stringtranslate.com

Эукариотическая транскрипция

Эукариотическая транскрипция

Транскрипция эукариот — это сложный процесс, который эукариотические клетки используют для копирования генетической информации, хранящейся в ДНК, в единицы транспортабельной комплементарной реплики РНК . [1] Транскрипция генов происходит как в эукариотических, так и в прокариотических клетках. В отличие от прокариотической РНК-полимеразы, которая инициирует транскрипцию всех типов РНК, РНК-полимераза у эукариот (включая человека) существует в трех вариациях, каждая из которых транслирует разные типы генов. Эукариотическая клетка имеет ядро, разделяющее процессы транскрипции и трансляции . Транскрипция эукариот происходит внутри ядра, где ДНК упаковывается в нуклеосомы и структуры хроматина более высокого порядка. Сложность генома эукариот требует большого разнообразия и сложности контроля экспрессии генов.

Транскрипция эукариот протекает в три последовательные стадии: инициация, элонгация и терминация. [1]

Транскрибируемые РНК выполняют разнообразные функции. Например, структурные компоненты рибосомы транскрибируются РНК-полимеразой I. Гены, кодирующие белки, транскрибируются РНК-полимеразой II в информационные РНК (мРНК), которые переносят информацию от ДНК к месту синтеза белка. [1] Более широко распространены так называемые некодирующие РНК, на которые приходится большая часть транскрипционной продукции клетки. [2] Эти некодирующие РНК выполняют множество важных клеточных функций. [2]

РНК-полимераза

У эукариот есть три ядерные РНК-полимеразы, каждая из которых имеет разные роли и свойства. [3] [4]

РНК-полимераза I (Pol I) катализирует транскрипцию всех генов рРНК, кроме 5S. [3] [4] Эти гены рРНК организованы в единую транскрипционную единицу и транскрибируются в непрерывный транскрипт. Этот предшественник затем процессируется в три рРНК: 18S, 5,8S и 28S. Транскрипция генов рРНК происходит в специализированной структуре ядра, называемой ядрышком [5] , где транскрибируемые рРНК объединяются с белками с образованием рибосом . [6]

РНК-полимераза II (Pol II) отвечает за транскрипцию всех мРНК, некоторых мяРНК, миРНК и всех микроРНК. [3] [4] Многие транскрипты Pol II существуют временно в виде одноцепочечных РНК-предшественников (пре-РНК), которые далее процессируются для создания зрелых РНК. [1] Например, мРНК-предшественники (пре-мРНК) подвергаются интенсивному процессингу перед выходом в цитоплазму через ядерную пору для трансляции белка.

РНК-полимераза III (Pol III) транскрибирует небольшие некодирующие РНК, включая тРНК, 5S рРНК, мяРНК U6, SRP РНК и другие стабильные короткие РНК, такие как РНК рибонуклеазы P. [7]

Структура эукариотической РНК-полимеразы II (голубой) в комплексе с α-аманитином (красный), сильным ядом, обнаруженным в грибах-смертниках, который нацелен на этот жизненно важный фермент.

РНК-полимеразы I, II и III содержат 14, 12 и 17 субъединиц соответственно. [8] Все три эукариотические полимеразы имеют пять основных субъединиц, которые проявляют гомологию с субъединицами β, β', αI , αII и ω РНК-полимеразы E. coli. Идентичная ω-подобная субъединица (RBP6) используется всеми тремя эукариотическими полимеразами, тогда как одни и те же α-подобные субъединицы используются Pol I и III. Три эукариотические полимеразы имеют между собой еще четыре общие субъединицы. Остальные субъединицы уникальны для каждой РНК-полимеразы. Дополнительные субъединицы, обнаруженные в Pol I и Pol III по сравнению с Pol II, гомологичны транскрипционным факторам Pol II. [8]

Кристаллические структуры РНК-полимераз I [9] и II [10] дают возможность понять взаимодействия между субъединицами и молекулярный механизм эукариотической транскрипции в атомных деталях.

Карбокси -концевой домен (CTD) RPB1 , крупнейшей субъединицы РНК-полимеразы II, играет важную роль в объединении механизмов, необходимых для синтеза и обработки транскриптов Pol II. [11] Длинный и структурно неупорядоченный CTD содержит множественные повторы гептапептидной последовательности YSPTSPS, которые подвергаются фосфорилированию и другим посттрансляционным модификациям во время цикла транскрипции. Эти модификации и их регуляция составляют операционный код CTD для контроля инициации, элонгации и терминации транскрипции, а также для объединения транскрипции и процессинга РНК. [11]

Инициация

Инициация транскрипции генов у эукариот происходит в определенные этапы. [1] Во-первых, РНК-полимераза вместе с общими факторами транскрипции связывается с промоторной областью гена, образуя закрытый комплекс, называемый преинициационным комплексом . Последующий переход комплекса из закрытого состояния в открытое приводит к плавлению или разделению двух цепей ДНК и расположению матричной цепи к активному центру РНК-полимеразы. Без необходимости использования праймера РНК-полимераза может инициировать синтез новой цепи РНК, используя матричную цепь ДНК, чтобы управлять выбором рибонуклеотидов и химией полимеризации. [1] Однако многие из начатых синтезов прерываются до того, как транскрипты достигают значительной длины (~ 10 нуклеотидов). Во время этих абортивных циклов полимераза продолжает создавать и высвобождать короткие транскрипты, пока не сможет производить транскрипт, длина которого превышает десять нуклеотидов. Как только этот порог достигается, РНК-полимераза проходит промотор, и транскрипция переходит в фазу элонгации. [1]

Вот схема прикрепления РНК-полимеразы II к деспирализованной ДНК. Кредит: Форлувофт.

