La Trascrizione e Traduzione del DNA: Fondamenti e Meccanismi

Introduzione ai Tipi di RNA

Le cellule contengono tre tipi principali di RNA a singolo filamento che differiscono tra loro sia per la lunghezza della catena, sia per la funzione che svolgono. L’**RNA messaggero** è formato da lunghe catene e trasporta l’informazione genetica fino ai ribosomi nel citoplasma; per ogni polipeptide prodotto esiste un particolare mRNA. L’**RNA ribosomiale** ha catene con migliaia di nucleotidi ed è il principale costituente dei ribosomi (l’80% dell’RNA cellulare è proprio rRNA). L’**RNA transfer** è di piccole dimensioni; ha la funzione di trasportare gli amminoacidi durante la sintesi proteica e per ognuno degli amminoacidi esiste almeno un tRNA specifico nel citoplasma.

Processo di Trascrizione

Le molecole di RNA sono copie, o trascritti, di sequenze di DNA. Ogni nuovo mRNA è prodotto a partire da uno dei due filamenti del DNA con lo stesso principio dell’accoppiamento tra basi del processo di duplicazione. Ogni molecola di RNA ha un’estremità 5’ e una 3’ e i nucleotidi si aggiungono all’RNA in formazione dall’estremità 3’. Questo processo di trascrizione ha lo scopo di copiare il messaggio contenuto nel DNA in una molecola complementare di RNA. La trascrizione si compone di tre fasi:

• Inizio
• Allungamento
• Terminazione

Particolari sequenze nucleotidiche del DNA, dette **promotori**, sono i siti di legame per l’enzima **RNA polimerasi** e costituiscono il segnale di partenza per la sintesi dell’mRNA; altre sequenze, dette di **terminazione**, rappresentano un segnale di arresto. Nel sito di attacco dell’enzima RNA polimerasi, il DNA si apre e i due filamenti della molecola si separano man mano che l’RNA polimerasi si sposta. La sequenza di basi del filamento di RNA che si forma è complementare al filamento stampo ed è analoga a quella del filamento di DNA non trascritto, tranne per il fatto che al posto della timina presenta l’uracile.

Codice Genetico e Mutazioni

Le proteine contengono 20 amminoacidi differenti, ma il DNA e l’RNA contengono soltanto quattro diversi nucleotidi, quindi questi costituiscono il codice genetico per assemblare gli amminoacidi. Un codice è un sistema di segnali che ha lo scopo di trasmettere un messaggio. La struttura primaria di ogni proteina è formata da una specifica disposizione lineare dei 20 differenti amminoacidi; ugualmente in una molecola di DNA vi sono quattro diversi nucleotidi disposti in sequenza lineare. Se ciascun nucleotide codificasse per un solo amminoacido, le quattro basi potrebbero determinare solamente quattro amminoacidi. Se un amminoacido corrisponde a due nucleotidi, ci sarebbe un massimo di 16 combinazioni possibili, non ancora sufficienti per codificare tutti i 20 amminoacidi. Perciò ogni amminoacido deve essere specificato da almeno tre nucleotidi in sequenza, in questo modo si avrebbero 64 combinazioni possibili. Questi brevi segmenti di mRNA formati da tre nucleotidi sono chiamati **codoni**. Il codice a triplette fu immediatamente adottato come ipotesi di lavoro, sebbene la sua correttezza sia stata dimostrata soltanto dopo. Dalle 64 possibili combinazioni di triplette, 61 determinano specifici amminoacidi, mentre le restanti tre corrispondono a segnali di stop della sintesi proteica. Il codice genetico è universale, poiché è identico praticamente in tutti gli organismi; per esempio, il codone UUA codifica per l’amminoacido leucina non solo nei procarioti ma anche nei protisti, nei funghi, nelle piante e negli animali. Rappresenta l’unità di base di tutti i viventi. Poiché esistono 61 combinazioni per codificare solo 20 amminoacidi, ogni amminoacido corrisponde a più di un codone. Questa caratteristica è definita **ridondanza del codice genetico**.

Struttura del DNA negli Eucarioti e Procarioti

Nel DNA degli eucarioti, le sequenze codificanti dei geni sono interrotte da sequenze nucleotidiche che non vengono tradotte. Le sequenze non codificanti di un gene sono dette **introni**, mentre le sequenze codificanti sono chiamate **esoni**. Prima che la trascrizione sia completata, quando il filamento di mRNA in formazione è lungo una ventina di nucleotidi, viene aggiunto un cappuccio di guanosina all’estremità 5’ per consentirgli di uscire dal nucleo e di agganciarsi al ribosoma: questo processo prende il nome di **capping**. Completata la trascrizione e prima di trasferirsi nel citoplasma, il pre-mRNA va incontro a un ulteriore processo di maturazione chiamato **splicing**, un meccanismo che comporta il taglio degli introni e la saldatura degli esoni. Gli introni sono rimossi dal trascritto primario da un grosso complesso molecolare che prende il nome di **spliceosoma**. Il processo che conclude la maturazione dell’mRNA è l’aggiunta di una sequenza nucleotidica chiamata **coda poli-A** all’estremità 3’ della molecola; questa coda è formata da una lunga catena, fino a 200 nucleotidi, tutti con la base adenina e ha lo scopo di rendere l’mRNA stabile nel citoplasma. A questo punto, l’mRNA maturo può attraversare i pori nucleari e passare nel reticolo endoplasmatico ruvido, dove sarà tradotto.

