РНК-полимераза I - RNA polymerase I

РНК-полимераза 1 (также известный как Pol I) находится в высшем эукариоты, то полимераза только это расшифровывает рибосомная РНК (но нет 5S рРНК, который синтезируется РНК-полимераза III ), тип РНК, на долю которого приходится более 50% всей РНК, синтезируемой в клетка.[1]

Структура и функции

Pol I представляет собой фермент 590 кДа, состоящий из 14 белковые субъединицы (полипептиды ), и это Кристальная структура в дрожжах Saccharomyces cerevisiae была решена с разрешением 2,8 Å в 2013 г.[2] Двенадцать из его подразделений имеют идентичные или связанные аналоги в РНК-полимераза II (Pol II) и РНК-полимераза III (Pol III). Две другие субъединицы связаны с факторами инициации Pol II и имеют структурные гомологи в Pol III.

Рибосомная ДНК транскрипция ограничивается ядрышко, где присутствует около 400 копий гена рДНК размером 42,9 т.п.н., расположенных в виде тандем повторяет в районы организатора ядрышка. Каждая копия содержит последовательность размером ~ 13,3 кб, кодирующую 18S, то 5,8S, а 28S Молекулы РНК, переплетенные с двумя внутренние расшифрованные прокладки, ITS1 и ITS2, и фланкированы вверх по потоку 5'-внешним транскрибированным спейсером и расположенным ниже 3'-внешним транскрибированным спейсером.[3][4] Эти компоненты транскрибируются вместе с образованием пре-рРНК 45S.[5] Пре-рРНК 45S затем посттранскрипционно расщепляется C / D-боксом и H / ACA-боксом. snoRNAs,[6] удаление двух спейсеров и получение трех рРНК с помощью сложной серии шагов.[7] 5S рибосомная РНК транскрибируется Pol III. Из-за простоты транскрипции Pol I, это наиболее быстро действующая полимераза, на которую приходится до 60% клеточных уровней транскрипции в экспоненциально растущих клетках.

В Saccharomyces cerevisiae 5S рДНК имеет необычную особенность - она ​​лежит внутри повтора рДНК. Он фланкирован нетранскрибируемыми спейсерами NTS1 и NTS2 и транскрибируется в обратном направлении с помощью Pol III, отдельно от остальной части рДНК.[7]

Регуляция транскрипции рРНК

Скорость роста клеток напрямую зависит от скорости синтеза белка, который сам неразрывно связан с синтезом рибосом и транскрипцией рРНК. Таким образом, внутриклеточные сигналы должны координировать синтез рРНК с синтезом других компонентов трансляции белков. Мой с известно, что он связывается с рибосомной ДНК человека, чтобы стимулировать 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 дифференциация. В общем, по мере того, как клетка становится более дифференцированной, она требует меньшего роста и, следовательно, будет иметь снижение синтеза рРНК и уменьшение транскрибируемых генов рДНК. Когда синтез рРНК стимулируется, SL1 (фактор селективности 1) связывается с промоутеры генов рДНК, которые ранее молчали, и рекрутируют преинициативный комплекс, с которым Pol I будет связываться и запускать транскрипцию рРНК.

Изменения транскрипции рРНК также могут происходить за счет изменения скорости транскрипции. Хотя точный механизм, с помощью 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

В процессе транскрипция (любой полимеразой) можно выделить три основных этапа:

  1. Инициирование: построение комплекса РНК-полимеразы на гене промоутер с помощью факторы транскрипции
  2. Элонгация: фактическая транскрипция большей части гена в соответствующую последовательность РНК.
  3. Прекращение: прекращение транскрипции РНК и разборка комплекса РНК-полимеразы.

