Come l'informazione del DNA viene copiata in RNA
La trascrizione del DNA è il processo attraverso il quale l’informazione contenuta in una determinata sequenza di DNA viene utilizzata per sintetizzare una molecola di RNA. Rappresenta quindi uno dei passaggi fondamentali dell’espressione genica e permette alla cellula di utilizzare selettivamente le informazioni presenti nel proprio genoma.
Durante la trascrizione non viene copiato tutto il DNA della cellula. Viene trascritta soltanto una specifica regione, generalmente corrispondente a un gene o a un’unità di trascrizione, attraverso l’azione di un enzima chiamato RNA polimerasi.
La molecola di RNA prodotta può svolgere funzioni differenti. Nel caso dei geni che codificano proteine, negli eucarioti il primo prodotto è un trascritto precursore che verrà successivamente maturato per formare l’RNA messaggero.
È importante distinguere la trascrizione dalla replicazione del DNA: la replicazione produce una copia dell’intero patrimonio genetico prima della divisione cellulare, mentre la trascrizione copia soltanto le informazioni necessarie alla produzione di specifiche molecole di RNA.
Che cos’è la trascrizione del DNA?
La trascrizione è una reazione di sintesi nella quale una delle due catene del DNA viene utilizzata come stampo per produrre una molecola di RNA complementare.
L’RNA polimerasi legge il filamento stampo del DNA in direzione 3′ → 5′ e sintetizza il nuovo RNA in direzione 5′ → 3′. I ribonucleotidi vengono aggiunti secondo le regole di complementarità delle basi.
Durante la sintesi dell’RNA:
- alla adenina del DNA corrisponde uracile nell’RNA;
- alla timina del DNA corrisponde adenina nell’RNA;
- alla citosina corrisponde guanina;
- alla guanina corrisponde citosina.
L’RNA contiene quindi uracile al posto della timina, ma questo non significa che l’uracile “sostituisca” fisicamente la timina del DNA: si tratta semplicemente di una base caratteristica dell’RNA.
Quale filamento del DNA viene trascritto?
Per ogni gene viene utilizzato come stampo soltanto uno dei due filamenti del DNA. Si distinguono:
- il filamento stampo, letto dall’RNA polimerasi;
- il filamento codificante, che non viene utilizzato direttamente come stampo.
La sequenza dell’RNA prodotto è complementare al filamento stampo e, salvo la presenza dell’uracile al posto della timina, corrisponde alla sequenza del filamento codificante.
Esempio di filamento stampo e filamento codificante
Consideriamo una breve sequenza ipotetica:
Filamento codificante del DNA: 5′-ATG CCT-3′
Filamento stampo del DNA: 3′-TAC GGA-5′
RNA prodotto: 5′-AUG CCU-3′
L’RNA viene quindi sintetizzato utilizzando il filamento stampo e presenta una sequenza corrispondente al filamento codificante, con uracile al posto della timina.
Qual è il ruolo dell’RNA polimerasi?
L’RNA polimerasi è l’enzima responsabile della sintesi dell’RNA durante la trascrizione. Si lega al DNA in prossimità della regione di inizio della trascrizione, apre localmente la doppia elica e utilizza uno dei filamenti come stampo.
A differenza della DNA polimerasi, l’RNA polimerasi può iniziare la sintesi senza la necessità di un primer preesistente.
Durante l’allungamento aggiunge ribonucleotidi complementari al filamento stampo, formando legami fosfodiesterici e facendo crescere la molecola di RNA in direzione 5′ → 3′.
Quali RNA polimerasi esistono negli eucarioti?
Nelle cellule eucariotiche esistono diverse RNA polimerasi nucleari, specializzate nella trascrizione di differenti categorie di geni.
RNA polimerasi I
L’RNA polimerasi I trascrive principalmente il precursore degli RNA ribosomali 18S, 5,8S e 28S.
La sua attività avviene soprattutto nel nucleolo, dove vengono prodotte e assemblate molte delle componenti dei ribosomi.
RNA polimerasi II
L’RNA polimerasi II è particolarmente importante perché trascrive i geni che codificano proteine, producendo i precursori degli RNA messaggeri.
Trascrive inoltre diverse categorie di RNA non codificanti.
Per avviare correttamente la trascrizione necessita dell’intervento di fattori di trascrizione generali che contribuiscono al riconoscimento del promotore e all’assemblaggio del complesso di inizio.
RNA polimerasi III
L’RNA polimerasi III trascrive diversi RNA piccoli, tra cui i tRNA e l’RNA ribosomale 5S.
Le tre RNA polimerasi hanno quindi funzioni differenti e non devono essere considerate intercambiabili.