Эукариотические промоторы и общие факторы транскрипции

Гены, транскрибируемые Pol II, содержат область в непосредственной близости от сайта начала транскрипции (TSS), которая связывает и позиционирует преинициативный комплекс. Эта область называется коровым промотором из-за ее важной роли в инициации транскрипции. [12] [13] В промоторах обнаружены различные классы элементов последовательности. Например, ТАТА-бокс представляет собой высококонсервативную последовательность ДНК, распознающую белок, связывающий ТАТА-бокс, TBP , связывание которого инициирует сборку транскрипционного комплекса во многих генах.

Гены эукариот также содержат регуляторные последовательности помимо основного промотора. Эти цис-действующие контрольные элементы связывают активаторы или репрессоры транскрипции, увеличивая или уменьшая транскрипцию с основного промотора. Хорошо изученные регуляторные элементы включают энхансеры , сайленсеры и инсуляторы . Эти регуляторные последовательности могут распространяться на большие геномные расстояния, иногда располагаясь на расстоянии сотен тысяч оснований от основных промоторов. [1]

Общие факторы транскрипции представляют собой группу белков, участвующих в инициации и регуляции транскрипции. [1] Эти факторы обычно имеют ДНК-связывающие домены, которые связывают определенные элементы последовательности основного промотора и помогают рекрутировать РНК-полимеразу в сайт начала транскрипции. Общие факторы транскрипции РНК-полимеразы II включают TFIID , TFIIA , TFIIB , TFIIF , TFIIE и TFIIH . [1] [14] [15]

Сборка прединициационного комплекса

Транскрипция, полный набор общих факторов транскрипции и РНК-полимераза должны быть собраны на коровом промоторе, чтобы сформировать преинициативный комплекс размером ~2,5 млн Дальтон. [16] Например, для промоторов, которые содержат ТАТА-бокс рядом с TSS, распознавание ТАТА-бокса субъединицей TBP TFIID инициирует сборку транскрипционного комплекса. Следующими белками, которые вступят в игру, являются TFIIA и TFIIB, которые стабилизируют комплекс ДНК-TFIID и рекрутируют Pol II в сочетании с TFIIF и дополнительными факторами транскрипции. TFIIB служит мостом между TATA-связанным TBP и РНК-полимеразой. Это также помогает разместить активный центр полимеразы в правильном положении для инициации транскрипции. Одним из последних транскрипционных факторов, которые будут рекрутированы в преинициативный комплекс, является TFIIH, который играет важную роль в плавлении и уходе промотора. [17]

На схеме изображен эукариотический преинициативный комплекс, который включает общие факторы транскрипции и РНК-полимеразу II. Кредит: АрнеЛХ.

Плавление промотора и образование открытого комплекса

Для генов, транскрибируемых pol II, в отличие от бактериальной РНК-полимеразы, плавление промотора требует гидролиза АТФ и опосредовано TFIIH. [17] TFIIH представляет собой белок, состоящий из десяти субъединиц, включающий как АТФазную , так и протеинкиназную активности. [18] В то время как расположенная выше промоторная ДНК удерживается в фиксированном положении с помощью TFIID, TFIIH втягивает расположенную ниже двухцепочечную ДНК в расщелину полимеразы, вызывая разделение цепей ДНК и переход преинициативного комплекса из закрытого в открытое состояние. . TFIIB способствует образованию открытого комплекса, связывая расплавленную ДНК и стабилизируя транскрипционный пузырь .

Абортивное инициирование

Как только инициирующий комплекс открыт, первый рибонуклеотид вводится в активный центр, чтобы инициировать реакцию полимеризации в отсутствие праймера. [1] При этом образуется зарождающаяся цепь РНК, которая образует гетеродуплекс с цепью матричной ДНК. Однако перед входом в фазу элонгации полимераза может преждевременно завершить свою работу и высвободить короткий усеченный транскрипт. Этот процесс называется абортивной инициацией. [19] Многие циклы абортивной инициации могут произойти до того, как транскрипт вырастет до достаточной длины, чтобы способствовать выходу полимеразы из промотора. Во время абортивных циклов инициации РНК-полимераза остается связанной с промотором и втягивает ДНК в свою каталитическую щель сжимающими движениями. [19]

Побег промоутера

Когда транскрипт достигает пороговой длины в десять нуклеотидов, он попадает в канал выхода РНК. [1] Полимераза разрывает взаимодействие с элементами промотора и любыми регуляторными белками, связанными с инициирующим комплексом, которые ей больше не нужны. [20] Ускользание промотора у эукариот требует гидролиза АТФ и, в случае Pol II, фосфорилирования CTD. Тем временем транскрипционный пузырь схлопывается до 12-14 нуклеотидов, обеспечивая кинетическую энергию, необходимую для выхода. [1]

Удлинение

После выхода из промотора и потери большей части факторов транскрипции для инициации полимераза приобретает новые факторы для следующей фазы транскрипции: элонгации. [21] [22] Элонгация транскрипции — процессивный процесс. Двухцепочечная ДНК, которая входит в переднюю часть фермента, расстегивается, чтобы использовать цепь матрицы для синтеза РНК. Для каждой пары оснований ДНК , разделенной продвигающейся полимеразой, немедленно образуется одна гибридная пара оснований РНК:ДНК. Нити ДНК и возникающая цепь РНК выходят из отдельных каналов; две цепи ДНК воссоединяются на заднем конце транскрипционного пузыря, в то время как одноцепочечная РНК появляется одна.

