stringtranslate.com

РНК-полимераза I

РНК-полимераза 1 (также известная как Pol I ) — это полимераза у высших эукариот , которая транскрибирует только рибосомальную РНК (но не 5S рРНК , которая синтезируется РНК-полимеразой III ), тип РНК, на долю которого приходится более 50% от общего количества РНК, синтезируемой в клетке . [1]

Структура и функции

Pol I — это фермент массой 590 кДа, состоящий из 14 белковых субъединиц ( полипептидов ), и его кристаллическая структура в дрожжах Saccharomyces cerevisiae была решена с разрешением 2,8Å в 2013 году. [2] Двенадцать его субъединиц имеют идентичные или родственные аналоги в РНК-полимеразе II (Pol II) и РНК-полимеразе III (Pol III). Две другие субъединицы связаны с факторами инициации Pol II и имеют структурные гомологи в Pol III.

Транскрипция рибосомной ДНК ограничена ядрышком , где присутствует около 400 копий гена рДНК размером 42,9 кб, расположенных в виде тандемных повторов в организующих областях ядрышка . Каждая копия содержит последовательность размером ~13,3 кб, кодирующую молекулы РНК 18S , 5.8S и 28S , переплетенные с двумя внутренними транскрибируемыми спейсерами , ITS1 и ITS2, и фланкированные выше 5'-внешним транскрибируемым спейсером и ниже 3'-внешним транскрибируемым спейсером. [3] [4] Эти компоненты транскрибируются вместе, образуя пре-рРНК 45S . [5] Затем пре-рРНК 45S посттранскрипционно расщепляется snoRNA C/D-box и H/ACA-box , [6] удаляя два спейсера и в результате чего получаются три рРНК посредством сложной серии шагов. [7] 5S рибосомальная РНК транскрибируется Pol III. Благодаря простоте транскрипции Pol I, это самая быстродействующая полимераза, которая обеспечивает до 60% клеточных уровней транскрипции в экспоненциально растущих клетках.

В Saccharomyces cerevisiae 5S рДНК имеет необычную особенность: она лежит внутри повтора рДНК. Она окружена нетранскрибируемыми спейсерами NTS1 и NTS2 и транскрибируется в обратном направлении Pol III, отдельно от остальной рДНК. [7]

Регуляция транскрипции рРНК

Скорость роста клеток напрямую зависит от скорости синтеза белка, которая сама по себе неразрывно связана с синтезом рибосом и транскрипцией рРНК. Таким образом, внутриклеточные сигналы должны координировать синтез рРНК с синтезом других компонентов трансляции белка. Известно, что Myc связывается с человеческой рибосомной ДНК, чтобы стимулировать транскрипцию рРНК РНК-полимеразой I. [8] Были идентифицированы два конкретных механизма, обеспечивающих надлежащий контроль синтеза рРНК и транскрипции, опосредованной Pol I.

Учитывая большое количество генов рДНК (несколько сотен), доступных для транскрипции, первый механизм включает корректировку количества генов, транскрибируемых в определенное время. В клетках млекопитающих количество активных генов рДНК варьируется в зависимости от типа клеток и уровня дифференциации . В целом, по мере того, как клетка становится более дифференцированной, ей требуется меньше роста и, следовательно, будет наблюдаться снижение синтеза рРНК и снижение транскрибируемых генов рДНК. Когда синтез рРНК стимулируется, SL1 (фактор селективности 1) будет связываться с промоторами генов рДНК , которые ранее молчали, и привлекать преинициативный комплекс, с которым свяжется Pol I и начнет транскрипцию рРНК.

Изменения в транскрипции рРНК также могут происходить через изменения скорости транскрипции. Хотя точный механизм, посредством которого Pol I увеличивает скорость транскрипции, пока неизвестен, данные показывают, что синтез рРНК может увеличиваться или уменьшаться без изменения количества активно транскрибируемых рДНК.

Цикл транскрипции

В процессе транскрипции (любой полимеразой) выделяют три основных этапа:

  1. Инициация: построение комплекса РНК-полимеразы на промоторе гена с помощью факторов транскрипции.
  2. Удлинение: фактическая транскрипция большей части гена в соответствующую последовательность РНК.
  3. Терминация: прекращение транскрипции РНК и разборка комплекса РНК-полимеразы.

