11.2: Riboswitch

I riboswitch sono domini di mRNA non codificanti che regolano la trascrizione e la traduzione dei geni a valle senza l'aiuto di proteine. I riboswitch si legano direttamente a un metabolita e possono formare strutture uniche ad ansa, stelo o a forcina in risposta alla quantità di metabolita presente. Hanno due regioni distinte: un aptamero che lega i metaboliti e una piattaforma di espressione.

L'aptamero ha un'elevata specificità per un particolare metabolita che consente ai riboswitch di regolare specificamente la trascrizione anche in presenza di molte altre biomolecole. Gli aptameri legano una gamma di molecole organiche tra cui purine, coenzimi e amminoacidi. Legano anche molecole inorganiche come cationi magnesio e anioni fluoruro. La maggior parte degli aptameri legano i propri ligandi attraverso legami idrogeno o interazioni elettrostatiche. Possono esserci uno o più siti di legame per il ligando su un riboswitch. Nel riboswitch della lisina, sull'aptamero è presente un singolo sito di legame della lisina. Al contrario, nel riboswitch della glicina, sull'mRNA sono presenti due aptameri specifici della glicina separati che consentono all'aptamero di rilevare solo concentrazioni molto elevate di glicina, poiché il riboswitch funziona solo quando due molecole sono legate.

La piattaforma di espressione regola la trascrizione o la traduzione formando una struttura anti-terminatore o terminatore. La formazione di queste strutture dipende dal legame del metabolita all'aptamero. A basse concentrazioni, i metaboliti non si legano all’aptamero. Ciò segnalerà alla piattaforma di espressione di formare una struttura anti-terminatore che consentirà alla trascrizione o alla traduzione di continuare. Al contrario, quando il metabolita è presente ad alte concentrazioni, si legherà all'aptamero. In questo caso, la piattaforma di espressione forma una struttura terminatrice seguita da una serie di residui di uracile, che costringe la RNA polimerasi a dissociarsi dalla trascrizione e dal filamento di DNA, terminando così la trascrizione. Una piattaforma di espressione può anche inibire il legame del ribosoma alla trascrizione formando una struttura a forcina con il sito di legame del ribosoma, nota anche come sequenza Shine-Dalgarno, impedendo l'inizio della traduzione. Un altro meccanismo mediante il quale i riboswitch regolano la trascrizione è agendo come enzimi RNA, o ribozimi, come si vede nel riboswitch-ribozima glmS. Questi ribozimi scindono l'mRNA del riboswitch quando il metabolita si lega, e poi l'mRNA rimanente viene degradato dalla RNasi, portando all'inibizione della traduzione.

Si pensava che i riboswitch fossero presenti solo nei batteri e negli archaea, ma recentemente sono stati osservati anche nelle piante e nei funghi. Finora negli eucarioti sono stati trovati solo riboswitch specifici del tiamina pirofosfato (TPP). A differenza dei batteri, i geni eucariotici contengono introni che non consentono che la trascrizione e la traduzione avvengano simultaneamente nella stessa trascrizione; pertanto questi riboswitch regolano la trascrizione mediante splicing alternativo. In alcune piante, un riboswitch TPP è presente nella regione dell'introne 3' non tradotto del gene THIC. Bassi livelli di TPP mascherano il vicino sito di giunzione 5' della regione 3' non tradotta producendo un mRNA stabile. Tuttavia, quando sono presenti elevate concentrazioni di TPP, il TPP si lega al riboswitch ed espone il sito di giunzione 5' della regione 3' non tradotta. La rimozione dell'introne produce mRNA instabile che non può produrre proteine.

L'RNA splicing è un meccanismo post-trascrizionale dove l'mRNA precursore, o pre-mRNA, viene convertito in mRNA maturo rimuovendo gli introni e ricongiungendo gli esoni. La giunzione costitutiva dell'RNA unisce ogni esone nel proprio ordine nel gene per produrre un singolo tipo di mRNA maturo. Per esempio, in un gene eucariotico con cinque esoni, numerati da 1 a 5, la giunzione costitutiva del pre-mRNA darà come risultato un mRNA maturo con cinque esoni.

Al contrario, lo splicing di RNA alternativo utilizza un singolo gene per produrre diversi tipi di proteine, unendo o rimuovendo diverse combinazioni di esoni e introni per produrre mRNA maturi distinti. Un gene contenente cinque esoni potrebbe essere unito ad un mRNA maturo con esoni 1 e 5, esoni 2, 3 e 5, o esoni 1, 3 e 4. In alcuni casi, l'mRNA maturo può anche contenere un introne conservato.

Queste variazioni permettono alle cellule eucariotiche di produrre un assortimento più grande di proteine, rispetto al numero di geni presenti nel loro DNA. La giunzione alternativa di mRNA, permette allo stesso gene di produrre differenti forme tissutali-specifiche del mRNA maturo. Ad esempio, diverse varianti di alfa-tropomiosina sono espresse in cellule muscolari lisce, cellule muscolari striate, e cellule cerebrali.

La giunzione di RNA alternativa è strettamente controllata ed è regolata da un insieme di proteine, note come attivatori e repressori. Gli attivatori si legano a sequenze specifiche sugli esoni pre-mRNA e gli introni, chiamati esaltatori di splicing esonici o intronici. Questo legame, consente allo spliceosome di riconoscere i siti di giunzione deboli che non sono riconosciuti nella giunzione costitutiva.

Al contrario, i repressori si legano alle giunzioni esonica e intronica silenziatrici. Questo impedisce il montaggio dello spliceosome, causando un salto su siti di giunzione specifici.