stringtranslate.com

РНК-полимераза II

Функция РНК-полимеразы II (транскрипция). Зеленый: вновь синтезированная ферментом цепь РНК.

РНК-полимераза II ( РНКП II и Pol II ) — это мультипротеиновый комплекс , который транскрибирует ДНК в предшественников информационной РНК (мРНК) и большинства малых ядерных РНК (мяРНК) и микроРНК . [1] [2] Это один из трех ферментов РНКП, обнаруженных в ядре эукариотических клеток. [3] Комплекс массой 550 кДа из 12 субъединиц, РНКП II — наиболее изученный тип РНК-полимеразы . Для связывания с промоторами генов выше по течению и начала транскрипции требуется широкий спектр факторов транскрипции .

Открытие

РНК-полимераза II Saccharomyces cerevisiae , состоящая из всех 12 субъединиц. [4]

Ранние исследования предполагали наличие как минимум двух РНК-полимераз: одной, которая синтезирует рРНК в ядрышке , и одной, которая синтезирует другую РНК в нуклеоплазме , части ядра, но за пределами ядрышка. [5] В 1969 году биохимики Роберт Г. Редер и Уильям Раттер обнаружили, что существует всего три различных ядерных РНК-полимеразы , дополнительная РНК-полимераза, которая отвечает за транскрипцию некоторого вида РНК в нуклеоплазме. [6] Открытие было получено с помощью ионообменной хроматографии с использованием покрытых ДЭАЭ шариков сефадекса . Методика разделяла ферменты по порядку соответствующих элюций, Ι,ΙΙ,ΙΙΙ, путем увеличения концентрации сульфата аммония. Ферменты были названы в соответствии с порядком элюций, РНКП I , РНКП II, РНКП IΙI . [3] Это открытие продемонстрировало, что в нуклеоплазме присутствует дополнительный фермент, который позволяет проводить дифференциацию между РНКП II и РНКП III. [7]

РНК-полимераза II (RNAP2) подвергается регулируемой транскрипционной остановке во время ранней элонгации. Различные исследования показали, что нарушение транскрипционной элонгации связано с раком , нейродегенерацией , латентностью ВИЧ и т. д. [8]

Субъединицы

Эукариотическая РНК-полимераза II из Saccharomyces cerevisiae , PDB ID. [9] Субъединицы окрашены в: RPB3 – оранжевый , RPB11 – желтый , RPB2 – пшеничный , RPB1 – красный , RPB6 – розовый , остальные 7 субъединиц окрашены в серый цвет.

Эукариотическая основная РНК-полимераза II была впервые очищена с помощью транскрипционных анализов. [ 10] Очищенный фермент обычно имеет 10–12 субъединиц (12 у людей и дрожжей) и не способен распознавать специфический промотор. [11] Известно множество взаимодействий субъединиц. [12]

Сборка

RPB3 участвует в сборке РНК-полимеразы II. [21] Субкомплекс RPB2 и RPB3 появляется вскоре после синтеза субъединицы. [21] Этот комплекс впоследствии взаимодействует с RPB1. [21] RPB3, RPB5 и RPB7 взаимодействуют друг с другом, образуя гомодимеры, а RPB3 и RPB5 вместе способны связываться со всеми другими субъединицами RPB, за исключением RPB9. [12] Только RPB1 прочно связывается с RPB5. [12] Субъединица RPB1 также связывается с RPB7, RPB10 и слабее, но наиболее эффективно с RPB8. [12] Как только RPB1 входит в комплекс, другие субъединицы, такие как RPB5 и RPB7, могут войти, где RPB5 связывается с RPB6 и RPB8, а RPB3 вносит RPB10, RPB 11 и RPB12. [12] RPB4 и RPB9 могут войти, как только большая часть комплекса будет собрана. RPB4 образует комплекс с RPB7. [12]

Кинетика

Ферменты могут катализировать до нескольких миллионов реакций в секунду. Скорости фермента зависят от условий раствора и концентрации субстрата. Как и другие ферменты, POLR2 имеет кривую насыщения и максимальную скорость ( V max ). Он имеет K m (концентрацию субстрата, необходимую для половины V max ) и k cat (количество молекул субстрата, обрабатываемых одним активным сайтом в секунду). Константа специфичности определяется как k cat / K m . Теоретический максимум для константы специфичности — это предел диффузии примерно от 10 8 до 10 9 ( M −1 s −1 ), где каждое столкновение фермента с его субстратом приводит к катализу. У дрожжей мутация в домене Trigger-Loop самой большой субъединицы может изменить кинетику фермента. [22]

