Эукариотическая транскрипция - Eukaryotic transcription

Эукариотическая транскрипция

Эукариотическая транскрипция это сложный процесс, который эукариотический клетки используют для копирования генетической информации, хранящейся в ДНК в единицы транспортабельного дополнительный РНК реплика.[1] Транскрипция генов происходит как у эукариот, так и у прокариотический клетки. В отличие от прокариотической РНК-полимеразы, которая инициирует транскрипцию всех различных типов РНК, РНК-полимераза у эукариот (включая человека) бывает трех разновидностей, каждая из которых транслирует свой тип гена. У эукариотической клетки есть ядро, которое разделяет процессы транскрипции и перевод. Эукариотическая транскрипция происходит в ядре, где ДНК упакована в нуклеосомы и выше хроматин конструкции. Сложность эукариотического генома требует большого разнообразия и сложности контроля экспрессии генов.

Транскрипция эукариот происходит в три последовательных этапа: инициация, удлинение и завершение.[1]

Транскрибируемые РНК выполняют различные функции. Например, структурные компоненты рибосомы транскрибируются с помощью РНК-полимеразы I. Кодирующие белки гены транскрибируются с помощью РНК-полимеразы II в информационные РНК (мРНК), которые переносят информацию от ДНК к месту синтеза белка.[1] Более широко изготовлены так называемые некодирующие РНК составляют большую часть транскрипционного выхода клетки.[2] Эти некодирующие РНК выполняют множество важных клеточных функций.[2]

РНК-полимераза

Основная статья: РНК-полимераза § Эукариоты

У эукариот есть три ядерные РНК-полимеразы, каждая из которых имеет разные роли и свойства.[3][4]

ИмяМесто расположенияТовар
РНК-полимераза I (Pol I, Pol A)ядрышкоболее крупная рибосомная РНК (рРНК ) (28S, 18S, 5,8S )
РНК-полимераза II (Pol II, Pol B)ядроинформационная РНК (мРНК ), большинство малых ядерных РНК (мяРНК ), малая интерферирующая РНК (миРНК ) и микроРНК (miRNA ).
РНК-полимераза III (Pol III, Pol C)ядро (и, возможно, ядрышко-нуклеоплазма интерфейс)переносить РНК (тРНК ), другие малые РНК (в том числе малые 5S рибосомальная РНК (5s рРНК), мяРНК U6, сигнал распознавания частицы РНК (SRP РНК) и другие стабильные короткие РНК

РНК-полимераза I (Pol I) катализирует транскрипцию всех генов рРНК, кроме 5S.[3][4] Эти гены рРНК организованы в единую транскрипционную единицу и транскрибируются в непрерывный транскрипт. Затем этот предшественник процессируется в три рРНК: 18S, 5,8S и 28S. Транскрипция генов рРНК происходит в специализированной структуре ядра, называемой ядрышком,[5] где транскрибированные рРНК объединяются с белками с образованием рибосомы.[6]

РНК-полимераза II (Pol II) отвечает за транскрипцию всех мРНК, некоторых мяРНК, миРНК и всех миРНК.[3][4] Многие транскрипты Pol II временно существуют в виде однонитевых РНК-предшественников (пре-РНК), которые затем подвергаются процессингу с образованием зрелых РНК.[1] Например, мРНК-предшественники (пре-мРНК) интенсивно процессируются перед выходом в цитоплазма сквозь ядерная пора для трансляции белков.

РНК-полимераза III (Pol III) транскрибирует небольшие некодирующие РНК, включая тРНК, 5S рРНК, U6 snRNA, SRP RNA и другие стабильные короткие РНК, такие как рибонуклеаза P РНК.[7]

Структура эукариотической РНК-полимеразы II (голубой) в комплексе с α-аманитином (красный), сильным ядом, обнаруженным в грибах смертельной шапочки, который нацелен на этот жизненно важный фермент

РНК-полимеразы I, II и III содержат 14, 12 и 17 субъединиц соответственно.[8] Все три эукариотические полимеразы имеют пять ядерных субъединиц, которые проявляют гомологию с β, β ’, αя, αII, и ω-субъединицы РНК-полимеразы E. coli. Идентичная ω-подобная субъединица (RBP6) используется всеми тремя эукариотическими полимеразами, в то время как одни и те же α-подобные субъединицы используются Pol I и III. Три эукариотические полимеразы разделяют между собой четыре другие общие субъединицы. Остальные субъединицы уникальны для каждой РНК-полимеразы. Дополнительные субъединицы, обнаруженные в Pol I и Pol III по сравнению с Pol II, гомологичны факторам транскрипции Pol II.[8]

Кристаллические структуры РНК-полимераз I[9] и II[10] дают возможность понять взаимодействия между субъединицами и молекулярный механизм эукариотической транскрипции в атомных деталях.

