РНК-полимераза IV - RNA polymerase IV

РНК-полимераза IV (или же RNAP IV) является фермент который синтезирует малая интерферирующая РНК (миРНК) в растениях, которые заглушают экспрессия гена.[1][2][3] RNAP IV принадлежит к семейству ферментов, которые катализируют процесс транскрипции, известный как РНК-полимераза s, которые синтезируют РНК из шаблонов ДНК.[4] Обнаружено через филогенетический исследования наземных растений, гены RNAP IV считаются результатом многоступенчатых процессов эволюции, которые произошли в РНК-полимераза II филогении.[5] Такой эволюционный путь подтверждается тем фактом, что РНКП IV состоит из 12 белковых субъединиц, которые либо аналогичны, либо идентичны РНК-полимеразе II, и специфичны для геномов растений.[6] Благодаря синтезу siRNA, RNAP IV участвует в регуляции гетерохроматин формирование в процессе, известном как РНК-направленное метилирование ДНК (RdDM).[1][2]

Открытие

Филогенетические исследования

Структура РНК-полимеразы II как модель структуры РНК-полимеразы IV, которая в настоящее время исследуется.

Филогенетические исследования наземных растений привели к открытию РНК Полимераза IV.[5] Анализ крупнейших (RPD1 ) и вторые по величине субъединицы (RPD2 ) RNAP IV были аналогичны Взрыв поиски генов РНКП II.[5] Гены RPD1 и RPD2 были обнаружены у всех наземных растений, а самый крупный ген был обнаружен в таксоне водорослей, Charale. Дальнейший анализ происхождения белка указывает на событие дупликации гена из самой большой субъединицы, которая предполагает, что событие дублирования произошло после расхождения Charales и наземных растений и водорослей.[5] В частности, самая большая субъединица в RNAP II сформировала RPD1 в результате дупликации, а ген RPD2 возник из-за дивергенции. Доказательства этих событий дупликации подразумевают, что гены RNAP IV происходят из филогений RNAP II в многоэтапном процессе. Другими словами, расхождение первой субъединицы - это первый из множества этапов эволюции новых RNAP.[5] RNAP IV также разделяет несколько субъединиц с RNAP II, в дополнение к самой большой и второй по величине субъединицам, что также было предположено в результате непрерывных событий дублирования определенных клонов.[7]

Различие между RNAP IV и RNAP V

Арабидопсис экспрессирует две формы RNAP IV, ранее называвшиеся RNAP IVa и RNAP IVb, которые различаются по самой большой субъединице и имеют неизбыточные действия.[8] Эффективное глушение транспозоны требуются обе формы RNAP IV, тогда как только RNAP IVa требуется для базального сайленсинга. Это открытие указывает на необходимость обеих форм для механизма метилирования транспозонов.[8] Более поздние эксперименты показали, что то, что когда-то считалось двумя формами RNAP IV, на самом деле является двумя структурно и функционально различными полимеразами.[9] RNAP IVa был определен как RNAP IV, а RNAP IVb стал известен как RNAP V.[9]

Структура

РНК-полимераза IV состоит из 12 субъединиц белка, которые либо аналогичны, либо идентичны 12 субъединицам, составляющим РНК-полимераза II. Только четыре субъединицы отличают структуру RNAP IV от RNAP II и RNAP V. РНК-полимераза V отличается от RNAP II шестью субъединицами, указывая на то, что как RNAP IV, так и RNAP V произошли от RNAP II у растений.[6] В Арабидопсис было обнаружено, что два уникальных гена кодируют субъединицы, которые отличают RNAP IV от RNAP II.[10] Самая большая субъединица кодируется NRPD1 (ранее NRPD1a), а вторая по величине субъединица кодируется NRPD2 и используется совместно с RNAP V.[1] Эти субъединицы содержат карбоксиконцевые домены (CTD), которые необходимы для производства 20-30% миРНК продуцируется РНК-полимеразой IV, но не требуется для Метилирование ДНК.[11]

Функция

Модель, представляющая пошаговый процесс РНК-направленного метилирования ДНК с помощью РНК-полимеразы IV.

