL’RNA ALLE PROTEINE

IL tRNA È LA MOLECOLA

CHE CONSENTE LA TRADUZIONE

La traduzione o sintesi proteica (Video 2 e 3) richiede l’intervento di tutti i tipi di RNA: l’mRNA, il tRNA e l’rRNA. La traduzione avviene con modalità differenti tra procarioti ed eucarioti; nei batteri, infatti, non esiste una separazione spaziale tra il materiale genetico e il citoplasma, quindi, i filamenti di mRNA prodotti con la trascrizione possono essere tradotti immediatamente. Spesso la sintesi proteica può iniziare sui filamenti di mRNA mentre è ancora in corso la trascrizione.

Al contrario, negli eucarioti i prodotti della trascrizione non possono essere utilizzati subito per la sintesi proteica, non solo perché in queste cellule trascrizione e traduzione avvengono in compartimenti separati, ma anche per il fatto che l’mRNA deve subire alcune modificazioni che ne aumentano la stabilità e ne evitano la degradazione, come vedremo nella Lezione 5.

Le molecole di tRNA sono gli adattatori che mettono in relazione l’informazione contenuta nei codoni dell’mRNA con la sequenza degli amminoacidi di un polipeptide.

Per garantire che il polipeptide sintetizzato sia esattamente quello specificato dall’mRNA, il tRNA deve leggere i codoni dell’RNA messaggero e contemporaneamente legarsi agli amminoacidi corrispondenti. La molecola di tRNA svolge, quindi, tre funzioni:

1. si lega al suo specifico amminoacido, sempre uno alla volta;

2. si associa ai codoni presenti nell’mRNA; 3. interagisce con i ribosomi.

La struttura molecolare dei tRNA, composti da circa 75-80 nucleotidi, è strettamente correlata a queste tre funzioni (Figura 8). Alcuni tratti della sequenza sono sempre uguali (basi invariabili), mentre gli altri sono specifici della singola molecola (basi variabili). Le molecole di tRNA presentano tutte una configurazione a trifoglio, mantenuta da legami a idrogeno intramolecolari tra diversi tratti della sequenza, che permette al tRNA di interagire con gli amminoacidi, con l’mRNA e con i ribosomi. All’estremità 3′ di ogni tRNA si trova il sito di attacco per gli amminoacidi, cioè il punto in cui uno specifico amminoacido si lega covalentemente

Figura 8

Tre modi per rappresentare la struttura del tRNA in base alle sue funzioni: il legame con l’amminoacido, l’associazione con l’mRNA e l’interazione con il ribosoma.

Il sito di legame in cui avviene il caricamento dell’amminoacido è sempre 5′-CCA-3′

I legami a idrogeno tra basi appaiate danno origine alla struttura tridimensionale.

Questa rappresentazione tridimensionale evidenzia le regioni interne della molecola interessate dall’appaiamento delle basi.

sito di legame dell’amminoacido (CCA)

Questo modello appiattito «a trifoglio» sottolinea l’appaiamento delle basi complementari.

L’anticodone è distante dal sito di legame dell’amminoacido.

Modello al computer che mostra la struttura tridimensionale del tRNA.

al tRNA corrispondente; circa a metà della sequenza si trova un gruppo di tre basi, chiamato anticodone, che costituisce il sito di appaiamento con il codone dell’mRNA. Ciascun tipo di tRNA contiene uno specifico anticodone, che è complementare e antiparallelo al codone di mRNA corrispondente a un determinato amminoacido. Quindi, deve esistere un tRNA per ognuno dei 64 codoni codificanti per i 20 diversi amminoacidi; dunque, i tRNA sono 61 e non 64, perché non esistono tRNA con anticodone complementare ai codoni di STOP, che per questo motivo sono anche chiamati «non senso». Il «caricamento» degli amminoacidi sul tRNA è catalizzato da una famiglia di enzimi nota come amminoacil tRNA sintasi. Ogni enzima è specifico per un solo amminoacido e per il suo tRNA corrispondente. Il tRNA «carico» del suo specifico amminoacido viene generalmente chiamato amminoacil tRNA

LA TRADUZIONE AVVIENE SUI

RIBOSOMI

I ribosomi sono il luogo fisico in cui si realizza la traduzione; questi aggregati macromolecolari hanno una struttura complessa grazie alla quale sono in grado di assemblare una catena polipeptidica mantenendo l’mRNA e i tRNA nella giusta posizione. Ogni ribosoma può utilizzare qualsiasi mRNA e tutti i tipi di tRNA carichi dei relativi amminoacidi, quindi, può guidare la sintesi di molti polipeptidi diversi, definiti dalla sequenza dell’mRNA.

Sebbene siano più piccoli rispetto agli altri organuli cellulari, i ribosomi sono più voluminosi dei tRNA. Ogni ribosoma è costituito da due subunità, una maggiore e una minore (Figura 9).

Negli eucarioti, la subunità maggiore è composta da tre diversi rRNA e da 45 proteine differenti, mentre la subunità minore contiene una sola molecola di rRNA e 33 proteine.

Figura 9

Rappresentazione schematica della struttura tridimensionale di un ribosoma batterico.

I ribosomi hanno una forma irregolare e sono composti da due subunità, ognuna delle quali contiene rRNA e numerose proteine.

Nelle subunità ribosomiali, le varie proteine sono legate agli rRNA da forze ioniche o idrofobiche. Quando i ribosomi non sono impegnati nella traduzione, le due subunità si separano.

I ribosomi dei procarioti sono anch’essi formati da due subunità, ma sono più piccoli di quelli eucariotici e contengono proteine e RNA diversi. Infine, i mitocondri e i cloroplasti contengono propri ribosomi, simili a quelli dei batteri.

Tra le due subunità del ribosoma vi è uno spazio in cui, durante la traduzione, scorre l’mRNA che deve essere tradotto. Sulla subunità maggiore del ribosoma si trovano tre siti di legame per i tRNA (vedi Figura 9).

• Nel sito A (amminoacilico) avviene il riconoscimento tra il tRNA e lo specifico codone: l’anticodone del tRNA carico si lega con legami a idrogeno al codone complementare dell’mRNA, allineando l’amminoacido che va aggiunto alla catena polipeptidica in crescita;

• nel sito P (peptidilico) il tRNA che era nel sito A cede il proprio amminoacido all’amminoacido presente adesso nel sito A, favorendo la formazione del legame peptidico tra i due amminoacidi;

• nel sito E (sito d’uscita, dall’inglese exit) si trova il tRNA che ha consegnato il proprio amminoacido, con l’eventuale catena in formazione legata, e si stacca dal ribosoma per tornare nel citosol a raccogliere un altro amminoacido e ricominciare il processo.

Finita la traduzione, il ribosoma si divide nelle due subunità, maggiore e minore, che si riuniranno in corrispondenza dell’estremità 5′ dell’mRNA per ricominciare la traduzione. La sintesi della proteine continua finchè è presente mRNA nel citoplasma.

Ci sono tre siti per il legame del tRNA. Le interazioni codoneanticodone tra tRNA e mRNA avvengono solo nei siti P e A.

3

A colpo d’occhio

TRADUZIONE (SUI RIBOSOMI)

INIZIO

ALLUNGAMENTO

TERMINAZIONE

TI RICORDI?

Il legame peptidico è un legame covalente che si forma tra due amminoacidi durante la sintesi proteica. Tale legame avviene grazie a una reazione di condensazione tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro amminoacido, con eliminazione di una molecola d’acqua.

Per saperne di più KATI KARIKÓ, DOMATRICE DI mRNA

ANCHE LA TRADUZIONE

SI SVOLGE IN TRE FASI

Come la trascrizione, anche la traduzione si svolge in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione.

1. Il processo comincia con la formazione del complesso di inizio (Figura 10A): la subunità minore del ribosoma, legata ad alcune proteine (chiamate fattori di inizio) che la mantengono in posizione, inizia a scorrere sul filamento di mRNA a partire dall’estremità 5′ verso l’estremità 3′, fino a quando incontra il codone AUG; a questo punto, un tRNA legato all’amminoacido metionina si appaia con il proprio anticodone al codone AUG. Questa associazione tra il tRNA con la metionina e la subunità minore è il complesso di inizio

Dopo che il tRNA con la metionina si è legato all’mRNA, si unisce al complesso anche la subunità maggiore del ribosoma, posizionando il tRNA-met nel sito P del ribosoma. Ora il sito

A è allineato al secondo codone dell’mRNA. Negli eucarioti, il primo amminoacido di una catena polipeptidica è sempre la metionina; non tutte le proteine mature, però, presentano questo amminoacido in posizione iniziale, quindi, spesso questa metionina viene poi rimossa da un enzima. Lo stesso si verifica nei procarioti, dove il codone di inizio corrisponde alla formilmetionina, una forma modificata della metionina.

2. Con la fase di allungamento, nel sito A libero entra un tRNA carico, il cui anticodone è

L e nostre cellule possono funzionare come una stampante 3D, che «fabbrica» una qualsiasi proteina seguendo le istruzioni contenute in un mRNA prodotto in laboratorio. Tutto ciò oggi appare molto semplice, ma il percorso per arrivarci non è stato banale.