В карбоксильный терминал домен (CTD) из RPB1, самая большая субъединица РНК-полимеразы II, играет важную роль в объединении механизмов, необходимых для синтеза и процессинга транскриптов Pol II.[11] Длинный и структурно неупорядоченный CTD содержит множественные повторы гептапептидной последовательности YSPTSPS, которые подвержены фосфорилирование и другие посттрансляционные модификации во время цикла транскрипции. Эти модификации и их регуляция составляют функциональный код CTD для контроля инициации, удлинения и терминации транскрипции и для связывания транскрипции и процессинга РНК.[11]

Инициация

Инициирование транскрипции гена у эукариот происходит на определенных этапах.[1] Во-первых, РНК-полимераза вместе с общими факторы транскрипции связывается с промоутер области гена с образованием замкнутого комплекса, называемого преинициативный комплекс. Последующий переход комплекса из закрытого состояния в открытое состояние приводит к плавлению или разделению двух цепей ДНК и позиционированию цепочки-матрицы к активному центру РНК-полимеразы. Без необходимости в праймере РНК-полимераза может инициировать синтез новой цепи РНК, используя цепь ДНК-матрицы для управления выбором рибонуклеотидов и химией полимеризации.[1] Однако многие из инициированных синтезов прерываются до того, как транскрипты достигают значительной длины (~ 10 нуклеотидов). Во время этих прерванных циклов полимераза продолжает создавать и выделять короткие транскрипты до тех пор, пока не станет способна производить транскрипт, длина которого превышает десять нуклеотидов. Как только этот порог достигнут, РНК-полимераза проходит промотор, и транскрипция переходит к фазе элонгации.[1]

Вот схема присоединения РНК-полимеразы II к де-спирализованной ДНК. Кредит: Форлувофт.

Эукариотические промоторы и общие факторы транскрипции

Гены, транскрибируемые Pol II, содержат область в непосредственной близости от сайта начала транскрипции (TSS), которая связывает и позиционирует преинициативный комплекс. Эта область называется коровым промотором из-за ее важной роли в инициации транскрипции.[12][13] В промоторах обнаружены различные классы элементов последовательности. Например, Коробка ТАТА представляет собой высококонсервативную последовательность распознавания ДНК для связывающего белка ТАТА-бокса, TBP, связывание которых инициирует сборку комплекса транскрипции во многих генах.

Гены эукариот также содержат регуляторные последовательности за пределами корового промотора. Эти цис-действующие элементы управления связывают активаторы или репрессоры транскрипции для увеличения или уменьшения транскрипции с основного промотора. Хорошо охарактеризованные регулирующие элементы включают: усилители, глушители, и изоляторы. Эти регуляторные последовательности могут быть распределены на большом геномном расстоянии, иногда в сотнях килобаз от основных промоторов.[1]

Общие факторы транскрипции - это группа белков, участвующих в инициации и регуляции транскрипции.[1] Эти факторы обычно имеют ДНК-связывающие домены, которые связывают определенные элементы последовательности основного промотора и помогают рекрутировать РНК-полимеразу в сайт начала транскрипции. Общие факторы транскрипции для РНК-полимеразы II включают TFIID, TFIIA, TFIIB, ТФИИФ, TFIIE, и TFIIH.[1][14][15]

Сборка преинициативного комплекса

Транскрипция, полный набор общих факторов транскрипции и РНК-полимераза должны быть собраны в кор-промоторе, чтобы сформировать преинициативный комплекс ~ 2,5 миллиона дальтон.[16] Например, для промоторов, которые содержат TATA-бокс рядом с TSS, распознавание TATA-бокса субъединицей TBP TFIID инициирует сборку транскрипционного комплекса. Следующие белки, которые нужно ввести, - это TFIIA и TFIIB, которые стабилизируют комплекс ДНК-TFIID и привлекают Pol II вместе с TFIIF и дополнительными факторами транскрипции. TFIIF служит мостом между TATA-связанным TBP и полимеразой. Одним из последних факторов транскрипции, которые будут задействованы в преинициационном комплексе, является TFIIH, который играет важную роль в плавлении и ускользании промотора.[17]

Диаграмма описывает преинициативный комплекс эукариот, который включает общие факторы транскрипции и РНК-полимеразу II. Кредит: ArneLH.

