РНК-полимераза IV
РНК-полимераза IV ( РНКП IV ) — это фермент , который синтезирует малые интерферирующие РНК (миРНК) в растениях, которые подавляют экспрессию генов . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] РНКП IV принадлежит к семейству ферментов, катализирующих процесс транскрипции, известных как РНК-полимеразы , которые синтезируют РНК из матриц ДНК. [ 4 ] Гены РНКП IV, обнаруженные в ходе филогенетических исследований наземных растений, предположительно возникли в результате многоступенчатых эволюционных процессов, которые происходили в филогениях РНК-полимеразы II . [ 5 ] Такой эволюционный путь подтверждается тем фактом, что РНКП IV состоит из 12 белковых субъединиц, которые либо сходны, либо идентичны РНК-полимеразе II и специфичны для геномов растений. [ 6 ] Посредством синтеза миРНК РНКП IV участвует в регуляции образования гетерохроматина в процессе, известном как РНК-направленное метилирование ДНК (RdDM). [ 1 ] [ 2 ]
Открытие
[ редактировать ]Филогенетические исследования
[ редактировать ]
Филогенетические исследования наземных растений привели к открытию РНК- полимеразы IV. [ 5 ] Анализ самой большой ( RPD1 ) и второй по величине субъединиц ( RPD2 ) RNAP IV был аналогичен Blast- поиску генов RNAP II. [ 5 ] Гены RPD1 и RPD2 были обнаружены у всех наземных растений, а самый крупный ген был обнаружен у таксона водорослей Charale . Дальнейший анализ происхождения белка указывает на событие дупликации гена самой большой субъединицы, что позволяет предположить, что событие дупликации произошло после расхождения Charales и наземных растений и водорослей. [ 5 ] В частности, самая большая субъединица РНКП II образовала RPD1 в результате дупликации, а ген RPD2 возник в результате дивергенции. Доказательства этих событий дупликации предполагают, что гены RNAP IV происходят из филогении RNAP II в многоэтапном процессе. Другими словами, дивергенция первой субъединицы является первым шагом множественной эволюции новых РНКП. [ 5 ] RNAP IV также имеет несколько общих субъединиц с RNAP II, в дополнение к самой большой и второй по величине субъединицам, что также было подтверждено непрерывными событиями дупликации определенных линий. [ 7 ]
Разница между RNAP IV и RNAP V
[ редактировать ]Arabidopsis экспрессирует две формы RNAP IV, ранее называвшиеся RNAP IVa и RNAP IVb, которые различаются по наибольшей субъединице и не имеют дублирующих действий. [ 8 ] Для эффективного подавления транспозонов необходимы обе формы RNAP IV, тогда как для базального молчания требуется только RNAP IVa. Это открытие предполагает необходимость обеих форм в механизме метилирования транспозонов. [ 8 ] Более поздние эксперименты показали, что то, что когда-то считалось двумя формами РНКП IV, на самом деле является двумя структурно и функционально различными полимеразами. [ 9 ] RNAP IVa был указан как RNAP IV, а RNAP IVb стал известен как RNAP V. [ 9 ]
Структура
[ редактировать ]РНК-полимераза IV состоит из 12 белковых субъединиц, которые либо сходны, либо идентичны 12 субъединицам, составляющим РНК-полимеразу II . Только четыре субъединицы отличают структуру РНКП IV от РНКП II и РНКП V. РНК-полимераза V отличается от РНКП II на шесть субъединиц, что указывает на то, что и РНКП IV, и РНКП V произошли от РНКП II у растений. [ 6 ] У арабидопсиса было обнаружено два уникальных гена, кодирующих субъединицы, которые отличают РНКП IV от РНКП II. [ 10 ] Самая большая субъединица кодируется NRPD1 (ранее NRPD1a), тогда как вторая по величине субъединица кодируется NRPD2 и используется совместно с RNAP V. [ 1 ] Эти субъединицы содержат карбоксильно-концевые домены (CTD), которые необходимы для производства 20-30% миРНК, продуцируемых РНК-полимеразой IV, но не требуются для метилирования ДНК . [ 11 ]
