Definizione di RNA messaggero
Gli acidi ribonucleici messaggeri (mRNA) trasferiscono le informazioni dal DNA alla macchina cellulare che produce le proteine. Strettamente imballato nel nucleo di ogni cellula, che misura solo 10 micron di diametro, c’è un “manuale di istruzioni” di tre metri di DNA a doppio filamento su come costruire e mantenere un corpo umano. Affinché ogni cellula mantenga la sua struttura e svolga tutte le sue funzioni, deve continuamente produrre parti specifiche del tipo di cellula (proteine). All’interno di ogni nucleo, una proteina a più subunità chiamata RNA polimerasi II (RNAP II) legge il DNA e contemporaneamente fabbrica un “messaggio” o trascrizione, che si chiama RNA messaggero (mRNA), in un processo chiamato trascrizione. Le molecole di mRNA sono composte da singoli filamenti relativamente corti di molecole costituite da basi di adenina, citosina, guanina e uracile tenute insieme da una spina dorsale di fosfato di zucchero. Quando la RNA polimerasi finisce di leggere una sezione del DNA, la copia di pre-mRNA viene elaborata per formare l’mRNA maturo e poi trasferita fuori dal nucleo della cellula. I ribosomi leggono l’mRNA e traducono il messaggio in proteine funzionali in un processo chiamato traduzione. A seconda della struttura e della funzione della proteina appena sintetizzata, sarà ulteriormente modificata dalla cellula, esportata nello spazio extracellulare o rimarrà all’interno della cellula. Il diagramma qui sotto mostra la trascrizione (DNA->RNA) che avviene nel nucleo della cellula dove RNAP è l’enzima RNA polimerasi II che sintetizza l’RNA.
Il mRNA precursore contiene introni ed esoni. Gli introni vengono rimossi prima della traduzione, mentre gli esoni codificano la sequenza di aminoacidi delle proteine. Per fare l’mRNA maturo, il macchinario cellulare rimuove gli introni “non traducibili” dal pre-mRNA, lasciando solo le sequenze di esoni traducibili nell’mRNA.
Tipi di mRNA
Pre-mRNA e hnRNA
Il mRNA precursore (pre-mRNA) è la trascrizione primaria dell’mRNA eucariotico quando si stacca dal modello del DNA. Il pre-mRNA fa parte di un gruppo di RNA chiamato RNA nucleare eterogeneo (hnRNA). L’hnRNA si riferisce a tutti gli RNA a singolo filamento situati all’interno del nucleo della cellula dove avviene la trascrizione (DNA->RNA) e il pre-mRNA forma una gran parte di questi acidi ribonucleici. Il pre-mRNA contiene sequenze che devono essere rimosse o “spliced out” prima di essere tradotto in una proteina. Queste sequenze possono essere rimosse attraverso l’attività catalitica dell’RNA stesso, o attraverso l’azione di una struttura multiproteica chiamata spliceosoma. Dopo questa fase di elaborazione, il pre-mRNA è considerato un trascritto di mRNA maturo.
Il diagramma sottostante descrive la struttura del pre-mRNA. Il pre-mRNA include gli introni e può includere o meno il cappuccio 5′ e la coda 3′ poliadenilata:
Monocistronico mRNA
Una molecola di mRNA monocistronico contiene le sequenze di esoni che codificano per una singola proteina. La maggior parte degli mRNA eucarioti sono monocistronici.
MRNA bicistronico
Una molecola di mRNA bicistronico contiene le sequenze di esoni che codificano per due proteine.
MRNA policistronico
Una molecola di mRNA policistronico contiene le sequenze di codifica degli esoni per più proteine. La maggior parte degli mRNA dei batteri e dei batteriofagi (virus che vivono in ospiti batterici) sono policistronici.
MRNA procariotico vs. mRNA eucariotico
Gli mRNA policistronici procariotici contengono più siti per iniziare e terminare la sintesi proteica. Gli eucarioti hanno un solo sito per l’inizio della traduzione e gli mRNA eucarioti sono principalmente monocistronici. I procarioti mancano di organelli e di un involucro nucleare ben definito, e quindi la traduzione dell’mRNA può essere accoppiata alla trascrizione dell’mRNA nel citoplasma. Negli eucarioti, l’mRNA viene trascritto sui cromosomi nel nucleo e, dopo l’elaborazione, viene trasportato attraverso i pori nucleari e nel citoplasma. A differenza dei procarioti, la traduzione negli eucarioti avviene solo dopo che la trascrizione è stata completata. L’mRNA procariotico è costantemente degradato dalle ribonucleasi, enzimi che tagliano l’RNA. Per esempio, l’emivita dell’mRNA in E. Coli è di circa due minuti. Gli mRNA batterici hanno vita breve per consentire la flessibilità nell’adattarsi a condizioni ambientali che cambiano rapidamente. Gli mRNA eucariotici sono più stabili dal punto di vista metabolico. Per esempio, i precursori dei globuli rossi dei mammiferi (reticolociti), che hanno perso il loro nucleo, sintetizzano l’emoglobina per diversi giorni traducendo mRNA che sono stati trascritti quando il nucleo era ancora presente. Infine, gli mRNA dei procarioti subiscono un’elaborazione minima. Negli eucarioti, il pre-mRNA deve subire un’elaborazione prima di essere tradotto, che comporta la rimozione degli introni, l’aggiunta del 5′ -cap e della coda 3′ poli-adenilata prima che l’mRNA maturo sia formato e pronto per essere tradotto.
