Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Poli(A) Polimerasi


Molecola del Mese di Ottobre 2008

Poli(A) Polimerasi
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 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). Dopo che la RNA polimerasi ha finito di sintetizzare la catena di RNA (che viene chiamata a questo punto trascritto primario), altri enzimi devono intervenire per modificare la catena e formare così un RNA messaggero maturo.
La prima operazione è lo "splicing" e consiste nell'eliminare alcuni tratti di catena chiamati introni,
la seconda consiste nell'aggiungere, all'inizio della catena (5'), un cappuccio di nucleotidi modificati,
la terza operazione consiste nel sintetizzare una lunga coda poli(A) alla fine della catena (3').

La Coda Finale
Un complesso di più di dieci enzimi partecipa alla sintesi della coda poli(A) nelle molecole di RNA messaggero. Alcune sequenze particolari alla fine della catena di RNA attirano questo complesso e lo fissano. 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 (in verde), questo enzima si lega all'RNA messaggero e aggiunge i nucleotidi di adenosina uno alla volta alla fine della catena. 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 così vicino 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 questa viene 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 (in 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. La struttura PDB 2q66, illustrata qui a lato, mostra l'enzima nel mezzo della sintesi della coda. L'enzima abbraccia un corto tratto di poli(A) RNA, mostrato in giallo. Una molecola di ATP, rossa, è posizionata proprio a contatto con uno ione magnesio, verde. L'enzima di questa struttura, però, 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, rossa, alla coda poli(A) in crescita (gialla). 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
: (vedi figura qui a lato) lo ione magnesio (verde) interagisce con i gruppi fosfato dell'ATP (grosse sfere rosse e arancioni) e lo fissa al sito attivo. 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 (piccole sfere grigie e rosse).

















Secondo: (vedi figura qui a lato) l'ATP (blu, grigio e rosso) è preso a sandwich tra la l'ultimo nucleotide della coda poli(A) (giallo) e la valina 234 (ciano) della catena proteica.

















Terzo
: (vedi figura qui a lato) l'enzima impedisce che si possa legare per errore GTP al posto di ATP, infatti possiede due amminoacidi, treonina 304 e metionina 310 (in ciano), che sfiorano l'adenina (in grigio e blu) dell'ATP nel punto in cui (carbonio bianco), se ci fosse GTP, dovrebbe sporgere il gruppo NH
2 della guanina.















Spunti per ulteriori approfondimenti

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.