Бактериальная РНК-полимераза, родственная РНК-полимеразе II, переключается между инактивированным и активированным состояниями, перемещаясь вперед и назад по ДНК. [23] Концентрации [NTP] eq = 10 мкМ GTP, 10 мкМ UTP, 5 мкМ ATP и 2,5 мкМ CTP, обеспечивают среднюю скорость удлинения, число оборотов, ~1 п.н. (NTP) −1 для бактериальной РНК-полимеразы, родственной РНК-полимеразе II. [23]

РНК-полимераза II (серый). Взаимодействие альфа-аманитина (красный).

РНК-полимераза II подвергается обширной ко-транскрипционной паузе во время элонгации транскрипции. [24] [25] Эта пауза особенно выражена в нуклеосомах и возникает частично из-за того, что полимераза входит в транскрипционно некомпетентное состояние возврата. [24] Длительность этих пауз варьируется от секунд до минут или дольше, а выход из долгоживущих пауз может быть обеспечен факторами элонгации, такими как TFIIS. [26] В свою очередь, скорость транскрипции влияет на то, вытесняются ли гистоны транскрибированных нуклеосом из хроматина или повторно вставляются за транскрибирующей полимеразой. [27]

Альфа-аманитин

РНК-полимераза II ингибируется α-аманитином [28] и другими аматоксинами . α-аманитин — очень ядовитое вещество, встречающееся во многих грибах. [5] Грибной яд оказывает различное воздействие на каждую из РНК-полимераз: I, II, III. РНКП I совершенно не реагирует на вещество и будет функционировать нормально, в то время как РНКП III имеет умеренную чувствительность. РНКП II, однако, полностью ингибируется токсином. Альфа-аманитин ингибирует РНКП II посредством сильных взаимодействий в областях «воронки», «щели» и ключевого «мостика α-спирали » фермента субъединицы RPB-1. [29]

Холофермент

Холофермент РНК-полимеразы II — это форма эукариотической РНК-полимеразы II, которая привлекается к промоторам генов, кодирующих белок, в живых клетках. [11] Он состоит из РНК-полимеразы II, подмножества общих факторов транскрипции и регуляторных белков , известных как белки SRB.

Часть сборки голофермента называется преинициативным комплексом , поскольку его сборка происходит на генном промоторе до начала транскрипции . Медиаторный комплекс действует как мост между РНК-полимеразой II и факторами транскрипции.

Контроль структуры хроматина

Это схематическое изображение примера механизма дрожжевых клеток, посредством которого структура хроматина и посттрансляционная модификация гистонов помогают регулировать и регистрировать транскрипцию генов с помощью РНК-полимеразы II.

Этот путь дает примеры регуляции в следующих точках транскрипции:

Это относится к различным этапам процесса как к регулирующим шагам. Не доказано, что они используются для регулирования, но весьма вероятно, что они используются.

Промоторы удлинения РНК-полимеразы II можно разделить на 3 класса.

  1. Факторы, влияющие на остановку, зависящие от препарата/последовательности (различные мешающие белки)
  2. Факторы, ориентированные на структуру хроматина (посттранскрипционные модификаторы гистонов, например, метилтрансферазы гистонов)
  3. Факторы, улучшающие катализ РНК-полимеразы II (различные интерферирующие белки и кофакторы Pol II; см. РНК-полимераза II).

Механизмы транскрипции

С-концевой домен

C -конец RPB1 присоединяется для формирования C-концевого домена (CTD). Карбокси-концевой домен РНК-полимеразы II обычно состоит из до 52 повторов последовательности Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser. [32] Домен простирается от ядра фермента RNAPII до выходного канала, такое размещение эффективно из-за его индукции «реакций процессинга РНК посредством прямых или косвенных взаимодействий с компонентами механизма процессинга РНК». [33] Домен CTD не существует в РНК-полимеразе I или РНК-полимеразе III. [3] РНК-полимераза CTD была впервые обнаружена в лаборатории CJ Ingles в Университете Торонто, а также в лаборатории J Corden в Университете Джонса Хопкинса во время процессов секвенирования ДНК, кодирующей субъединицу RPB1 РНК-полимеразы из дрожжей и мышей соответственно. Другие белки часто связывают С-концевой домен РНК-полимеразы, чтобы активировать полимеразную активность. Это домен белка, который участвует в инициации транскрипции, кэппинге РНК -транскрипта и прикреплении к сплайсосоме для сплайсинга РНК . [13]