Traduzione dell’RNA

Per **traduzione** si intende la trasformazione della sequenza di basi azotate di un tratto di RNA in una precisa sequenza di amminoacidi, il polipeptide. La sintesi delle proteine richiede tutti e tre i tipi di RNA. I ribosomi sono i siti in cui ha luogo la sintesi proteica e sono costituiti per un terzo da proteine e per due terzi da rRNA. Ogni ribosoma è formato da due subunità: la subunità minore ha un sito di legame per l’mRNA, mentre la subunità maggiore ha tre siti di legame per gli RNA transfer. Le molecole di tRNA traducono il linguaggio degli acidi nucleici nel linguaggio delle proteine. Le cellule contengono più di 20 tipi diversi di tRNA, almeno uno per ciascun tipo di amminoacido. I tRNA sono molecole piccole, a forma di trifoglio e ciascuno è in grado di agganciare uno specifico amminoacido per trasportarlo fino all’mRNA attaccato al ribosoma. Nella regione del tRNA opposta al sito di attacco dell’amminoacido esiste una sequenza di tre nucleotidi, l’**anticodone**, che è complementare a uno specifico codone presente sull’mRNA.

Mutazioni e Loro Effetti

Il DNA delle cellule di ogni organismo può andare incontro a processi che ne cambiano le caratteristiche, chiamati **mutazioni**. Una mutazione è un cambiamento nella sequenza nucleotidica del DNA e può essere di due tipi:

• Somatica, se ha luogo all’interno delle cellule somatiche; queste mutazioni non vengono ereditate dalla prole con la riproduzione sessuata.
• Germinale, se avviene nelle cellule della linea germinale specializzate nella produzione di gameti; in seguito alla fecondazione, un gene mutato trasmetterà la mutazione a tutte le cellule dell’organismo e ai suoi discendenti.

Qualunque mutazione può avere effetti più o meno consistenti sul fenotipo della cellula o dell’organismo che la porta. È possibile classificare le mutazioni in tre grandi gruppi:

• Silenti e neutre, che pur presentando variazioni nell’ordine delle sequenze nucleotidiche non hanno alcun effetto sulla funzione della proteina. La mutazione può verificarsi in una regione non codificante del DNA e passare inosservata, oppure può trovarsi nella parte codificante di un gene ma non avere conseguenze fenotipiche. Infatti, a causa della ridondanza del codice genetico, una mutazione può portare alla formazione di una nuova tripletta che però codifica per lo stesso amminoacido; in questo caso, perché l’ordine degli amminoacidi nella proteina non cambia, si ha una mutazione silente. In altri casi, le mutazioni sono soppresse da altre mutazioni e modificano l’amminoacido codificato, senza alterare la funzione della proteina, oppure il gene mutato non si esprime; in questo caso si parla di mutazioni neutre.
• Con perdita di funzione, che danneggia la proteina perché può causare la mancata espressione di un gene, oppure dà origine a una proteina che non è in grado di svolgere il proprio ruolo nella cellula.
• Con acquisto di funzione, che dà origine a una proteina che presenta una funzione alterata oppure nuova rispetto a quella originaria.

In base alle loro cause, è utile distinguere tra mutazioni spontanee e indotte. Le mutazioni spontanee sono cambiamenti permanenti del materiale genetico che avvengono senza influenza dall’esterno. I meccanismi possono essere diversi: le basi del DNA possono cambiare attraverso particolari reazioni chimiche; di solito questo errore viene riparato, ma anche il meccanismo di riparazione non è perfetto e il nucleotide alterato può permanere. In altri casi, è la DNA polimerasi che può commettere errori nella duplicazione; la maggior parte di questi errori è corretta dal proofreading, ma alcuni possono sfuggire e diventare permanenti. Infine, alcune mutazioni insorgono durante la meiosi: in seguito a eventi di crossing over non corretti, i cromosomi possono scambiarsi tratti di DNA di diversa lunghezza e produrre proteine anomale e non funzionali. Le mutazioni indotte, invece, avvengono quando qualche agente esterno produce cambiamenti permanenti nel DNA cellulare.