Есть доказательства того, что РНК-полимераза IV (RNAP IV) отвечает за производство гетерохроматин, поскольку дисфункция любой каталитической субъединицы RNAP IV (NRPD1 и NRPD2) нарушает образование гетерохроматина.[2] Поскольку гетерохроматин является молчащей частью ДНК, он образуется, когда RNAP IV усиливает продукцию малые интерферирующие РНК (миРНК), которые отвечают за метилирование цитозиновые основания в ДНК; это метилирование заглушает сегменты генетического кода, которые все еще могут транскрибироваться в мРНК, но не транслироваться в белки[3][12]. RNAP IV участвует в установлении паттернов метилирования в генах 5S во время созревания растений, что приводит к развитию у растений взрослых признаков.[13]

Механизм

На первом этапе образования гетерохроматина RNAP IV соединяется с РНК-зависимая РНК-полимераза известный как RDR2, чтобы сделать двухцепочечный предшественник siRNA.[14] Следующий, Дайсер-подобный протеин 3 (DLP3), фермент, который разрезает 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 миРНК образуют комплекс с белком, известным как АРГОНАВТ-4 (AGO4), чтобы сформировать комплекс сайленсинга, который может выполнять необходимое метилирование для продукции гетерохроматина.[17] Этот процесс называется РНК-направленное метилирование ДНК (RdDM) или Pol IV-опосредованное подавление молчания, поскольку введение этих метильных групп siRNA подавляет оба транспозоны и повторяющиеся последовательности ДНК.[1]

