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

Riboswitch


Molecola del Mese di Ottobre 2010
Parole chiave: riboswitch, ribozima, struttura dell'RNA, aptamero, metabolita

Introduzione
Perché usare più molecole quando ne potrebbe bastare una sola? Nelle nostre cellule la sintesi proteica è controllata da migliaia di proteine regolatrici che collaborano per decidere quando una determinata proteina deve essere sintetizzata. I batteri, invece, che sono maestri di economia, hanno trovato il modo, in alcuni casi, di indurre l'RNA messaggero a controllarsi da solo senza l'aiuto di proteine.

Autocontrollo
I riboswitch sono elementi regolatori inseriti direttamente nell'RNA messaggero. Per esempio il riboswitch mostrato qui (file PDB 1u8d) sente i livelli delle basi puriniche legandosi saldamente a guanina, ipoxantina, e xantina. Questo riboswitch è parte dell'RNA messaggero che codifica per enzimi che trasportano e metabolizzano purine. Così, quando ci sono molte base puriniche, queste si legano al riboswitch e così rallentano la produzione di quelle proteine che in quel momento non servono.

Girare l'interruttore
I riboswitch agiscono in più modi.
Primo, quando il riboswitch è legato ad una molecola di legando assume una forma ripiegata, così la cellula può sentire il livello di quel legando osservando se lo si trova legato all'interno del riboswitch.
Secondo, una parte del riboswitch controlla l'espressione dell'RNA messaggero. Quando il legando si trova all'interno del riboswitch, questo si trova nella conformazione ripiegata che significa interruttore spento. Quando invece il legando non è disponibile, il riboswitch si trova nella conformazione rilassata. Questa è la conformazione attiva che significa interruttore acceso e controlla la trascrizione e quindi la sintesi proteica, in alcuni casi aumentandola in altri fermandola.

Riboswitch dovunque
Nei batteri sono stati trovati molti riboswitch e ne sono stati individuati alcuni anche nelle piante e nei funghi. Sono in grado di sentire il livello di molti tipi di molecole, non solo di basi azotate, ma anche di amminoacidi, vitamine e cofattori. Qui sotto sono illustrati tre esempi particolari.

Quello sulla sinistra è un riboswitch che sente i livelli di ioni magnesio (file PDB 2qbz).
Al centro vi è un riboswitch che sente c-di-GMP (file PDB 3irw e 3iwn), un nucleotide che è usato come messaggero, un ruolo simile a quello svolto da AMP ciclico nelle nostre cellule.
Sulla destra vi è un riboswitch che sente i livelli di glucosammina-6-fosfato, e poi si trasforma in un ribozima che taglia se stesso (file PDB 2z75).

Esplorando la struttura
I riboswitch sono notevolmente specifici per il proprio legando e lo catturano con una forza e una specificità simili a quella degli enzimi proteici. Nell'immagine roll-over qui sotto, potete vedere alternativamente due riboswitch simili (file PDB 1y26 e 1y27), il primo ha come legando l'adenina e l'altro la guanina (molecole con sfere al centro dell'immagine).



I due riboswitch hanno una sequenza di nucleotidi quasi identica e sono ripiegati quasi nello stesso modo. La chiave della loro specificità è nel nucleotide in posizione 74 (anello colorato sulla sinistra). Questo nucleotide forma una tipica coppia di basi secondo Watson-Crick con il legando (molecola al centro con sfere) così può legare in modo selettivo adenina (nel primo riboswitch) o guanina (nel secondo).
I legandi adenina e guanina sono mostrati al centro con l'opzione balls-and-sticks a colori, mentre il nucleotide 74 è mostrato sulla sinistra con una struttura tubolare colorata.
Nel primo riboswitch il nucleotide 74 è uracile e forma 2 legami idrogeno con adenina.
Nel secondo riboswitch il nucleotide 74 è citosina e forma 3 legami idrogeno con guanina.
Nell'immagine qui sotto si può vedere nel dettaglio l'appaiamento di basi adenina-uracile (a sinistra) e guanina-citosina (a destra).


Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1. Negli archivi PDB ci sono le strutture di molti altri riboswitch. Ne sapete trovare qualche esempio?
2. I riboswitch riconoscono il loro legando usando solo le quattro basi dell'RNA. Usate il Ligand Explorer nel sito PDB per scoprire come altri riboswitch
riconoscono legandi diversi.
Cominciate, per esempio, cliccando qui per esaminare il riboswitch che lega S-adenosilmetionina.

Bibliografia


A. Serganov (2009) The long and short of riboswitches. Current Opinion in Structural Biology 19, 251-259.

M. D. Dambach and W. C. Winkler (2009) Expanding roles for metabolite-sensing regulatory RNAs. Current Opinion in Microbiology 12, 161-169.

R. K. Montange and R. T. Batey (2008) Riboswitches: Emerging themes in RNA structure and function. Annual Review of Biophysics 37, 117-133.