Факторы удлинения

Среди белков, рекрутируемых в полимеразу, есть факторы элонгации, названные так потому, что они стимулируют элонгацию транскрипции. [23] Существуют различные классы факторов удлинения. Некоторые факторы могут увеличить общую скорость транскрипции, некоторые могут помочь полимеразе пройти через сайты временной паузы, а некоторые могут помочь полимеразе транскрибировать через хроматин. [24] Один из факторов элонгации, P-TEFb , особенно важен. [25] P-TEFb фосфорилирует второй остаток (Ser-2) CTD-повторов (YSPTSPS) связанного Pol II. P-TEFb также фосфорилирует и активирует SPT5 и TAT-SF1. SPT5 является универсальным фактором транскрипции, который помогает рекрутировать 5'-кэпирующий фермент к Pol II с помощью CTD, фосфорилированного по Ser-5. TAF-SF1 рекрутирует компоненты механизма сплайсинга РНК к фосфорилированному Ser-2 CTD. P-TEFb также помогает подавлять временную паузу полимеразы, когда она встречает определенные последовательности сразу после инициации. [25]

Точность транскрипции

Точность транскрипции достигается за счет нескольких механизмов. РНК-полимеразы выбирают правильный субстрат нуклеозидтрифосфата (NTP), чтобы предотвратить ошибки транскрипции. Только тот NTP, основания которого правильно соединяются с кодирующим основанием ДНК, допускаются в активный центр. [26] [27] РНК-полимераза выполняет две известные функции корректуры для обнаружения и удаления неправильно включенных нуклеотидов: пирофосфорилитическое редактирование и гидролитическое редактирование. [1] Первый вариант удаляет неправильно вставленный рибонуклеотид путем простого обращения вспять реакции полимеризации, а второй включает возврат полимеразы и расщепление сегмента РНК-продукта, содержащего ошибку. Фактор элонгации TFIIS ( InterPro :  IPR006289 ; TCEA1 , TCEA2 , TCEA3) стимулирует присущую полимеразе рибонуклеазную активность, позволяя удалять неправильно включенные основания посредством ограниченной локальной деградации РНК. [28] Обратите внимание, что все реакции (синтез фосфодиэфирной связи, пирофосфоролиз, гидролиз фосфодиэфирной связи) осуществляются РНК-полимеразой с использованием одного активного центра. [29]

Пауза, балансирование и возврат назад

Элонгация транскрипции не является плавным движением по двухцепочечной ДНК, поскольку РНК-полимераза подвергается обширной котранскрипционной паузе во время элонгации транскрипции. [30] [31] В общем, РНК-полимераза II не транскрибирует ген с постоянной скоростью. Скорее, он периодически делает паузу в определенных последовательностях, иногда на длительные периоды времени, прежде чем возобновить транскрипцию. [32] Эта пауза особенно выражена в нуклеосомах и частично возникает из-за того, что полимераза переходит в транскрипционно некомпетентное состояние обратного отслеживания. [30] Продолжительность этих пауз варьируется от секунд до минут и более, а выходу из долгоживущих пауз могут способствовать такие факторы удлинения, как TFIIS. [33]

Эта пауза также иногда используется для корректуры; здесь полимераза возвращается, стирает часть уже созданной РНК и снова предпринимает попытку транскрипции. [1] В крайних случаях, например, когда полимераза встречает поврежденный нуклеотид, она полностью останавливается. Чаще всего удлиняющаяся полимераза останавливается возле промотора. [32] Проксимальная промоторная пауза во время ранней элонгации является широко используемым механизмом регуляции генов, готовых к быстрой или скоординированной экспрессии. Пауза опосредуется комплексом под названием NELF (фактор отрицательного удлинения) в сотрудничестве с DSIF (фактор, индуцирующий чувствительность DRB, содержащий SPT4/SPT5). [34] Блокировка снимается, как только полимераза получает сигнал активации, такой как фосфорилирование Ser-2 хвоста CTD с помощью P-TEFb. Другие факторы элонгации, такие как ELL и TFIIS, стимулируют скорость элонгации, ограничивая продолжительность паузы полимеразы. [1]

обработка РНК

Элонгирующая полимераза связана с набором белковых факторов, необходимых для различных типов процессинга РНК. [1] мРНК кэпируется, как только она выходит из канала выхода РНК полимеразы. После кэпирования дефосфорилирование Ser-5 в повторах CTD может быть ответственным за диссоциацию аппарата кэпирования. Дальнейшее фосфорилирование Ser-2 вызывает задействование механизма сплайсинга РНК, который катализирует удаление некодирующих интронов для генерации зрелой мРНК. [1] Альтернативный сплайсинг расширяет белковый состав у эукариот. Так же, как и в случае с 5'-кэпированием и сплайсингом, хвост CTD участвует в рекрутировании ферментов, ответственных за 3'-полиаденилирование , последнее событие процессинга РНК, которое связано с терминацией транскрипции. [1]

Прекращение действия

Последней стадией транскрипции является терминация, которая приводит к диссоциации полного транскрипта и высвобождению РНК-полимеразы из матричной ДНК. Этот процесс различен для каждой из трех РНК-полимераз. [35] Механизм терминации наименее изучен из трех стадий транскрипции.

Факторно-зависимый

Терминация транскрипции генов пре-рРНК полимеразой Pol I осуществляется системой, которой необходим специфический фактор терминации транскрипции. [3] Используемый механизм имеет некоторое сходство с rho-зависимым терминированием у прокариот. [36] Эукариотические клетки содержат сотни повторов рибосомальной ДНК, иногда распределенных по нескольким хромосомам. Терминация транскрипции происходит в рибосомальной межгенной спейсерной области, которая содержит несколько сайтов терминации транскрипции выше сайта паузы Pol I. По пока неизвестному механизму 3'-конец транскрипта расщепляется, образуя большую первичную молекулу рРНК, которая далее процессируется в зрелые 18S, 5,8S и 28S рРНК.

Когда Pol II достигает конца гена, два белковых комплекса, переносимые CTD, CPSF (фактор специфичности расщепления и полиаденилирования) и CSTF (фактор стимуляции расщепления), распознают сигнал поли-А в транскрибируемой РНК. [35] Поли-А-связанные CPSF и CSTF привлекают другие белки для расщепления РНК и последующего полиаденилирования. Поли-А-полимераза добавляет около 200 аденинов к отщепленному 3'-концу РНК без матрицы. [35] Длинный хвост поли-А уникален для транскриптов, созданных Pol II.