Инициация

Pol I не требует наличия ТАТА-бокса в промоторе, вместо этого он полагается на элемент управления выше по течению (UCE), расположенный между -200 и -107, и элемент ядра, расположенный между -45 и +20. [9] [10]

  1. Димерный эукариотический фактор связывания ( UBF ) связывает UCE и основной элемент.
  2. UBF привлекает и связывает белковый комплекс, называемый SL1 у людей (или TIF-IB у мышей), состоящий из TATA-связывающего белка (TBP) и трех TBP-ассоциированных факторов (TAF). [11] [12]
  3. Димер UBF содержит несколько групповых блоков с высокой подвижностью ( HMG-boxes ), которые вводят петли в область выше по течению, позволяя UCE и элементам ядра вступать в контакт.
  4. RRN3 /TIF-IA фосфорилируется и связывается с Pol I.
  5. Pol I связывается с комплексом UBF/SL1 через RRN3/TIF-IA, и начинается транскрипция.

Обратите внимание, что этот процесс различен у разных организмов. [10]

Удлинение

Когда Pol I ускользает и очищает промотор, UBF и SL1 остаются связанными с промотором, готовыми рекрутировать другой Pol I. Действительно, каждый активный ген рДНК может транскрибироваться несколько раз одновременно, в отличие от генов, транскрибируемых Pol II, которые ассоциируются только с одним комплексом за раз. Хотя элонгация протекает беспрепятственно in vitro, на данный момент неясно, происходит ли этот процесс в клетке, учитывая наличие нуклеосом . Pol I, по-видимому, транскрибируется через нуклеосомы, либо обходя их, либо разрушая, возможно, с помощью деятельности по ремоделированию хроматина. Кроме того, UBF может также действовать как положительная обратная связь, усиливая элонгацию Pol I посредством антирепрессорной функции. Дополнительный фактор, TIF-IC, также может стимулировать общую скорость транскрипции и подавлять остановку Pol I. По мере продвижения Pol I вдоль рДНК суперспирали образуются как перед комплексом, так и за ним. Они раскручиваются топоизомеразой I или II через регулярные интервалы времени, подобно тому, что наблюдается при транскрипции, опосредованной Pol II. [ необходима цитата ]

Удлинение, вероятно, прерывается в местах повреждения ДНК. Репарация, связанная с транскрипцией, происходит аналогично транскрибируемым генам Pol II и требует присутствия нескольких белков репарации ДНК, таких как TFIIH, CSB и XPG.

Прекращение

У высших эукариот TTF-I связывает и изгибает сайт терминации на 3'-конце транскрибируемой области. Это заставит Pol I остановиться. TTF-I с помощью фактора высвобождения транскрипта PTRF и богатой T области заставит Pol I прекратить транскрипцию и отделиться от ДНК и нового транскрипта. Данные свидетельствуют о том, что терминация может быть лимитирующей в случаях высокой продукции рРНК. Затем TTF-I и PTRF будут косвенно стимулировать повторную инициацию транскрипции Pol I в том же гене рДНК. У таких организмов, как почкующиеся дрожжи, процесс, по-видимому, гораздо сложнее и до сих пор не полностью изучен. [ необходима цитата ]