Инициация

Pol I не требует Коробка ТАТА в промоторе, вместо этого полагаясь на восходящий контрольный элемент (UCE), расположенный между -200 и -107, и основной элемент, расположенный между -45 и +20.[9][10]

  1. Димерный эукариотический восходящий фактор связывания (UBF ) связывает UCE и основной элемент.
  2. UBF привлекает и связывает белковый комплекс, называемый SL1 у людей (или TIF-IB у мышей), состоящий из ТАТА-связывающий белок (TBP) и три Факторы, связанные с TBP (TAF).[11][12]
  3. Димер UBF содержит несколько боксов группы с высокой подвижностью (HMG-боксы ), которые вводят петли в область выше по потоку, позволяя UCE и основным элементам войти в контакт.
  4. RRN3 / TIF-IA фосфорилируется и связывает Pol I.
  5. 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

Когда Pol I ускользает и очищается от промотора, UBF и SL1 остаются связанными с промотором, готовыми к рекрутированию другого Pol I. Действительно, каждый активный ген рДНК может транскрибироваться несколько раз одновременно, в отличие от генов, транскрибируемых Pol II, которые связываются только с по одному комплексу за раз. Хотя удлинение протекает беспрепятственно in vitro, на данный момент неясно, происходит ли этот процесс в клетке, учитывая присутствие нуклеосомы. Pol I, кажется, транскрибирует через нуклеосомы, либо обходя их, либо разрушая, возможно, с помощью активности ремоделирования хроматина. Кроме того, UBF также может действовать как положительная обратная связь, увеличивая элонгацию Pol I за счет антирепрессорной функции. Дополнительный фактор, TIF-IC, также может стимулировать общую скорость транскрипции и подавлять паузу Pol I. Поскольку Pol I продвигается по рДНК, суперспирали формируются как перед комплексом, так и за ним. Они разматываются топоизомераза I или II через равные промежутки времени, аналогично тому, что наблюдается в транскрипции, опосредованной Pol II.[нужна цитата ]

Вероятно, что элонгация прерывается в местах повреждения ДНК. Связанная с транскрипцией репарация происходит аналогично транскрибируемым Pol II генам и требует присутствия нескольких белков репарации ДНК, таких как TFIIH, CSB и XPG.

Прекращение

У высших эукариот TTF-I связывает и изгибает сайт терминации на 3'-конце транскрибируемой области. Это заставит Pol I остановиться. TTF-I, с помощью фактора высвобождения транскрипта ПТРФ и Т-богатая область будет индуцировать Pol I в прекращении транскрипции и диссоциации от ДНК и нового транскрипта. Данные свидетельствуют о том, что терминация может быть ограничивающей скорость в случаях высокой продукции рРНК. Затем TTF-I и PTRF будут косвенно стимулировать повторную инициацию транскрипции с помощью Pol I в том же гене рДНК. У организмов, таких как почкующиеся дрожжи, этот процесс кажется намного более сложным и до сих пор полностью не выяснен.[нужна цитата ]