Traduzione nei Procarioti ed Eucarioti

Nei procarioti, la traduzione inizia quando un filamento di mRNA, trascritto dal suo DNA stampo, si colloca tra le due subunità di un ribosoma. In seguito, una molecola di tRNA trasporta il proprio specifico amminoacido verso il ribosoma e mediante l’anticodone si attacca al codone complementare dell’mRNA. Questo processo si ripete più volte man mano che il ribosoma scorre lungo la molecola di mRNA, fino a percorrerla tutta. L’attacco degli anticodoni del tRNA ai codoni dell'mRNA è solo temporaneo, ma consente la formazione di un legame peptidico tra l’amminoacido appena arrivato e l’ultimo aggiunto. Alla fine del processo, tutti gli amminoacidi della nuova catena proteica si trovano allineati, seguendo l’esatto ordine dettato dalla sequenza di DNA da cui l’mRNA è stato trascritto. Negli eucarioti, le proteine sono sintetizzate, con un processo analogo, sui ribosomi attaccati al reticolo endoplasmatico ruvido; in seguito, vengono spedite all’apparato di Golgi, dove vengono elaborate e racchiuse in vescicole utili per il loro trasporto. Così, le proteine sono pronte per essere inviate a un determinato compartimento cellulare, oppure direttamente all’esterno della cellula per essere utilizzate da altre parti dell’organismo. Nelle cellule eucariote, il processo di traduzione comincia sempre con l’inserimento dell’amminoacido metionina in corrispondenza del codone AUG dell’mRNA. Le fasi della traduzione si svolgono in rapida sequenza:

• Inizio: si forma il complesso di inizio in corrispondenza del codone AUG dell’mRNA e le due subunità del ribosoma si associano.
• Allungamento: il primo tRNA scorre nella subunità maggiore del ribosoma e il secondo tRNA prende il suo posto. Il legame tra il tRNA e l’amminoacido si rompe e si forma il legame polipeptidico tra i due amminoacidi. Il primo tRNA che ha ceduto l’amminoacido si stacca dal ribosoma, mentre il secondo scorre di una tripletta sull’mRNA; e un terzo tRNA con il suo amminoacido può entrare nel ribosoma.
• Terminazione: quando il ribosoma raggiunge uno dei tre codoni di stop, un fattore di rilascio lega l’mRNA e provoca il distacco della catena proteica dal ribosoma. Il polipeptide così formato corrisponde alla struttura primaria della proteina e dovrà essere modificato prima di finire nel comparto cellulare in cui svolgerà la propria funzione.

Mutageni e Loro Effetti

I mutageni più importanti sono alcuni virus, ma anche certi composti chimici e le radiazioni. Il **benzopirene** è un componente del fumo di sigaretta che modifica la struttura della guanina, rendendola incapace di appaiarsi alla citosina complementare. Quando la DNA polimerasi incontra sul filamento stampo la guanina modificata, appaia ad essa una base a caso: se la base inserita non è la citosina, si ha una mutazione. Le radiazioni possono danneggiare il DNA in vari modi: in alcuni casi possono rompere lo scheletro di zuccheri e gruppi fosfato, alterando la struttura del cromosoma, mentre in altri possono formare legami covalenti che distorcono la doppia elica e ne ostacolano la duplicazione e la trascrizione. I cambiamenti della sequenza del DNA possono alterare soltanto alcuni nucleotidi, portando a **mutazioni puntiformi**, oppure possono coinvolgere interi segmenti di DNA e in questo caso si parla di **mutazioni cromosomiche**. Una mutazione puntiforme colpisce un unico gene e consiste nell’aggiunta, nella sottrazione o nella sostituzione di uno o pochi nucleotidi. Una mutazione per sostituzione può essere silente se non modifica la sequenza aminoacidica del polipeptide codificato. Se invece l’amminoacido cambia, ma ha proprietà chimiche simili a quelle originarie, si ha una mutazione neutra e verrà sintetizzata una proteina con una sequenza diversa, ma senza alterazioni della funzione. Le mutazioni **missenso** sono sostituzioni di basi che cambiano la sequenza in modo tale che un amminoacido ne sostituisca un altro, causando una modificazione della proteina finale. Una mutazione **nonsenso** implica la sostituzione di una base che produce un codone di stop in qualche punto dell’mRNA, e il risultato è una proteina più corta e solitamente non funzionale. Non tutte le mutazioni puntiformi implicano sostituzione di basi; talvolta i nucleotidi possono andare perduti, come nelle **delezioni**, oppure essere aggiunti, nel caso delle **inserzioni**. Quando un'inserzione o una delezione si verificano in una sequenza codificante, il risultato è una **mutazione frame-shift** o mutazione per scorrimento della finestra di lettura. Le mutazioni frame-shift portano sempre alla produzione di proteine non funzionali.