Struttura del Gene e Trascrizione

LA TRASCRIZIONE
Lodish – Molecular Cell Biology
GENOME: total genetic information carried by a cell or organism
GENE: physical and functional unit of heredity, which carries
information from one generation to the next. In molecular terms,
it is the entire DNA sequence (including exons, introns and
noncoding transcriptional control regions) necessary for
production of a functional protein or RNA
Struttura del GENE
GENE procariotico
Genoma di E. coli
GENE procariotico
OPERONE
Sequenze regolatrici a monte
Sequenze codificanti
Sequenze terminatrici
della sequenza codificante
GENE procariotico
animazione
GENE procariotico
Promotori
GENE procariotico
Sequenze codificanti
ORF
(Open Reading Frame)
ATGGTATAT-------------------------------TAA
MET VAL TYR
STOP
GENE procariotico
A
Promotore
B
C
Operone
Sequenze codificanti
Terminatore
GENE procariotico
A
Promotore
B
C
Operone
Sequenze codificanti
mRNA
Terminatore
mRNA mRNA
Proteina Proteina Proteina
GENE procariotico
Repressione
A
Promotore
B
C
Operone
Sequenze codificanti
Nessuna espressione
Terminatore
GENE EUCARIOTICO
GENI DELLA I CLASSE
RNA RIBOSOMIALE – rRNA (28S-5,8S e 18s)
GENI DELLA II CLASSE
RNA MESSAGGERO – mRNA
Piccoli RNA nucleari – snRNA
microRNA - LncRNA
GENI DELLA III CLASSE
RNA TRANSFER – tRNA
Piccoli rna nucleolari – snorna
Piccoli rna citoplasmatici - scrna
GENE EUCARIOTICO
GENE EUCARIOTICO
GENE EUCARIOTICO
GENE EUCARIOTICO
GENE EUCARIOTICO
GENE EUCARIOTICO
Promotore
GENE EUCARIOTICO
Promotore
GENE EUCARIOTICO
Sequenza
codificante
modulare
GENE EUCARIOTICO
Segnale di
poliadenilazione
GENE EUCARIOTICO
GENE EUCARIOTICO
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La velocità della reazione è di
~40 nt/sec a 37°C (per la
RNA pol batterica); molto più
lenta di quella di replicazione
del DNA (800 bp/sec)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Nomenclatura
la coding strand (Sense strand)
strand) del DNA ha la stessa sequenza del
mRNA
la antisense strand (Template strand)
strand) è quella che funge da
template per la sintesi del mRNA.
mRNA.
RNA polymerases sono enzimi che sintetizzano RNA usando DNA
come template.
template.
Un promoter è una regione di DNA dove la RNA polimerasi si lega per
iniziare la trascrizione.
Startpoint (Startsite)
Startsite) si riferisce alla posizione sul DNA che
corrisponde alla prima base incorporata nel RNA
A terminator è una sequenza di DNA fa terminare la trascrizione alla
RNA polymerase.
polymerase.
A transcription unit è la distanza tra i siti di iniziazione e di
terminazione della RNA polymerase;
polymerase; può includere più
più di un gene.
Upstream = a monte.
Downstream = a valle.
A primary transcript è il prodotto di RNA non modificato che
corrisponde ad una unità
unità di trascrizione.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Trascrizione
La trascrizione produce un filamento di RNA
complementare ad un filamento di DNA
Esistono vari tipi di RNA
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
la sequenza “codificante” del DNA è uguale a quella
del messaggero
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Startpoint
Lo startpoint è di solito (>90% delle volte)
una purina. Spesso è la base centrale della
sequenza CAT.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La sequenza -10
•
•
la regione di 6 bp è riconoscibile in quasi tutti i
promotori. Il centro dell’esamero è generalmente
circa 10 bp a monte dello startpoint, ma la distanza
varia da -18 a -9. L’esamero è spesso chiamato la
sequenza -10 sequence.
Il consenso è TATAAT, e può essere indicato nella forma
T80A95T45A60A50T96 dove il pedice indica la percentuale
dell’occorrenza della base più comune, che varia 4596%. (dove non c’è evidente preferenza si usa una N).
La basi più importanti sembrano essere le più
conservate: la TA iniziale e la T finale.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La sequenza -35
•
•
•
Un altro esamero conservato è centrato ~35
bp a monte dello startpoint. È chiamata la
sequenza -35.
Il consenso è TTGACA;
in forma più dettagliata T82T84G78A65C54A45
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Distanza –10 / -35
La distanza che separa i siti–35 e
–10 è tra 16-18 bp nel 90% dei
promotori; ma può essere fino a
15 o 20 bp.
