Codon Usage and Organization of the Cell’s Citoplasm
Poiché il codice genetico è ridondante, le sequenze di codifica mostrano modelli altamente variabili di utilizzo del codone. Se non ci fossero pregiudizi, tutti i codoni per un dato amminoacido dovrebbero essere usati più o meno allo stesso modo. I geni di B. subtilis sono stati suddivisi in tre classi sulla base del loro bias di utilizzo del codone. Una classe comprende la maggior parte delle proteine, un’altra è costituita da geni che sono espressi ad alto livello durante la crescita esponenziale e una terza classe, con codoni ricchi di A+T, corrisponde a porzioni del genoma che sono state scambiate orizzontalmente. Qual è la fonte di tali pregiudizi? Mutazioni casuali dovrebbero aver appianato eventuali differenze, ma questo non è il caso. Ci sono anche effetti sistematici del contesto, con alcune sequenze di DNA favorite o selezionate contro.
Il citoplasma di una cellula non è una piccola provetta. Una delle caratteristiche più sconcertanti dell’organizzazione del citoplasma è che accoglie la presenza di una molecola filiforme molto lunga, il DNA, che viene trascritto per generare una moltitudine di fili di RNA che di solito sono lunghi quanto la lunghezza dell’intera cellula. Se le molecole di mRNA fossero lasciate libere nel citoplasma, sorgerebbero tutti i tipi di strutture annodate. Devono quindi esistere alcuni principi organizzativi che impediscono alle molecole di mRNA e al DNA di impigliarsi. Diversi modelli, supportati da esperimenti, postulano una disposizione in cui le regioni trascritte sono presenti sulla superficie di un cromoide, in modo tale che l’RNA polimerasi non debba circoscrivere la doppia elica durante la trascrizione. La compartimentazione è importante anche per le piccole molecole, nonostante possano diffondersi rapidamente. In una cellula di B. subtilis che cresce esponenzialmente in mezzo ricco, i ribosomi occupano più del 15% del volume della cellula. Il citoplasma è quindi un reticolo ribosomico, in cui i tassi di diffusione locali di piccole molecole, così come le macromolecole, sono relativamente lenti. Lungo le stesse linee, la concentrazione proteica calcolata della cellula è ca. 100-200 mg ml-1, una concentrazione molto alta.
Il macchinario traslazionale richiede un adeguato pool di fattori di allungamento, aminoacil-tRNA sintetasi e TRNA. Contando il numero di molecole di tRNA adiacenti a un dato ribosoma, si concettualizza un piccolo numero finito di molecole. Di conseguenza, un ribosoma traduttore è un attrattore che agisce su un pool limitato di molecole di tRNA. Questa situazione fornisce una forma di pressione selettiva, il cui risultato sarebbe l’adattamento del bias di utilizzo del codone del messaggio tradotto in funzione della sua posizione all’interno del citoplasma. Se il bias di utilizzo del codone dovesse cambiare da mRNA a mRNA, queste diverse molecole non vedrebbero gli stessi ribosomi durante il ciclo di vita. In particolare, se due geni avessero modelli di utilizzo del codone molto diversi, ciò prevederebbe che gli MRNA corrispondenti non si formano all’interno dello stesso settore del citoplasma.
Quando i fili di mRNA stanno emergendo dal DNA diventano impegnati dal reticolo dei ribosomi e si cricchetto da un ribosoma all’altro, come un filo in una macchina di trafilatura (si noti che questo è esattamente opposto alla visione della traduzione presentata nei libri di testo, dove i ribosomi dovrebbero viaggiare lungo molecole di mRNA fisse). In questo processo, le proteine nascenti vengono sintetizzate su ciascun ribosoma e si diffondono in tutto il citoplasma mediante la diffusione lineare della molecola di mRNA da un ribosoma all’altro. Tuttavia, quando l’mRNA si disimpegna dal DNA, il complesso di trascrizione deve talvolta rompersi. È probabile che l’mRNA rotto sia una molecola pericolosa perché, se tradotto, produrrebbe una proteina troncata. Tali frammenti proteici sono spesso tossici, perché possono disturbare l’architettura dei complessi multisubunitari (questo spiega perché molti mutanti senza senso sono negativi dominanti, piuttosto che recessivi). Esiste un processo che affronta questo tipo di incidente in B. subtilis. Quando una molecola di mRNA terminata prematuramente raggiunge la sua fine, il ribosoma smette di tradursi, non si dissocia e attende. Un RNA specializzato, tmRNA, che viene piegato ed elaborato alla sua estremità 3 ‘ come un tRNA e caricato con alanina, entra, inserisce la sua alanina al C-terminale del polipeptide nascente, quindi sostituisce l’mRNA all’interno di un ribosoma, dove viene tradotto come ASFNQNVALAA. Questa coda è un tag proteico che viene quindi utilizzato per indirizzarlo verso un complesso proteolitico (ClpA, ClpX), dove viene degradato.
L’organizzazione del reticolo del ribosoma, accoppiata all’organizzazione della superficie di trascrizione del cromoide, assicura che le molecole di mRNA siano tradotte parallele l’una all’altra, in modo tale da non creare nodi. Gli operoni policistronici assicurano che le proteine con funzioni correlate siano coespresse localmente, consentendo la canalizzazione dei corrispondenti intermedi della via. In questo modo, la struttura delle molecole di mRNA è accoppiata al loro destino nella cellula e alla loro funzione nella compartimentazione. I geni tradotti sequenzialmente negli operoni sono fisiologicamente e strutturalmente connessi. Questo vale anche per gli MRNA che vengono tradotti parallelamente l’uno all’altro, suggerendo che diverse RNA polimerasi sono impegnate nel processo di trascrizione simultaneamente, aggiogate come animali da tiro. Infatti, se esiste una correlazione di funzione e / o localizzazione in una dimensione, esiste un vincolo simile nelle direzioni ortogonali. Poiché i ribosomi attraggono le molecole di tRNA, determinano un accoppiamento locale tra queste molecole e i codoni che vengono tradotti. Ciò prevede che un dato ribosoma tradurrebbe preferenzialmente MRNA con modelli simili di utilizzo del codone. Di conseguenza, man mano che ci si allontana da un ribosoma fortemente distorto, ci sarebbe sempre meno disponibilità dei TRNA più distorti. Questo crea una pressione di selezione per un gradiente di utilizzo del codone mentre si va via dai messaggi e dai ribosomi più distorti, trascritti di nidificazione attorno al nucleo centrale, formato da trascritti per geni altamente distorti. Infine, la sintesi del ribosoma crea una forza repulsiva che spinge i filamenti di DNA l’uno dall’altro, in particolare dalle regioni vicine all’origine della replicazione. Insieme questi processi provocano un gradiente genetico lungo il cromosoma, che è un elemento importante dell’architettura della cellula.