Come avviene la trascrizione nei procarioti?
Nei procarioti il sistema è più semplice rispetto agli eucarioti.
Una principale RNA polimerasi trascrive le diverse categorie di RNA. Il riconoscimento dei promotori è facilitato da fattori sigma, che contribuiscono a dirigere l’enzima verso specifiche sequenze promotrici.
Poiché nei procarioti non esiste un nucleo delimitato da membrana, trascrizione e traduzione possono essere strettamente accoppiate: i ribosomi possono iniziare a tradurre un mRNA mentre la sua sintesi è ancora in corso.
Negli eucarioti, invece, trascrizione e traduzione sono separate nello spazio: la trascrizione avviene nel nucleo, mentre la traduzione avviene sui ribosomi nel citoplasma o associati al reticolo endoplasmatico rugoso.
Che cos’è il promotore?
Il promotore è una regione di DNA associata all’inizio della trascrizione di un gene.
Contiene sequenze riconosciute direttamente o indirettamente dall’apparato trascrizionale e contribuisce a determinare dove debba iniziare la sintesi dell’RNA e con quale efficienza il gene possa essere trascritto.
Il promotore non coincide necessariamente con il primo nucleotide che viene trascritto. Il punto in cui comincia effettivamente la sintesi dell’RNA viene indicato come sito di inizio della trascrizione.
Che cos’è la TATA box?
La TATA box è una sequenza promotrice ricca di adenina e timina presente in una parte dei promotori dei geni eucariotici trascritti dall’RNA polimerasi II.
Non tutti i promotori contengono una TATA box. Quando è presente, contribuisce al corretto posizionamento del complesso di trascrizione vicino al sito di inizio.
Una delle proteine più importanti che riconoscono questa sequenza è la TBP, TATA-binding protein, componente del complesso TFIID.
Il legame di TBP favorisce il reclutamento di altri fattori di trascrizione generali e dell’RNA polimerasi II.
Dove si trova la TATA box?
Nei promotori che la possiedono, la TATA box si trova generalmente a monte del sito di inizio della trascrizione, spesso alcune decine di nucleotidi prima del nucleotide indicato convenzionalmente come +1.
È importante non considerarla una caratteristica universale dei geni: molti promotori eucariotici funzionano senza una TATA box e utilizzano altri elementi regolatori.
Che cosa sono i fattori di trascrizione?
I fattori di trascrizione sono proteine che contribuiscono al controllo dell’espressione genica.
Alcuni sono necessari per il funzionamento generale dell’apparato trascrizionale, mentre altri regolano specifici geni in risposta alle caratteristiche della cellula o a segnali provenienti dall’ambiente.
Nel caso dei geni trascritti dall’RNA polimerasi II, i fattori di trascrizione generali partecipano alla formazione del complesso di pre-inizio. Tra questi rientrano complessi e proteine indicati con sigle come TFIID, TFIIB, TFIIF, TFIIE e TFIIH.
TFIIH svolge funzioni particolarmente importanti, contribuendo all’apertura del DNA e alla regolazione dell’avvio della trascrizione attraverso la fosforilazione della porzione terminale dell’RNA polimerasi II.
Quali sono le fasi della trascrizione del DNA?
La trascrizione viene generalmente suddivisa in tre fasi principali:
- inizio;
- allungamento;
- terminazione.
Le caratteristiche molecolari possono variare tra procarioti ed eucarioti, ma questa suddivisione permette di comprendere il funzionamento generale del processo.
Inizio della trascrizione
Durante l’inizio, l’apparato trascrizionale riconosce la regione promotrice e l’RNA polimerasi viene posizionata vicino al sito da cui deve partire la sintesi dell’RNA.
Negli eucarioti, per l’RNA polimerasi II, il processo richiede l’assemblaggio di fattori di trascrizione generali e la formazione del complesso di pre-inizio.
Una piccola regione del DNA viene aperta, permettendo all’RNA polimerasi di accedere al filamento stampo.
Dopo la sintesi dei primi nucleotidi, la polimerasi supera la regione promotrice e passa alla fase di allungamento.
Allungamento della trascrizione
Durante l’allungamento, l’RNA polimerasi procede lungo il filamento stampo del DNA in direzione 3′ → 5′ e sintetizza contemporaneamente l’RNA in direzione 5′ → 3′. Il DNA viene aperto localmente davanti all’enzima e richiuso dopo il suo passaggio.
Solo una piccola regione della doppia elica rimane quindi temporaneamente separata durante il processo. I ribonucleotidi vengono incorporati secondo la complementarità delle basi e la molecola di RNA continua ad allungarsi.