В процессе терминации транскрипции с помощью Pol I и Pol II элонгационный комплекс не растворяется сразу после расщепления РНК. Полимераза продолжает двигаться вдоль матрицы, генерируя вторую молекулу РНК, связанную с комплексом элонгации. [1] Для объяснения того, как наконец достигается завершение, были предложены две модели. [35] Аллостерическая модель утверждает, что когда транскрипция проходит через последовательность терминации, она вызывает разборку факторов элонгации и/или сборку факторов терминации, которые вызывают конформационные изменения комплекса элонгации. [36] [37] Модель торпеды предполагает, что 5'-3'- экзонуклеаза разрушает вторую РНК, когда она выходит из элонгационного комплекса. Полимераза высвобождается, когда ее догоняет высокопроцессивная экзонуклеаза. Предполагается, что новая точка зрения будет отражать слияние этих двух моделей. [37]

Факторно-независимый

РНК-полимераза III может эффективно терминировать транскрипцию без участия дополнительных факторов. Сигнал терминации Pol III состоит из участка тимина (на нематричной цепи), расположенного в пределах 40 п.н. ниже 3'-конца зрелой РНК. [35] Сигнал завершения поли-Т приостанавливает Pol III.

Эукариотический контроль транскрипции

Регуляция экспрессии генов у эукариот достигается за счет взаимодействия нескольких уровней контроля, которые действуют как локально, включая или выключая отдельные гены в ответ на специфическую клеточную потребность, так и глобально, поддерживая паттерн экспрессии генов во всем хроматине, который формирует идентичность клеток. . [1] [38] Поскольку эукариотический геном обернут вокруг гистонов , образуя нуклеосомы и структуры хроматина более высокого порядка, субстраты для транскрипционного аппарата, как правило, частично скрыты. [1] Без регуляторных белков многие гены экспрессируются на низком уровне или не экспрессируются вообще. Транскрипция требует смещения расположенных нуклеосом, чтобы позволить транскрипционному аппарату получить доступ к ДНК. [39]

Все этапы транскрипции подлежат определенной степени регулирования. [1] Инициация транскрипции, в частности, является основным уровнем, на котором регулируется экспрессия генов. Нацеливание на начальный этап ограничения скорости является наиболее эффективным с точки зрения энергетических затрат для клетки. Инициация транскрипции регулируется цис-действующими элементами ( энхансерами , сайленсерами , изоляторами) в регуляторных областях ДНК, а также специфичными для последовательности транс-действующими факторами , которые действуют как активаторы или репрессоры. [1] Транскрипцию гена также можно регулировать после инициации, направляя движение элонгационной полимеразы. [40]

Глобальный контроль и эпигенетическая регуляция

Геном эукариот организован в компактную структуру хроматина, которая обеспечивает только регулируемый доступ к ДНК. Структура хроматина может быть глобально «открытой» и более допускающей транскрипцию или глобально «конденсированной» и транскрипционно неактивной. Первый ( эухроматин ) легко упакован и богат генами, находящимися в активной транскрипции. Последний ( гетерохроматин ) включает области с низким содержанием генов, такие как теломеры и центромеры , а также области с нормальной плотностью генов, но транскрипционно молчащие. Транскрипция может быть подавлена ​​модификацией гистонов ( деацетилирование и метилирование ), интерференцией РНК и/или метилированием ДНК . [41]

Паттерны экспрессии генов, определяющие идентичность клеток, наследуются посредством клеточного деления. [1] Этот процесс называется эпигенетической регуляцией . Метилирование ДНК надежно наследуется под действием поддерживающих метилаз, которые модифицируют возникающую цепь ДНК, образующуюся в результате репликации. [1] В клетках млекопитающих метилирование ДНК является основным маркером транскрипционно молчащих регионов. Специализированные белки могут распознавать маркер и рекрутировать деацетилазы и метилазы гистонов для восстановления молчания. Модификации нуклеосомных гистонов также могут наследоваться во время деления клеток, однако неясно, могут ли они работать независимо без направления метилирования ДНК. [1]

Ген-специфическая активация

Двумя основными задачами инициации транскрипции являются обеспечение РНК-полимеразы доступа к промотору и сборка общих факторов транскрипции с полимеразой в комплекс инициации транскрипции. Были идентифицированы разнообразные механизмы инициации транскрипции путем подавления ингибирующих сигналов на промоторе гена. [1] Эукариотические гены приобрели обширные регуляторные последовательности, которые охватывают большое количество сайтов связывания регуляторов и распределяют общие тысячи оснований (иногда сотни тысяч оснований) от промотора - как вверх, так и вниз. [1] Сайты связывания регуляторов часто группируются в единицы, называемые энхансерами. Энхансеры могут способствовать кооперативному действию нескольких факторов транскрипции (которые составляют энхансосомы ). Удаленные энхансеры позволяют регулировать транскрипцию на расстоянии. Инсуляторы, расположенные между энхансерами и промоторами, помогают определить гены, на которые энхансер может или не может влиять.

Эукариотические активаторы транскрипции имеют отдельные ДНК-связывающие и активирующие функции. [1] При связывании со своим цис-элементом активатор может напрямую рекрутировать полимеразу или рекрутировать другие факторы, необходимые для транскрипционного аппарата. Активатор может также рекрутировать нуклеосомные модификаторы, которые изменяют хроматин вблизи промотора и тем самым способствуют инициации. Несколько активаторов могут работать вместе, либо рекрутируя общий или два взаимозависимых компонента транскрипционного аппарата, либо помогая друг другу связываться со своими участками ДНК. [1] Эти взаимодействия могут синергизировать множество входных сигналов и вызывать сложные транскрипционные ответы для удовлетворения клеточных потребностей.