KATI KARIKÒ E L’OSSESSIONE PER L’mRNA

Nata nel 1955 e cresciuta in Ungheria, Katalin Karikó dopo la laurea decide di emigrare negli Stati Uniti approdando all’Università della Pennsylvania. Fin dall’inizio della sua carriera è ossessionata dall’mRNA: la sua idea semplice e audace era di sintetizzare uno specifico mRNA in laboratorio per iniettarlo in un organismo, le cui cellule avrebbero fabbricato una specifica proteina che altrimenti non sarebbe

complementare al secondo codone dell’mRNA; quindi, un nuovo amminoacil tRNA occupa il sito A del ribosoma (Figura 10B). In questo momento sia il sito A sia il sito P sono occupati e la subunità maggiore del ribosoma catalizza due reazioni: rompe il legame tra il tRNA nel sito P e l’amminoacido metionina, e catalizza la formazione di un legame peptidico tra la metionina e l’amminoacido legato al tRNA situato nel sito A. Ora i due amminoacidi sono uniti tra loro dal legame covalente, ma il secondo amminoacido è ancora agganciato al proprio tRNA posto nel sito A. Una volta che si è formato il legame peptidico, il ribosoma si sposta e il primo tRNA scarico viene a trovarsi nel sito E per essere liberato e legarsi a un’altra metionina. Il secondo tRNA, che ora porta un dipeptide, slitta nel sito P, mentre il ribosoma è spostato di un codone lungo l’mRNA, sempre in direzione 5′→3′. Il processo di allungamento continua in modo ripetitivo seguendo questo schema. Tutte le tappe si svolgono con la partecipazione di proteine dette fattori di allungamento che favoriscono il processo.

3. La terminazione si verifica quando il ribosoma incontra uno dei tre codoni di STOP (Figura 10C). Poiché non esistono tRNA con anticodoni corrispondenti a questi codoni, nel sito A si inserisce un fattore di rilascio. A questo punto la traduzione cessa, la catena polipeptidica viene liberata e le due subunità ribosomiali si separano.

stata prodotta. Purtroppo l’idea non era così semplice da mettere in pratica perché l’mRNA è una molecola abbondante, che contamina ogni esperimento ed è anche relativamente instabile.

Tuttavia, un giorno la dottoressa Karikó incontra per caso Drew Weissman, un allievo di Anthony Fauci che stava lavorando a un vaccino anti-HIV. Insieme a Weissman capisce che il sistema immunitario del topo riconosce l’mRNA sintetico come qualcosa di estraneo nonostante le cellule ne possiedano in abbondanza.

CHE COSA AVEVA DI DIVERSO

L’mRNA SINTETICO?

La soluzione al problema arriva da un esperimento di controllo: mentre l’mRNA sintetizzato da Karikó scatenava una

forte reazione immune, quello umano utilizzato come controllo non faceva niente di simile. Un singolo nucleotide di differenza, la pseudouridina umana al posto dell’uridina sintetica, non scatenava la difesa immunitaria. Quando i ricercatori inserirono la pseudouridina nei preparati, l’mRNA sintetico diventò non solo tollerabile, ma anche 10 volte più potente. L’idea che l’mRNA potesse essere usato per alterare le funzioni di una cellula aveva ottenuto una prova di efficacia e tollerabilità nei topi e anche in una scimmia. I risultati, della ricerca vengono pubblicati nel 2005 sulla rivista Immunity e da quel momento due aziende biotech sviluppano farmaci usando l’mRNA sintetico. Questa tecnologia straordinariamente versatile promette svariati utilizzi clinici futuri.

Figura 10

La traduzione incomincia con la formazione del complesso di inizio (A). Mentre la traduzione dell’mRNA procede, la catena polipeptidica si allunga (B). La traduzione si arresta quando il sito A del ribosoma incontra un codone di STOP sull’mRNA (C).

3. Completamento del ribosoma. La subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso d’inizio, con il tRNA caricato con la metionina che occupa il sito P.

allungamento

4. Riconoscimento del codone. L’anticodone di un tRNA in ingresso si lega al rispettivo codone nel sito A.

5. Formazione del legame peptidico. La metionina nel sito P è unita alla prolina nel sito A, grazie all’attività della subunità maggiore.

6. Allungamento. Il ribosoma scorre in direzione 3’ per cui il tRNA scarico si trova nel sito E per poi essere rilasciato. Un nuovo tRNA si posiziona nel sito A.

1. Riconoscimento dell’mRNA.

La subunità minore del ribosoma si lega alla sua sequenza di riconoscimento sull’mRNA.

2. Formazione del complesso d’inizio. Il tRNA caricato con la metionina si lega sul codone d’inizio AUG, completando così il complesso d’inizio.

10. Terminazione del processo. Le componenti restanti (l’mRNA e le subunità del ribosoma) si separano.

9. Distacco del polipeptide. Il fattore di rilascio distacca il polipeptide dal tRNA nel sito P.

8. Legame con un fattore di rilascio. Un fattore di rilascio si lega al complesso quando un codone di STOP entra nel sito A.

7.

E TRADUZIONE SONO SEPARATE

NELLO SPAZIO E NEL TEMPO

Le cellule procariotiche non hanno un nucleo, ma il materiale genetico è disperso nel citoplasma, per cui sia la trascrizione sia la traduzione avvengono nel citoplasma stesso (Figura 11). Non appena un filamento di mRNA inizia a essere trascritto, alla sua estremità 5′ si forma il complesso di inizio della traduzione. Mentre il processo di allungamento continua, la parte iniziale della molecola dell’mRNA rimane libera e un altro ribosoma può formare con essa un nuovo complesso di inizio. Un gruppo di ribosomi che legge lo stesso mRNA è detto polisoma; i polisomi sintetizzano contemporaneamente molte copie di uno stesso polipeptide a partire dalle istruzioni contenute in un’unica molecola di mRNA.

Nelle cellule eucariotiche, invece, la trascrizione avviene nel nucleo, mentre la sintesi proteica ha luogo nel citoplasma (Figura 12), quindi, l’mRNA deve uscire dal nucleo prima di essere tradotto: trascrizione e traduzione non possono avvenire simultaneamente. Infine, come vedremo più avanti, negli eucarioti, l’mRNA deve subire più modificazioni prima di poter essere tradotto.

LE PROTEINE CHE ESCONO

DALLA TRADUZIONE HANNO

BISOGNO DI ULTERIORI MODIFICHE

Subito dopo la sintesi, una proteina non è necessariamente pronta per funzionare, poiché deve ripiegarsi per assumere le corrette strutture secondarie

Figura 11

Nei procarioti, trascrizione e traduzione avvengono quasi contemporaneamente.

e terziarie e, se previste, anche le strutture quaternarie. Alcune proteine, inoltre, devono subire modificazioni chimiche per essere funzionanti, come la formazione di legami particolari o l’aggiunta di altri gruppi chimici.

Alcune proteine prodotte sono destinate a rimanere nel citoplasma, ma negli eucarioti, la maggior parte delle proteine viene inviata in specifiche sedi cellulari dove è modificata o svolge la propria funzione.

Alcune proteine, per esempio, entrano nel nucleo e vanno a costituire la cromatina o svolgono funzioni di regolazione, altre passano nei mitocondri o nei cloroplasti.

Le proteine destinate a rimanere nel citoplasma così come quelle che devono entrare senza subire modifiche in determinati organuli cellulari, presentano alcuni amminoacidi che indicano la destinazione a cui sono indirizzate.

Le proteine destinate a particolari sedi cellulari sono dotate di un peptide segnale molto specifico, che indica la loro localizzazione finale e che impedisce al ribosoma, se non si trova associato al reticolo endoplasmatico ruvido, di completarne la sintesi. Queste proteine sintetizzate sui ribosomi attaccati al reticolo endoplasmatico ruvido sono, per esempio, gli enzimi digestivi e gli ormoni, che poi passano all’apparato di Golgi, dove sono rielaborate e racchiuse in vescicole di secrezione per essere indirizzate verso un determinato compartimento cellulare (come i lisosomi o la membrana plasmatica) oppure sono destinate a essere espulse dalla cellula.

FACCIAMO IL PUNTO

Scegli il completamento corretto.

1. Tra le seguenti NON è una funzione svolta dal tRNA

A l’associazione ai codoni di mRNA.

B il legame agli amminoacidi.

C l’interazione con i ribosomi.

D la formazione del legame peptidico.

2. Quando nel sito A si trova il codone UAA

A inizia la sintesi proteica.

B arriva un fattore di rilascio.

C arriva l’amminoacido metionina.

D giunge il tRNA che porta come anticodone la tripletta AUU.

3. Nella fase di allungamento

A arriva un tRNA carico dell’amminoacido metionina.

B sono presenti determinati fattori proteici di inizio.

C il ribosoma può scorrere solamente nella direzione 5′

D l’amminoacido presente sul tRNA nel sito P è legato all’amminoacido presente nel sito A.

Figura 12

Negli eucarioti, i processi sono separati e la traduzione può avvenire sia sui ribosomi liberi sia sui ribosomi legati al RER.

membrana plasmatica

amminoacidi liberi nel citoplasma

4. Completa le frasi.

a) Nel sito si trova il tRNA che ha consegnato il proprio amminoacido.

b) Nel sito amminoacidico del tRNA carico si lega al codone dell’mRNA.

c) Nel sito il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in formazione.

d) Nella fase iniziale la subunità minore del ribosoma si lega al codone

e) Alcune proteine presentano un peptide specifico che ne indica la localizzazione finale.

5. Vero o falso?

a) Il polisoma è formato da un solo ribosoma che legge più mRNA. V F

b) Negli eucarioti trascrizione e traduzione sono asincrone. V F

c) Tutti gli amminoacidi sono codificati da più di una tripletta. V F

d) La terminazione si verifica quando il ribosoma incontra un codone di STOP. V F

e) Nei procarioti, la maggior parte delle proteine è inviata in specifiche sedi cellulari. V F

apparato di Golgi

DNA

mRNA

COSTITUTIVI

SEMPRE ATTIVI GENI A colpo d’occhio

REGOLATI

ESPRESSI IN CASO DI NECESSITÀ

LA REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

IL GENOMA MINIMO COMPRENDE

SOLTANTO GENI INDISPENSABILI

I procarioti e gli eucarioti hanno gradi di complessità molto diversi, ma studiando i loro genomi è apparso chiaro che certi geni sono presenti in tutti gli organismi. Questa scoperta ha suggerito che possa esistere un genoma minimo costituito da sequenze di DNA indispensabili per garantire la vita.