Функция
[ редактировать ]
Есть доказательства того, что РНК-полимераза IV (РНКП IV) ответственна за выработку гетерохроматина , поскольку дисфункция любой каталитической субъединицы РНКП IV (NRPD1 и NRPD2) нарушает образование гетерохроматина. [ 2 ] Поскольку гетерохроматин является молчащей частью ДНК, он образуется, когда РНКП IV усиливает выработку малых интерферирующих РНК (миРНК), которые ответственны за метилирование цитозиновых оснований в ДНК; это метилирование заставляет замолчать сегменты генетического кода, которые все еще могут быть транскрибированы в мРНК, но не транслированы в белки. [ 3 ] [ 12 ] RNAP IV участвует в установлении закономерностей метилирования в генах 5S во время созревания растений, что приводит к развитию у растений признаков взрослых особей. [ 13 ]
Механизм
[ редактировать ]На первом этапе образования гетерохроматина РНКП IV соединяется с РНК-зависимой РНК-полимеразой, известной как RDR2, образуя двухцепочечный предшественник миРНК. [ 14 ] Затем DICER-подобный белок 3 (DLP3), фермент, разрезающий субстраты двухцепочечной РНК, расщепляет двухцепочечный предшественник на миРНК, каждая из которых имеет длину 24 нуклеотида. [ 15 ] Эти миРНК затем метилируются на своих 3'-концах белком, известным как HUA ENHANCER 1 (HEN1). [ 16 ] Наконец, эти метилированные siRNA образуют комплекс с белком, известным как ARGONAUTE-4 (AGO4), с образованием комплекса молчания, который может выполнять необходимое метилирование для производства гетерохроматина. [ 17 ] Этот процесс называется РНК-направленным метилированием ДНК (RdDM) или Pol IV-опосредованным молчанием, поскольку введение этих метильных групп с помощью миРНК заставляет замолчать как транспозоны, так и повторяющиеся последовательности ДНК. [ 1 ]
Регулирование
[ редактировать ]ГОМОЛОГ 1 ГОМЕОДОМЕНА САВАДИ (SHH1) представляет собой белок, который взаимодействует с РНКП IV и играет решающую роль в его регуляции посредством метилирования . SHH1 может связываться с хроматином только в определенных «маркированных» сегментах, поскольку его домен «SAWADEE» представляет собой домен, связывающий хроматин, который исследует неметилированные модификации K4 и метилированные K9 на хвосте гистона 3 (H3) хроматина; его карманы связывания затем прикрепляются к хроматину в этих сайтах и позволяют RNAP IV занять те же самые локусы. Таким образом, SHH1 функционирует, обеспечивая рекрутирование и стабильность RNAP IV в наиболее активно нацеленных геномных локусах при RdDM , чтобы способствовать ранее упомянутому биогенезу siRNA из 24-нуклеотидных siRNA. Более того, он связывается с репрессивными модификациями гистонов, и любые мутации, которые мешают этому процессу, связаны со снижением метилирования ДНК и продукции миРНК. [ 18 ] Регулирование продукции siRNA с помощью RNAP IV посредством этого механизма приводит к серьезным последующим эффектам, поскольку siRNA, продуцируемые таким образом, защищают геном от пролиферации вторгающихся вирусов и эндогенных мобильных элементов. [ 19 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Герр, Эй Джей; Дженсен, МБ; Далмей, Т.; Баулкомб, округ Колумбия (1 апреля 2005 г.). «РНК-полимераза IV управляет молчанием эндогенной ДНК» . Наука . 308 (5718): 118–120. Бибкод : 2005Sci...308..118H . дои : 10.1126/science.1106910 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 15692015 . S2CID 206507767 .