Геноспецифическая репрессия

Эукариотические репрессоры транскрипции имеют те же механизмы, что и их прокариотические аналоги. Например, связываясь с участком ДНК, который перекрывается с участком связывания активатора, репрессор может ингибировать связывание активатора. Но чаще эукариотические репрессоры ингибируют функцию активатора, маскируя его активирующий домен, предотвращая его ядерную локализацию, способствуя его деградации или инактивируя его посредством химических модификаций. [1] Репрессоры могут напрямую ингибировать инициацию транскрипции, связываясь с сайтом выше промотора и взаимодействуя с транскрипционным аппаратом. Репрессоры могут косвенно подавлять транскрипцию, привлекая модификаторы гистонов (деацетилазы и метилазы) или ферменты ремоделирования нуклеосом, которые влияют на доступность ДНК. [1] Репрессия модификаций гистонов и ДНК также является основой подавления транскрипции, которое может распространяться по хроматину и отключать множество генов. [42]

Контроль удлинения и прекращения

Фаза элонгации начинается после завершения сборки комплекса элонгации и продолжается до тех пор, пока не встретится последовательность терминации. [1] Постининициационное движение РНК-полимеразы является мишенью другого класса важных регуляторных механизмов. Например, активатор транскрипции Tat влияет на элонгацию, а не на инициацию во время регуляции транскрипции ВИЧ . [43] Фактически, многие эукариотические гены регулируются путем высвобождения блока элонгации транскрипции, называемого проксимальной паузой промотора. [44] Пауза может влиять на структуру хроматина на промоторах, облегчая активность генов и приводя к быстрым или синхронным транскрипционным ответам, когда клетки подвергаются воздействию сигнала активации. [32] Пауза связана со связыванием двух отрицательных факторов элонгации, DSIF (SPT4/SPT5) и NELF, с комплексом элонгации. Другие факторы также могут влиять на стабильность и продолжительность приостановленной полимеразы. [45] Выпуск паузы запускается рекрутированием киназы P-TEFb. [40]

Терминация транскрипции также стала важной областью регуляции транскрипции. Терминация сопровождается эффективной рециркуляцией полимеразы. [46] Факторы, связанные с терминацией транскрипции, также могут опосредовать зацикливание генов и тем самым определять эффективность повторной инициации.

Транскрипционно-связанная репарация ДНК

Когда транскрипция останавливается из-за повреждения транскрибируемой цепи гена, белки репарации ДНК привлекаются к остановленной РНК-полимеразе, чтобы инициировать процесс, называемый транскрипционно-связанной репарацией. [47] Центральное место в этом процессе занимает общий фактор транскрипции TFIIH, обладающий АТФазной активностью. TFIIH вызывает конформационные изменения полимеразы, обнажая запертый внутри транскрипционный пузырь, чтобы ферменты репарации ДНК получили доступ к повреждению. [48] ​​Таким образом, РНК-полимераза служит в клетке в качестве белка, чувствительного к повреждению, и нацеливает ферменты восстановления на гены, которые активно транскрибируются.

Сравнение прокариотической и эукариотической транскрипции

Транскрипция эукариот более сложна, чем транскрипция прокариот . Например, у эукариот генетический материал (ДНК) и, следовательно, транскрипция преимущественно локализованы в ядре, где он отделен от цитоплазмы (в которой происходит трансляция) ядерной мембраной. Это обеспечивает временную регуляцию экспрессии генов посредством секвестрации РНК в ядре и позволяет избирательно транспортировать зрелые РНК в цитоплазму. У бактерий нет отдельного ядра, отделяющего ДНК от рибосомы, и мРНК транслируется в белок сразу после транскрипции. Связь между этими двумя процессами обеспечивает важный механизм регуляции генов прокариот. [1]

На уровне инициации РНК-полимераза у прокариот (в частности, у бактерий) прочно связывается с промоторной областью и инициирует высокую базальную скорость транскрипции. Для перехода от близкого к открытому гидролиз АТФ не требуется, плавление промотора обусловлено реакциями связывания, которые благоприятствуют расплавленной конформации. Хроматин сильно затрудняет транскрипцию у эукариот. Для промотор-специфичной инициации необходима сборка большого мультибелкового преинициативного комплекса. Плавление промотора у эукариот требует гидролиза АТФ. В результате эукариотические РНК-полимеразы демонстрируют низкую базальную скорость инициации транскрипции. [42]

