Polimeraza RNA I - RNA polymerase I

Polimeraza RNA 1 (znana również jako pol I ) jest w wyższych eukariontów The polimerazy że tylko transkrypcję rybosomalnego RNA (nie 5S rRNA , która jest syntetyzowana przez polimerazę RNA III ), rodzaj RNA, która stanowi ponad 50% całkowity RNA syntetyzowany w komórce .

Struktura i funkcja

Pol I jest 590 kDa enzymu, który składa się z 14 białkowych podjednostek ( polipeptydów ) lub jego struktury krystalicznej w drożdżach Saccharomyces cerevisiae został rozwiązany w rozdzielczości 2.8A w 2013 dwanaście jego podjednostki identyczne albo powiązane odpowiedniki w polimerazę RNA II (pol II) i polimeraza RNA III (Pol III). Pozostałe dwie podjednostki są spokrewnione z czynnikami inicjacji Pol II i mają homologi strukturalne w Pol III.

Transkrypcja rybosomalnego DNA jest ograniczona do jąderka , gdzie występuje około 400 kopii genu rDNA o wielkości 42,9 kb, ułożonych jako powtórzenia tandemowe w regionach organizatora jąderka . Każda kopia zawiera sekwencję ~13,3 kb kodującą cząsteczki RNA 18S , 5,8S i 28S , przeplatane dwoma wewnętrznymi przerywnikami transkrybowanymi , ITS1 i ITS2 i oflankowanymi w górę przez zewnętrzny przerywnik transkrybowany 5' i znajdujący się w dół zewnętrzny przerywnik 3' odstępnik. Te składniki są transkrybowane razem, tworząc 45S pre-rRNA. 45S pre-rRNA jest następnie cięty potranskrypcyjnie przez snoRNA C/D box i H/ACA box , usuwając dwa przerywniki i uzyskując trzy rRNA w złożonej serii etapów. Rybosomalny RNA 5S jest transkrybowany przez Pol III. Ze względu na prostotę transkrypcji Pol I jest najszybciej działającą polimerazą i odpowiada za do 60% poziomu transkrypcji komórkowej w gwałtownie rosnących komórkach.

W Saccharomyces cerevisiae 5S rDNA ma niezwykłą cechę leżenia wewnątrz powtórzenia rDNA. Jest oflankowany przez niepodlegające transkrypcji przerywniki NTS1 i NTS2 i jest transkrybowany wstecznie przez Pol III, niezależnie od reszty rDNA.

Regulacja transkrypcji rRNA

Tempo wzrostu komórek jest bezpośrednio zależne od tempa syntezy białek, która sama w sobie jest ściśle powiązana z syntezą rybosomów i transkrypcją rRNA. Tak więc sygnały wewnątrzkomórkowe muszą koordynować syntezę rRNA z innymi składnikami translacji białek. Wiadomo, że Myc wiąże się z ludzkim rybosomalnym DNA w celu stymulowania transkrypcji rRNA przez polimerazę RNA I. Zidentyfikowano dwa specyficzne mechanizmy, zapewniające właściwą kontrolę syntezy rRNA i transkrypcji za pośrednictwem Pol I.

Biorąc pod uwagę dużą liczbę genów rDNA (kilkaset) dostępnych do transkrypcji, pierwszy mechanizm polega na dostosowaniu liczby genów podlegających transkrypcji w określonym czasie. W komórkach ssaków liczba aktywnych genów rDNA różni się w zależności od typu komórki i poziomu zróżnicowania . Ogólnie rzecz biorąc, gdy komórka staje się bardziej zróżnicowana, wymaga mniejszego wzrostu, a zatem będzie miała zmniejszoną syntezę rRNA i zmniejszoną transkrypcję genów rDNA. Kiedy synteza rRNA jest stymulowana, SL1 (czynnik selektywności 1) zwiąże się z promotorami genów rDNA, które wcześniej były wyciszone, i rekrutuje kompleks przedinicjacyjny, z którym zwiąże się Pol I i rozpocznie transkrypcję rRNA.

Zmiany w transkrypcji rRNA mogą również wystąpić poprzez zmiany szybkości transkrypcji. Chociaż dokładny mechanizm, poprzez który Pol I zwiększa swoją szybkość transkrypcji, jest jeszcze nieznany, dowody wykazały, że synteza rRNA może wzrastać lub zmniejszać się bez zmiany liczby aktywnie transkrybowanego rDNA.

