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Molecola del Mese di Ottobre 2008
La poli(A) polimerasi aggiunge una serie
di nucleotidi di adenosina alla coda 3' dell'RNA messaggero.
 Introduzione
La maggior parte dell'RNA che si trova nella cellula
viene sintetizzato usando come stampo il DNA genomico. In casi particolari,
però, le nostre cellule sintetizzano tratti di catena di RNA senza
usare uno stampo. Per esempio, la parte terminale delle catene di RNA
messaggero è costituita da un lungo tratto di nucleotidi ripetuti
di adenosina. Queste lunghe code di poli adenosina o code poli(A) non
sono codificate nel genoma, ma vengono aggiunte alla catena di RNA dopo
che l'enzima RNA polimerasi ha finito il processo di trascrizione (sintesi
di RNA sullo stampo di DNA).
La catena di RNA trascritta direttamente dal DNA (chiamata trascritto
primario) deve subire alcune modifiche prima di diventare RNA messaggero
maturo.
La prima modifica avviene durante la sintesi
della catena di RNA e consiste nell'aggiungere, all'inizio della catena
(estremità 5') il cappuccio
5' (mdm 1-2012) formato da una guanosina legata alla rovescia
con tre fosfati.
La seconda modifica è lo "splicing"
(mdm 5-2005) e consiste
nell'unire tra loro i tratti di catena codificanti chiamati esoni eliminando
alcuni tratti chiamati introni.
La terza modifica consiste nel sintetizzare una lunga coda poli(A)
alla fine della catena, all'estremità 3'.
Coda finale
Un complesso di più di dieci enzimi partecipa
alla sintesi della coda poli(A) nelle molecole di RNA messaggero. Una
sequenza AAUAAA verso la fine della catena di RNA attira questo complesso
e lo fissa. Poi la catena di RNA viene tagliata e, sul nuovo punto terminale,
l'enzima poli(A) polimerasi aggiunge circa 250 nucleotidi di adenosina.
Qui sopra è mostrato l'enzima poli(A) polimerasi di lievito (file
PDB 1fa0). Con l'aiuto di due ioni magnesio
(verdi), questo enzima si lega all'RNA messaggero e aggiunge i nucleotidi
di adenosina uno alla volta alla fine della catena usando ATP. L'enzima
poli(A) polimerasi di bue non è mostrato qui, ma lo potete esaminare
nel file PDB 1f5a.
Testa e coda
La coda poli(A) è importante da molti punti
di vista per il corretto funzionamento delle molecole di RNA messaggero.
Innanzitutto protegge, con l'aiuto della proteina poli(A) legante (mostrata
qui sotto), la parte terminale della catena dell'RNA messaggero dall'azione
delle ribonucleasi, gli enzimi che degradano l'RNA. Inoltre aiuta il
trasporto dell'RNA messaggero dal nucleo al citoplasma attraverso i
pori nucleari. Infine, la coda poli(A), che si trova alla fine della
catena dell'RNA messaggero, stimola l'inizio della sintesi proteica
aiutando a chiamare i fattori di inizio verso la parte opposta della
catena di RNA. Alcuni ricercatori credono che la proteina poli(A) legante
interagisca anche con l'inizio della catena facendo assumere all'RNA
messaggero la forma di un grande anello. Questo potrebbe essere
molto utile, infatti, se l'inizio della catena dell'RNA messaggero fosse
vicina alla fine, i ribosomi che hanno appena finito di sintetizzare
una proteina potrebbero saltare direttamente all'inizio e ricominciare
il processo.
 Proteina
poli(A) legante
La Proteina poli(A) legante si lega alla coda poli(A)
appena sintetizzata nel nucleo e assiste l'RNA messaggero per tutta
la sua vita.
La proteina è composta di quattro domini simili che si legano
ad una sequenza di circa 27 nucleotidi della coda poli(A). La struttura
mostrata qui, dal file PDB 1cvj, contiene
solo i primi due domini e un piccolo pezzo di RNA (arancione).
Esplorando la struttura
La poli(A) polimerasi è altamente specifica
per l'ATP, ma non altrettanto per l'RNA, infatti può sintetizzare
una coda poli(A) praticamente su ogni catena di RNA. Nell'immagine
qui a lato, si vede l'enzima nel mezzo della sintesi della coda poli(A)
(file PDB 2q66).
L'enzima abbraccia un corto tratto di poli(A) RNA (giallo).
Una molecola di ATP (grosse sfere) è posizionata proprio a
contatto con uno ione magnesio (verde).
L'enzima di questa struttura è stato modificato in modo da
impedirgli di realizzare la reazione. Nella posizione 154, normalmente,
c'è un acido aspartico che coordina un secondo ione magnesio,
indispensabile per la reazione. In questa struttura, l'acido aspartico
è stato sostituito con una alanina (magenta) e così
il secondo magnesio catalitico è assente.
.. .. . 
La sintesi della coda poli(A) avviene aggiungendo uno alla volta
i nucleotidi di adenosina che vengono trasferiti dalla molecola di
ATP (grosse sfere) alla coda poli(A) in crescita (gialla) ed in particolare
all'ossigeno (rosso) che si protende in basso dall'anello dal ribosio
terminale al centro. Perchè la sintesi abbia successo, è
indispensabile che la molecola di ATP venga riconosciuta in modo specifico.
Questa specificità si realizza in tre modi.
Primo (figura qui sotto): lo ione magnesio (verde) interagisce
con gli atomi di ossigeno dei gruppi fosfato dell'ATP (rossi e arancioni)
e lo fissa al sito attivo dato che lo ione magnesio, a sua volta,
è trattenuto nel sito attivo da una coppia di acidi aspartici
(asp100 e asp102), che lo legano dall'alto (sfere grigie e rosse).
La coda poli(A) è mostrata con
bastoncini blu.
.. . 
Secondo (figura qui sotto):
l'ATP (grosse sfere al centro) è preso a sandwich tra la l'ultimo
nucleotide della coda poli(A) (sfere più piccole sopra) e la
valina 234 (ciano) della catena proteica.
Terzo (figura qui sotto): l'enzima impedisce che si possa legare
per errore GTP al posto di ATP, infatti possiede due amminoacidi,
treonina 304 e metionina 310, che sfiorano l'adenina (anello con sfere
grigie e blu)) dell'ATP nel punto in cui (asterisco), se ci fosse
GTP, dovrebbe sporgere il gruppo NH2
della guanina.
Spunti per ulteriori esplorazioni
1-- La poli(A) polimerasi è un enzima molto flessibile, si
chiude e si apre per prendere e rilasciare il proprio substrato. Confrontate
la struttura della forma aperta mostrata nella prima pagina di questa
Molecola del Mese con la forma chiusa di questa pagina. Perchè
è importante questa flessibilità e quali caratteristiche
strutturali della proteina le consentono di essere così flessibile?
2-- Siete in grado di individuare qualche somiglianza strutturale
tra questa polimerasi, indipendente dallo stampo, e le polimerasi
che usano uno stampo, come la DNA polimerasi e la RNA polimerasi?
 Bibliografia
G. M. Gilmartin (2005) Eukaryotic mRNA
3' processing: a common means to different ends. Genes and Development
19, 2517-2521.
M. Edmonds (2002) A history of poly A sequences: from formation
to factors to function. Progress in Nucleic Acid Research and Molecular
Biology 71, 285-389.
J. Zhao, L. Hyman and C. Moore (1999) Formation of mRNA 3'
ends in eukaryotes: mechanism, regulation, and interrelationships
with other steps in mRNA synthesis. Microbiology and Molecular
Biology Reviews 63, 405-445.
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