Un modo per definire il genoma minimo è quello di prendere un organismo con un patrimonio genetico molto semplice e mutare un gene alla volta per osservare che cosa accade (Figura 13). Il batterio Mycoplasma genitalium ha uno dei genomi più piccoli conosciuti, composto da soli 525 geni che codificano proteine. Anche se sono così pochi, alcuni di questi geni possono essere superflui: per esempio, M. genitalium ha geni per metabolizzare sia il glucosio sia il fruttosio, ma può sopravvivere in laboratorio su un terreno di coltura contenente soltanto uno di questi zuccheri. Esistono altri geni di cui il batterio può fare a meno?

Figura 13

Inattivando uno per volta i geni del batterio, gli scienziati hanno determinato quali geni sono essenziali alla sopravvivenza di un organismo unicellulare come M. genitalium

esperimento 1 esperimento 2 gene B inattivo gene A inattivo

Dopo aver passato al setaccio numerose combinazioni possibili di mutanti, un gruppo di ricercatori guidato da Craig Venter nel 2016 ha dato origine a JCVI-syn3.0, una cellula sintetica minima con un genoma di soli 473 geni. Si tratta del più piccolo genoma mai osservato in una cellula viva e capace di riprodursi. Circa 300 di questi geni sono comuni a tutte le specie e sono coinvolti nell’organizzazione della membrana plasmatica, nella trascrizione, nella sintesi proteica, nella replicazione del DNA e nel metabolismo. Nel genoma minimo sono, però, compresi anche molti geni la cui funzione è ancora sconosciuta, a sottolineare come siamo ancora lontani da comprendere nel profondo la complessità della vita.

TUTTE LE CELLULE REGOLANO L’ESPRESSIONE DEI GENI PER RISPARMIARE

ENERGIA

Se in linea teorica esiste un genoma minimo per ogni cellula, in pratica i genomi contengono molti più geni di quelli indispensabili per la loro sopravvivenza. Per questo motivo, l’espressione genica è regolata in modo molto preciso in tutte le cellule, attraverso una serie di punti di controllo che agiscono in vari momenti (Figura 14). La capacità di regolare l’espressione dei propri geni è detta regolazione dell’espressione genica ed è fondamentale per ogni cellula, perché le permette di controllare il metabolismo e le proprie funzioni.

Figura 14

Sia nei procarioti sia negli eucarioti, il controllo dell’espressione genica può avvenire a più livelli.

La colonia cresce, quindi il gene A non è indispensabile per la vita.

La colonia non cresce, quindi il gene B è indispensabile per la vita.

Il controllo dell’espressione genica avviene attivando o disattivando i geni a seconda delle necessità: in questo modo ogni proteina è prodotta solo quando serve realmente e nella quantità necessaria, senza sprecare energia. E. coli, per esempio, si nutre prevalentemente di zuccheri, soprattutto glucosio, ma può succedere che la cellula batterica si trovi improvvisamente in un ambiente ricco di lattosio (lo zucchero del latte). Per essere metabolizzato, questo disaccaride deve essere assorbito e scisso nei due monosaccaridi che lo costituiscono (glucosio e galattosio), grazie a una serie di specifici enzimi. Quando E. coli cresce su un terreno privo

trascrizione traduzione post-traduzione regolazione

di lattosio, i geni che codificano questi enzimi sono repressi, cioè inattivi. Se l’ambiente cambia e il lattosio diventa lo zucchero più abbondante, il batterio si affretta a produrre gli enzimi, attivando i geni che li codificano. I geni per il lattosio sono un esempio di geni regolati, ovvero che sono espressi solo in determinati momenti della vita di una cellula.

Altre proteine, diversamente dagli enzimi per il lattosio, sono indispensabili alla cellula durante l’intero arco della sua vita; dunque, i geni che le codificano sono sempre attivi e sono detti geni costitutivi o housekeeping.

L’OPERONE È L’UNITÀ

DI TRASCRIZIONE NEI PROCARIOTI

Nei batteri, il controllo dell’espressione genica avviene principalmente a livello della trascrizione e le nostre conoscenze in merito si basano sul modello dell’operone proposto da François Jacob e Jacques Monod (Figura 15).

Un operone è un’unità di trascrizione che comprende un promotore e uno o più geni strutturali, tutti sotto il controllo di una sequenza regolatrice, l’operatore, posta tra il promotore e i geni strutturali; esiste poi un terminatore, cioè una sequenza che indica il termine della trascrizione. L’operone è controllato da particolari proteine che si legano all’operatore: possono essere induttori o repressori della trascrizione, e vengono espressi da geni regolatori, che si possono trovare in qualsiasi punto del cromosoma batterico.

Quando l’operatore è legato al repressore, l’enzima RNA polimerasi non riesce a scorrere a valle per trascrivere i geni strutturali, quindi la loro espressione è bloccata. Se l’operatore è libero dal repressore, l’RNA polimerasi è libera di trascrivere i geni strutturali a valle.

Gli operoni possono essere di due tipi: inducibili, il repressore blocca stabilmente l’operatore e viene rimosso quando si lega all’induttore; reprimibili, il repressore funziona in presenza di un’altra molecola, il corepressore, che lo abilita a legarsi all’operatore. In entrambi i casi, sono i cambiamenti di forma del repressore, in presenza del corepressore o dell’induttore, che modificano la sua capacità di legarsi all’operatore.

Figura 15

Un operone è formato da un promotore, un operatore, dei geni strutturali e un terminatore; a monte del promotore è presente un gene regolatore.

L’OPERONE lac È UN ESEMPIO DI OPERONE INDUCIBILE

L’operone lac, che codifica per gli enzimi che digeriscono il lattosio, è un operone inducibile: attiva la trascrizione solo in risposta alla presenza di un induttore, rappresentato dalla molecola di allolattosio (un derivato del lattosio). In questo sistema, il repressore presenta due siti di legame: uno per l’operatore e l’altro per l’induttore (Figura 16). Il legame con l’induttore (l’allolattosio) modifica la struttura tridimensionale del repressore, che, in seguito a questo cambiamento di forma, non è più capace di legarsi all’operatore. Di conseguenza, l’RNA polimerasi può trascrivere i geni strutturali.

L’mRNA è poi tradotto dai ribosomi per sintetizzare i tre enzimi necessari a metabolizzare il lattosio.

Figura 16

A colpo d’occhio

REGOLAZIONE DELL’OPERONE

CONTROLLO POSITIVO (INDUTTORE)

CONTROLLO NEGATIVO (REPRESSORE) OPERONE

INDUCIBILE OPERONE REPRIMIBILE

L’operone lac è un sistema inducibile. Il lattosio porta alla sintesi degli enzimi coinvolti nella sua stessa via metabolica, grazie all’inibizione del legame del repressore con l’operatore.

ASSENTE

1. Il repressore inibisce la trascrizione, legandosi all’operatore.

1. Il lattosio induce la trascrizione perché si lega al repressore e impedisce il suo legame con l’operatore.

2. L’RNA polimerasi può legarsi al promotore, ma la trascrizione è bloccata.

induttore (lattosio)

repressore inattivo

polimerasi direzione della trascrizione

oz ya

2. Quando il repressore non è legato all’operatore, l’RNA polimerasi può trascrivere i geni per gli enzimi.

i oz repressore attivo ya trascritto di mRNA enzimi del metabolismo del lattosio β-galattosidasi transacetilasi permeasi

oz ya

traduzione trascrizione

Video 4

L’operone lac / The lac operon

Video 5

L’operone trp

Figura 17

Via via che il lattosio è metabolizzato, la sua concentrazione nella cellula si riduce. In questa situazione, le molecole di induttore si separano dal repressore, che riacquista la forma originaria, si lega all’operatore e blocca nuovamente la trascrizione dell’operone lac. È la presenza o meno del lattosio a regolare la sintesi delle proteine coinvolte nel metabolismo del lattosio stesso (Video 4).

L’OPERONE trp È UN ESEMPIO DI OPERONE REPRIMIBILE

Per i batteri è utile bloccare la sintesi di un enzima in risposta all’accumulo dei prodotti della reazione che questo catalizza.

Un esempio è dato dall’amminoacido triptofano, un costituente essenziale delle proteine; quando il triptofano è presente nel citoplasma ad alte concentrazioni, la cellula sospende la produzione degli enzimi necessari per la sua sintesi (Figura 17).

L’operone trp è un sistema reprimibile. L’operone trp controlla la sintesi del triptofano, che agisce da corepressore. Se il triptofano è assente, il repressore non può legarsi all’operatore e i geni strutturali sono trascritti. Quando, invece, è presente, il repressore si lega all’operatore e la trascrizione si blocca.

triptofano ASSENTE

1. Il gene regolatore (r) produce un repressore inattivo incapace di legarsi all’operatore.

repressore inattivo

polimerasi enzimi della via metabolica del triptofano

la trascrizione procede

repressore inattivo

polimerasi

triptofano PRESENTE trp

2. L’RNA polimerasi trascrive i geni strutturali. La traduzione produce enzimi della via metabolica del triptofano.

corepressore (triptofano)

repressore attivo

1. Se la quantità di triptofano presente è sufficiente, lo stesso amminoacido funziona da corepressore e si lega al repressore, attivandolo.

L’operone trp, che controlla la sintesi di triptofano, è un esempio di operone reprimibile: il repressore blocca l’operone soltanto se prima si è legato a un corepressore, che in questo caso è rappresentato dal triptofano. Grazie a questo meccanismo di controllo dell’espressione genica, il batterio evita di consumare energia nella sintesi di sostanze già presenti in quantità sufficienti per la sopravvivenza della cellula (Video 5).