La sequenza nella regione non è
importante, ma la distanza è
critica per tenere i due siti nella
geometria corretta per il legame
al promotore.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
regolazione dell’espressione genica mediante
l’intervento di fattori sigma alternativi
geni “heat-shock”: CCCCCC
- 15/17 basi - CCCC
promotore riconosciuto dal fattore sigma32 attivato solo in
caso di aumento della temperatura. I geni che hanno questo
promotore vengono espressi (trascritti) SOLO IN
PRESENZA DI QUESTO SPECIFICO FATTORE SIGMA
geni “spo” in B. subtilis sono silenti e vengono trascritti solo
durante la sporulazione per la presenza di fattori sigma
specificamente attivati in sporulazione
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La RNA
polimerasi batterica è fatta da
subunità multiple
L’oloenzyme (enzima
completo) è un complesso di 5
subunità che comprende il “core
enzyme” (α
α2 β β′) e il σ factor
che è competente per l’inizio
della trascrizione batterica.
RNA core polimerasi batteriche
sono ~500 kD complessi
multisubunità con la struttura
generale α2 β β ′ .
Negli eubatteri un solo tipo di RNA
polimerasi è responsabile della
sintesi di tutti i RNA (mRNA, rRNA
e tRNA)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
RNA polimerasi batterica
Le subunità β and β ′
insieme fanno il centro
catalitico.
La subunità α è
necessaria per
assemblaggio del
core enzyme.
La subunità σ è
interessata
specificamente con il
riconoscimento del
promotore
Mg
β=blue
β’ = viola
α = giallo e verde
regolazione dell’espressione
genica mediante l’intervento
di fattori sigma alternativi
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
geni “heat-shock”: CCCCCC
15/17 basi - CCCC
-
promotore riconosciuto dal fattore
sigma32 attivato solo in caso di
aumento della temperatura. I geni che
hanno questo promotore vengono
espressi (trascritti) SOLO IN
PRESENZA DI QUESTO SPECIFICO
FATTORE SIGMA
geni “spo” in B. subtilis sono silenti e
vengono trascritti solo durante la
sporulazione per la presenza di fattori
sigma specificamente attivati in
sporulazione
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Fattori sigma
E. coli ha diversi
sigma factors,
ognuno dei quali fa sì
che la RNA polimerasi
inizi a dei promotori
definiti da specifiche
sequenze–35 e –10.
I promotori per ogni
enzima hanno tutti la
stessa dimensione e
localizzazione relativa
allo startpoint, ed
hanno sequenze
conservate solo intorno
ai siti –35 e –10.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Legame al DNA
Il DNA binding domain del fattore sigma è
helix-turn-helix che riconosce il sito –35
Il sito –10 è riconosciuto dalla subunità
alfa. Ha amino acidi aromatici che aiutano
l’apertura del DNA
La forza di un promotore è collegata alla
affinità di legame ed alla capacità di
evadere dal promotore
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La RNA pol
La distanza tra i siti
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La trascrizione avviene con
l’appaiamento di basi in una
“bolla" di DNA
RNA pol separa i due filamenti di
DNA in una “bolla”
transiente ed usa un
filamento come template per la
sintesi di una sequenza di RNA
complementare.
La bolla è lunga ~12-14 bp, e la
lunghezza dell’ibrido RNA-DNA
è di ~8-9 bp.
La velocità della reazione è di ~40
nt/sec a 37°C (per la RNA pol
batterica); che è simile alla
velocità di traduzione (15
amino acidi/sec), ma molto più
lenta di quella di replicazione
del DNA (800 bp/sec)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La reazione
di trascrizione
ha tre passaggi
Iniziazione descrive il passaggio fino alla
sintesi del primo legame del RNA. Include
il legame della RNA polimerasi al
promotore ed il “melting” di una corta
regione di DNA in singolo filamento.
Elongazione è il passaggio nella reazione
di sintesi della macromolecola (per la
replicazione, trascrizione, o traduzione)
quando la catena nucleotidica o peptidica si
allunga per l’aggiunta della subunità.
Terminazione è il passaggio che termina
la sintesi della macromolecola bloccando
l’addizione delle subunità, e generalmente
causando la dissoluzione dell’apparato di
sintesi
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Tensione superelica- DNA
supercoiling
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La terminazione nei batteri
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
La terminazione è sempre letta sulla
sequenza di DNA trascritta, non su
DNA
Ci sono due tipi di terminatori:
Rho-indipendenti: una sequenza
invertita (palindromica) di 20 nt
seguita da circa 8 nt A-T
Rho-dipendenti: reclutano la
proteina rho, una ATPasi ad anello
che separa il RNA dallo stampo. Circa
40 nt ricchi di C.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Terminatore forte o rhoindipendente:
-struttura secondaria stabile e forte
per la presenza di
molte G e C nello “stem”
- sequenza di tante U al 3’ della
struttura secondaria
(che facilita la separazione dell’ibrido
DNA/RNA)
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Rho-indipendenti
La responsabilità della
terminazione sta nella
sequenza già trascritta
dalla RNA polimerasi
I terminatori rhoindipendenti richiedono
la formazione di una
forcina nella struttura
secondaria seguita da
una sequenza di A
(>8)
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Rho factor
Il fattore Rho è una proteina terminatore
che si lega al RNA nascente si muove fino a
una sequenza che è ricca in C e povera
di G che precede il sito di terminazione.