Фосфорилирование CTD

РНК-полимераза II существует в двух формах: нефосфорилированной и фосфорилированной, IIA и IIO соответственно. [5] [3] Переход между двумя формами облегчает различные функции для транскрипции. Фосфорилирование CTD катализируется одним из шести общих факторов транскрипции , TFIIH . TFIIH выполняет две функции: одна — раскручивание ДНК в месте начала транскрипции, а другая — фосфорилирование. Форма полимеразы IIA присоединяется к преинициативному комплексу, это предполагается, потому что IIA связывается с более высоким сродством с TBP ( белок, связывающий TATA-box ), субъединицей общего фактора транскрипции TFIID , чем форма полимеразы IIO. Форма полимеразы IIO облегчает удлинение цепи РНК. [5] Метод инициации удлинения осуществляется путем фосфорилирования серина в положении 5 (Ser5) через TFIIH. Недавно фосфорилированный Ser5 привлекает ферменты для закрытия 5'-конца вновь синтезированной РНК и «3'-факторов обработки на поли(А) -сайтах». [33] Как только фосфорилируется второй серин, Ser2, активируется удлинение. Для того чтобы завершить удлинение, должно произойти дефосфорилирование. Как только домен полностью дефосфорилирован, фермент РНКП II «перерабатывается» и катализирует тот же процесс с другим сайтом инициации. [33]