Регуляция транскрипции при раке

У позвоночных большинство промоторов генов содержат островок CpG с многочисленными сайтами CpG . [49] Когда многие сайты CpG промотора гена метилированы, ген замолкает. [50] Колоректальный рак обычно имеет от 3 до 6 мутаций водителя и от 33 до 66 мутаций автостопщика или пассажира. [51] Однако подавление транскрипции может иметь большее значение, чем мутация, в возникновении рака. Например, при колоректальном раке около 600–800 генов транскрипционно подавляются в результате метилирования CpG-островков (см. Регуляция транскрипции при раке ). Репрессия транскрипции при раке может также происходить за счет других эпигенетических механизмов, таких как изменение экспрессии микроРНК . [52] При раке молочной железы репрессия транскрипции BRCA1 может происходить чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК-182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке молочной железы и яичников ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab ac ad ae af ag ah ai Уотсон Дж., Бейкер Т.А., Белл С.П., Ганн А., Левин М., Лосик Р., Харрисон С.С. (2014). Молекулярная биология гена (7-е изд.). Издательская компания Бенджамина-Каммингса. ISBN 978-0-321-76243-6.
  2. ^ ab Mattick JS (ноябрь 2001 г.). «Некодирующие РНК: архитекторы эукариотической сложности». Отчеты ЭМБО . 2 (11): 986–91. doi : 10.1093/embo-reports/kve230. ПМЦ 1084129 . ПМИД  11713189. 
  3. ^ abcd Лодиш Х, Берк А, Кайзер CA, Кригер М, Бретшер А, Плох Х, Амон А, Скотт MP (02 мая 2012 г.). Молекулярно-клеточная биология (7-е изд.). Нью-Йорк: ISBN WH Freeman and Co. 9781429234139.
  4. ^ abc Крамер П., Армаш К.Дж., Баумли С., Бенкерт С., Брюкнер Ф., Бухен С., Дамсма Г.Е., Денгл С., Гейгер С.Р., Ясиак А.Дж., Джаухари А., Йеннебах С., Каменски Т., Кеттенбергер Х., Кун К.Д., Леманн Э., Лейке К., Сюдов Дж. Ф., Ваннини А. (2008). «Структура эукариотических РНК-полимераз». Ежегодный обзор биофизики . 37 : 337–52. doi :10.1146/annurev.biophys.37.032807.130008. hdl : 11858/00-001M-0000-0015-7BF0-E . PMID  18573085. S2CID  8818814.
  5. ^ Сирри В., Уркуки-Инчима С., Руссель П., Эрнандес-Верден Д. (январь 2008 г.). «Ядрышко: увлекательное ядерное тело». Гистохимия и клеточная биология . 129 (1): 13–31. дои : 10.1007/s00418-007-0359-6. ПМК 2137947 . ПМИД  18046571. 
  6. ^ Фромон-Расин М., Сенгер Б., Савану С., Фасиоло ​​Ф. (август 2003 г.). «Сборка рибосом у эукариот». Джин . 313 : 17–42. дои : 10.1016/S0378-1119(03)00629-2. ПМИД  12957375.
  7. ^ Диечи Г., Фиорино Г., Кастельнуово М., Тейхманн М., Пагано А. (декабрь 2007 г.). «Расширяющийся транскриптом РНК-полимеразы III». Тенденции в генетике . 23 (12): 614–22. дои : 10.1016/j.tig.2007.09.001. hdl : 11381/1706964 . ПМИД  17977614.
  8. ^ аб Картер Р., Друэн Дж. (май 2010 г.). «Увеличение количества субъединиц в эукариотической РНК-полимеразе III по сравнению с РНК-полимеразой II происходит из-за постоянного рекрутирования общих факторов транскрипции». Молекулярная биология и эволюция . 27 (5): 1035–43. дои : 10.1093/molbev/msp316 . ПМИД  20026480.
  9. ^ Фернандес-Торнеро С, Морено-Морсильо М, Рашид У.Дж., Тейлор Н.М., Руис Ф.М., Грюин Т., Легран П., Стойервальд Ю., Мюллер CW (октябрь 2013 г.). «Кристаллическая структура 14-субъединичной РНК-полимеразы I». Природа . 502 (7473): 644–9. Бибкод : 2013Natur.502..644F. дои : 10.1038/nature12636. PMID  24153184. S2CID  205235881.
  10. ^ Крамер П., Бушнелл Д.А., Корнберг Р.Д. (июнь 2001 г.). «Структурная основа транскрипции: РНК-полимераза II с разрешением 2,8 ангстрем» (PDF) . Наука . 292 (5523): 1863–76. Бибкод : 2001Sci...292.1863C. дои : 10.1126/science.1059493. hdl : 11858/00-001M-0000-0015-8729-F . PMID  11313498. S2CID  4993438.
  11. ^ аб Корден JL (ноябрь 2013 г.). «С-концевой домен РНК-полимеразы II: привязка транскрипции к транскрипту и матрице». Химические обзоры . 113 (11): 8423–55. дои : 10.1021/cr400158h. ПМЦ 3988834 . ПМИД  24040939. 
  12. ^ Батлер Дж. Э., Кадонага Дж. Т. (октябрь 2002 г.). «Основной промотор РНК-полимеразы II: ключевой компонент регуляции экспрессии генов». Гены и развитие . 16 (20): 2583–92. дои : 10.1101/gad.1026202 . ПМИД  12381658.
  13. ^ Ленхард Б., Санделин А., Карнинчи П. (март 2012 г.). «Промоторы многоклеточных животных: новые характеристики и понимание регуляции транскрипции». Обзоры природы. Генетика . 13 (4): 233–45. дои : 10.1038/nrg3163. PMID  22392219. S2CID  39948639.[ постоянная мертвая ссылка ]
  14. ^ Орфанидес Г, Лагранж Т, Рейнберг Д (ноябрь 1996 г.). «Общие факторы транскрипции РНК-полимеразы II». Гены и развитие . 10 (21): 2657–83. дои : 10.1101/gad.10.21.2657 . ПМИД  8946909.
  15. ^ Редер Р.Г. (сентябрь 1996 г.). «Роль общих факторов инициации транскрипции РНК-полимеразой II». Тенденции биохимических наук . 21 (9): 327–35. дои : 10.1016/S0968-0004(96)10050-5. ПМИД  8870495.