È ~275 kD esamero di Rho subunità
identiche, della famiglia delle elicasi ATPdipendenti che funzionano passando l’acido
nucleico nel foro dell’esamero.
I terminatori Rho-dipendenti sono la metà
dei terminatori di E. coli.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Terminatore debole o rho-dipendente
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Le RNA polimerasi eucariotiche sono composte da piu’di 10 subunità
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
TATA BOX BINDING PROTEIN
TBP
Saddle-like
domain
DNA
BINDING
TATA BOX
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
TAF5 stabilizes
TAFs interaction,
specially histonelike ones (TAF6,
TAF9)
TAF1: Acetyl
transferase activity
Interaction with
TFIIF
TAF12
TAF8
TAF7
TAF4 TAF10 TBP
TA
F1
TAF6 TAF11
TAF5
TAF5
TAF8 TAF3
TAF11
TAF9 TAF13TAF12
TATA BOX
TAF10
TAF6 TAF9
TAF13
TAF4
TAF3
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
2
F1
TA
F3
TA
F7
0
TA
F8 F1
TA T9A
5
F
AF
TA
F8
T
TAF1 1
F6
TA
BP
F1 T3A
0T
TA X F1
F1
O A
TA
B T
TA
TA
TA
F6
TA TAF
1T1 TA
F9
TA AF F4
F1 5
3TA
F1
2
F4
TA
TA
F3
DNA BENDING
2
F1
TA
F4
TA
F3
TA
F7
0
TA
F8 F1
TA T9A
F
F5
TA
F8
TA
TAF1 1
TA
F6
BP
F1 T3A
0T
TA X F1
F1
O A
TA
B T
TA
TA
TFIID
TA
F6
TA TAF
F9
T11A TA
TA
F5 F4
F1
3TA
F1
2
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
TA
F3
HETEROTETRAMER
(RAP30)2 (RAP74) 2
(RAP30)2 BINDS RNA POL II AND
TFIIB. RAP74 INTERACTS WITH
DNA. TFIIF STABILIZES THE
INTERACTION OF
RNA POLII WITH
PROMOTER AND STIMULATES
ELONGATION RATE
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
DAB
TWO DOMAIN:
HETEROTRIMER
N-TERMINAL
(A, B, C SUBUNITS)
Zn-RIBBON AND
BINDS PROMOTER
REGION WITH TFIID
TFIIA
TFIIF
TFIID
CORE DOMAIN
TFIIE
A
RN
TFIIB
TFIIH
PO
L
II
TFIIE MODULATES THE
HELICASE AND KINASE
ACTIVITIESOF TFIIH
BY STIMULATING CTD
TFIIB INTERACTS WITH
SADDLE-LIKE DOMAIN OF TBP
P
DOMAIN RNA POLII
PHOSPHORYLATION
AND WITH BENDED DNA ON
SIDES OF TATA BOX.
TBP/TFIIB COMPLEX
RECRUITS RNA POLII AND
OTHER GTF
TFIIH STIMULATES
PROMOTER
PHOSPHORYLATION OF
MELTING AND IT
HAS KINASE
RNA POLII CTD STIMULATES
ACTIVITY AGAINST
PROMOTER MELTING AND
RNA POL II
TRANSCRIPTION START
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Cappuccio
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica,
Ed. – Capitolo
4
MetilIItransferasi
aggunge
CH3 al 7’ di
Funzioni: protezione al 5’; esportazione;
traduzione
Aggiunta di guanina al 1° nt trascritto dopo la
trascrizione di 20-30 nt.; legame 5’-5’ trifosfato
G; anche i primi 2 nt sono metilati
Struttura del
cappuccio
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
I cleavage factors (CF) e i cleavage and
polyadenilation factors (CPF) consentono
alla poli(A) polimerasi (PAP) di
riconoscere il sito di taglio.
La PAP aggiunge solo una decina di A.
Questa corta coda viene riconosciuta
dalla polyA binding protein (PABII) che la
allunga fino ad arrivare a 200 A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Splicing
Rimozione di un introne attraverso
due reazioni sequenziali di
trasferimento di fosfato, note come
transesterificazioni.
Queste uniscono due esoni
rimuovendo l’introne come un
“cappio”
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Dal Volume: La Cellula, un approccio molecolare
Piccin Nuova Libraria S.p.A.
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
De Leo - Fasano - Ginelli – Biologia e Genetica, II Ed. – Capitolo 4
Structure of eukaryotic mRNA
Cap
5’
7mGppp
initiation
5’ untranslated region
AUG
translated region
UGA
termination
3’ untranslated region
polyadenylation signal
AAUAAA
(A)~200
3’
poly(A) tail
• all mRNAs have a 5’ cap and all mRNAs (with the exception
of the histone mRNAs) contain a poly(A) tail
• the 5’ cap and 3’ poly(A) tail prevent mRNA degradation
• loss of the cap and poly(A) tail results in mRNA degradation