FACCIAMO IL PUNTO

Scegli il completamento corretto.

1. Se nel terreno di coltura di Escherichia coli si aggiunge del lattosio

A il repressore si lega all’operatore.

B l’allolattosio attiva il repressore.

C la trascrizione dei geni strutturali è attiva.

D il repressore è nella sua forma attiva.

2. L’operone arg è un esempio di operone reprimibile, quindi

A il repressore non può legare l’operatore.

B il repressore lega sempre l’operatore.

C l’amminoacido arginina fa da induttore.

D l’arginina è sintetizzata solo quando è presente.

3. Nel modello dell’operone NON è presente il gene

A operatore.

B repressore. C promotore. D strutturale.

4. Completa le frasi.

a) Il genoma corrisponde all’insieme dei geni indispensabili per la vita della cellula.

b) I fattori di regolazione della trascrizione sono proteine che si legano al favorendo oppure inibendo l’accesso dell’RNA polimerasi.

c) Il triptofano funziona da nella regolazione dei geni che codificano i geni per la sua sintesi.

d) Nell’operone lac quando l’allolattosio si lega al l’RNA polimerasi può trascrivere i geni a valle dell’operatore.

5. Vero o falso?

a) I geni regolatori si trovano tra l’operatore e i geni strutturali. V F

b) I geni strutturali sono quelli che vengono sempre espressi. V F

c) Negli operoni reprimibili il repressore blocca stabilmente l’operatore da cui è rimosso quando si lega all’induttore. V F

d) Nell’operone trp, la sintesi dell’amminoacido triptofano si arresta quando il repressore non è legato al corepressore. V F

e) Per i batteri è utile non consumare energia nella sintesi di sostanze già presenti. V F

5. LA REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

LA REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI È COMPLESSA

La regolazione dell’espressione genica negli eucarioti ha differenze sostanziali rispetto a quella nei procarioti. In primo luogo, oltre a essere più grandi, i genomi eucariotici mostrano una maggiore complessità.

1. Negli eucarioti, la presenza di cromosomi lineari, e non di un solo cromosoma circolare come nei batteri, richiede origini multiple della replicazione, telomeri e centromero.

2. Il fatto di possedere compartimenti cellulari separati comporta un maggior numero di proteine da esprimere.

3. Molti eucarioti sono organismi pluricellulari, costituiti da numerosi tipi di cellule specializzate nello svolgimento di funzioni diverse, che quindi hanno bisogno di attivare geni differenti in ogni specifico tessuto.

4. In un organismo pluricellulare i tessuti possono essere attivi in un certo momento ma non in un altro, di conseguenza l’attivazione o meno dei geni deve essere regolata anche nel tempo.

5. Negli eucarioti è presente un meccanismo di regolazione che permette di ottenere proteine diverse partendo da uno stesso gene, così da aumentare la complessità dell’organismo pur mantenendo un genoma di normali dimensioni.

6. Come nei procarioti, la trascrizione inizia quando l’RNA polimerasi si lega al promotore; negli eucarioti, però, all’azione dei promotori si somma quella delle sequenze supplementari, che contribuiscono a una regolazione più fine.

7. Negli eucarioti esiste una modulazione dell’intensità del processo di trascrizione (mentre nei procarioti la trascrizione avviene o non avviene), cioè un gene può essere trascritto più o meno intensamente (vedi Scheda 3).

8. La regolazione dell’espressione genica può avvenire in diversi punti del processo di trascrizione e di traduzione di un gene (Figura 18). Molti meccanismi di regolazione agiscono addirittura prima della trascrizione, modificando il grado di spiralizzazione della cromatina per rendere più o meno accessibili i geni alla RNA polimerasi. Esistono

meccanismi che agiscono durante e dopo la trascrizione e altri che entrano in funzione durante la traduzione, o dopo che la proteina è stata prodotta (controlli post-traduzionali).

Figura 18

La cellula eucariotica può agire a diversi livelli per aumentare o diminuire la quantità di proteine sintetizzate: prima, durante e dopo la trascrizione, quando l’mRNA esce dal nucleo e dopo la sua traduzione.

attiva/ inattiva

BLOCCA O ATTIVA LA TRASCRIZIONE

A colpo d’occhio

CROMATINA

COSTITUTIVA EUCROMATINA

FORMA APERTA

ETEROCROMATINA

FACOLTATIVA

Il grado di condensazione della cromatina è in stretta relazione con il tasso di espressione genica attraverso un processo chiamato rimodellamento della cromatina. Come abbiamo visto nel capitolo B1, nel nucleo eucariotico il DNA è associato agli istoni a formare i nucleosomi dando luogo a due tipi di cromatina: l’eucromatina, che appare dispersa e poco colorata, e l’eterocromatina, condensata e colorata.

Durante la divisione cellulare, tutta la cromatina è strettamente spiralizzata e costituisce i cromosomi. Questo da un lato consente la corretta distribuzione del materiale genetico tra le cellule figlie, dall’altro inibisce la trascrizione. Nell’interfase, invece, gran parte dell’eucromatina è decondensata (forma aperta dell’eucromatina) così da favorire il processo di trascrizione, mentre l’eucromatina in cui non vi sono geni, o dove i geni devono rimanere inattivi, è condensata (forma chiusa dell’eucromatina o eterocromatina). La trascrizione del DNA in RNA, perciò, avviene praticamente solo in interfase e soltanto nelle zone in cui l’eucromatina si trova nella forma aperta accessibile alla RNA polimerasi. L’eterocromatina, che rappresenta il livello massimo di condensazione durante l’interfase, è geneticamente inattiva e si possono individuare due classi. L’eterocromatina costitutiva, rappresentata da quelle regioni di DNA condensato presenti in tutte le cellule dell’organismo, per esempio le regioni che hanno un ruolo strutturale, come i telomeri o i centromeri. L’eterocromatina facoltativa è la cromatina che può condensarsi e rendere inattivi tutti i geni in essa contenuti, come avviene, per esempio, durante lo sviluppo embrionale in cui in ogni cellula si ha la condensazione casuale di uno dei due cromosomi omologhi. Un esempio è dato dai corpi di Barr, che sono cromosomi X strettamente spiralizzati e disattivati (Figura 19). Ciò dipende

dal fatto che, mentre nelle cellule dei mammiferi di sesso maschile è presente un solo cromosoma X, quindi i suoi geni sono presenti in copia unica, nelle femmine i cromosomi X sono due, dunque, in teoria potrebbero produrre il doppio delle proteine di una cellula maschile.

Il grado di condensazione di altre regioni dell’eucromatina varia da un tipo di cellula all’altro dello stesso organismo: tipi diversi sintetizzano proteine differenti, perciò, richiedono la trascrizione di segmenti specifici di DNA. Se la trascrizione di un gene può avvenire solo quando la cromatina è in forma aperta, com’è possibile che un segmento di DNA si despiralizzi temporaneamente per permettere la sua trascrizione? Un ruolo importante in questo processo è svolto dagli attivatori proteici, che richiamano presso tale regione degli enzimi capaci di alterare la struttura dei nucleosomi. Alcuni enzimi agiscono direttamente sulle proteine istoniche, per esempio l’istone acetiltransferasi (Figura 20) diminuendo la loro interazione con il DNA; in questo modo, la cromatina diventa meno compatta e l’aggancio dell’RNA polimerasi risulta facilitato.

I FATTORI DI TRASCRIZIONE SI LEGANO AL DNA E ALL’RNA POLIMERASI

Come nei procarioti, la regione che codifica per una proteina dei geni eucariotici è preceduta da un promotore e seguita da un terminatore. Le somiglianze tra procarioti ed eucarioti, tuttavia, finiscono qui. Mentre nei procarioti i geni con funzioni affini si trovano raggruppati in operoni e sono trascritti in blocco, negli eucarioti tendono a essere dispersi in punti diversi del genoma.

Pertanto, la regolazione simultanea e coordinata di più geni richiede che questi condividano alcuni elementi di controllo, in modo da poter rispondere tutti allo stesso segnale.

Infine, diversamente dai batteri, che dispongono di una sola RNA polimerasi, gli eucarioti ne

Figura 19

Una cellula somatica umana femminile presenta due cromosomi X: uno non condensato, mentre l’altro inattivo forma il corpo di Barr (A). Il cromosoma X inattivo è ben visibile nel nucleo, poiché rimane estremamente compatto anche in interfase; al microscopio ottico esso appare come un ammasso di cromatina chiamato corpo di Barr (B).

Uno dei cromosomi X non è condensato ed è attivo nella trascrizione, quindi fa parte dell’eucromatina.

Il corpo di Barr è il membro condensato e inattivo della coppia di cromosomi X della cellula, quindi è un esempio di eterocromatina. corpo di Barr

hanno tre, ciascuna delle quali trascrive uno specifico tipo di gene e agisce con meccanismi simili:

• l’RNA polimerasi I trascrive i geni che codificano l’rRNA;

• l’RNA polimerasi II trascrive i geni che codificano proteine;

• l’RNA polimerasi III trascrive i geni che codificano i tRNA.

Diversamente da quelli procariotici, i promotori eucariotici non sono costituiti da un’unica sequenza di DNA, ma da più elementi promotori: uno dei più noti, la TATA box, si trova molto vicino al sito di inizio della trascrizione ed è qui che si attacca una delle RNA polimerasi. L’RNA polimerasi eucariotica, però, non è in grado di riconoscere direttamente il promotore, ma necessita di vari fattori di trascrizione, specifiche proteine capaci di legarsi sia al DNA sia alla RNA polimerasi per formare il complesso di trascrizione (Figura 21A).

