Le RNA polimerasi e il ciclo della trascrizione

L'RNA polimerasi svolge essenzialmente la stessa funzione in tutte le cellule dai batteri all'uomo. In dettaglio, i batteri hanno una sola RNA polimerasi, mentre le cellule eucariotiche ne hanno tre: la RNA polimerasi I, II e III. La Pol II è l'enzima più studiato ed è anche la polimerasi responsabile della trascrizione nella maggior parte dei geni che codificano per proteine. La Pol I e la Pol III sono, invece, coinvolte nella trascrizione di geni che codificano rispettivamente per rRNA, la Pol I, e tRNA, alcuni piccoli RNA nucleari (small nuclear RNA) e gli rRNA 5S, la Pol II. Comunque, il nucleo enzimatico o enzima core della RNA polimerasi batterica è da solo in grado di sintetizzare l'RNA ed è composto da due copie della subunità α, e da una copia delle subunità β, β' e ω. In generale, la forma di ciascun enzima assomiglia alla chela di un granchio. Le due pinze della chela sono costituite principalmente dalle subunità maggiori di ciascun enzima (β e β' per quello batterico, RPB1 e RPB2 per quello eucariotico). Il sito attivo è costituito da alcune regioni di entrambe queste subunità, si trova alla base delle pinze, all'interno di una regione chiamata “solco centrale attivo”. Questo sito è in grado di legare due ioni Mg2+, e questo ben si adatta con il meccanismo catalitico a cationi bivalenti per l'aggiunta dei nucleotidi, proposto per tutti i tipi di polimerasi. Comunque, la trascrizione inizia quando l'RNA polimerasi si lega ad una regione speciale, il promotore, all'inizio del gene. Il promotore circonda la prima coppia di basi che è trascritta in RNA, il punto di inizio, da cui l'RNA polimerasi si sposta lungo lo stampo, sintetizzando RNA, fino a raggiungere un terminatore. Questa azione definisce un'unità di trascrizione che si estende dal promotore al terminatore. Le sequenze che precedono il punto d'inizio dono descritte come sequenze a monte, mentre quelle che lo seguono (all'interno della sequenza trascritta) sono sequenze a valle. Le sequenze sono scritte convenzionalmente in modo che la trascrizione proceda da sinistra a destra, il che corrisponde a scrivere l'mRNA nella solita direzione 5'→3'. Inoltre, le posizioni delle basi sono numerate in entrambe le direzioni a partire dal punto d'inizio, a cui si assegna il valore +1; i numeri positivi crescono andando verso valle. Alla base che si trova prima del punto d'inizio viene assegnato il valore -1 e i numeri negativi aumentano verso monte (a nessuna base si assegna 0). Il prodotto immediato della trascrizione si chiama trascritto primario e consiste di un RNA che si estende dal promotore al terminatore ma è molto instabile. Nei procarioti viene degradato rapidamente (mRNA) o tagliato per formare prodotti maturi (rRNA e tRNA), mentre negli eucarioti è modificato alle estremità (mRNA) e/o tagliato per formare prodotti maturi (tutti gli RNA).
Per trascrivere un gene, l'RNA polimerasi procede attraverso una serie di passaggi ben definiti che sono raggruppati in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione. Nella prima fase l'RNA polimerasi si lega ad una sequenza di DNA, il promotore, quindi comincia la trascrizione in direzione 5'→3', le basi si disappaiano e si produce una “bolla” di DNA a singolo filamento. Diversamente dalla replicazione, però, solo uno dei due filamenti di DNA funge da stampo. Durante l'allungamento, invece, si ha un cambio conformazionale che porta l'RNA polimerasi ad ancorarsi ancora più saldamente allo stampo del DNA, dopo aver sintetizzato un piccolo frammento di RNA. Inoltre, questo enzima, svolge il DNA di fronte a se stesso e lo riavvolge dietro, stacca la catena di RNA dallo stampo di DNA mentre si muove lungo il filamento, e in più funziona da correttore di bozze. Una volta che la polimerasi ha trascritto il gene, o i geni, in tuta la sua lunghezza, deve fermarsi e rilasciare l'RNA prodotto. Questo passaggio è chiamato terminazione. In alcune cellule vi sono sequenze specifiche e ben caratterizzate che innescano la terminazione. In maniera più dettagliata, la prima fase, ossia l'inizio può essere divisa in una serie di passaggi definiti. Il primo passaggio è il legame iniziale della polimerasi al promotore per formare quello che viene chiamato complesso chiuso. In questa forma, il DNA rimane a doppia elica e l'enzima è legato ad una sola faccia dell'elica. Nel secondo passaggio dell'inizio, il complesso chiuso subisce una transizione verso un complesso aperto, in cui le catene di DNA si separano per circa 14 basi attorno al punto di inizio formando la bolla di trascrizione. Bisogna ricordare, che l'incorporazione dei primi dieci ribonucleotidi è un processo piuttosto inefficiente e in questo stadio l'enzima spesso rilascia dei piccoli trascritti e poi inizia di nuovo la sintesi (inizio abortivo). Una volta che l'enzima ha superato i dieci nucleotidi si dice che è evaso dal promotore. A questo punto si è formato un complesso ternario stabile, contenente l'enzima, il DNA e l'RNA.