Промотор плавления и образования открытого комплекса

Для генов, транскрибируемых pol II, и в отличие от бактериальной РНК-полимеразы, плавление промотора требует гидролиза АТФ и опосредуется TFIIH.[17] TFIIH представляет собой белок из десяти субъединиц, включающий оба АТФаза и протеинкиназа виды деятельности.[18] В то время как вышестоящая промоторная ДНК удерживается в фиксированном положении с помощью TFIID, TFIIH втягивает нижележащую двухцепочечную ДНК в расщелину полимеразы, вызывая разделение цепей ДНК и переход преинициативного комплекса из закрытого в открытое состояние. TFIIB способствует образованию открытых комплексов, связывая расплавленную ДНК и стабилизируя пузырь транскрипции.

Неудачное начало

Основная статья: Неудачное начало

Как только комплекс инициации открывается, первый рибонуклеотид вводится в активный центр, чтобы инициировать реакцию полимеризации в отсутствие праймера.[1] Это генерирует зарождающуюся цепь РНК, которая образует гетеродуплекс с цепью матричной ДНК. Однако перед вступлением в фазу элонгации полимераза может преждевременно завершиться и высвободить короткий усеченный транскрипт. Этот процесс называется неудачной инициацией.[19] Многие циклы прерванной инициации могут произойти до того, как транскрипт вырастет до достаточной длины, чтобы способствовать уходу полимеразы от промотора. На протяжении всего абортивного цикла инициации РНК-полимераза остается связанной с промотором и втягивает нижележащую ДНК в свою каталитическую щель движением, похожим на скручивание.[19]

Побег промоутера

Когда транскрипт достигает пороговой длины в десять нуклеотидов, он попадает в канал выхода РНК.[1] Полимераза прерывает свои взаимодействия с промоторными элементами и любыми регуляторными белками, связанными с комплексом инициации, которые ей больше не нужны.[20] Ускользание промотора у эукариот требует гидролиза АТФ и, в случае Pol II, фосфорилирования CTD. Тем временем пузырек транскрипции схлопывается до 12-14 нуклеотидов, обеспечивая кинетическую энергию, необходимую для побега.[1]

Удлинение

После выхода из промотора и высвобождения большинства факторов транскрипции для инициации полимераза приобретает новые факторы для следующей фазы транскрипции: элонгации.[21][22] Удлинение транскрипции - это процессивный процесс. Двухцепочечная ДНК, которая входит спереди фермента, расстегивается, чтобы использовать матричную цепь для синтеза РНК. Для каждой ДНК базовая пара разделенные продвигающейся полимеразой, сразу образуется одна гибридная пара оснований РНК: ДНК. Нити ДНК и возникающая цепь РНК выходят из отдельных каналов; две цепи ДНК воссоединяются на заднем конце пузыря транскрипции, в то время как однониточная РНК появляется одна.

Факторы удлинения

Среди белков, задействованных в полимеразе, есть факторы элонгации, называемые так потому, что они стимулируют удлинение транскрипции.[23] Существуют разные классы коэффициентов удлинения. Некоторые факторы могут увеличить общую скорость транскрипции, некоторые могут помочь полимеразе через временные сайты паузы, а некоторые могут помочь полимеразе транскрибироваться через хроматин.[24] Один из факторов удлинения, P-TEFb, особенно важно.[25] P-TEFb фосфорилирует второй остаток (Ser-2) повторов CTD (YSPTSPS) связанного Pol II. P-TEFb также фосфорилирует и активирует SPT5 и TAT-SF1. SPT5 - универсальный фактор транскрипции, помогающий рекрутировать 5'-укупорка фермент Pol II с CTD, фосфорилированным по Ser-5. TAF-SF1 рекрутирует компоненты аппарата сплайсинга РНК на фосфорилированный Ser-2 CTD. P-TEFb также помогает подавить временную паузу полимеразы, когда она встречает определенные последовательности сразу после инициации.[25]