Esistono, inoltre, sequenze regolatrici che possono essere lontane anche centinaia di paia di basi dal promotore: gli enhancer che favoriscono l’avvio della trascrizione, e i silencer che la inibiscono.

Figura 20 L’attività dell’istone acetiltransferasi sugli istoni rende accessibile il DNA all’azione delle RNA polimerasi, che lo possono trascrivere.

Affinché la trascrizione abbia inizio occorre che un attivatore si leghi al relativo enhancer (Figura 21B), tramite un ripiegamento della catena del DNA: questo legame favorisce l’attacco dei fattori di trascrizione alla TATA box e la formazione del complesso di trascrizione. Sembra che gli enhancer siano molto specifici per ogni tipo di cellula e questo spiegherebbe perché certi geni si esprimono solo in determinate cellule e non in altre.

IL CAPPING, LO SPLICING E IL TAILING MATURANO IL TRASCRITTO PRIMARIO

Prima che la trascrizione sia completata, quando il filamento di mRNA in via di formazione è lungo una ventina di nucleotidi, viene aggiunto un «cappuccio» di un nucleotide chiamato 7-metilguanosina alla sua estremità 5′; questo processo prende il nome di capping Il cappuccio è necessario per far uscire l’mRNA dal nucleo e per agganciarlo ai ribosomi.

Studiando il DNA degli eucarioti, i ricercatori hanno scoperto che spesso le sequenze codificanti dei geni sono interrotte da sequenze che non vengono tradotte (vedi Scheda 4).

Figura 21 Ogni gene ha un promotore a cui, con l’aiuto di fattori di trascrizione, si lega l’RNA polimerasi. L’inizio della trascrizione è regolato da vari elementi di controllo, come le sequenze enhancer e silencer (A). Il legame di un attivatore all’enhancer consente la formazione del complesso di trascrizione, che può trascrivere il gene (B).

sito di inizio della trascrizione

1. Un attivatore si lega all’enhancer.

2. L’attivatore aumenta la capacità del fattore di trascrizione di legarsi alla TATA box.

3. Il fattore di trascrizione promuove la formazione del complesso di trascrizione.

complesso di trascrizione fattore di trascrizione fattore di trascrizione

Lo splicing / Splicing

Le sequenze non codificanti di un gene sono dette introni, mentre quelle codificanti che vengono tradotte in polipeptidi sono chiamate esoni (vedi Figura 21A).

Il numero di introni presenti per ogni gene può variare molto all’interno del DNA di un organismo: per esempio, in molti uccelli il gene che codifica il collagene ha 50 introni, mentre il gene per l’ovoalbumina ne ha solo 7. Prima di passare nel citoplasma, il pre-mRNA (o trascritto primario) va incontro allo splicing, un processo che permette di rimuovere gli introni e saldare tra loro gli esoni (Figura 22A e Video 6). Gli introni vengono escissi dal trascritto primario grazie a un grosso complesso enzimatico detto spliceosoma (Figura 22B), formato da numerose subunità chiamate snRNPs (small nuclear ribonucleo protein, che si pronucia «snurps»). Dato che anche il più piccolo errore commesso durante questa maturazione del trascritto potrebbe avere conseguenze molto gravi per la cellula, lo splicing deve essere precisissimo. Il processo che conclude la maturazione dell’mRNA si chiama tailing e consiste nell’aggiunta all’estremità 3′ della molecola di una sequenza nucleotidica chiamata coda di poliA. Questa coda è formata da una catena lunga fino a 200 nucleotidi contenenti la base adenina. La coda di poliA ha lo scopo di conferire stabilità all’mRNA, consentendogli di resistere più a lungo nel citoplasma e di sfuggire alla degradazione da parte degli enzimi.

LO SPLICING ALTERNATIVO GENERA DIVERSI

Per molto tempo si è pensato che in ogni gene il processo di splicing portasse sempre alla rimozione di tutti gli introni e alla giustapposizione di tutti gli esoni. In realtà, una fase importante della regolazione dell’espressione genica si chiama splicing alternativo: lo stesso trascritto primario può essere rielaborato in modi diversi, cosicché da un singolo gene si possano formare più mRNA maturi e, quindi, proteine differenti (Figura 23).

Lo splicing alternativo offre diversi vantaggi: le cellule possono produrre un gran numero di proteine (aumentando la varietà di quelle disponibili per l’organismo), mantenendo sotto controllo le dimensioni del genoma, con conseguente risparmio di energia quando occorre replicare il DNA; inoltre, lo stesso gene può fornire proteine diverse in momenti differenti dello sviluppo e garantire, di volta in volta, la quantità ottimale di specifiche molecole, evitando di sintetizzare prodotti inutili.

I REPRESSORI TRADUZIONALI POSSONO BLOCCARE LA SINTESI PROTEICA

Una cellula può controllare la produzione finale delle proteine anche grazie a meccanismi che avvengono durante oppure al termine della traduzione. Tra questi c’è la possibilità di impedire temporaneamente l’attacco dell’mRNA ai ribosomi, mediante l’azione di un repressore traduzionale

Figura 22

I processi di maturazione dell’RNA: capping, splicing e tailing (A). Lo splicing è catalizzato dallo spliceosoma (B).

aggiunta del cappuccio, splicing e aggiunta della coda gene strutturale eucariote

rimossi

Questo tipo di repressore agisce legandosi alla molecola di mRNA quando la relativa proteina è presente già in quantità sufficienti, mentre viene disattivato quando occorre riprenderne la sintesi. La presenza nel citoplasma di elementi in grado di legare tali repressori e disattivarli incrementa la velocità della sintesi proteica. Un esempio di repressore traduzionale è la proteina regolatrice del ferro (IRP). Quando nel sangue

Figura 23

Negli eucarioti, uno stesso trascritto primario può essere processato in modi diversi: lo spliceosoma può riunire gli esoni in modi alternativi, portando alla sintesi di proteine differenti.

trascritto primario

Con lo splicing alternativo aumenta la varietà di proteine prodotte e la cellula può regolarne anche la quantità a seconda delle sue esigenze.

4 Per saperne di più

ESPRESSIONE GENICA: ADDIO AL MODELLO ON/OFF

Per tutta la durata della loro esistenza, gli organismi viventi sono il prodotto della capacità di adattarsi alle particolari condizioni in cui si trovano: questo perché le esigenze nel periodo dello sviluppo sono diverse da quelle della vita adulta, oppure l’ambiente cambia in modo repentino, costringendo a rimodulare il proprio metabolismo. Molta di questa versatilità dei viventi dipende dalla capacità di regolare l’espressione dei geni a seconda delle circostanze.

Anche se ogni cellula contiene esattamente lo stesso DNA, quindi la stessa informazione genetica, i geni attivati ed espressi cambiano a seconda del tessuto o degli stimoli ricevuti. L’espressione di un gene, infatti, viene spesso paragonata al funzionamento di un interruttore che, a seconda dei casi, può essere acceso oppure spento.

umano la concentrazione di ferro è bassa, IRP si lega all’mRNA che codifica la ferritina (una proteina indispensabile per lo stoccaggio del ferro) e ne inibisce la traduzione. I repressori più comuni sono piccole molecole di RNA capaci di interferire con le lunghe molecole di mRNA; si tratta dei microRNA (miRNA) e dei brevi RNA interferenti (short-interfering RNA, in sigla siRNA).

splicing alternativo

IL TREADMILLING

Un nuovo studio pubblicato sulle pagine della rivista Nature ha recentemente messo in discussione il modello on/off di espressione genica. In base ai risultati ottenuti dai ricercatori dell’Università del North Carolina, i fattori di trascrizione possono trovarsi legati al DNA anche senza innescarne davvero la trascrizione. Si tratta di una condizione intermedia che i ricercatori hanno battezzato treadmilling, vale a dire una «corsa sul posto», come quella che si fa sul tapis roulant. In base al vecchio modello, il gene sarebbe in fase on quando il complesso di trascrizione è legato al promotore, ma le nuove scoperte sostengono che non è necessariamente così: i fattori di trascrizione «passeggiano sul posto», in attesa di un ulteriore stimolo molecolare che inneschi la corsa vera e propria lungo il DNA. Solo a questo punto la trascrizione viene attivata.

Lo studio ha messo in luce un nuovo modo di guardare all’espressione genica: lo stato di attivazione di un gene non è più soltanto bianco oppure nero. La scoperta è particolarmente rilevante per due motivi: • fornisce indizi su come le cellule reagiscono ai cambiamenti dell’ambiente e suggerisce quali sono i tempi di reazione per modulare l’espressione di un gene; • individua una nuova strada per intervenire su malattie con base genetica, come certi tumori, spesso riconducibili alla mancata o all’eccessiva espressione di un gene. La speranza è che in futuro si potranno controllare i fattori che permettono al complesso trascrizionale di passeggiare sul DNA e quelli che invece favoriscono la formazione di un legame stabile: in altre parole, si potrà intervenire in modo più fine sull’espressione di un gene modulandone durata e intensità.

I miRNA derivano dal taglio di microRNA primari, che escono dal nucleo, vanno nel citoplasma e nella loro forma finale presentano brevi sequenze a singolo filamento complementari agli mRNA da inattivare, per cui li marcano per la degradazione quando essi hanno terminato la loro funzione (Figura 24).

L’aspetto più interessante dei siRNA e del processo che li produce, chiamato RNA interference, è che le piccole molecole di miRNA e di siRNA possono essere sintetizzate anche in laboratorio per contrastare malattie di origine genetica. Le ricerche mediche basate sulla scoperta dell’RNA interference, fatta dagli scienziati statunitensi Andrew Fire e Craig Mello (che per questi studi hanno ricevuto il premio Nobel nel 2006) offrono molte prospettive nel campo della lotta alle malattie infettive o delle terapie geniche.