Terminazione della trascrizione
La terminazione conclude la sintesi del trascritto.
Nei procarioti esistono differenti meccanismi di terminazione, alcuni dipendenti da specifiche strutture formate dall’RNA e altri mediati da proteine.
Negli eucarioti i meccanismi variano a seconda dell’RNA polimerasi coinvolta.
Per i geni trascritti dall’RNA polimerasi II, la sintesi prosegue oltre la regione che determinerà l’estremità 3′ dell’RNA maturo. Il trascritto viene successivamente tagliato e la terminazione della polimerasi avviene attraverso meccanismi collegati alla maturazione dell’estremità 3′.
Che cosa succede all’RNA appena trascritto?
Negli eucarioti, il trascritto iniziale prodotto dall’RNA polimerasi II non corrisponde ancora necessariamente all’RNA messaggero maturo.
Il precursore dell’mRNA viene sottoposto a diversi processi di maturazione, tra cui:
- aggiunta del cap 5′;
- splicing, con rimozione degli introni e unione degli esoni;
- formazione dell’estremità 3′ e aggiunta della coda poli-A.
Questi processi contribuiscono alla stabilità dell’RNA, alla sua esportazione dal nucleo e alla successiva traduzione. Per approfondire questo passaggio consulta l’articolo dedicato all’RNA messaggero: formazione, maturazione e funzione.
Che cos’è lo splicing alternativo?
Lo splicing alternativo permette a un singolo trascritto primario di essere maturato in modi differenti, combinando gli esoni secondo schemi diversi.
In questo modo uno stesso gene può contribuire alla produzione di differenti isoforme di RNA e, nel caso dei geni codificanti, di differenti varianti proteiche.
Lo splicing alternativo rappresenta quindi uno dei meccanismi attraverso cui le cellule eucariotiche aumentano la diversità dei prodotti ottenibili a partire dal proprio patrimonio genetico.
Che ruolo hanno enhancer e silencer?
La trascrizione non dipende soltanto dal promotore. Nei geni eucariotici sono presenti anche elementi regolatori chiamati enhancer e silencer.
Gli enhancer possono favorire l’attivazione della trascrizione attraverso il legame di specifici fattori regolatori, mentre i silencer possono contribuire alla repressione dell’espressione di un gene.
Queste regioni possono trovarsi anche a distanza considerevole dal promotore e interagire funzionalmente con esso grazie all’organizzazione tridimensionale della cromatina. La regolazione trascrizionale permette quindi a cellule che possiedono lo stesso genoma di esprimere insiemi differenti di geni e acquisire caratteristiche funzionali diverse.
Qual è la differenza tra trascrizione e replicazione del DNA?
Trascrizione e replicazione utilizzano entrambe il DNA come riferimento, ma hanno obiettivi molto diversi.
| Caratteristica | Replicazione del DNA | Trascrizione |
|---|---|---|
| Funzione | Duplicare il patrimonio genetico | Produrre RNA a partire da specifiche sequenze di DNA |
| Porzione copiata | In genere l’intero DNA della cellula prima della divisione | Specifiche unità di trascrizione |
| Enzima principale | DNA polimerasi | RNA polimerasi |
| Prodotto | DNA | RNA |
| Primer | Necessario per le DNA polimerasi replicative | Non necessario per l’RNA polimerasi |
| Basi utilizzate | A, T, C, G | A, U, C, G |
La replicazione serve quindi a trasmettere il patrimonio genetico durante la divisione cellulare, mentre la trascrizione serve principalmente a utilizzare l’informazione contenuta nei geni.
Per approfondire il primo processo puoi leggere la guida sulla replicazione del DNA.
Qual è la differenza tra trascrizione e traduzione?
Anche trascrizione e traduzione sono processi differenti. Durante la trascrizione, una sequenza di DNA viene utilizzata per produrre RNA.
Durante la traduzione, invece, la sequenza dei codoni presenti nell’RNA messaggero viene letta dai ribosomi per sintetizzare una catena polipeptidica.
| Trascrizione | Traduzione |
|---|---|
| DNA → RNA | RNA messaggero → polipeptide |
| Enzima principale: RNA polimerasi | Macchina principale: ribosoma |
| Negli eucarioti avviene nel nucleo | Avviene sui ribosomi |
| Utilizza nucleotidi | Utilizza amminoacidi |
Il passaggio tra sequenza dell’mRNA e sequenza amminoacidica dipende dalle regole del codice genetico. Per approfondire la fase successiva puoi consultare l’articolo sulla sintesi proteica.
Trascrizione nei procarioti ed eucarioti: quali sono le differenze?