  16. ^ He Y, Fang J, Taatjes DJ, Nogales E (март 2013 г.). «Структурная визуализация ключевых этапов инициации транскрипции человека». Природа . 495 (7442): 481–6. Бибкод : 2013Natur.495..481H. дои : 10.1038/nature11991. ПМЦ 3612373 . ПМИД  23446344. 
  17. ^ ab Holstege FC, Фидлер Ю, Тиммерс HT (декабрь 1997 г.). «Три перехода в транскрипционном комплексе РНК-полимеразы II во время инициации». Журнал ЭМБО . 16 (24): 7468–80. дои : 10.1093/emboj/16.24.7468. ПМК 1170346 . ПМИД  9405375. 
  18. ^ Свейструп JQ, Вичи П., Эгли Дж.М. (сентябрь 1996 г.). «Множественные роли фактора транскрипции/восстановления TFIIH». Тенденции биохимических наук . 21 (9): 346–50. дои : 10.1016/S0968-0004(96)10046-3. ПМИД  8870499.
  19. ^ аб Ревякин А, Лю С, Эбрайт Р.Х., Стрик Т.Р. (ноябрь 2006 г.). «Абортивная инициация и продуктивная инициация РНК-полимеразой включают сжатие ДНК». Наука . 314 (5802): 1139–43. Бибкод : 2006Sci...314.1139R. дои : 10.1126/science.1131398. ПМЦ 2754787 . ПМИД  17110577. 
  20. ^ Двир А (сентябрь 2002 г.). «Ускользание промотора с помощью РНК-полимеразы II». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Структура и экспрессия генов . 1577 (2): 208–223. дои : 10.1016/S0167-4781(02)00453-0. ПМИД  12213653.
  21. ^ Похолок Д.К., Ханнетт Н.М., Янг Р.А. (апрель 2002 г.). «Обмен факторами инициации и элонгации РНК-полимеразы II во время экспрессии генов in vivo». Молекулярная клетка . 9 (4): 799–809. дои : 10.1016/S1097-2765(02)00502-6 . ПМИД  11983171.
  22. ^ Уэйд Дж.Т., Струл К. (апрель 2008 г.). «Переход от инициации транскрипции к элонгации». Текущее мнение в области генетики и развития . 18 (2): 130–6. дои :10.1016/j.gde.2007.12.008. ПМК 2563432 . ПМИД  18282700. 
  23. ^ Сондерс А., Core LJ, Лис Дж.Т. (август 2006 г.). «Разрушение барьеров на пути элонгации транскрипции». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 7 (8): 557–67. дои : 10.1038/nrm1981. PMID  16936696. S2CID  29242830.
  24. ^ Арндт К.М., Кейн К.М. (октябрь 2003 г.). «Работа с РНК-полимеразой: элонгация эукариотического транскрипта». Тенденции в генетике . 19 (10): 543–50. дои :10.1016/j.tig.2003.08.008. ПМИД  14550628.
  25. ^ аб Брес В., Йох С.М., Джонс К.А. (июнь 2008 г.). «Многозадачный комплекс П-ТЭФб». Современное мнение в области клеточной биологии . 20 (3): 334–40. doi :10.1016/j.ceb.2008.04.008. ПМК 2628440 . ПМИД  18513937. 
  26. ^ Вестовер К.Д., Бушнелл Д.А., Корнберг Р.Д. (ноябрь 2004 г.). «Структурные основы транскрипции: отбор нуклеотидов путем вращения в активном центре РНК-полимеразы II». Клетка . 119 (4): 481–9. дои : 10.1016/j.cell.2004.10.016 . PMID  15537538. S2CID  11068662.
  27. ^ Ван Д., Бушнелл Д.А., Вестовер К.Д., Каплан CD, Корнберг Р.Д. (декабрь 2006 г.). «Структурные основы транскрипции: роль триггерной петли в субстратной специфичности и катализе». Клетка . 127 (5): 941–54. дои : 10.1016/j.cell.2006.11.023. ПМЦ 1876690 . ПМИД  17129781. 
  28. ^ Ван Д., Бушнелл Д.А., Хуан X, Вестовер К.Д., Левитт М., Корнберг Р.Д. (май 2009 г.). «Структурная основа транскрипции: обратная РНК-полимераза II с разрешением 3,4 ангстрема». Наука . 324 (5931): 1203–6. Бибкод : 2009Sci...324.1203W. дои : 10.1126/science.1168729. ПМЦ 2718261 . ПМИД  19478184. 
  29. ^ Сосунов В, Сосунова Е, Мустаев А, Басс И, Никифоров В, Гольдфарб А (май 2003 г.). «Единый двухметаллический механизм синтеза и деградации РНК РНК-полимеразой». Журнал ЭМБО . 22 (9): 2234–44. дои : 10.1093/emboj/cdg193. ПМК 156065 . ПМИД  12727889. 
  30. ^ Аб Ходжес, Кортни; Бинту, Лакрамиоара; Лубковская, Люцина; Кашлев Михаил; Бустаманте, Карлос (31 июля 2009 г.). «Нуклеосомные флуктуации управляют динамикой транскрипции РНК-полимеразы II». Наука . 325 (5940): 626–628. Бибкод : 2009Sci...325..626H. дои : 10.1126/science.1172926. ISSN  1095-9203. ПМЦ 2775800 . ПМИД  19644123. 
  31. ^ Черчман, Л. Стерлинг; Вайсман, Джонатан С. (20 января 2011 г.). «Секвенирование зарождающегося транскрипта визуализирует транскрипцию с разрешением нуклеотидов». Природа . 469 (7330): 368–373. Бибкод : 2011Natur.469..368C. дои : 10.1038/nature09652. ISSN  1476-4687. ПМЦ 3880149 . ПМИД  21248844. 
  32. ^ abc Адельман К., Лис Дж.Т. (октябрь 2012 г.). «Промотор-проксимальная пауза РНК-полимеразы II: новая роль у многоклеточных животных». Обзоры природы. Генетика . 13 (10): 720–31. дои : 10.1038/nrg3293. ПМЦ 3552498 . ПМИД  22986266. 
  33. ^ Гэлбурт, Эрик А.; Гриль, Стефан В.; Видманн, Анна; Лубковская, Люцина; Чой, Джейсон; Ногалес, Ева; Кашлев Михаил; Бустаманте, Карлос (12 апреля 2007 г.). «Обратное отслеживание определяет чувствительность RNAP II к силе в зависимости от фактора». Природа . 446 (7137): 820–823. Бибкод : 2007Natur.446..820G. дои : 10.1038/nature05701. ISSN  1476-4687. PMID  17361130. S2CID  4310108.