IL SISTEMA UBIQUITINA-PROTEASOMA

CONTROLLA LA LONGEVITÀ DELLE PROTEINE

Un altro sistema per controllare l’attività di una proteina in una cellula è quello di regolarne la longevità tramite il sistema ubiquitina-proteasoma. Il meccanismo che attiva la degradazione di una proteina inizia «marcando» la molecola da demolire con l’ubiquitina, un piccolo polipeptide di 76

Figura 24

Dopo essere stato tagliato da un enzima, un miRNA si associa ad alcune proteine e interagisce con l’mRNA, bloccando la sua traduzione.

amminoacidi. Alla molecola iniziale di ubiquitina se ne attaccano poi altre, formando una catena di poliubiquitina. La proteina bersaglio legata all’ubiquitina entra nel proteasoma, che è un grande complesso proteico a forma di cilindro cavo (Figura 25A). Il proteasoma dapprima stacca l’ubiquitina e poi demolisce la proteina bersaglio in piccoli frammenti peptidici e amminoacidi liberi. La concentrazione di gran parte delle proteine cellulari dipende più dalla loro degradazione a livello dei proteasomi che dall’espressione dei rispettivi geni. Esistono, però, alcuni virus capaci di sabotare questo sistema; per esempio, il papillomavirus umano (Human Papilloma Virus o HPV) che si trasmette per via sessuale, aggiunge l’ubiquitina alla proteina p53 marcandola per la degradazione (Figura 25B). Poiché la proteina p53 inibisce la divisione cellulare, il calo della sua concentrazione determina una divisione cellulare priva di controllo, che può causare tumori alla cervice uterina nelle femmine, e al pene e alle corde vocali nei maschi.

Figura 25 (A) Le proteine destinate alla degradazione vengono legate all’ubiquitina, che le direziona al proteasoma. (B) Modello al computer che mostra la degradazione della proteina p53 (in blu) marcata con l’ubiquitina (in giallo), da parte del proteasoma (in viola).

2. Un enzima attacca l’ubiquitina alla proteina.

1. La regione a doppio filamento del pre-miRNA o pre-siRNA viene tagliata e rilascia un RNA a 22 bp.

2. Un filamento singolo di miRNA o siRNA si associa a delle proteine per formare un complesso multiproteico.

3. Il complesso multiproteico si lega a un mRNA cellulare grazie alla complementarietà con il miRNA o siRNA.

La traduzione viene inibita (bassa complementarietà).

L’mRNA viene degradato (alta complementarietà).

1. Proteina destinata alla degradazione.

3. … che viene riconosciuta da un proteasoma. 4. L’ubiquitina è rilasciata e riciclata.

5. Il proteasoma idrolizza la proteina bersaglio.

FACCIAMO IL PUNTO

Scegli il completamento corretto.

1. Tra i seguenti processi NON fa parte della maturazione del trascritto primario

A la rimozione degli introni.

B l’aggiunta di una coda di poliA.

C l’aggiunta di una molecola di 7-metilguanosina.

D l’uscita dall’involucro nucleare dell’mRNA.

2. Quando un attivatore si lega al relativo enhancer

A si arresta la trascrizione a causa del ripiegamento del DNA.

B è favorita la formazione del complesso di trascrizione.

C aumenta l’affinità tra il DNA e le proteine istoniche.

D dalla TATA box si stacca l’RNA polimerasi.

3. Il rimodellamento del DNA fa parte della regolazione

A traduzionale.

B post-trascrizionale.

C trascrizionale.

D post-traduzionale.

4. La concentrazione di molte proteine cellulari dipende soprattutto

A dall’espressione genica.

B dai controlli post-trascrizionali

C dalla loro degradazione.

D dallo splicing alternativo.

5 Per saperne di più

DNA NON CODIFICANTE: LE VARIANTI CHE CONTANO

All’inizio fu battezzato Junk DNA, cioè DNA spazzatura. Eppure, le sequenze di DNA non-codificante, che occupano circa il 98% del genoma umano, continuano a riservare sorprese, dimostrando di non essere affatto inutile spazzatura genetica.

Uno studio pubblicato dalla rivista Science ha rivelato il ruolo di circa 100 varianti genetiche nell’insorgenza di alcuni tipi di tumore, tra cui il carcinoma mammario e quello alla prostata.

I ricercatori, riuniti in un consorzio che ha congiunto gli sforzi di diversi Paesi, hanno ideato un nuovo sistema che permette di mappare varianti di sequenze geniche che, pur non codificando per proteine, hanno comunque un ruolo molto importante nel regolare la funzione di altri geni (Figura).

Setacciando i dati emersi da due colossali progetti di genomica, 1000 Genomes ed ENCODE, gli scienziati hanno selezionato sequenze con una caratteristica particolare:

5. Completa le frasi.

a) All’interno del si trovano enzimi proteolitici che degradano le proteine marcate dall’ubiquitina.

b) Gli RNA hanno il compito di neutralizzare le molecole di mRNA quando hanno terminato la loro funzione.

c) Lo spliceosoma è formato da numerose , capaci di tagliare gli introni e legare gli esoni tra loro.

d) L’RNA interference produce piccole molecole di e di che possono essere sintetizzate anche in laboratorio per la cura di malattie di origine genetica.

e) Gli introni vengono escissi dal trascritto primario grazie allo che è un grosso complesso enzimatico.

6. Vero o falso?

a) Il processo dello splicing alternativo è un meccanismo di regolazione genica raro nell’essere umano. V F

b) L’ubiquitina degrada le proteine in corti polipeptidi o singoli amminoacidi. V F

c) La regolazione post-trascrizionale può essere associata alla degradazione dell’RNA messaggero. V F

d) I siRNA e i miRNA possono essere sintetizzati anche in laboratorio. V F

e) Lo splicing alternativo è una modificazione dell’mRNA che la cellula esegue quando non può fare lo splicing semplice. V F

il ridotto numero di varianti. I ricercatori hanno scoperto che anche alcune regioni non codificanti raramente presentano varianti e per questo sono state battezzate regioni ultrasensibili

Focalizzando l’attenzione sulle regioni ultrasensibili del genoma, è possibile identificare alterazioni che, pur non mutando alcuna proteina, possono avere ricadute importanti sulle cascate di regolazione genica a cui queste sequenze di DNA prendono parte. In particolare, hanno trovato circa cento varianti, presenti all’interno di regioni non codificanti che, se alterate, possono predisporre allo sviluppo di tumori. Per esempio, la variazione di un solo nucleotide in una di queste regioni sembra contribuire notevolmente allo sviluppo del carcinoma mammario, andando ad alterare tutta una serie di meccanismi regolatori importanti nelle cellule della ghiandola mammaria.

Figura

Un gel di agarosio utilizzato per l’analisi delle sequenze di DNA.

LEGGI LA SINTESI

Il flusso dell’informazione genetica

Beadle e Tatum dimostrarono che ogni enzima della via metabolica per la sintesi di un amminoacido è codificato da un gene distinto. Tutti i geni che non hanno funzione di regolazione sono detti geni strutturali.

Il dogma centrale della biologia molecolare afferma che il gene è un tratto di DNA contenente le informazioni per la produzione di una catena polipeptidica e che il flusso delle informazioni è monodirezionale: DNA → RNA → proteine. Esistono tre tipi di RNA:

• RNA messaggero (mRNA) copia le informazioni nel DNA e le trasferisce nel citoplasma;

• RNA transfer (tRNA) porta gli amminoacidi ai ribosomi e li colloca nella posizione corretta;

• RNA ribosomiale (rRNA) è uno dei costituenti dei ribosomi.

La trascrizione: dal DNA all’mRNA

Il processo di sintesi dell’RNA messaggero si chiama trascrizione, e avviene in tre fasi:

1. inizio, l’RNA polimerasi si lega a una specifica sequenza del DNA (promotore);

2. allungamento, la doppia elica del DNA si apre e la RNA polimerasi si sposta in un’unica direzione lungo il filamento stampo del DNA trascrivendo RNA in direzione 5´→3´.

3. terminazione, sul filamento stampo del DNA si raggiungono particolari sequenze di basi (terminatori).

Un amminoacido è codificato sul DNA da una combinazione di tre nucleotidi, ovvero da una tripletta; la tripletta corrispondente sull’mRNA è chiamata codone. L’insieme dei codoni forma il codice genetico, che racchiude le informazioni per ottenere gli amminoacidi. Il codice genetico è:

• universale, perché vale per tutti i viventi;

• degenerato, perché è ridondante;

• non ambiguo, perché un dato amminoacido può essere specificato da più codoni, ma un dato codone può specificare un solo amminoacido.

La traduzione: dall’mRNA alle proteine

Con la traduzione si passa dal linguaggio del DNA al linguaggio delle proteine grazie al tRNA, che è composto da un sito di attacco per l’amminoacido specifico e da un anticodone. La traduzione avviene sui ribosomi che sono costituiti da due subunità, ognuna contenente rRNA e proteine. All’interno del ribosoma ci sono tre siti per le interazioni codone-anticodone tra tRNA e mRNA (E, P e A).

Audio Summing up

La traduzione avviene in tre fasi:

1. si forma il complesso di inizio;

2. allungamento, nel sito A libero entra un tRNA carico (di uno specifico amminoacido), il cui anticodone è complementare al secondo codone dell’mRNA. A questo amminoacido si lega quello presente sul tRNA nel sito P con la costruzione della catena polipeptidica; 3. terminazione, il ribosoma incontra un codone di STOP.

La regolazione genica

La regolazione dell’espressione genica permette di controllare il metabolismo e le funzioni cellulari. Per controllare la trascrizione servono particolari proteine dette fattori di regolazione della trascrizione che si legano al DNA vicino al promotore e possono impedire o favorire la trascrizione.

