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

tmRNA
RNA transfer-messaggero


Molecola del Mese di Gennaio 2013
Parole chiave: tmRNA, sintesi proteica, ribosomi, codone, anticodone, fattore di allungamento, mRNA troncato

Introduzione
Gli RNA messaggeri danneggiati costituiscono un doppio problema per le cellule. Se un RNA messaggero è troncato, produce proteine tronche e non funzionanti. Inoltre, i ribosomi, che scorrono sull'mRNA per sintetizzare la proteina, restano bloccati alla fine della catena tronca di mRNA perchè manca il codone di stop e non riescono a sganciarsi per iniziare nuove sintesi.
I batteri hanno messo a punto un metodo davvero ingegnoso per risolvere contemporaneamente questi due problemi cioè per eliminare la proteina difettosa e rilasciare i ribosomi bloccati.

Due in Uno
L'RNA transfer-messaggero, abbreviato tmRNA, libera i ribosomi bloccati. E' composto da un filamento di RNA lungo alcune centinaia di nucleotidi. Quello mostrato qui (file PDB 3iyr) è del batterio Thermus thermophilus ed è lungo 349 nucleotidi. Un tmRNA leggermente più grande (file PDB 3iz4, non mostrato qui) è stato isolato da Escherichia coli. Il tmRNA si piega in una caratteristica forma a ciambella nella quale si distinguono più parti con diverse funzioni. I due terminali si avvicinano e si intrecciano per formare un segmento, mostrato qui in rosso, che ha una struttura molto simile a quella di un RNA transfer. A sinistra, nella figura qui sopra, è stato rappresentato un vero tRNA (file PDB 4tna) per meglio apprezzare la somiglianza. Proprio come un normale tRNA, questo tratto rosso lega un amminoacido, che però qui è sempre alanina. Accanto a questo tratto rosso vi è una piccola proteina, SmpB, mostrata in azzurro, che ne completa la struttura riproducendo la forma dell'anticodone del tRNA unito al codone dell'mRNA. Infine, a fianco della proteina, troviamo una porzione che agisce da RNA messaggero (magenta) che codifica per una breve sequenza di amminoacidi e termina con un codone di stop.

L'Azione Riparatrice del tmRNA
Quando l'mRNA troncato viene trascritto, il ribosoma scorre correttamente e sintetizza la proteina fino a quando il sito di decodifica del ribosoma incontra il codone tronco e si blocca. Per risolvere questo problema, la porzione del tmRNA simile al tRNA si inserisce nel ribosoma e la proteina SmpB si lega al sito A di decodifica perché è in grado di riprodurre il normale legame codone-anticodone. A questo punto la sintesi della proteina interrotta può riprendere. L'alanina, portata dal tmRNA, viene aggiunta alla proteina tronca e il tratto che somiglia ad un mRNA si inserisce nella posizione normalmente occupata dal mRNA. A questo punto il vecchio mRNA troncato viene espulso dal ribosoma e verrà distrutto dalle ribonucleasi. Il ribosoma prosegue il suo corso lungo il breve tratto simile ad un mRNA e così allunga la proteina tronca con una breve sequenza di amminoacidi e alla fine, raggiunto il codone di stop si libera. Il processo, però, non è ancora finito, infatti il breve tratto di amminoacidi aggiunto alla proteina tronca, in realtà, è un segnale per gli enzimi di degradazione delle proteine nella cellula, e assicura che la proteina danneggiata verrà subito degradata.




tmRNA in Azione

La crioscopia fotoelettronica.ha permesso di vedere la struttura delle molecole coinvolte nei vari stadi di questo processo. La struttura mostrata qui a fianco mostra il tmRNA subito dopo che ha iniziato la traduzione del breve tratto di proteina codificato nel segmento simile al mRNA (file PDB 3j18 e 3j19). La struttura include un tRNA che sta uscendo (giallo) e il fattore di allungamento G (magenta).
Negli archivi PDB è disponibile anche la struttura cristallografica del piccolo segmento di tmRNA legato ai ribosomi insieme col fattore di allungamento Tu, che mostra i dettagli a livello atomico dell'interazione di SmpB col ribosoma. (file PDB 4abr e 4abs).
Da queste strutture si capisce che la proteina SmpB ha due funzioni, non solo imita la struttura del tratto di tRNA che fa da anticodone, ma ha una forma un po' più grossa perchè include anche la forma del mRNA mancante che fa da codone. In questo modo facilita la decodifica nel sito A del ribosoma in assenza del codone del mRNA. Questo fatto spiega anche perchè il tmRNA non interferisce nella normale trascrizione: la proteina SmpB è troppo grande per sostituire un normale tRNA.




Esplorando la Struttura

Il tmRNA deve essere molto flessibile per consentire alla porzione simile al tRNA di entrare nel sito A del ribosoma per trasferire alanina alla proteina tronca e successivamente, dopo lo scorrimento verso destra del ribosoma, per consentire anche alla porzione simile all'mRNA di entrare nel sito A del ribosoma e di essere letta per sintetizzare l'ultimo tratto della proteina, quello che la predispone ad essere distrutta.
Le due strutture mostrate qui sopra (file PDB 3iyq e 3iyr) rivelano come si realizza questa flessibilità, mostrano il tmRNA:
a sinistra
, appena dopo che la porzione simile al tRNA (rossa e azzurra) si è legata al sito A del ribosoma (non mostrato), e
a destra
, dopo che la porzione simile al tRNA (rossa e azzurra) si è legata al sito P del ribosoma (non mostrato). Questo infatti è slittato verso destra e ha portato il sito A sul tratto magenta simile al mRNA. Questi file PDB includono solo la struttura del tmRNA e della proteina SmpB, e possiamo solo immaginare la struttura del ribosoma nel quale queste molecole sono inserite.
Qui sotto sono mostrate le due strutture viste da dietro.




Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Per vedere la mappa di crioscopia microelettronica di queste strutture, consultate la EMDataBank. Il link si trova nel box "Experimental Details" nella pagina di sommario di queste strutture nel sito PDB.


Bibliografia
B. D. Janssen & C. S. Hayes (2012) The tmRNA ribosome-rescue system. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology 86, 151-191.
B. Felden & R. Gillet (2011) SmpB as the handyman of tmRNA during trans-translation. RNA Biology 8, 440-449.
J. Fu, Y. Hashem, J. Wower & J. Frank (2011) tmRNA on its way through the ribosome. RNA Biology 8, 586-590.

Codici PDB Correlati
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