  34. ^ Миссра А., Гилмор Д.С. (июнь 2010 г.). «Взаимодействие между DSIF (фактором, индуцирующим чувствительность DRB), NELF (фактором отрицательной элонгации) и комплексом элонгации транскрипции РНК-полимеразы II дрозофилы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (25): 11301–6. Бибкод : 2010PNAS..10711301M. дои : 10.1073/pnas.1000681107 . ПМК 2895096 . ПМИД  20534440. 
  35. ^ abcde Ричард П., Мэнли Дж.Л. (июнь 2009 г.). «Терминация транскрипции ядерными РНК-полимеразами». Гены и развитие . 23 (11): 1247–69. дои : 10.1101/gad.1792809. ПМЦ 2763537 . ПМИД  19487567. 
  36. ^ аб Кланси С. (2008). «Транскрипция ДНК». Природное образование . 1 (41) . Проверено 27 ноября 2013 г.
  37. ^ аб Розонина Е, Канеко С, Мэнли Дж. Л. (май 2006 г.). «Прекращение стенограммы: расстаться сложно». Гены и развитие . 20 (9): 1050–6. дои : 10.1101/gad.1431606 . ПМИД  16651651.
  38. ^ Шандиля Дж., Робертс С.Г. (май 2012 г.). «Цикл транскрипции у эукариот: от продуктивной инициации до рециркуляции РНК-полимеразы II». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1819 (5): 391–400. doi :10.1016/j.bbagrm.2012.01.010. ПМИД  22306664.
  39. ^ Кулаева О.И., Гайкалова Д.А., Студицкий В.М. (май 2007 г.). «Транскрипция через хроматин с помощью РНК-полимеразы II: смещение и обмен гистонов». Мутационные исследования . 618 (1–2): 116–29. doi :10.1016/j.mrfmmm.2006.05.040. ЧВК 1924643 . ПМИД  17313961. 
  40. ^ аб Петерлин Б.М., Прайс DH (август 2006 г.). «Контроль фазы элонгации транскрипции с помощью P-TEFb». Молекулярная клетка . 23 (3): 297–305. doi : 10.1016/j.molcel.2006.06.014 . ПМИД  16885020.
  41. ^ Баннистер А.Дж., Кузаридес Т. (март 2011 г.). «Регуляция хроматина модификациями гистонов». Клеточные исследования . 21 (3): 381–95. дои : 10.1038/cr.2011.22. ПМК 3193420 . ПМИД  21321607. 
  42. ^ аб Браун Т.А. (2002). Геномы . Нью-Йорк: Вили-Лисс. ISBN 978-0-471-25046-3.
  43. ^ Као С.Ю., Кальман А.Ф., Люцив П.А., Петерлин Б.М. (3 декабря 1987 г.). «Антитерминация транскрипции в длинном концевом повторе ВИЧ-1 с помощью продукта гена tat». Природа . 330 (6147): 489–93. Бибкод : 1987Natur.330..489K. дои : 10.1038/330489a0. PMID  2825027. S2CID  4311235.
  44. ^ Лис Дж (1998). «Связанная с промотором пауза в архитектуре промотора и постинициационная регуляция транскрипции». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 63 : 347–56. дои : 10.1101/sqb.1998.63.347. ПМИД  10384299.
  45. ^ Ченг Б., Ли Т., Рал П.Б., Адамсон Т.Э., Лудас Н.Б., Го Дж., Варзаванд К., Купер Дж.Дж., Ху X, Гнатт А., Янг Р.А., Прайс Д.Х. (январь 2012 г.). «Функциональная ассоциация Gdown1 с РНК-полимеразой II в генах человека». Молекулярная клетка . 45 (1): 38–50. doi :10.1016/j.molcel.2011.10.022. ПМЦ 3259526 . ПМИД  22244331. 
  46. ^ Файги MJ, Хендершот LM (апрель 2011 г.). «Дисульфидные связи в сворачивании белка ER и гомеостазе». Современное мнение в области клеточной биологии . 23 (2): 167–75. дои : 10.1016/j.ceb.2010.10.012. ПМК 3078216 . ПМИД  21144725. 
  47. ^ Меллон I, Спивак Г., Ханавальт ПК (октябрь 1987 г.). «Селективное удаление блокирующих транскрипцию повреждений ДНК из транскрибируемой цепи гена DHFR млекопитающих». Клетка . 51 (2): 241–9. дои : 10.1016/0092-8674(87)90151-6. PMID  3664636. S2CID  2879958.
  48. ^ Саркер А.Х., Цутакава С.Е., Костек С., Нг С, Шин Д.С., Перис М., Кампо Э., Тайнер Дж.А., Ногалес Э., Купер ПК (октябрь 2005 г.). «Распознавание РНК-полимеразы II и транскрипционных пузырей с помощью XPG, CSB и TFIIH: понимание транскрипционно-связанной репарации и синдрома Кокейна». Молекулярная клетка . 20 (2): 187–98. doi : 10.1016/j.molcel.2005.09.022 . ПМИД  16246722.
  49. ^ Саксонов С., Берг П., Брутлаг Д.Л. (январь 2006 г.). «Полногеномный анализ динуклеотидов CpG в геноме человека позволяет выделить два различных класса промоторов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (5): 1412–7. Бибкод : 2006PNAS..103.1412S. дои : 10.1073/pnas.0510310103 . ПМЦ 1345710 . ПМИД  16432200. 
  50. ^ Птица А (январь 2002 г.). «Схемы метилирования ДНК и эпигенетическая память». Гены и развитие . 16 (1): 6–21. дои : 10.1101/gad.947102 . ПМИД  11782440.
  51. ^ Фогельштейн Б., Пападопулос Н., Велкулеску В.Е., Чжоу С., Диас Л.А., Кинцлер К.В. (март 2013 г.). «Пейзажи генома рака». Наука . 339 (6127): 1546–58. Бибкод : 2013Sci...339.1546V. дои : 10.1126/science.1235122. ПМК 3749880 . ПМИД  23539594. 
  52. ^ Тесситоре А, Чиччарелли Г, Дель Веккио Ф, Гаджиано А, Верцелла Д, Фискьетти М, Веккьотти Д, Капече Д, Заззерони Ф, Алессе Э (2014). «МикроРНК в сети повреждения/восстановления ДНК и раке». Международный журнал геномики . 2014 : 820248. doi : 10.1155/2014/820248 . ПМЦ 3926391 . ПМИД  24616890.