• Nei procarioti, un operone è un’unità di trascrizione che comprende: un promotore, uno o più geni strutturali, e un gene operatore posto davanti al promotore, al quale può legarsi un fattore proteico prodotto da un gene regolatore. Gli operoni sono controllati da fattori proteici che inducono (induttori) o reprimono (repressori) la trascrizione. L’operone lac è un operone inducibile che attiva la trascrizione in risposta alla comparsa di un induttore, mentre l’operone trp è un operone reprimibile che inattiva la trascrizione in risposta alla comparsa del repressore.

• Le cellule eucariotiche possono regolare la quantità di proteine in diversi momenti: prima, durante e dopo la trascrizione, prima che l’mRNA esca dal nucleo e dopo la traduzione. Prima che l’mRNA vada nel citoplasma avviene lo splicing: si tagliano via gli introni (sequenze non codificanti di un gene) e si saldano tra loro gli esoni (sequenze codificanti tradotte in proteine); lo splicing alternativo produce mRNA diversi dallo stesso gene.

gene strutturale eucariote

promotore

DNA

sequenza di arresto

esone 1

esone 2 esone 3

introne 1 introne 2

trascrizione

3′ 5′ pre-mRNA

aggiunta del cappuccio, splicing e aggiunta della coda

esone 1esone 2esone 3

3′ 5′

coda di poliA all’estremità 3′ mRNA maturo

cappuccio all’estremità 5′ introni rimossi

COMPLETA LA MAPPA

LA TRASCRIZIONE

procede in 3 fasi

la sintesi dell’

a partire da uno stampo di

DNA

1. inizio

2. allungamento

comprende il legame dell’

dopo che la doppia elica si è aperta

3. terminazione avviene quando

tripletta che corrisponde sull’mRNA a un

codice genetico in cui tre basi originano una

– universale –– non ambiguo

LA TRADUZIONE

permette il

1. inizio procede in 3 fasi

2. allungamento

ha la caratteristica di essere

al promotore sul DNA

l’RNA polimerasi trascrive in direzione la nuova molecola di RNA

l’RNA polimerasi incontra le sequenze sul DNA stampo

che insieme agli altri costituisce il

passaggio dal linguaggio del DNA a quello delle

attraverso un adattatore che è il

di inizio si forma il

nel sito A del ribosoma entra un

l’amminoacido del tRNA presente sul sito

avviene quando il ribosoma

tRNA carico, il cui è complementare al dell’mRNA

l’amminoacido portato da questo tRNA si lega a

LA REGOLAZIONE GENICA

nei procarioti avviene garzie alla presenza dell’

3. terminazione che è un’unità di

sotto il controllo di induttori o della trascrizione

prima, durante e dopo la

incontra un codone di uno o più

prima che l’ esca dal nucleo, attraverso lo negli eucarioti avviene a più livelli: un promotore che comprende un

posto davanti al

dopo la traduzione

VERIFICA LE TUE CONOSCENZE

Scegli il completamento corretto.

1. Un gene costitutivo

A codifica proteine che non sono indispensabili per la cellula.

B è il gene più importante degli operoni delle cellule procariotiche.

C è sempre controllato e per questo motivo non si esprime mai.

D non ha bisogno di particolari controlli perché è sempre attivo.

2. Tra i seguenti elementi genici NON è presente nel DNA procariotico

A il promotore.

B il gene strutturale.

C l’operatore.

D l’esone.

3. I ribosomi

A sono le basi d’appoggio su cui avviene la trascrizione del DNA.

B hanno un sito a cui si attaccano direttamente i diversi amminoacidi.

C presentano triplette di RNA ribosomiale a cui si legano i codoni del tRNA.

D sono costituiti sia da acidi nucleici (rRNA) sia da catene polipeptidiche.

4. Le conclusioni a cui giunsero Nirenberg e Matthaei con i loro esperimenti possono essere riassunte nel fatto che

A a ogni codone corrisponde un nucleotide.

B a ogni gene corrisponde un amminoacido.

C a ogni codone corrisponde un amminoacido.

D a ogni gene corrisponde un polipeptide.

5. Un operone

A è una breve sequenza di DNA presente soltanto nelle cellule batteriche.

B possiede i geni regolatori, promotori e operatori sempre adiacenti l’uno all’altro.

C può attivarsi quando l’induttore si lega alla proteina prodotta dal gene regolatore.

D trp entra in azione quando è sollecitato dalla presenza dell’amminoacido triptofano nella cellula.

6. Scrivi la definizione dei seguenti termini:

a) mRNA, rRNA e tRNA;

b) complesso di inizio e terminazione;

c) geni regolatori e geni costitutivi; d) operoni inducibili e reprimibili; e) introni ed esoni; f) capping e splicing.

7. Scrivi accanto a ogni affermazione la lettera (A) se è riferita alla fase di inizio della sintesi proteica, (B) se è riferita alla fase di allungamento, (C) se è riferita alla fase di terminazione, o la (D) se non è riferita a nessuna delle tre fasi.

a) Il tRNA presente nel sito A scorre nel sito P del ribosoma ( )

b) La subunità ribosomiale maggiore si aggancia a quella minore ( )

c) In corrispondenza del sito A si posiziona il codone UAA posto sull’mRNA ( )

8. Scegli il termine corretto tra i due proposti.

a) Un operone è un segmento di DNA costituito da uno o più geni regolatori / strutturali, la cui trascrizione consente la sintesi di specifiche proteine, e da una serie di geni con funzione di splicing / controllo. Tra questi vi sono il gene regolatore, da cui dipende la sintesi di un promotore / repressore, cioè di una proteina in grado di bloccare la trascrizione, inserendosi sul gene operatore / enhancer. Il regolatore è a sua volta influenzato dalla presenza di un corepressore / gene costitutivo, che ha la funzione di attivarlo, o di un induttore che lo duplica / inibisce

b) Il processo di trascrizione / traduzione inizia con la formazione del complesso di inizio in cui la subunità maggiore / minore del ribosoma si lega all’mRNA in corrispondenza del codone AUG / UAG. Un tRNA legato all’amminoacido metionina / arginina si appaia con il proprio anticodone al codone di inizio e, quindi, si può unire anche la subunità maggiore / minore del ribosoma. Nella fase di allungamento, sul sito A / P libero entra un tRNA carico, il cui anticodone è complementare al secondo / primo codone dell’mRNA. La subunità maggiore del ribosoma catalizza la rottura / fomazione del legame tra il tRNA nel sito P / E e il suo amminoacido e catalizza la rottura / formazione di un legame tra l’amminoacido che arriva dal sito P e quello legato al tRNA situato nel sito A / E. Una volta che si è formato il legame peptidico / fosfodiesterico, il ribosoma si sposta e il primo tRNA si trova nel sito E per essere liberato e legarsi a un’altro amminoacido. La terminazione si verifica quando il ribosoma incontra un codone di STOP / inizio, quindi nel sito A si inserisce un fattore di rilascio e si libera la catena polipeptidica.

Mettiti alla prova con gli esercizi interattivi online

9. Scrivi accanto a ogni affermazione la lettera (A) se è riferita a un cromosoma procariotico, (B) se è riferita a un cromosoma eucariotico, (C) se è riferita a entrambi i tipi di cromosoma, o la (D) se non è riferita a nessuno dei due tipi.

a) È formato da cromatina, una sostanza costituita esclusivamente da proteine chiamate istoni. ( )

b) La trascrizione di un suo gene inizia presso un gene promotore e può essere regolata da induttori. ( )

c) Una sua sequenza può essere tradotta sui ribosomi prima di essere stata del tutto trascritta. ( )

d) È costituito da un gran numero di sequenze inutili poiché non codificano per alcuna proteina. ( )

10. Completa il testo scegliendo tra i termini seguenti:

alterare, dei gruppi fosfato, Watson e Crick, potenziare, gene, degli amminoacidi, Beadle e Tatum, enzima, ripristinare, delle basi azotate, codone, Nirenberg e Matthaei

Un è un segmento di DNA che codifica una catena polipeptidica. Tale segmento è caratterizzato dal numero e dalla sequenza . Gli scienziati

hanno dimostrato che una mutazione che colpisce un qualsiasi gene può la funzionalità di un enzima.

11. Vero o falso?

a) I tRNA presenti nella cellula sono 64, tanti quanti sono i codoni. V F

b) Beadle e Tatum studiarono alcuni mutanti «pro» di Neurospora crassa per la produzione della prolina. V F

c) L’mRNA è la copia delle informazioni codificate nel DNA che può lasciare il nucleo. V F

d) La traduzione non richiede l’intervento dell’rRNA. V F

e) Le proteine di secrezione prima di essere espulse dalla cellula devono passare dall’apparato di Golgi. V F

f) Le conoscenze sulla regolazione dei geni dei procarioti sono da ricondurre agli esperimenti di Meselson e Stahl. V F

g) Negli eucarioti è presente un meccanismo di regolazione che permette di ottenere proteine diverse da uno stesso gene. V F

VERIFICA LE TUE ABILITÀ

Scegli il completamento corretto.

12. Dopo la trascrizione di un segmento di DNA

A si verifica lo splicing degli esoni allo scopo di saldare le sequenze di DNA che devono essere tradotte.

B è possibile prevedere quale sarà la proteina corrispondente in base al numero di esoni eliminati.

C i fattori di trascrizione vanno a legarsi a speciali proteine chiamate silencer che favoriscono la formazione di mRNA maturo.

D vengono eliminati gli introni dal trascritto di mRNA e vengono aggiunti un «cappuccio» e una coda di poliA.