Funzioni dell’mRNA
La funzione primaria dell’mRNA è quella di agire come intermediario tra le informazioni genetiche nel DNA e la sequenza di aminoacidi delle proteine. L’mRNA contiene codoni che sono complementari alla sequenza di nucleotidi sul DNA modello e dirigono la formazione degli aminoacidi attraverso l’azione dei ribosomi e del tRNA. L’mRNA contiene anche molteplici regioni di regolazione che possono determinare i tempi e il tasso di traduzione. Inoltre, assicura che la traduzione proceda in modo ordinato perché contiene siti per l’aggancio dei ribosomi, del tRNA e di varie proteine aiutanti.
Le proteine prodotte dalle cellule svolgono una varietà di ruoli, sia come enzimi, molecole strutturali o come macchinari di trasporto per vari componenti cellulari. Alcune cellule sono anche specializzate nel secernere proteine, come le ghiandole che producono enzimi digestivi o ormoni che influenzano il metabolismo dell’intero organismo.
Traduzione dell’RNA
L’RNA può essere tradotto su ribosomi liberi nel citoplasma con l’aiuto di molecole di RNA di trasferimento (tRNA) e proteine multiple chiamate fattori di iniziazione, elongazione e terminazione. Le proteine sintetizzate sui ribosomi liberi nel citoplasma sono spesso utilizzate dalla cellula nel citoplasma stesso o destinate all’uso negli organelli intracellulari. In alternativa, le proteine che devono essere secrete iniziano ad essere tradotte nel citoplasma, ma non appena i primi residui vengono tradotti, proteine specifiche trasportano l’intero macchinario di traduzione alla membrana del reticolo endoplasmatico (ER). I pochi aminoacidi iniziali vengono incorporati nella membrana dell’ER e il resto della proteina viene rilasciato nello spazio interno dell’ER. La breve sequenza viene rimossa dalle proteine che devono essere secrete dalla cellula, mentre quelle destinate alle membrane interne mantengono quel breve tratto che fornisce un’ancora di membrana.
Oltre 200 malattie sono associate a difetti nell’elaborazione del pre-mRNA in mRNA. Le mutazioni nel DNA o nel macchinario di splicing influenzano principalmente l’accuratezza dello splicing del pre-mRNA. Per esempio, una sequenza anomala di DNA può eliminare, indebolire o attivare siti di splicing nascosti nel pre-mRNA. Allo stesso modo, se il macchinario di splicing non funziona correttamente, lo spliceosoma può tagliare il pre-mRNA in modo errato, indipendentemente dalla sequenza. Queste mutazioni hanno come risultato l’elaborazione del pre-mRNA in mRNA che andranno a codificare proteine malfunzionanti. Gli stessi mRNA anormali sono a volte il bersaglio del decadimento mRNA nonsense-mediato e della degradazione co-trascrizionale dei pre-mRNA nascenti. Le cellule derivate da pazienti con una varietà di malattie tra cui la progeria, il cancro al seno e la fibrosi cistica mostrano difetti di splicing dell’RNA, con il cancro e le malattie neuropatologiche che sono le più comuni.
- Ribosoma – I ribosomi sono enzimi composti da molte proteine che catalizzano la sintesi delle proteine dall’mRNA nel processo di traduzione. I ribosomi esistono liberamente nel citoplasma cellulare o rimangono attaccati al reticolo endoplasmatico.
- RNAP II – La RNA polimerasi II è un enzima composto da molte proteine che legge il DNA e sintetizza l’RNA nel nucleo delle cellule in un processo chiamato trascrizione.
- Trascrizione – La trascrizione è la sintesi dell’RNA dal DNA da parte della RNA polimerasi.
- Traduzione – La traduzione è la sintesi delle proteine dall’mRNA che coinvolge ribosomi e altre proteine.
Quiz
1. Le molecole di mRNA maturo sono corte, a singolo filamento e contengono i seguenti componenti:
A. adenina, citosina, guanina e uracile, esoni, 5′-cap e 3′-poly-tail
B. adenina, citosina, guanina e uracile, introni, esoni, 5′-cap e 3′-poly-tail
C. adenina, citosina, guanina e uracile, introni
D. introni, 5′-cap e 3′-poly-tail
2. Indica la posizione e il macchinario cellulare coinvolto nella trascrizione e traduzione dell’mRNA.
A. La trascrizione avviene nel nucleo attraverso l’azione dei ribosomi; la traduzione avviene nel citoplasma, attraverso RNAP II.
B. La trascrizione avviene nel nucleo attraverso l’azione di RNAP II; la traduzione avviene nel citoplasma o sul reticolo endoplasmatico attraverso l’azione del ribosoma.
C. La trascrizione avviene sulla membrana cellulare attraverso l’azione di RNAP II; la traduzione avviene nel citoplasma attraverso l’azione dei fattori di traduzione.
D. Nessuna delle precedenti è corretta.
3. Quale delle seguenti affermazioni è vera riguardo alle differenze tra mRNA eucariotico e procariotico? A differenza degli eucarioti che trascrivono nel nucleo e traducono nel citoplasma, i procarioti trascrivono e traducono l’mRNA simultaneamente nel citoplasma.
B. L’mRNA dei procarioti è principalmente policistronico e quello degli eucarioti è principalmente monocistronico.
C. Gli mRNA batterici hanno vita breve per consentire la flessibilità in ambienti che cambiano rapidamente, mentre gli mRNA eucariotici sono stabili fino a pochi giorni.
D. Tutte le affermazioni precedenti sono corrette.
4. Cosa succede durante l’importante fase di elaborazione da pre-mRNA a mRNA? Gli introni non codificanti vengono rimossi o “spliced out”.
B. L’mRNA viene tradotto in proteina.
C. Il pre-mRNA viene esportato fuori dal nucleo.
D. Tutte le precedenti.