Точность транскрипции

Точность транскрипции достигается за счет нескольких механизмов. РНК-полимеразы подбирают правильно нуклеозидтрифосфат (NTP) субстрат для предотвращения ошибок транскрипции. Только NTP, который правильно спаривает основание с кодирующим основанием в ДНК, попадает в активный центр.[26][27] РНК-полимераза выполняет две известные функции контрольного считывания для обнаружения и удаления неправильно включенных нуклеотидов: пирофосфорилитическое редактирование и гидролитическое редактирование.[1] Первый удаляет неправильно вставленный рибонуклеотид путем простого обращения реакции полимеризации, в то время как второй включает обратное отслеживание полимеразы и отщепление сегмента РНК-продукта, содержащего ошибку. Фактор удлинения TFIIS (ИнтерПро: IPR006289; TCEA1, TCEA2, TCEA3 ) стимулирует присущую полимеразе рибонуклеазную активность, позволяя удалять неправильно включенные основания за счет ограниченной локальной деградации РНК.[28] Обратите внимание, что все реакции (синтез фосфодиэфирной связи, пирофосфоролиз, гидролиз фосфодиэфирной связи) осуществляются РНК-полимеразой с использованием одного активного центра.[29]

Пауза, балансировка и возврат

Элонгация транскрипции - это не плавный путь вдоль двухцепочечной ДНК, так как РНК-полимераза претерпевает обширную котранскрипционную паузу во время элонгации транскрипции.[30][31] Как правило, РНК-полимераза II не транскрибируется через ген с постоянной скоростью. Скорее он периодически останавливается на определенных последовательностях, иногда на длительные периоды времени, прежде чем возобновить транскрипцию.[32] Эта пауза особенно выражена в нуклеосомах и частично возникает из-за того, что полимераза входит в транскрипционно некомпетентное состояние обратного отслеживания.[30] Продолжительность этих пауз колеблется от секунд до минут или дольше, и выходу из долгоживущих пауз могут способствовать факторы удлинения, такие как TFIIS.[33]

Эта пауза также иногда используется для корректуры; здесь полимераза копирует, стирает часть уже созданной РНК и делает еще один шаг по транскрипции.[1] В крайних случаях, например, когда полимераза встречает поврежденный нуклеотид, она полностью останавливается. Чаще удлиняющаяся полимераза останавливается возле промотора.[32] Пауза, проксимальная к промотору, во время ранней элонгации является обычно используемым механизмом для регуляции генов, готовых экспрессироваться быстро или скоординированным образом. Пауза опосредуется комплексом, называемым NELF (отрицательный фактор удлинения), в сотрудничестве с DSIF (фактор, вызывающий чувствительность DRB, содержащий SPT4 / SPT5).[34] Блокировка снимается, как только полимераза получает сигнал активации, такой как фосфорилирование Ser-2 хвоста CTD с помощью P-TEFb. Другие факторы удлинения, такие как ELL и TFIIS, стимулируют скорость удлинения, ограничивая продолжительность паузы полимеразы.[1]

Обработка РНК

Удлиняющая полимераза связана с набором белковых факторов, необходимых для различных типов процессинга РНК.[1] мРНК кэпируется, как только выходит из канала выхода РНК полимеразы. После кэппинга дефосфорилирование Ser-5 в CTD-повторах может быть ответственным за диссоциацию кэппингового аппарата. Дальнейшее фосфорилирование Ser-2 вызывает рекрутирование аппарата сплайсинга РНК, который катализирует удаление некодирующих интронов с образованием зрелой мРНК.[1] Альтернативный сплайсинг увеличивает белковые комплементы у эукариот. Как и в случае с 5’-кэппингом и сплайсингом, хвост CTD участвует в привлечении ферментов, ответственных за 3’-полиаденилирование, последнее событие обработки РНК, которое связано с прекращением транскрипции.[1]

Прекращение

Последней стадией транскрипции является терминация, которая приводит к диссоциации полного транскрипта и высвобождению РНК-полимеразы из матричной ДНК. Процесс отличается для каждой из трех РНК-полимераз.[35] Механизм терминации является наименее понятным из трех стадий транскрипции.

Факторно-зависимый

Прекращение транскрипции генов пре-рРНК полимеразой Pol I осуществляется системой, которой необходим специфический фактор терминации транскрипции.[3] Используемый механизм имеет некоторое сходство с rho-зависимой терминацией у прокариот.[36] Эукариотические клетки содержат сотни повторов рибосомной ДНК, иногда распределенных по нескольким хромосомам. Терминация транскрипции происходит в рибосомной межгенной спейсерной области, которая содержит несколько сайтов терминации транскрипции перед сайтом паузы Pol I. Благодаря еще неизвестному механизму 3’-конец транскрипта расщепляется, образуя большую первичную молекулу рРНК, которая в дальнейшем процессируется в зрелые 18S, 5.8S и 28S рРНК.

