РНК-полимераза 1 (также известная как Pol I ) у высших эукариот представляет собой полимеразу , которая транскрибирует только рибосомальную РНК (но не 5S рРНК , которая синтезируется РНК-полимеразой III ), тип РНК, на долю которого приходится более 50% Тотальная РНК, синтезируемая в клетке . [1]
Pol I представляет собой фермент массой 590 кДа, состоящий из 14 белковых субъединиц ( полипептидов ), и его кристаллическая структура в дрожжах Saccharomyces cerevisiae была решена с разрешением 2,8 Å в 2013 году. [2] Двенадцать его субъединиц имеют идентичные или родственные аналоги в РНК-полимеразе. II (Pol II) и РНК-полимераза III (Pol III). Две другие субъединицы связаны с факторами инициации Pol II и имеют структурные гомологи с Pol III.
Транскрипция рибосомальной ДНК ограничена ядрышком , где присутствует около 400 копий гена рДНК размером 42,9 т.п.н., расположенных в виде тандемных повторов в областях организатора ядрышка . Каждая копия содержит последовательность ~13,3 т.п.н., кодирующую молекулы РНК 18S , 5,8S и 28S , переплетенную с двумя внутренними транскрибируемыми спейсерами , ITS1 и ITS2, и фланкированную выше 5'-внешнего транскрибируемого спейсера и нижестоящего 3'-внешнего транскрибируемого спейсера. проставка. [3] [4] Эти компоненты транскрибируются вместе с образованием 45S пре-рРНК. [5] Пре-рРНК 45S затем посттранскрипционно расщепляется мяРНК C/D-боксом и H/ACA-боксом , [6] удаляя два спейсера и приводя к образованию трех рРНК посредством сложной серии шагов. [7] 5S-рибосомальная РНК транскрибируется Pol III. Из-за простоты транскрипции Pol I это самая быстродействующая полимераза, на которую приходится до 60% уровней клеточной транскрипции в экспоненциально растущих клетках.
У Saccharomyces cerevisiae 5S рДНК имеет необычную особенность: находится внутри повтора рДНК. Он окружен нетранскрибируемыми спейсерами NTS1 и NTS2 и транскрибируется в обратном направлении с помощью Pol III отдельно от остальной части рДНК. [7]
Скорость роста клеток напрямую зависит от скорости синтеза белка, который сам по себе неразрывно связан 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 рибосомальной ДНК человека, стимулируя транскрипцию рРНК с помощью РНК-полимеразы I. [8] Были идентифицированы два конкретных механизма, обеспечивающих надлежащий контроль синтеза рРНК и опосредованной Pol I транскрипции.
Учитывая большое количество генов рДНК (несколько сотен), доступных для транскрипции, первый механизм предполагает корректировку количества генов, транскрибируемых в определенное время. В клетках млекопитающих количество активных генов рДНК варьируется в зависимости от типа клеток и уровня дифференцировки . В целом, поскольку клетка становится более дифференцированной, ей требуется меньше роста и, следовательно, будет наблюдаться снижение синтеза рРНК и уменьшение количества транскрибируемых генов рДНК. Когда синтез рРНК стимулируется, SL1 (фактор селективности 1) связывается с промоторами генов рДНК, которые ранее молчали, и рекрутирует пре-инициаторный комплекс, с которым связывается Pol I и начинает транскрипцию рРНК.
Изменения транскрипции рРНК также могут происходить за счет изменения скорости транскрипции. Хотя точный механизм, посредством которого Pol I увеличивает скорость транскрипции, пока неизвестен, данные показали, что синтез рРНК может увеличиваться или уменьшаться без изменения количества активно транскрибируемой рДНК.
В процессе транскрипции (любой полимеразой) выделяют три основных этапа:
Pol I не требует блока TATA в промоторе, вместо этого он полагается на вышестоящий элемент управления (UCE), расположенный между -200 и -107, и основной элемент, расположенный между -45 и +20. [9] [10]
Обратите внимание, что этот процесс неодинаков у разных организмов. [10]
Когда Pol I ускользает и очищает промотор, UBF и SL1 остаются связанными с промотором, готовые рекрутировать другой Pol I. Действительно, каждый активный ген рДНК может транскрибироваться несколько раз одновременно, в отличие от генов, транскрибируемых Pol II, которые связываются только с один комплекс 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, действительно транскрибируется через нуклеосомы, либо в обход, либо разрушая их, возможно, благодаря активности ремоделирования 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 паузу Pol I. По мере продвижения Pol I по рДНК суперспирали формируются как впереди, так и позади комплекса. Они раскручиваются топоизомеразой I или II через регулярные промежутки времени, подобно тому, что наблюдается при транскрипции, опосредованной Pol II. [ нужна цитата ]
Элонгация, вероятно, будет прервана в местах повреждения ДНК. Репарация, связанная с транскрипцией, происходит аналогично генам, транскрибируемым Pol II, и требует присутствия нескольких белков репарации ДНК, таких как TFIIH, CSB и XPG.
У высших эукариот TTF-I связывается и изгибает сайт терминации на 3'-конце транскрибируемой области. Это заставит Пола I сделать паузу. TTF-I с помощью фактора высвобождения транскрипта PTRF и Т-богатой области побуждает Pol I завершить транскрипцию и диссоциировать от ДНК и нового транскрипта. Данные свидетельствуют о том, что терминация может ограничивать скорость в случаях высокой продукции рРНК. TTF-I и PTRF затем будут косвенно стимулировать повторную инициацию транскрипции Pol I в том же гене рДНК. У таких организмов, как почкующиеся дрожжи, этот процесс кажется гораздо более сложным и до сих пор полностью не выяснен. [ нужна цитата ]
Горячие точки рекомбинации — это последовательности ДНК , которые усиливают локальную рекомбинацию . Последовательность HOT1 у дрожжей является одной из наиболее хорошо изученных горячих точек митотической рекомбинации. Последовательность HOT1 включает промотор транскрипции РНК - полимеразы I. В мутантном штамме дрожжей, дефектном по РНК-полимеразе I, активность HOT1 по стимулированию рекомбинации отменена. Уровень транскрипционной активности РНК-полимеразы I, который зависит от промотора в последовательности HOT1, по-видимому, определяет уровень близлежащей митотической рекомбинации. [13]