Регулирование

SAWADEE HOMEODOMAIN HOMOLOG 1 (SHH1) - это белок, который взаимодействует с RNAP IV и имеет решающее значение в его регуляции посредством метилирование. SHH1 может связываться только с хроматин на указанных «отмеченных» сегментах, поскольку его «SAWADEE» домен является доменом связывания хроматина, который исследует неметилированные модификации K4 и метилированные K9 на гистон 3 (H3) хвост хроматина; это карманы для переплетов затем присоединяются к хроматину в этих сайтах и ​​позволяют RNAP IV занять эти же локусы. Таким образом, SHH1 функционирует, чтобы обеспечить рекрутирование и стабильность RNAP IV в наиболее активно нацеленных геномных локусах в RdDM чтобы продвигать ранее упомянутые миРНК биогенез siRNA длиной 24 нуклеотида. Более того, он связывается с репрессивными модификациями гистонов, и любые мутации, мешающие этому процессу, связаны со снижением метилирования ДНК и продукции siRNA.[18] Регуляция продукции siRNA с помощью RNAP IV посредством этого механизма приводит к основным последующим эффектам, поскольку siRNA, продуцируемые таким образом, защищают геном от пролиферации вторгающихся вирусов и эндогенных мобильных элементов. [19]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Herr, A.J .; Jensen, M. B .; Dalmay, T .; Баулкомб, Д. К. (1 апреля 2005 г.). «РНК-полимераза IV направляет подавление эндогенной ДНК». Science (Нью-Йорк, Нью-Йорк). 308 (5718): 118–120. Дои:10.1126 / science.1106910. ISSN  1095-9203. PMID  15692015.
  2. ^ а б c Онодера, Ясуюки; Хааг, Джереми Р .; Реам, Томас; Коста Нунес, Педро; Понтес, Ольга; Пикард, Крейг С. (11 марта 2005 г.). «Растительная ядерная РНК-полимераза IV опосредует образование гетерохроматина, зависящее от siRNA и ДНК». Клетка. 120 (5): 613–622. Дои:10.1016 / j.cell.2005.02.007. ISSN  0092-8674. PMID  15766525.
  3. ^ а б Гуэлф, Университет; Ватерлоо, Университет; Twitter, Twitter; LinkedIn, LinkedIn. «миРНК и как она используется в исследованиях молекулярной генетики». ThoughtCo. Получено 2020-12-01.
  4. ^ Редакторы, Б.Д. (10.11.2016). «РНК-полимераза». Биологический словарь. Получено 2020-12-01.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  5. ^ а б c d е Ло, Цзе; Холл, Бенджамин Д. (2007). «Многоступенчатый процесс привел к появлению РНК-полимеразы IV наземных растений». Журнал молекулярной эволюции. 64 (1): 101–112. Дои:10.1007 / s00239-006-0093-z. ISSN  0022-2844. PMID  17160640.
  6. ^ а б Ream, Thomas S .; Хааг, Джереми Р .; Wierzbicki, Andrzej T .; Никора, Кэрри Д .; Norbeck, Angela D .; Чжу, Цзянь-Кан; Хаген, Гретхен; Guilfoyle, Thomas J .; Паша-Толич, Лиляна; Пикард, Крейг С. (30 января 2009 г.). «Субъединичные составы ферментов, подавляющих РНК, Pol IV и Pol V показывают их происхождение как специализированные формы РНК-полимеразы II». Молекулярная клетка. 33 (2): 192–203. Дои:10.1016 / j.molcel.2008.12.015. ISSN  1097-4164. ЧВК  2946823. PMID  19110459.
  7. ^ Хуанг, Йи; 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 недавние инновации РНК-полимеразы IV и V». Молекулярная биология и эволюция. 32 (7): 1788–1799. Дои:10.1093 / molbev / msv060. ISSN  0737-4038. ЧВК  4476159. PMID  25767205.
  8. ^ а б Понтье, Доминик; Ягубян, Галина; Вега, Даниэль; Бульски, Аньес; Саез-Васкес, Хулио; Хакими, Мохамед-Али; Лербс-Маше, Сильва; Коло, Винсент; Лагранж, Тьерри (01.09.2005). «Усиление сайленсинга в транспозонах и высокоповторяющихся последовательностях 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. ЧВК  1199573. PMID  16140984.
  9. ^ а б Wierzbicki, Andrzej T .; Хааг, Джереми Р .; Пикард, Крейг С. (14 ноября 2008 г.). «Некодирующая транскрипция с помощью РНК-полимеразы Pol IVb / Pol V опосредует подавление транскрипции перекрывающихся и смежных генов». Клетка. 135 (4): 635–648. Дои:10.1016 / j.cell.2008.09.035. ISSN  0092-8674. PMID  19013275.
  10. ^ Инициатива по геному арабидопсиса (2000 г.). «Анализ последовательности генома цветкового растения Arabidopsis thaliana». Природа. 408 (6814): 796–815. Дои:10.1038/35048692. ISSN  1476-4687.
  11. ^ Wendte, Jered M .; Хааг, Джереми Р .; Понтес, Ольга М .; Сингх, Джаслин; Меткалф, Сара; Пикард, Крейг С. (26 сентября 2019 г.). «Самый большой CTD субъединицы Pol IV количественно влияет на уровни siRNA, управляя РНК-направленным метилированием ДНК». Исследования нуклеиновых кислот. 47 (17): 9024–9036. Дои:10.1093 / нар / gkz615. ISSN  0305-1048.
  12. ^ «Гетерохроматин, от хромосомы к белку». atlasgeneticsoncology.org. Получено 2020-12-01.
  13. ^ Дуэ, Жюльен; Бланшар, Бертран; Кювилье, Клодин; Турменте, Сильветт (01.12.2008). «Взаимодействие РНК Pol IV и ROS1 во время постэмбрионального ремоделирования 5S рДНК хроматина». Физиология растений и клеток. 49 (12): 1783–1791. Дои:10.1093 / pcp / pcn152. ISSN  0032-0781.
  14. ^ Хааг, Джереми Р .; Ream, Thomas S .; Мараско, Мишель; Никора, Кэрри Д .; Norbeck, Angela D .; Паша-Толич, Лиляна; Пикард, Крейг С. (14 декабря 2012 г.). «Активность транскрипции Pol IV, Pol V и RDR2 in vitro выявляет связывание Pol IV и RDR2 для синтеза дцРНК при подавлении растительной РНК». Молекулярная клетка. 48 (5): 811–818. Дои:10.1016 / j.molcel.2012.09.027. ISSN  1097-2765. ЧВК  3532817. PMID  23142082.
  15. ^ Ци, Ицзюнь; Денли, Ахмет М .; Хэннон, Грегори Дж. (2005-08-05). «Биохимическая специализация в путях подавления РНК Arabidopsis». Молекулярная клетка. 19 (3): 421–428. Дои:10.1016 / j.molcel.2005.06.014. ISSN  1097-2765. PMID  16061187.
  16. ^ Мацке, Марджори А .; Мошер, Ребекка А. (2014). «РНК-направленное метилирование ДНК: эпигенетический путь возрастающей сложности». Природа Обзоры Генетика. 15 (6): 394–408. Дои:10.1038 / nrg3683. ISSN  1471-0064.
  17. ^ Ци, Ицзюнь; Он, Синъюэ; Ван, Сю-Цзе; Коханы, Алексей; Юрка, Ежи; Хэннон, Грегори Дж. (2006). «Различная каталитическая и некаталитическая роль ARGONAUTE4 в РНК-направленном метилировании ДНК». Природа. 443 (7114): 1008–1012. Дои:10.1038 / природа05198. ISSN  0028-0836.
  18. ^ Закон, Джули А.; Ду, Джиаму; Хейл, Кристофер Дж .; Фэн, Сухуа; Краевский, Кшиштоф; Palanca, Ana Marie S .; Strahl, Brian D .; Patel, Dinshaw J .; Якобсен, Стивен Э. (2013-06-20). «Для занятия участков РНК-направленного метилирования ДНК полимеразой-IV необходим SHH1». Природа. 498 (7454): 385–389. Дои:10.1038 / природа12178. ISSN  0028-0836. ЧВК  4119789. PMID  23636332.
  19. ^ 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. Дои:10.1073 / pnas.0611456104. ISSN  0027-8424. PMID  17360559.