Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
mRNA Capping

Molecola del Mese di Gennaio 2012
Parole chiave: Capping, Decapping, Trascrizione, RNA messaggero

Introduzione
Nelle nostre cellule il processo della trascrizione è molto più complesso della semplice lettura del DNA e costruzione di un filamento di RNA complementare. Poco dopo che l'enzima RNA polimerasi ha cominciato a trascrivere l'informazione genetica, la cellula inizia a fare delle modifiche. Quando l'mRNA è lungo solo circa 30 nucleotidi, la cellula lega un nucleotide guanosina sulla terminazione libera (5'). Il pezzo aggiunto è chiamato cappuccio ed è insolito per tre motivi: la base di guanina è metilata, la connessione è formata da tre fosfati invece del normale singolo fosfato e l'orientazione del nucleotide è opposta a quella normale. Queste anomalie di struttura proteggono l'RNA dagli enzimi che degradano gli acidi nucleici e inoltre costituisce un segnale ben riconoscibile per le molecole che gestiscono l'mRNA. Dopo che il filamento di mRNA è stato creato, la cellula fa altre modifiche aggiungendo una serie di nucleotidi di adenosina (poliA) sul capo opposto della catena (3') e infine eliminando le regioni che non codificano per una proteina (splicing).

Mettere il cappuccio
Il cappuccio dell'mRNA viene realizzato in tre passaggi, governati da tre enzimi diversi. La catena di mRNA che è stata appena cominciata ha un trifosfato nel punto d'inizio, quindi il primo passaggio è la rimozione di un fosfato. Poi un secondo enzima lega GMP (guanosina mono fosfato) alla nuova terminazione difosfato dell'mRNA, con un legame testa-testa, fosfato contro difosfato, formando uno strano legame trifosfato con il nuovo nucleotide che così, però, è legato alla rovescia. Infine un terzo enzima metila la nuova base guanina, rendendola ancora più facilmente riconoscibile. Questi enzimi sono legati a una lunga coda fosforilata sulla RNA polimerasi, quindi si trovano proprio nel posto giusto per modificare la catena di mRNA durante la trascrizione.

Capping in Azione
Tutti e tre gli enzimi sono mostrati qui sopra. Il complesso proteico mostrato in alto è di lievito (file PDB 3kyh) ed è composto dai primi due enzimi. Le due subunità al centro (blu) realizzano la reazione di rimozione di un fosfato, le due subunità ai lati (verdi) compiono la reazione di trasferimento del nucleotide. Nelle nostre cellule, le due reazioni sono realizzate da una lunga catena proteica che contiene i due enzimi collegati tra loro. Infine, l'enzima mostrato qui sopra in basso (file PDB 1ri1) realizza la reazione di metilazione.

Togliere il Cappuccio
Quando le cellule hanno finito di usare l'mRNA, devono demolirlo per riciclarlo. Per farlo, devono prima rimuovere il cappuccio che impedisce agli enzimi di degradare l'mRNA. Qui a destra sono mostrati due degli enzimi che fanno il decapping. Sulla sinistra si vede Dcp1/Dcp2 (file PDB 2qkm), un complesso enzimatico che riconosce l'mRNA vecchio o inutile e che toglie il cappuccio permettendo così l'accesso agli enzimi che staccano nucleotidi dal terminale 5' delle catene di RNA.
Sulla destra è mostrato un enzima spazzino (file PDB 1st0) che fa il decapping di frammenti di mRNA, cioè rimuove il cappuccio 5' dai frammenti di mRNA che sono stati già tagliati in pezzi dagli esosomi (mdm 2-2007).






Esplorare la Struttura
L'enzima che aggiunge GMP ha un sito attivo a forma di profonda fenditura che si apre e si chiude più volte per realizzare la sua complessa reazione. La reazione viene eseguita in due passaggi che i ricercatori sono riusciti a documentare quasi completamente come si vede nelle seguenti 4 coppie di immagini.



Il primo passaggio è illustrato dalle prime 6 immagini.
Nelle prime due immagini mostrate qui sopra (file PDB 1ckm A), si vede l'enzima in forma aperta che si è legato ad una molecola di GTP (guanosina trifosfato mostrata in blu, grigio e rosso).



Poi l'enzima si chiude attorno alla molecola di GTP, come si vede nelle due immagini qui sopra ottenute dal file PDB 1ckm B.



Infine l'enzima stacca due fosfati e così trasforma il GTP in GMP (guanosina mono fosfato) e lo lega ad una delle sue lisine (mostrata in verde chiaro), questo momento è colto nelle due immagini qui sopra ottenute dal file PDB 1ckn B.



Nel secondo passaggio, l'enzima si apre e rilascia i due fosfati staccati dalla guanosina, quindi si chiude attorno al terminale 5' dell'mRNA che si presenta come difosfato. Su di questo viene trasferito il GMP (guanosina mono fosfato) che si stacca quindi dalla lisina (verde chiaro). Dopo questi due passaggi, l'enzima si apre ancora per rilasciare l'mRNA col cappuccio in 5'.
Quest'ultimo momento è colto nelle due immagini qui sopra nelle quali si vede l'enzima aperto alla fine delle reazioni che contiene un analogo del mRNA (nucleotide sulla destra) legato con ponte trifosfato alla guanosina al centro (è questo, appunto, il cappuccio in 5'). Le due immagini sono tratte dal file PDB 1cko.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Le strutture PDB 3rtx e 1p16 mostrano una piccola porzione della parte C-terminale dell'enzima RNA polimerasi legata all'enzima che realizza il capping.
Il legando nella struttura PDB 1cko è un analogo dell'mRNA con cappuccio. Esaminate la molecola in dettaglio per vedere quale parte del legando è il nucleotide aggiunto e quale parte rappresenta l'mRNA.


Bibliografia


A. Ghosh and C. D. Lima (2010) Enzymology of RNA cap synthesis. Wiley Interdisciplinary Reviews of RNA 1, 152-172.






Codici PDB Correlati
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