Il principio fondamentale della trascrizione è conservato, ma l’organizzazione del processo presenta importanti differenze tra procarioti ed eucarioti.
| Caratteristica | Procarioti | Eucarioti |
|---|---|---|
| Localizzazione | Citoplasma o regione nucleoidale | Nucleo per la trascrizione nucleare |
| RNA polimerasi | Una principale RNA polimerasi con fattori sigma | Diverse RNA polimerasi nucleari specializzate |
| Trascrizione e traduzione | Possono essere accoppiate | Sono separate spazialmente |
| Maturazione dell’mRNA | Generalmente più limitata | Cap 5′, splicing e poliadenilazione nei trascritti dell’RNA polimerasi II |
| Regolazione | Può coinvolgere operoni e regolatori specifici | Coinvolge promotori, enhancer, silencer, cromatina e numerosi fattori regolatori |
Che rapporto esiste tra trascrizione ed espressione genica?
L’espressione genica comprende l’insieme dei processi attraverso i quali l’informazione contenuta in un gene viene utilizzata per produrre un RNA funzionale o, nel caso dei geni codificanti, contribuire alla produzione di una proteina.
La trascrizione rappresenta quindi uno dei principali punti di regolazione dell’espressione genica.
Una cellula non trascrive tutti i propri geni nello stesso momento e con la stessa intensità. Alcuni geni vengono espressi in molti tipi cellulari, mentre altri vengono attivati soltanto in determinati tessuti, fasi dello sviluppo o condizioni fisiologiche.
La possibilità di controllare quali geni vengono trascritti permette alle cellule di differenziarsi e rispondere ai segnali dell’ambiente pur possedendo, nella maggior parte dei casi, lo stesso patrimonio genetico.
Per una visione generale degli argomenti collegati puoi consultare anche la guida alla genetica e agli argomenti da studiare per Medicina.
Domande frequenti sulla trascrizione del DNA
Che cos’è la trascrizione del DNA?
È il processo mediante il quale una determinata sequenza di DNA viene utilizzata come stampo per sintetizzare una molecola di RNA.
Quale enzima svolge la trascrizione?
L’enzima responsabile è l’RNA polimerasi. Negli eucarioti esistono diverse RNA polimerasi nucleari specializzate, tra cui RNA polimerasi I, II e III.
Quale filamento del DNA viene trascritto?
Viene utilizzato il filamento stampo, che l’RNA polimerasi legge in direzione 3′ → 5′. L’RNA viene sintetizzato in direzione 5′ → 3′.
Quali sono le tre fasi della trascrizione?
Le fasi fondamentali sono inizio, allungamento e terminazione.
Che cos’è il promotore?
È una regione di DNA coinvolta nel reclutamento e nel posizionamento dell’apparato trascrizionale all’inizio di un gene o di un’unità di trascrizione.
Che cos’è la TATA box?
È un elemento promotore ricco di adenina e timina presente in una parte dei geni eucariotici trascritti dall’RNA polimerasi II. Viene riconosciuta dalla TATA-binding protein e contribuisce all’assemblaggio del complesso di trascrizione.
Tutti i geni possiedono una TATA box?
No. Molti promotori eucariotici non contengono una TATA box e utilizzano altri elementi per reclutare e organizzare l’apparato trascrizionale.
Qual è la differenza tra trascrizione e replicazione?
La replicazione duplica il DNA, generalmente prima della divisione cellulare. La trascrizione utilizza specifiche sequenze di DNA per produrre RNA.
Qual è la differenza tra trascrizione e traduzione?
La trascrizione produce RNA a partire dal DNA. La traduzione utilizza l’RNA messaggero per guidare la sintesi di una catena polipeptidica.
Trascrizione del DNA: cosa ricordare
La trascrizione del DNA permette alla cellula di utilizzare selettivamente l’informazione contenuta nei geni per produrre molecole di RNA.
L’RNA polimerasi legge il filamento stampo del DNA in direzione 3′ → 5′ e sintetizza l’RNA in direzione 5′ → 3′. Il processo comprende tre fasi principali: inizio, allungamento e terminazione.
Negli eucarioti l’RNA polimerasi II trascrive i geni che codificano proteine e lavora insieme a fattori di trascrizione e sequenze regolatrici come promotori, enhancer e, in alcuni geni, la TATA box.
Per lo studio è utile ricordare soprattutto che replicazione e trascrizione sono processi differenti, soltanto uno dei due filamenti del DNA viene utilizzato come stampo per ogni unità di trascrizione e l’RNA prodotto deve spesso essere maturato prima di poter svolgere la propria funzione.
