Trascrizione e regolazione nei procarioti

Il trasferimento dell’informazione genetica da DNA a proteina, sia negli eucarioti che nei procarioti, implica due passaggi: la trascrizione e la traduzione. Al contrario di ciò che avviene durante la duplicazione, come nella mitosi, l’informazione passerà dal DNA all’RNA. La trascrizione nei procarioti è soggetta a regolazione, questo è un aspetto importante perché è uno dei livelli di controllo che hanno queste cellule per limitare la produzione di determinate proteine.

Un alfabeto di poche lettere

Prima di addentrarci nel complesso meccanismo della trascrizione e della regolazione nei procarioti, bisogna ricordare che l’informazione genetica all’interno del DNA è espressa mediante la successione di nucleotidi. Essi a loro volta sono formati da 3 elementi: Una base azotata (purinica o pirimidinica), uno zucchero pentoso (ribosio o deossiribosio) e uno o più gruppi fosfato. Ciò che differenzia un nucleotide da un altro è quindi la base azotata: Adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T). Mentre nell’RNA al posto della timina, troviamo l’uracile.

*Figura 1- Basi azotate [Fonte: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.197305911]*

Differenza tra duplicazione e trascrizione

Entrambi i processi sono catalizzati da enzimi simili, nella duplicazione interviene la DNA polimerasi mentre nella trascrizione l’RNA polimerasi. Il prodotto finale non sarà un doppio filamento come nella duplicazione ma un filamento singolo di dimensioni minori. Questa struttura molto più semplice consente all’RNA di ripiegarsi in più forme garantendo funzionalità differenti. Sia la trascrizione che la duplicazione dunque richiedono uno svolgimento della doppia elica di DNA, esponendo le basi del filamento in stampo in modo che possano essere trascritte. Infine il nuovo filamento nella trascrizione non legherà il filamento stampo come nella duplicazione mediante legami idrogeno, ma verrà rilasciato.

La stampante della trascrizione: l’RNA polimerasi

Come la DNA polimerasi nella replicazione, l’RNA polimerasi catalizza la formazione dei legami fosfodiestere che uniscono i nucleotidi a formare una catena lineare. Negli organismi procarioti è presente una sola RNA polimerasi per tutti i tipi di RNA (messaggero, transfert e ribosomiale). Studi di microscopia elettronica hanno mostrato come l’enzima ricordi una di chela di granchio. Essa pesa circa 400 kDa ed è formata dal fattore σ e da una struttura centrale formata a sua volta da due subunità α, da una β e una β^I . Il fattore σ ha il compito di controllare l’interazione tra il core dell’enzima e il filamento, formando l’oloenzima. L’oloenzima individua specifiche sequenze di DNA chiamate promotori all’interno del DNA a doppio filamento, svolge il DNA che circonda il sito di inizio della trascrizione e avvia la sintesi di una catena di RNA.

La trascrizione

Una volta viste le caratteristiche generali e i principali protagonisti possiamo parlare del processo della trascrizione vero e proprio. La trascrizione può essere divisa in 3 fasi: Inizio, allungamento e terminazione. L’inizio è caratterizzato dal reclutamento del fattore σ a livello di zone specifiche chiamate promotori successivamente insieme all’ RNA polimerasi si avrà l’inizio dello scorrimento sul filamento stampo da parte dell’oloenzima. La trascrizione avviene in direzione 5′ → 3′ (modo per indicare due punti rispettivamente a monte e a valle, rispetto ad un riferimento). Una volta individuata la sequenza promotore, il fattore σ si stacca e l’enzima inizia a svolgere l’elica e contemporaneamente catalizza l’aggiunta di nuovi nucleotidi allungando il nuovo filamento. L’enzima riesce sia a svolgere l’elica a valle, che riavvolgerla a monte creando una sorta di bolla trascrizionale.

La terminazione invece avviene nel momento in cui l’enzima incontra il segnale di terminazione. Avvenuto ciò l’enzima si dissocia. in E. coli ci sono due tipi di terminatori: i terminatori-rho-dipendenti e i terminatori-rho-indipendenti. I primi dipendono dalla proteina rho, i secondi utilizzano un meccanismo differente: Questi terminatori contengono una regione ricca in GC (guanina e citosina) seguite da sei o più coppie di basi AT (adenina e timina). Ciò porta alla formazione di un filamento in grado di ripiegarsi a formare strutture a forcina portando all’interruzione della trascrizione.

Trascrizione da parte dell'RNA polimerasi - Trascrizione e regolazione nei procarioti — *Figure 3 – Trascrizione da parte dell’RNA polimerasi. [Fonte: Fabio Fanti, Biologia, Microbiologia e tecniche di controllo sanitario Zanichelli editore 2019]*

La regolazione della trascrizione

Le proteine TF sono i più importanti regolatori della trascrizione nei procarioti, anche se non fanno parte costitutivamente dell’enzima. Essi possono legarsi sia ad un singolo filamento di DNA che ad entrambi. In generale possiamo distinguerli in attivatori, se promuovono il legame dell’enzima alle sequenze promotore sul DNA. Oppure repressori se svolgono l’azione opposta e quindi non consentono alla polimerasi di trascrivere quei determinati geni. Ad esempio alcune analisi hanno dimostrato come circa il 34% su 314 dei TF in E. coli siano attivatori mentre il 43% siano repressori. La restante parte è rappresentata da fattori di regolazione e sono rappresentati da 7 grandi gruppi: CRP, FNR, IHF, Fis, ArcA, NarL and Lrp.

Un altro modo che sia gli eucarioti e i procarioti hanno per regolare la trascrizione è utilizzare gli operoni. Il termine “operon” è stato coniato da Jacob e Monod, che hanno caratterizzato il primo operone, il lac operon, in Escherichia coli. In generale un operone è costituito da un promotore per il legame con la polimerasi, un operatore per il legame con repressori o attivatori, geni strutturali e geni regolatori. Da qui derivano vari tipi di regolazione rispetto agli operoni:

Regolazione negativa negli operoni inducibili, una proteina repressore è normalmente legata all’operatore e blocca la trascrizione.
Regolazione negativa negli operoni reprimibili, in questo caso i geni strutturali sono normalmente attivi, mentre il repressore, pur essendo prodotto, è inattivo.
Regolazione positiva negli operoni inducibili, Una proteina attivatrice, si lega in un sito del DNA e favorisce la trascrizione dei geni strutturali che, in condizioni normali non sono espressi.
Regolazione positiva negli operoni reprimibili, qui i geni strutturali sono sempre espressi, ma alcune proteine legandosi all’attivatore lo inibiscono.

La trascrizione e regolazione nei procarioti come strategie di sopravvivenza

Secondo molti studi, una delle strategie di molti patogeni è quella di controllare la trascrizione di alcuni geni dell’ospite. Questo controllo permette sia di produrre tutte le proteine necessarie alla propria sopravvivenza, sia ad adattarsi ad ambienti stressanti. Sono proprio i fattori della trascrizione (TF) ad essere modulati, per far sì che l’ospite possa replicarsi in condizioni ottimali.