13. Il codice genetico è

A il sistema di traduzione del DNA, da amminoacidi a triplette.

B il sistema di traduzione del DNA, da amminoacidi a codoni.

C il sistema di trascrizione da DNA a RNA.

D il sistema di traduzione del DNA da triplette.

14. Nell’esperimento di Nirenberg

A ciascuna delle 20 provette conteneva una soluzione in cui era stato inserito un solo tipo di amminoacido.

B l’RNA «poliU» aveva determinato la sintesi di un polipeptide radioattivo, ma soltanto nella provetta che conteneva estratti cellulari e ATP.

C in ogni provetta si era assemblato un polipeptide differente da quello delle altre provette.

D la catena polipeptidica formata da fenilalanina si era assemblata in tutte le provette, ma solo in una era radioattiva.

Scegli la risposta corretta.

15. Quali di questi eventi NON avviene durante il processo di traduzione?

A Si appaiono le basi complementari del codone con quelle dell’anticodone.

B L’RNA polimerasi si attacca a una specifica sequenza nucleotidica detta promotore.

C La subunità ribosomiale maggiore si lega con la subunità ribosomiale minore.

D Un enzima catalizza l’aggancio del tRNA al corrispondente amminoacido.

16. Quale dei seguenti elementi è coinvolto sia nella trascrizione sia nella traduzione?

A mRNA.

B tRNA. C DNA. D Subunità minore.

17. Una tratto di gene strutturale di una cellula eucariotica è lungo 90 000 nucleotidi. Da che cosa sarà costituito il peptide prodotto?

A Circa 20 000 amminoacidi, dato che a ogni tripletta corrisponde un amminoacido.

B Sicuramente sarà maggiore di 20 000 amminoacidi, dato che negli eucarioti avviene il tailing.

C Circa 45 000 amminoacidi, dato che il DNA è a doppio filamento.

D Sicuramente sarà inferiore a 20 000 amminoacidi, dato che negli eucarioti avviene lo splicing.

18. Associa a ciascun termine (lettera) la definizione corrispondente (numero).

A. mRNA

B. rRNA

C. tRNA

D. DNA

1. trasmette il messaggio dal nucleo al citoplasma

2. presenta un sito d’attacco per gli amminoacidi

3. fa parte degli organuli su cui avviene la sintesi proteica

4. è il materiale genetico della cellula

A B C D

19. Scegli il termine corretto tra i due proposti.

a) Un processo chiamato splicing / splicing alternativo giustifica il fatto che il numero di proteine che si formano in una cellula è molto inferiore / superiore al numero di geni strutturali / regolatori presenti. Capita spesso, infatti, che uno stesso segmento di pre-mRNA dia origine a RNA maturi diversi, i quali saranno tradotti / trascritti in proteine con strutture e funzioni differenti.

b) Nei promotori eucariotici c’è una TATA box alla quale si attacca la RNA polimerasi / DNA polimerasi. L’enzima, per legarsi al DNA da trascrivere, ha bisogno di vari fattori di trascrizione così da formare il complesso di trascrizione / inizio. Esistono sequenze regolatrici, che si chiamano geni enhancer / silencer quando favoriscono l’avvio della trascrizione, e geni enhancer / silencer quando la inibiscono. Affinché la trascrizione abbia inizio occorre che un attivatore / inibitore si leghi al relativo enhancer tramite un ripiegamento della catena del DNA.

20. Associa a ciascun termine (lettera) la definizione corrispondente (numero).

A. gene strutturale

B. repressore

C. operatore

D. gene costitutivo

E. induttore

1. molecola che inibisce il legame del repressore con l’operatore

2. segmento di DNA che codifica un polipeptide

3. unità genica che risulta sempre attiva e non necessita di controlli

4. proteina che può ostacolare l’azione del promotore

5. sequenza nucleotidica posta a fianco del promotore

A B C D E

21. Completa il testo scegliendo tra i termini seguenti: trascrizione, enhancer, capping, silencer, promotore, traduzione, DNA, mRNA, splicing, poliA, tRNA, TATA box

Alcune sequenze regolatrici, che possono trovarsi anche molto lontano dal promotore, hanno il ruolo di modulare la : gli

ne favoriscono l’avvio, e i la inibiscono. Affinché la trascrizione abbia inizio occorre che un attivatore si leghi al relativo enhancer tramite un ripiegamento della catena del : questo legame favorisce l’attacco dei fattori di trascrizione alla

Rispondi alle domande.

22. Per quale motivo il codice genetico è definito «degenerato»?

23. Quali sono i principali eventi che caratterizzano la fase di allungamento della sintesi proteica? Descrivili in massimo tre righe.

24. Dopo aver messo a confronto la struttura del tRNA con quella dell’mRNA, spiega quale ruolo svolge il tRNA nella sintesi proteica.

25. Che differenza c’è tra eucromatina ed eterocromatina in relzione all’attività cellulare? Quali tipologie di eterocromatina conosci e in che cosa differiscono?

VERIFICA LE TUE COMPETENZE

SCHEMATIZZA

1. Costruisci una mappa concettuale che schematizzi tutti i passaggi della sintesi proteica, partendo dal DNA, fino alla formazione del polipeptide.

DESCRIVI

2. Fai un elenco di tutti i differenti livelli di controllo dell’espressione genica presenti negli eucarioti, quindi descrivili sinteticamente.

CONFRONTA

3. Metti a confronto i processi di trascrizione e traduzione, evidenziando i punti in comune e le differenze.

DEDUCI E DESCRIVI

4. Leggi attentamente il brano che segue e deduci di quale meccanismo di regolazione si tratta; quindi descrivilo sinteticamente.

Nei moscerini della frutta, il sesso è determinato dalla serie di eventi a carico di tre geni: a) dex lethal (Sxl); b) transformer (tra); c) doublesex (dsx).

Nelle drosofile femmine, lo splicing dei trascritti primari Sxl determina un prodotto che potenzia lo splicing dei trascritti Sxl e induce quello dei trascritti tra. In questo modo si attiva lo splicing dei trascritti del gene dsx che porta allo sviluppo di una femmina. Invece, nei maschi i trascritti Sxl danno un prodotto inattivo a causa di un esone contenente una tripletta di STOP. Anche lo splicing dei trascritti tra origina un prodotto inattivo, che a sua volta induce lo splicing dei trascritti dsx, generando un prodotto che inattiva i geni femminili.

SPIEGA

5. Che cosa accade, dal punto di vista biochimico, quando il batterio Escherichia coli si trova in una condizione di carenza dell’amminoacido triptofano? Come si modifica, invece, il processo se il triptofano è presente?

IPOTIZZA

6. Il centromero rappresenta una struttura altamente differenziata del cromosoma costituita da DNA e proteine del cinetocore. Il DNA in questa struttura è in forma di eterocromatina. A quale tipologia di eterocromatina appartiene il centromero? Nel rispondere prova a ipotizzarne la motivazione.

RICERCA E GIUSTIFICA

7. Recenti studi sull’ereditarietà epigenetica hanno modificato l’idea che soltanto il DNA passi dai genitori ai figli: oggi sappiamo che anche l’esperienza molecolare vissuta da una cellula può essere trasmessa alle generazioni successive. Tuttavia, studiare i segnali epigenetici e la loro ereditarietà non è facile per almeno tre ragioni: occorre fare attenzione a non confondere un effetto epigenetico con un cambiamento dovuto a mutazioni del DNA; bisogna tracciare i segnali epigenetici in almeno tre o quattro generazioni per essere certi che l’effetto osservato sia effettivamente un’eredità del passato; occorre fare i conti con il fatto che l’epigenoma è per sua natura estremamente mutevole, visto che risponde a condizioni ambientali che cambiano di continuo. Approfondisci in Rete l’argomento e giustifica le tre criticità riscontrate negli studi epigenetici.

RIFLETTI E RISPONDI

8. Un biochimico scopre nel nucleo di una cellula eucariotica una molecola di mRNA formata da 987 nucleotidi, che successivamente sarà tradotta in un polipeptide contenente 268 aminoacidi. Rispondi alle domande motivando le tue risposte

a) Quanti nucleotidi dell’mRNA trasportano effettivamente l’informazione necessaria per il polipeptide?

b) Quanti sono i nucleotidi in più e che fine hanno fatto?

c) Il sistema di traduzione come può sapere quali sono i nucleotidi utili per sintetizzare il polipeptide?

VOCABULARY

9. In this chapter you have learnt about gene expression and regulation. Match the correct term (letters) to the corresponding definition (numbers).

A. tRNA (transfer RNA)

B. structural genes

C. gene expression

D. Microbial Dark Matter

E. treadmilling

F. junk DNA

1. genes which code for the amino acid sequence of a protein

2. the adaptor molecule between mRNA and the chain of amino acids that make up a protein

3. non-coding DNA

4. the continuous removal and addition of actin monomers in filaments

5. the majority of environmental microorganisms – still unknown and uncultured

6. the process by which a gene gets activated in a cell to make RNA and proteins

REVISION

10. Use the words listed below to complete Marshall Nirenberg’s obituary (necrologio) as published in The Times from February 05, 2010.

Marshall Nirenberg, biologist and geneticist, was one of the world’s most famous scientists. He was best known for deciphering the of life and interpreting its function in the of proteins, the working parts of living cells. In 1959 Nirenberg began investigating the relationship between DNA, and the production of proteins. He discovered how RNA transmits the “messages” that are encoded in DNA and direct how , the building blocks of proteins, link together to form the huge number of protein molecules in the human body. For his contribution to solving the genetic code by establishing the rules by which the genetic information in DNA is into proteins, Nirenberg was awarded the 1968 Nobel prize in or Medicine.

PRODUCTION

11. Following the example above, try and compose an obituary for one of the deceased scientists mentioned in this chapter.