- ^ Jump up to: а б с Онодера, Ясуюки; Хааг, Джереми Р.; Рим, Томас; Коста Нуньес, Педро; Понтес, Ольга; Пикард, Крейг С. (11 марта 2005 г.). «Растительная ядерная РНК-полимераза IV опосредует образование гетерохроматина, зависимое от метилирования миРНК и ДНК» . Клетка . 120 (5): 613–622. дои : 10.1016/j.cell.2005.02.007 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 15766525 . S2CID 1695604 .
- ^ Jump up to: а б Филлипс, Тереза. «siRNA и как она используется в исследованиях молекулярной генетики» . МысльКо . Проверено 1 декабря 2020 г.
- ^ Редакторы, BD (10 ноября 2016 г.). «РНК-полимераза» . Биологический словарь . Проверено 1 декабря 2020 г.
{{cite web}}:|last=имеет общее имя ( справка ) - ^ Jump up to: а б с д и Ло, Цзе; Холл, Бенджамин Д. (2007). «Многостадийный процесс привел к появлению РНК-полимеразы IV наземных растений» . Журнал молекулярной эволюции . 64 (1): 101–112. Бибкод : 2007JMolE..64..101L . дои : 10.1007/s00239-006-0093-z . ISSN 0022-2844 . ПМИД 17160640 . S2CID 37590716 .
- ^ Jump up to: а б Рим, Томас С.; Хааг, Джереми Р.; Вежбицкий, Эндрю Т.; Никора, Кэрри Д.; Норбек, Анджела Д.; Чжу, Цзянь-Кан; Гарден, Гретхен; Гилфойл, Томас Дж.; Пасс-Толич, Лиляна; Пикард, Крейг С. (30 января 2009 г.). «Состав субъединиц ферментов, подавляющих РНК, Pol IV и Pol V, свидетельствует о том, что они происходят как специализированные формы РНК-полимеразы II» . Молекулярная клетка . 33 (2): 192–203. doi : 10.1016/j.molcel.2008.12.015 . ISSN 1097-4164 . ПМЦ 2946823 . ПМИД 19110459 .
- ^ Хуан, И; Кендалл, Тимми; Форсайт, Эван С.; Дорантес-Акоста, Ана; Ли, Шаофан; Кабальеро-Перес, Хуан; Чен, Сюэмэй; Артеага-Васкес, Марио; Байльштейн, Марк А.; Мошер, Ребекка А. (2015). «Древнее происхождение и новейшие инновации РНК-полимеразы IV и V» . Молекулярная биология и эволюция . 32 (7): 1788–1799. дои : 10.1093/molbev/msv060 . ISSN 0737-4038 . ПМЦ 4476159 . ПМИД 25767205 .
- ^ Jump up to: а б Понтье, Доминик; Ягубян, Галина; Вега, Даниэль; Бульски, Аньес; Саес-Васкес, Хулио; Хакими, Мохамед-Али; Лербс-Маше, Сильва; Колот, Винсент; Лагранж, Тьерри (1 сентября 2005 г.). «Усиление молчания транспозонов и высокоповторяющихся последовательностей требует согласованного действия двух различных РНК-полимераз IV у Arabidopsis» . Гены и развитие . 19 (17): 2030–2040. дои : 10.1101/gad.348405 . ISSN 0890-9369 . ПМК 1199573 . ПМИД 16140984 .
- ^ Jump up to: а б Вежбицкий, Анджей Т.; Хааг, Джереми Р.; Пикаард, Крейг С. (14 ноября 2008 г.). «Некодирующая транскрипция с помощью РНК-полимеразы Pol IVb/Pol V опосредует транскрипционное молчание перекрывающихся и соседних генов» . Клетка . 135 (4): 635–648. дои : 10.1016/j.cell.2008.09.035 . ISSN 0092-8674 . ПМК 2602798 . ПМИД 19013275 .
- ^ Инициатива по геному арабидопсиса (2000 г.). «Анализ последовательности генома цветкового растения Arabidopsis thaliana» . Природа . 408 (6814): 796–815. Бибкод : 2000Natur.408..796T . дои : 10.1038/35048692 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 11130711 . S2CID 205012145 .