Рекомбинационная репарация, связанная с транскрипцией

Окислительное повреждение ДНК может блокировать транскрипцию РНК-полимеразы II и вызывать разрывы нитей. Описан процесс рекомбинации, связанный с транскрипцией, основанной на шаблонах РНК, который может защитить от повреждения ДНК. [34] На стадиях G1/G0 клеточного цикла клетки демонстрируют сборку факторов гомологичной рекомбинации в двухцепочечных разрывах в активно транскрибируемых регионах. Похоже, что транскрипция сопряжена с восстановлением двухцепочечных разрывов ДНК посредством гомологичной рекомбинации, основанной на шаблонах РНК. Этот процесс восстановления эффективно и точно воссоединяет двухцепочечные разрывы в генах , активно транскрибируемых РНК-полимеразой II.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Kornberg RD (декабрь 1999 г.). «Эукариотический транскрипционный контроль». Trends in Cell Biology . 9 (12): M46–9. doi : 10.1016/S0962-8924(99)01679-7 . PMID  10611681.
  2. ^ Sims RJ, Mandal SS, Reinberg D (июнь 2004 г.). «Недавние достижения транскрипции, опосредованной РНК-полимеразой-II». Current Opinion in Cell Biology . 16 (3): 263–71. doi : 10.1016/j.ceb.2004.04.004 . PMID  15145350.
  3. ^ abcd Янг, Ричард А. (2003-11-28). "РНК-полимераза II". Annual Review of Biochemistry . 60 (1): 689–715. doi :10.1146/annurev.bi.60.070191.003353. PMID  1883205.
  4. ^ Meyer PA, Ye P, Zhang M, Suh MH, Fu J (июнь 2006 г.). «Фазирование РНК-полимеразы II с использованием внутренне связанных атомов Zn: обновленная структурная модель». Structure . 14 (6): 973–82. doi : 10.1016/j.str.2006.04.003 . PMID  16765890.
  5. ^ abcd Уивер, Роберт Франклин (2012-01-01). Молекулярная биология . McGraw-Hill. ISBN 9780073525327. OCLC  789601172.
  6. ^ Roeder RG, Rutter WJ (октябрь 1969). «Множественные формы ДНК-зависимой РНК-полимеразы в эукариотических организмах». Nature . 224 (5216): 234–7. Bibcode :1969Natur.224..234R. doi :10.1038/224234a0. PMID  5344598. S2CID  4283528.
  7. ^ Roeder RG, Rutter WJ (октябрь 1969). «Множественные формы ДНК-зависимой РНК-полимеразы в эукариотических организмах». Nature . 224 (5216): 234–7. Bibcode :1969Natur.224..234R. doi :10.1038/224234a0. PMID  5344598. S2CID  4283528.
  8. ^ Чермакова, Катерина; Демельмейстер, Йонас; Люкс, Ванда; Недомова, Моника; Голдман, Сет Р.; Смит, Эрик А.; Срб, Павел; Хекснерова, Розали; Фабри, Милан; Мадликова, Марсела; Хорейси, Магдалена (2021-11-26). «Повсеместный неупорядоченный модуль взаимодействия белков управляет удлинением транскрипции». Science . 374 (6571): 1113–1121. Bibcode :2021Sci...374.1113C. doi :10.1126/science.abe2913. PMC 8943916 . PMID  34822292. S2CID  244660781. 
  9. ^ Армаш, Карим-Жан; Миттервегер, Симона; Мейнхарт, Антон; Крамер, Патрик (2019). «Структуры полной РНК-полимеразы II и ее подкомплекса, Rpb4/7» (PDF) . Журнал биологической химии . 280 (8): 7131–1734. doi :10.2210/pdb1wcm/pdb. PMID  15591044.
  10. ^ Sawadogo M, Sentenac A (1990). «РНК-полимераза B (II) и общие факторы транскрипции». Annual Review of Biochemistry . 59 : 711–54. doi :10.1146/annurev.bi.59.070190.003431. PMID  2197989.
  11. ^ ab Myer VE, Young RA (октябрь 1998 г.). «Холоферменты и подкомплексы РНК-полимеразы II». Журнал биологической химии . 273 (43): 27757–60. doi : 10.1074/jbc.273.43.27757 . PMID  9774381.
  12. ^ abcdefghijklm Acker J, de Graaff M, Cheynel I, Khazak V, Kedinger C, Vigneron M (июль 1997 г.). «Взаимодействие между субъединицами человеческой РНК-полимеразы II». Журнал биологической химии . 272 ​​(27): 16815–21. doi : 10.1074/jbc.272.27.16815 . PMID  9201987.
  13. ^ ab Brickey WJ, Greenleaf AL (июнь 1995 г.). "Функциональные исследования карбокси-концевого повторного домена РНК-полимеразы II дрозофилы in vivo". Genetics . 140 (2): 599–613. doi :10.1093/genetics/140.2.599. PMC 1206638 . PMID  7498740. 
  14. ^ "Ген Энтреза: полимераза POLR2A (РНК) II (ДНК-направленная) полипептид A, 220 кДа".
  15. ^ "Ген Энтреза: полимераза POLR2B (РНК) II (ДНК-направленный) полипептид B, 140 кДа".
  16. ^ Khazak V, Estojak J, Cho H, Majors J, Sonoda G, Testa JR, Golemis EA (апрель 1998 г.). «Анализ взаимодействия новой субъединицы РНК-полимеразы II (pol II) hsRPB4 с ее партнером hsRPB7 и с pol II». Молекулярная и клеточная биология . 18 (4): 1935–45. doi :10.1128/mcb.18.4.1935. PMC 121423. PMID 9528765  . 
  17. ^ "Ген Энтреза: полимераза POLR2E (РНК) II (ДНК-направленный) полипептид E, 25 кДа".