Точка рекомбинации

Горячие точки рекомбинации — это последовательности ДНК , которые увеличивают локальную рекомбинацию . Последовательность HOT1 в дрожжах является одной из наиболее хорошо изученных горячих точек митотической рекомбинации. Последовательность HOT1 включает в себя промотор транскрипции РНК-полимеразы I. В мутантном штамме дрожжей, дефектном по РНК-полимеразе I, активность HOT1 в продвижении рекомбинации отменена. Уровень активности транскрипции РНК-полимеразы I, который зависит от промотора в последовательности HOT1, по-видимому, определяет уровень близлежащей митотической рекомбинации. [13]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Рассел, Джеки; Зомердайк, Йост CBM (2006). «Транскрипционный аппарат РНК-полимеразы I». Симпозиум Биохимического общества . 73 (73): 203–16. doi :10.1042/bss0730203. PMC  3858827. PMID  16626300 .
  2. ^ Энгель, Кристоф; Сейнсбери, Сара; Чунг, Алан К.; Кострева, Дирк; Крамер, Патрик (23 октября 2013 г.). «Структура РНК-полимеразы I и регуляция транскрипции». Nature . 502 (7473): 650–655. Bibcode :2013Natur.502..650E. doi :10.1038/nature12712. hdl : 11858/00-001M-0000-0015-3B48-5 . PMID  24153182. S2CID  205236187.
  3. ^ Центнер, Габриэль Э; Саяхова, Алина; Манаенков Павел; Адамс, Марк Д; Скакери, Питер С. (25 февраля 2011 г.). «Интегративный геномный анализ рибосомальной ДНК человека». Исследования нуклеиновых кислот . 39 (12): 4949–4960. дои : 10.1093/nar/gkq1326. ПМК 3130253 . ПМИД  21355038. 
  4. ^ Edger, Patrick P; Tang, Michelle; Bird, Kevin A; Mayfield, Dustin R; Conant, Gavin; Mummenhoff, Klaus; Koch, Marcus A; Pires, J Chris (1 июля 2014 г.). "Анализ вторичной структуры внутренних транскрибируемых спейсеров ядерной рРНК и оценка ее филогенетической полезности в семействе капустных (горчичных)". PLOS ONE . 9 (7): e101341. Bibcode : 2014PLoSO...9j1341E. doi : 10.1371/journal.pone.0101341 . PMC 4077792. PMID  24984034 . 
  5. ^ Эпплинг, Дин; Энтони-Кахилл, Спенсер; Мэтьюз, Кристофер (2016). Биохимия: концепции и связи . Хобокен, Нью-Джерси: Pearson. стр. 742. ISBN 978-0-321-83992-3.
  6. ^ Уоткинс, Николас Дж.; Бонсак, Маркус Т. (май 2012 г.). «Коробка C/D и H/ACA snoRNP: ключевые игроки в модификации, обработке и динамическом сворачивании рибосомальной РНК». Wiley Interdisciplinary Reviews: РНК . 3 (3): 397–414. doi :10.1002/wrna.117. PMID  22065625. S2CID  25766812.
  7. ^ ab Venema, Jaap; Tollervey, David (декабрь 1999 г.). «Синтез рибосом в Saccharomyces cerevisiae». Annual Review of Genetics . 33 (1): 261–311. doi :10.1146/annurev.genet.33.1.261. PMID  10690410.
  8. ^ Грандори, Карла; Гомес-Роман, Нативидад; Фелтон-Эдкинс, Зои А.; Нгуэнет, Селин; Гэллоуэй, Дениз А.; Эйзенман, Роберт Н.; Уайт, Роберт Дж. (20 февраля 2005 г.). "c-Myc связывается с человеческой рибосомальной ДНК и стимулирует транскрипцию генов рРНК РНК-полимеразой I". Nature Cell Biology . 7 (3): 311–318. doi :10.1038/ncb1224. PMID  15723054. S2CID  8913931.
  9. ^ Jantzen, Hans-Michael; Admon, Arie; Bell, Stephen P.; Tjian, Robert (26 апреля 1990 г.). «Ядрышковый фактор транскрипции hUBF содержит мотив связывания ДНК с гомологией с белками HMG». Nature . 344 (6269): 830–836. Bibcode :1990Natur.344..830J. doi : 10.1038/344830a0 . PMID  2330041. S2CID  4280039.
  10. ^ ab Grummt, Ingrid (15 июля 2003 г.). «Жизнь на своей планете: регуляция транскрипции РНК-полимеразы I в ядрышке». Genes & Development . 17 (14): 1691–1702. doi : 10.1101/gad.1098503R . PMID  12865296 . Получено 16 декабря 2014 г. .
  11. ^ Learned, R Marc; Cordes, Sabine; Tjian, Robert (июнь 1985 г.). «Очистка и характеристика фактора транскрипции, который придает специфичность промотора человеческой РНК-полимеразе I». Molecular and Cellular Biology . 5 (6): 1358–69. doi :10.1128/MCB.5.6.1358. PMC 366865 . PMID  3929071. 
  12. ^ Clos, Joachim; Buttgereit, Detlev; Grummt, Ingrid (февраль 1986 г.). «Очищенный фактор транскрипции (TIF-IB) связывается с необходимыми последовательностями промотора рДНК мыши». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 83 (3): 604–8. Bibcode : 1986PNAS...83..604C. doi : 10.1073 /pnas.83.3.604 . PMC 322912. PMID  3456157. 
  13. ^ Serizawa N, Horiuchi T, Kobayashi T (2004). «Транскрипционно-опосредованная гиперрекомбинация в HOT1». Genes Cells . 9 (4): 305–15. doi :10.1111/j.1356-9597.2004.00729.x. PMID  15066122.