РНК-полимераза I
РНК-полимераза 1 (также известная как Pol I ) у высших эукариот представляет собой полимеразу , только которая транскрибирует 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]
Структура и функции
[ редактировать ]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-полимеразе 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 нижележащего 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] удаление двух спейсеров и получение трех рРНК путем 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]
Регуляция транскрипции рРНК
[ редактировать ]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 специфических 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 дифференцировки . В целом, когда 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.
Цикл транскрипции
[ редактировать ]В процессе транскрипции (любой полимеразой) выделяют три основных этапа:
- Инициация: построение комплекса РНК-полимеразы на промоторе гена с помощью факторов транскрипции.
- Элонгация: фактическая транскрипция большей части гена в соответствующую последовательность РНК.
- Терминация: прекращение транскрипции РНК и разборка комплекса РНК-полимеразы.
Инициация
[ редактировать ]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]
- Димерный вышестоящий связывающий фактор эукариот ( UBF ) связывает UCE и основной элемент.
- UBF рекрутирует и связывает белковый комплекс, называемый SL1 у людей (или TIF-IB у мышей), состоящий из ТАТА-связывающего белка (TBP) и трех TBP-ассоциированных факторов (TAF). [11] [12]
- Димер UBF содержит несколько групповых коробок с высокой подвижностью ( HMG-боксов ), которые вводят петли в восходящий регион, позволяя UCE и основным элементам вступать в контакт.
- RRN3 /TIF-IA фосфорилируется и связывает Pol I.
- Pol I связывается с комплексом UBF/SL1 через RRN3/TIF-IA, и начинается транскрипция.
Обратите внимание, что этот процесс неодинаков у разных организмов. [10]
Удлинение
[ редактировать ]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 ссылка ]
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.
Прекращение действия
[ редактировать ]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 ссылка ]
Горячая точка рекомбинации
[ редактировать ]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]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рассел, Джеки; Зомердейк, Йост CBM (2006). «Машина транскрипции РНК-полимеразы I» . Симпозиум Биохимического общества . 73 (73): 203–16. дои : 10.1042/bss0730203 . ПМЦ 3858827 . ПМИД 16626300 .
- ^ Энгель, Кристоф; Сейнсбери, Сара; Чунг, Алан С.; Кострева, Дирк; Крамер, Патрик (23 октября 2013 г.). «Структура РНК-полимеразы I и регуляция транскрипции». Природа . 502 (7473): 650–655. Бибкод : 2013Natur.502..650E . дои : 10.1038/nature12712 . hdl : 11858/00-001M-0000-0015-3B48-5 . ПМИД 24153182 . S2CID 205236187 .
- ^ 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 .
- ^ Эджер, Патрик П; Тан, Мишель; Берд, Кевин А; Мэйфилд, Дастин Р.; Конант, Гэвин; Мумменхофф, Клаус; Кох, Маркус А; Пирес, Дж. Крис (1 июля 2014 г.). «Анализ вторичной структуры внутренних транскрибируемых спейсеров ядерной рРНК и оценка ее филогенетической полезности для Brassicaceae (горчицы)» . ПЛОС ОДИН . 9 (7): e101341. Бибкод : 2014PLoSO...9j1341E . дои : 10.1371/journal.pone.0101341 . ПМК 4077792 . ПМИД 24984034 .
- ^ Эпплинг, Дин; Энтони-Кэхилл, Спенсер; Мэтьюз, Кристофер (2016). Биохимия: понятия и связи . Хобокен, Нью-Джерси: Пирсон. п. 742. ИСБН 978-0-321-83992-3 .
- ^ Уоткинс, Николас Дж.; Бонсак, Маркус Т. (май 2012 г.). «Блок-snoRNP C/D и H/ACA: ключевые игроки в модификации, процессинге и динамическом сворачивании рибосомальной РНК». Междисциплинарные обзоры Wiley: РНК . 3 (3): 397–414. дои : 10.1002/wrna.117 . ПМИД 22065625 . S2CID 25766812 .
- ^ Jump up to: а б Венема, Яап; Толлерви, Дэвид (декабрь 1999 г.). «Синтез рибосом у Saccharomyces cerevisiae». Ежегодный обзор генетики . 33 (1): 261–311. дои : 10.1146/annurev.genet.33.1.261 . ПМИД 10690410 .
- ^ Грандори, Карла; Гомес-Роман, Нативидад; Фелтон-Эдкинс, Зои А.; Нгуэнет, Селин; Галлоуэй, Дениз А.; Эйзенман, Роберт Н.; Уайт, Роберт Дж. (20 февраля 2005 г.). «c-Myc связывается с рибосомальной ДНК человека и стимулирует транскрипцию генов рРНК с помощью РНК-полимеразы I». Природная клеточная биология . 7 (3): 311–318. дои : 10.1038/ncb1224 . ПМИД 15723054 . S2CID 8913931 .
- ^ Янцен, Ханс-Майкл; Адмон, Ари; Белл, Стивен П.; Тиан, Роберт (26 апреля 1990 г.). «Ядрышковый фактор транскрипции hUBF содержит ДНК-связывающий мотив, гомологичный белкам HMG» . Природа . 344 (6269): 830–836. Бибкод : 1990Natur.344..830J . дои : 10.1038/344830a0 . ПМИД 2330041 . S2CID 4280039 .
- ^ Jump up to: а б Груммт, Ингрид (15 июля 2003 г.). «Жизнь на собственной планете: регуляция транскрипции РНК-полимеразы I в ядрышке» . Гены и развитие . 17 (14): 1691–1702. дои : 10.1101/gad.1098503R . ПМИД 12865296 . Проверено 16 декабря 2014 г.
- ^ Узнал, Р. Марк; Кордес, Сабина; Тиан, Роберт (июнь 1985 г.). «Очистка и характеристика фактора транскрипции, который придает специфичность промотора человеческой РНК-полимеразы I» . Молекулярная и клеточная биология . 5 (6): 1358–69. дои : 10.1128/MCB.5.6.1358 . ПМК 366865 . ПМИД 3929071 .
- ^ Клос, Иоахим; Бутгерайт, Детлев; Груммт, Ингрид (февраль 1986 г.). «Очищенный фактор транскрипции (TIF-IB) связывается с важными последовательностями промотора рДНК мыши» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 83 (3): 604–8. Бибкод : 1986PNAS...83..604C . дои : 10.1073/pnas.83.3.604 . ПМК 322912 . ПМИД 3456157 .
- ^ Серидзава Н., Хориучи Т., Кобаяши Т. (2004). «Опосредованная транскрипцией гиперрекомбинация в HOT1». Генные клетки . 9 (4): 305–15. дои : 10.1111/j.1356-9597.2004.00729.x . ПМИД 15066122 .