- ^ Вендте, Джеред М.; Хааг, Джереми Р.; Понтес, Ольга М.; Сингх, Джаслин; Меткалф, Сара; Пикаард, Крейг С. (26 сентября 2019 г.). «Самая большая субъединица Pol IV CTD количественно влияет на уровни миРНК, управляя РНК-направленным метилированием ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (17): 9024–9036. дои : 10.1093/nar/gkz615 . ISSN 0305-1048 . ПМК 6753486 . ПМИД 31329950 .
- ^ «Гетерохроматин: от хромосомы к белку» . atlasgeneticsoncology.org . Проверено 1 декабря 2020 г.
- ^ Дуэ, Жюльен; Бланшар, Бертран; Кювилье, Клодин; Турменте, Сильветт (1 декабря 2008 г.). «Взаимодействие РНК Pol IV и ROS1 во время постэмбрионального ремоделирования хроматина 5S рДНК» . Физиология растений и клеток . 49 (12): 1783–1791. дои : 10.1093/pcp/pcn152 . ISSN 0032-0781 . ПМИД 18845569 .
- ^ Хааг, Джереми Р.; Рим, Томас С.; Мараско, Мишель; Никора, Кэрри Д.; Норбек, Анджела Д.; Паса-Толич, Лиляна; Пикаард, Крейг С. (14 декабря 2012 г.). «Транскрипционная активность Pol IV, Pol V и RDR2 in vitro демонстрирует взаимодействие Pol IV и RDR2 для синтеза дцРНК при подавлении РНК растений» . Молекулярная клетка . 48 (5): 811–818. doi : 10.1016/j.molcel.2012.09.027 . ISSN 1097-2765 . ПМЦ 3532817 . ПМИД 23142082 .
- ^ Ци, Ицзюнь; Денли, Ахмет М.; Хэннон, Грегори Дж. (5 августа 2005 г.). «Биохимическая специализация путей молчания РНК Arabidopsis» . Молекулярная клетка . 19 (3): 421–428. doi : 10.1016/j.molcel.2005.06.014 . ISSN 1097-2765 . ПМИД 16061187 .
- ^ Мацке, Марджори А.; Мошер, Ребекка А. (2014). «РНК-направленное метилирование ДНК: эпигенетический путь возрастающей сложности» . Обзоры природы Генетика . 15 (6): 394–408. дои : 10.1038/nrg3683 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 24805120 . S2CID 54489227 .
- ^ Ци, Ицзюнь; Он, Синъюэ; Ван, Сю-Цзе; Кохани, Алексей; Юрка, Ежи; Хэннон, Грегори Дж. (2006). «Различные каталитические и некаталитические роли ARGONAUTE4 в РНК-направленном метилировании ДНК» . Природа . 443 (7114): 1008–1012. Бибкод : 2006Natur.443.1008Q . дои : 10.1038/nature05198 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 16998468 . S2CID 963323 .
- ^ Закон, Джули А.; Ду, Цзяму; Хейл, Кристофер Дж.; Фэн, Сухуа; Краевский, Кшиштоф; Паланка, Ана Мари С.; Страл, Брайан Д.; Патель, Диншоу Дж.; Якобсен, Стивен Э. (20 июня 2013 г.). «Для присутствия полимеразы-IV в сайтах метилирования ДНК, направленных на РНК, требуется SHH1» . Природа . 498 (7454): 385–389. Бибкод : 2013Natur.498..385L . дои : 10.1038/nature12178 . ISSN 0028-0836 . ПМЦ 4119789 . ПМИД 23636332 .
- ^ Чжан, Сяоюй; Хендерсон, Ян Р.; Лу, Ченг; Грин, Памела Дж.; Якобсен, Стивен Э. (13 марта 2007 г.). «Роль РНК-полимеразы IV в метаболизме малых РНК растений» . Труды Национальной академии наук . 104 (11): 4536–4541. Бибкод : 2007PNAS..104.4536Z . дои : 10.1073/pnas.0611456104 . ISSN 0027-8424 . ПМК 1810338 . ПМИД 17360559 .