I geni eucariotici sono composti da segmenti di DNA codificanti e non codificanti, chiamati rispettivamente esoni e introni. Tuttavia, è stato riconosciuto che questo ha grandi vantaggi evolutivi. Quando parti di diversi geni vengono riorganizzati su nuovi siti cromosomici durante l’evoluzione, nuovi geni possono essere costruiti da parti di geni precedentemente esistenti.
Esoni e introni
Nel 1977, è stato inaspettatamente scoperto che il DNA di un gene eucariotico è più lungo del suo corrispondente mRNA. La ragione è che alcune sezioni del trascritto RNA primario inizialmente formato vengono rimosse prima che avvenga la traduzione. Le micrografie elettroniche mostrano che il DNA e il suo corrispondente trascritto (RNA) hanno lunghezze diverse (1). Quando l’mRNA e il suo DNA complementare a singolo filamento sono ibridati, si formano dei loop di DNA a singolo filamento perché l’mRNA si ibrida solo con alcune sezioni del DNA a singolo filamento. In (2), sono mostrati sette loop (da A a G) e otto sezioni di ibridazione (da 1 a 7 e la sezione principale L). Delle 7700 coppie di basi del DNA di questo gene (3), solo 1825 si ibridano con l’mRNA. Un segmento che si ibrida è chiamato esone. Una sezione di DNA inizialmente trascritta che viene successivamente rimossa dal trascritto primario è un introne. La dimensione e la disposizione degli esoni e degli introni sono caratteristiche per ogni gene eucariotico (struttura esone/introne). (Micrografia elettronica da Watson et al., 1987).
Seguenze di DNA intersecanti (introni)
Nei procarioti, il DNA è colineare con l’mRNA e non contiene introni (1). Negli eucarioti, l’mRNA maturo è complementare solo ad alcune sezioni del DNA perché quest’ultimo contiene introni (2). (Figura adattata da Stryer, 1995).
Struttura di base dei geni eucarioti
Esoni e introni sono numerati nella direzione da 5′ a 3′ del filamento codificante. Sia gli esoni che gli introni sono trascritti in un precursore di RNA (trascrizione primaria). Il primo e l’ultimo esone di solito contengono sequenze che non vengono tradotte. Questi sono chiamati la regione non tradotta 5′ (5′ UTR) dell’esone 1 e la 3′ UTR all’estremità 3′ dell’ultimo esone. I segmenti non codificanti (introni) sono rimossi dalla trascrizione primaria e gli esoni su entrambi i lati sono collegati da un processo chiamato splicing. Lo splicing deve essere molto preciso per evitare un cambiamento indesiderato del corretto frame di lettura. Gli introni iniziano quasi sempre con i nucleotidi GT nel filamento 5′-3′ (GU nell’RNA) e terminano con AG. Le sequenze all’estremità 5′ dell’introne che iniziano con GT sono chiamate splice donor site e all’estremità 3′, che termina con AG, sono chiamate splice acceptor site. L’mRNA maturo viene modificato all’estremità 5 aggiungendo una struttura stabilizzante chiamata “cap” e aggiungendo molte adenine all’estremità 3 (poliadenilazione).
Percorso di splicing negli introni GU-AG
Lo splicing di RNA è un processo complesso mediato da una grande proteina contenente RNA chiamata spliceosoma. Questo consiste di cinque tipi di piccole molecole di RNA nucleare (snRNA) e più di 50 proteine (piccole particelle di riboproteine nucleari). Il meccanismo di base dello splicing coinvolge schematicamente la scissione autocatalitica all’estremità 5 dell’introne con conseguente formazione del lariat. Si tratta di una struttura circolare intermedia formata collegando la terminazione 5′ (UG) a una base (A) all’interno dell’introne. Questo sito è chiamato sito di diramazione. Nella fase successiva, la scissione al sito 3′ libera l’introne in forma di lariat. Allo stesso tempo l’esone destro è legato (spliced) all’esone sinistro. Il lariato viene scisso per produrre un introne lineare e questo viene rapidamente degradato. Il sito di diramazione identifica l’estremità 3′ per un preciso clivaggio nel sito dell’accettore di splicing. Si trova 18-40 nucleotidi a monte (in direzione 5′) del sito di splice 3′. (Figura adattata da Strachan e Read, 1999)