Un template è definito nel Webster’s New Collegiate Dictionary del 1978 come una molecola (come l’RNA) in un sistema biologico che porta il codice genetico per un’altra molecola. Inoltre, il Concise Oxford Dictionary del 1995, nona edizione, descrive un modello come lo schema molecolare che regola l’assemblaggio di una proteina, ecc. Secondo queste definizioni generali, il DNA è il modello per il DNA (nella replicazione del DNA) e per l’RNA (nella trascrizione), e l’RNA è il modello per le proteine (nella traduzione). In altre parole, un template è un’entità molecolare essenziale per il trasferimento dell’informazione genetica da DNA a DNA a RNA a proteine (il dogma centrale). Più precisamente, la parola “modello” è usata quando una molecola che trasferisce informazioni (il modello) è in contatto diretto con la molecola ricevente (il prodotto). Quindi, in questo senso, l’RNA non è un template per la proteina perché non c’è interazione diretta tra l’RNA messaggero e la proteina durante la traduzione (vedi Biosintesi proteica). Nei casi che fanno eccezione al dogma centrale, l’RNA virale viene sintetizzato dall’RNA usando l’RNA come modello (vedi virus dell’RNA) e, inoltre, il DNA viene sintetizzato usando l’RNA come modello durante l’infezione dei retrovirus (vedi anche Trascrizione inversa).
Nella replicazione del DNA, la doppia elica viene srotolata, e ogni molecola di DNA a singolo filamento viene usata come modello per sintetizzare un filamento complementare. Poiché il DNA subisce una replicazione semi-conservativa, il DNA parentale serve da modello e diventa un componente della molecola di DNA figlia. Nella trascrizione, al contrario, un filamento di DNA serve come modello per la sintesi di RNA che poi si dissocia dal modello (vedi Trascrizione). Le DNA polimerasi che assemblano i deossiribonucleotidi sul filamento di DNA modello secondo la regola della complementarità delle basi Adenina (A):Timina (T), Guanina (G):Citosina (C) (appaiamento delle basi Watson-Crick) richiedono sia un modello che un primer perché la reazione abbia luogo (Fig. 1). Di conseguenza, la sintesi del DNA è preceduta dalla sintesi di piccole molecole di RNA di meno di 10 bp da parte della RNA primasi, che può iniziare la sintesi di RNA complementare al DNA modello (vedi Frammenti Okazaki). L’RNA primer viene infine sostituito dal DNA attraverso il filamento di DNA in ritardo esteso dalla regione che precede la sintesi dell’RNA primer (vedi Fork di replicazione (Y-Fork Intermediate)). La relazione template-prodotto attraverso la complementarità delle basi da A a T e da G a C non è accurata al 100%, ma risulta nella formazione di mis-pair una volta ogni 10 3 a 104 volte. D’altra parte, i mis-pair si verificano generalmente solo una volta su 10-10 quando i genomi vengono replicati all’interno della cellula. Questo si ottiene grazie all’attività di proofreading delle DNA polimerasi stesse e ad altri meccanismi di riparazione del DNA.
Figura 1. La DNA polimerasi richiede template e primer. In una forcella di replicazione in crescita, singoli filamenti di DNA forniti dalla DNA elicasi servono come templi per la DNA polimerasi. Gli enzimi sintetizzano i legami fosfodiesteri tra l’estremità 3′ del primer, il filamento appena sintetizzato, e il deossiribonucleotide trifosfato che è correttamente accoppiato in base con il filamento modello. Qui viene mostrata schematicamente solo la sintesi del filamento principale.
La relazione template-prodotto è molto importante nel trasferimento delle informazioni genetiche nei sistemi biologici. Tuttavia, la natura fisico-chimica della relazione stessa non è sufficientemente accurata per eseguire i processi biologici regolati con precisione, e molte proteine si sono evolute per riparare gli errori che inevitabilmente ne derivano.