Точка рекомбинации

Горячие точки рекомбинации находятся ДНК последовательности, которые увеличивают местное рекомбинация. Последовательность HOT1 в дрожжах - одна из наиболее хорошо изученных. митотический рекомбинационные горячие точки. Последовательность HOT1 включает транскрипцию РНК-полимеразы I. промоутер. В мутантном штамме дрожжей, дефектном по РНК-полимеразе I, активность HOT1 по стимулированию рекомбинации отсутствует. Уровень транскрипционной активности РНК-полимеразы I, который зависит от промотора в последовательности HOT1, по-видимому, определяет уровень ближайшей митотической рекомбинации.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рассел, Джеки; Zomerdijk, Joost C B M (2006). «Аппарат транскрипции РНК-полимеразы I». Симпозиум Биохимического общества. 73 (73): 203–16. Дои:10.1042 / bss0730203. ЧВК  3858827. PMID  16626300.
  2. ^ Энгель, Кристоф; Сейнсбери, Сара; Cheung, Alan C .; Кострева, Дирк; Крамер, Патрик (23 октября 2013 г.). «Структура РНК-полимеразы I и регуляция транскрипции». Природа. 502 (7473): 650–655. Bibcode:2013Натура.502..650E. Дои:10.1038 / природа12712. HDL:11858 / 00-001M-0000-0015-3B48-5. PMID  24153182. S2CID  205236187.
  3. ^ Центнер, Габриэль Э; Саяхова Алина; Манаенков, Павел; Адамс, Марк Д; Скачери, Питер С (25 февраля 2011 г.). «Интегративный геномный анализ рибосомальной ДНК человека». Исследования нуклеиновых кислот. 39 (12): 4949–4960. Дои:10.1093 / nar / gkq1326. ЧВК  3130253. PMID  21355038. Получено 16 декабря 2014.
  4. ^ Edger, Патрик П.; Тан, Мишель; Птица, 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)». PLOS ONE. 9 (7): e101341. Bibcode:2014PLoSO ... 9j1341E. Дои:10.1371 / journal.pone.0101341. ЧВК  4077792. PMID  24984034.
  5. ^ Апплинг, Дин; Энтони-Кэхилл, Спенсер; Мэтьюз, Кристофер (2016). Биохимия: концепции и связи. Хобокен, Нью-Джерси: Пирсон. п. 742. ISBN  978-0-321-83992-3.
  6. ^ Уоткинс, Николас Дж .; Бонсак, Маркус Т. (май 2012 г.). «Коробка C / D и H / ACA snoRNP: ключевые игроки в модификации, процессинге и динамическом сворачивании рибосомной РНК». Междисциплинарные обзоры Wiley: РНК. 3 (3): 397–414. Дои:10.1002 / wrna.117. PMID  22065625.
  7. ^ а б Венема, Яап; Толлервей, Дэвид (декабрь 1999 г.). «Синтез рибосом в Saccharomyces cerevisiae». Ежегодный обзор генетики. 33 (1): 261–311. Дои:10.1146 / annurev.genet.33.1.261. PMID  10690410.
  8. ^ Грандори, Карла; Гомес-Роман, Нативидад; Felton-Edkins, Zoe A .; Нгуэне, Селин; Galloway, Denise A .; Эйзенман, Роберт Н .; Уайт, Роберт Дж. (20 февраля 2005 г.). «c-Myc связывается с рибосомной ДНК человека и стимулирует транскрипцию генов рРНК с помощью РНК-полимеразы I». Природа клеточной биологии. 7 (3): 311–318. Дои:10.1038 / ncb1224. PMID  15723054. S2CID  8913931.
  9. ^ Янцен, Ханс-Михаэль; Адмон, Арье; Белл, Стивен П .; Тьянь, Роберт (26 апреля 1990 г.). «Ядерный фактор транскрипции hUBF содержит ДНК-связывающий мотив, гомологичный белкам HMG». Природа. 344 (6269): 830–836. Bibcode:1990Натура.344..830J. Дои:10.1038 / 344830a0. PMID  2330041. S2CID  4280039.
  10. ^ 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. PMID  12865296. Получено 16 декабря 2014.
  11. ^ Узнал, Р. Марк; Кордес, Сабина; Тьян, Роберт (июнь 1985 г.). «Очистка и характеристика фактора транскрипции, который придает специфичность промотора РНК-полимеразе I человека». Молекулярная и клеточная биология. 5 (6): 1358–69. Дои:10.1128 / MCB.5.6.1358. ЧВК  366865. PMID  3929071.
  12. ^ Клос, Иоахим; Буттгерайт, Детлев; Груммт, Ингрид (февраль 1986). «Очищенный фактор транскрипции (TIF-IB) связывается с основными последовательностями промотора мышиной рДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 83 (3): 604–8. Bibcode:1986ПНАС ... 83..604С. Дои:10.1073 / pnas.83.3.604. ЧВК  322912. PMID  3456157.
  13. ^ Сэридзава Н., Хориучи Т., Кобаяси Т. (2004). «Опосредованная транскрипцией гиперрекомбинация в HOT1». Гены Клетки. 9 (4): 305–15. Дои:10.1111 / j.1356-9597.2004.00729.x. PMID  15066122.