Cykl transkrypcji

W procesie transkrypcji (przez dowolną polimerazę) istnieją trzy główne etapy:

  1. Rozpoczęcie: budowa kompleksu polimerazy RNA na promotorze genu za pomocą czynników transkrypcyjnych
  2. Elongacja: rzeczywista transkrypcja większości genu na odpowiednią sekwencję RNA
  3. Terminacja: zaprzestanie transkrypcji RNA i rozłożenie kompleksu polimerazy RNA.

Inicjacja

Pol I nie wymaga bloku TATA w promotorze, zamiast tego opiera się na elemencie kontrolnym upstream (UCE) znajdującym się między -200 a -107 oraz elemencie rdzeniowym zlokalizowanym między -45 a +20.

  1. Dimeryczny eukariotyczny czynnik wiążący w górę ( UBF ) wiąże UCE i element rdzenia.
  2. UBF rekrutuje i wiąże kompleks białkowy zwany SL1 u ludzi (lub TIF-IB u myszy), składający się z białka wiążącego TATA (TBP) i trzech czynników związanych z TBP (TAF).
  3. Dimer UBF zawiera kilka skrzynek o wysokiej mobilności ( HMG-boxes ), które wprowadzają pętle do górnego obszaru, umożliwiając kontakt UCE i elementów rdzenia.
  4. RRN3 /TIF-IA jest fosforylowana i wiąże Pol I.
  5. Pol I wiąże się z kompleksem UBF/SL1 poprzez RRN3/TIF-IA i rozpoczyna się transkrypcja.

Zauważ, że ten proces jest zmienny w różnych organizmach.

Wydłużenie

Gdy Pol I ucieka i usuwa promotor, UBF i SL1 pozostają związane z promotorem, gotowe do rekrutacji kolejnej Pol I. W rzeczywistości, każdy aktywny gen rDNA może być transkrybowany wiele razy jednocześnie, w przeciwieństwie do genów transkrybowanych przez Pol II, które wiążą się tylko z jeden kompleks na raz. Chociaż wydłużanie przebiega bez przeszkód in vitro, nie jest w tym momencie jasne, czy proces ten zachodzi w komórce, biorąc pod uwagę obecność nukleosomów . Wydaje się, że Pol I dokonuje transkrypcji przez nukleosomy, omijając je lub zaburzając, być może z pomocą działań związanych z przebudową chromatyny. Ponadto UBF może również działać jako pozytywne sprzężenie zwrotne, zwiększając wydłużenie Pol I poprzez funkcję antyrepresorową. Dodatkowy czynnik, TIF-IC, może również stymulować ogólne tempo transkrypcji i tłumić pauzy Pol I. Gdy Pol I postępuje wzdłuż rDNA, superzwoje tworzą się zarówno przed, jak i za kompleksem. Są one odwijane przez topoizomerazę I lub II w regularnych odstępach czasu, podobnie jak w transkrypcji za pośrednictwem Pol II.

Wydłużenie prawdopodobnie zostanie przerwane w miejscach uszkodzenia DNA. Naprawa sprzężona z transkrypcją zachodzi podobnie do genów transkrybowanych przez Pol II i wymaga obecności kilku białek naprawczych DNA, takich jak TFIIH, CSB i XPG.

Zakończenie

U wyższych eukariontów TTF-I wiąże się i zagina miejsce terminacji na końcu 3' transkrybowanego regionu. To zmusi Pol I do pauzy. TTF-I, z pomocą czynnika uwalniania transkryptu PTRF i regionu bogatego w T, indukuje Pol I do terminacji transkrypcji i dysocjacji od DNA i nowego transkryptu. Dowody sugerują, że terminacja może ograniczać szybkość w przypadkach wysokiej produkcji rRNA. TTF-I i PTRF będą następnie pośrednio stymulować ponowną inicjację transkrypcji przez Pol I w tym samym genie rDNA. W organizmach takich jak pączkujące drożdże proces wydaje się być znacznie bardziej skomplikowany i wciąż nie jest do końca wyjaśniony.

Hotspot rekombinacji

Hotspoty rekombinacji to sekwencje DNA , które zwiększają lokalną rekombinację . Sekwencja HOT1 u drożdży jest jednym z najlepiej zbadanych gorących punktów rekombinacji mitotycznej . Sekwencja HOT1 zawiera promotor transkrypcji polimerazy I RNA . W szczepie mutanta drożdży z defektywną polimerazą RNA I aktywność HOT1 w promowaniu rekombinacji jest zniesiona. Wydaje się, że poziom aktywności transkrypcyjnej polimerazy RNA I, który jest zależny od promotora w sekwencji HOT1, określa poziom pobliskiej rekombinacji mitotycznej.

Zobacz też

Bibliografia