  18. ^ "Ген Энтреза: полимераза POLR2F (РНК) II (ДНК-направленный) полипептид F".
  19. ^ "Ген Энтреза: полимераза POLR2G (РНК) II (ДНК-направленный) полипептид G".
  20. ^ "POLR2J3 полимераза (РНК) II (ДНК-направленный) полипептид J3".
  21. ^ abc Kolodziej PA, Young RA (сентябрь 1991 г.). «Мутации в трех крупнейших субъединицах дрожжевой РНК-полимеразы II, влияющие на сборку фермента». Molecular and Cellular Biology . 11 (9): 4669–78. doi :10.1128/mcb.11.9.4669. PMC 361357 . PMID  1715023. 
  22. ^ Kaplan CD, Jin H, Zhang IL, Belyanin A (12 апреля 2012 г.). "Dissection of Pol II trigger loop function and Pol II activity-dependent control of start site selection in vivo". PLOS Genetics . 8 (4): e1002627. doi : 10.1371/journal.pgen.1002627 . PMC 3325174 . PMID  22511879. 
  23. ^ ab Abbondanzieri EA, Greenleaf WJ, Shaevitz JW, Landick R, Block SM (ноябрь 2005 г.). «Прямое наблюдение за шагом пар оснований РНК-полимеразой». Nature . 438 (7067): 460–5. Bibcode :2005Natur.438..460A. doi :10.1038/nature04268. PMC 1356566 . PMID  16284617. 
  24. ^ ab Hodges, Courtney; Bintu, Lacramioara; Lubkowska, Lucyna; Kashlev, Michael; Bustamante, Carlos (2009-07-31). "Нуклеосомные флуктуации управляют динамикой транскрипции РНК-полимеразы II". Science . 325 (5940): 626–628. Bibcode :2009Sci...325..626H. doi :10.1126/science.1172926. ISSN  1095-9203. PMC 2775800 . PMID  19644123. 
  25. ^ Чёрчмен, Л. Стирлинг; Вайсман, Джонатан С. (2011-01-20). «Секвенирование формирующегося транскрипта визуализирует транскрипцию при разрешении нуклеотидов». Nature . 469 (7330): 368–373. Bibcode :2011Natur.469..368C. doi :10.1038/nature09652. ISSN  1476-4687. PMC 3880149 . PMID  21248844. 
  26. ^ Гэлберт, Эрик А.; Грилл, Стефан В.; Видманн, Анна; Лубковска, Люсина; Чой, Джейсон; Ногалес, Ева; Кашлев, Михаил; Бустаманте, Карлос (2007-04-12). «Обратное отслеживание определяет чувствительность РНКП II к силе в зависимости от фактора». Nature . 446 (7137): 820–823. Bibcode :2007Natur.446..820G. doi :10.1038/nature05701. ISSN  1476-4687. PMID  17361130. S2CID  4310108.
  27. ^ Bintu, Lacramioara; Kopaczynska, Marta; Hodges, Courtney; Lubkowska, Lucyna; Kashlev, Michael; Bustamante, Carlos (2011-11-13). «Скорость удлинения РНК-полимеразы определяет судьбу транскрибированных нуклеосом». Nature Structural & Molecular Biology . 18 (12): 1394–1399. doi :10.1038/nsmb.2164. ISSN  1545-9985. PMC 3279329 . PMID  22081017. 
  28. ^ Kaplan CD, Larsson KM, Kornberg RD (июнь 2008 г.). «Триггерная петля РНК-полимеразы II функционирует при выборе субстрата и напрямую нацелена на альфа-аманитин». Molecular Cell . 30 (5): 547–56. doi :10.1016/j.molcel.2008.04.023. PMC 2475549 . PMID  18538653. 
  29. ^ Gong, Xue Q.; Nedialkov, Yuri A.; Burton, Zachary F. (2004-06-25). «α-Amanitin Blocks Translocation by Human RNA Polymerase II». Journal of Biological Chemistry . 279 (26): 27422–27427. doi : 10.1074/jbc.M402163200 . ISSN  0021-9258. PMID  15096519.
  30. ^ Бриггс, Скотт Д.; Брайк, Мэри; Страл, Брайан Д.; Чунг, Ван Л.; Дэви, Джудит К.; Дент, Шарон Й.Р.; Уинстон, Фред; Эллис, К. Дэвид (15.12.2001). «Метилирование лизина 4 гистона H3 опосредовано Set1 и требуется для роста клеток и подавления рДНК у Saccharomyces cerevisiae». Гены и развитие . 15 (24): 3286–3295. doi :10.1101/gad.940201. ISSN  0890-9369. PMC 312847. PMID 11751634  . 
  31. ^ Ли, Бинг; Хау, ЛиЭнн; Андерсон, Скотт; Йейтс, Джон Р.; Воркман, Джерри Л. (2003-03-14). «Функции метилтрансферазы гистонов Set2 через фосфорилированный карбоксильный концевой домен РНК-полимеразы II». Журнал биологической химии . 278 (11): 8897–8903. doi : 10.1074/jbc.M212134200 . ISSN  0021-9258. PMID  12511561.
  32. ^ Meinhart A, Cramer P (июль 2004 г.). «Распознавание карбокси-концевого домена РНК-полимеразы II факторами 3'-РНК-процессинга». Nature . 430 (6996): 223–6. Bibcode :2004Natur.430..223M. doi :10.1038/nature02679. hdl : 11858/00-001M-0000-0015-8512-8 . PMID  15241417. S2CID  4418258.
  33. ^ abc Эглофф, Сильвен; Мерфи, Шона (2008). «Взлом кода CTD РНК-полимеразы II». Тенденции в генетике . 24 (6): 280–288. doi :10.1016/j.tig.2008.03.008. PMID  18457900.
  34. ^ Wei L, Levine AS, Lan L (2016). «Сопряженная с транскрипцией гомологичная рекомбинация после окислительного повреждения». DNA Repair (Amst.) . 44 : 76–80. doi :10.1016/j.dnarep.2016.05.009. PMID  27233112.

Внешние ссылки