Когда Pol II достигает конца гена, два белковых комплекса, переносимые CTD, CPSF (фактор специфичности расщепления и полиаденилирования) и CSTF (фактор стимуляции расщепления), распознают сигнал поли-A в транскрибированной РНК.[35] CPSF и CSTF, связанные с поли-A, привлекают другие белки для выполнения расщепления РНК, а затем полиаденилирования. Поли-А-полимераза добавляет примерно 200 аденинов к расщепленному 3’-концу РНК без матрицы.[35] Длинный поли-A-хвост уникален для транскриптов, сделанных Pol II.

В процессе прекращения транскрипции с помощью Pol I и Pol II комплекс элонгации не растворяется сразу после расщепления РНК. Полимераза продолжает двигаться по матрице, генерируя вторую молекулу РНК, связанную с комплексом элонгации.[1] Были предложены две модели, чтобы объяснить, как наконец достигается завершение.[35] Аллостерическая модель утверждает, что когда транскрипция проходит через последовательность терминации, она вызывает разборку факторов элонгации и / или сборку факторов терминации, которые вызывают конформационные изменения комплекса элонгации.[36][37] Модель торпеды предполагает, что от 5 футов до 3 футов экзонуклеаза деградирует вторую РНК по мере ее выхода из комплекса элонгации. Полимераза высвобождается по мере того, как высоко процессивная экзонуклеаза захватывает ее. Предлагается, что новая точка зрения будет выражать слияние этих двух моделей.[37]

Факторно-независимый

РНК-полимераза III может эффективно обрывать транскрипцию без участия дополнительных факторов. Сигнал завершения Pol III состоит из отрезка тимин (на неэлементной цепи) расположен в пределах 40 п.н. ниже 3'-конца зрелой РНК.[35] Сигнал завершения poly-T приостанавливает Pol III и заставляет его вернуться к ближайшему Шпилька РНК стать «тупиковым» комплексом.[38] В соответствии с аллостерическим механизмом прерывания,[39] шпилька РНК аллостерически открывает Pol III и вызывает разрушение комплекса удлинения. Таким образом, обширная структура, встроенная в транскрипт Pol III, отвечает за фактор-независимое высвобождение Pol III в конце гена. РНК-дуплекс-зависимая терминация - это древний механизм, восходящий к последнему универсальному общему предку.

Эукариотический контроль транскрипции

В регуляция экспрессии генов у эукариот достигается за счет взаимодействия нескольких уровней контроля, который действует как локально, чтобы включать или выключать отдельные гены в ответ на конкретную клеточную потребность, так и в глобальном масштабе, чтобы поддерживать паттерн экспрессии генов на уровне хроматина, который формирует идентичность клеток.[1][40] Поскольку геном эукариот обернут вокруг гистоны для образования нуклеосом и структур хроматина более высокого порядка субстраты для транскрипционного аппарата, как правило, частично скрыты.[1] Без регуляторных белков многие гены экспрессируются на низком уровне или не экспрессируются вообще. Транскрипция требует смещения позиционированных нуклеосом, чтобы позволить транскрипционному аппарату получить доступ к ДНК.[41]

Все этапы транскрипции в определенной степени регулируются.[1] В частности, инициация транскрипции является первичным уровнем, на котором регулируется экспрессия генов. Ориентация на начальный этап, ограничивающий скорость, является наиболее эффективным с точки зрения затрат на энергию для ячейки. Инициирование транскрипции регулируется цис-действующие элементы (усилители, глушители, изоляторы) в регуляторных областях ДНК и транс-действующие факторы которые действуют как активаторы или репрессоры.[1] Транскрипция генов также может регулироваться после инициации путем нацеливания на движение удлиняющейся полимеразы.[42]

Глобальный контроль и эпигенетическая регуляция

Основная статья: Эпигенетическая регуляция

Геном эукариот организован в компактную структуру хроматина, которая обеспечивает только регулируемый доступ к ДНК. Структура хроматина может быть глобально «открытой» и более транскрипционно пермиссивной или глобально «конденсированной» и транскрипционно неактивной. Бывший (эухроматин ) слегка упакован и богат генами при активной транскрипции. Последний (гетерохроматин ) включает бедные генами регионы, такие как теломеры и центромеры но также области с нормальной плотностью генов, но транскрипционно замалченные. Транскрипция может быть отключена гистоновая модификация (деацетилирование и метилирование ), РНК-интерференция, и / или Метилирование ДНК.[43]

Паттерны экспрессии генов, определяющие идентичность клеток, наследуются через деление клеток.[1] Этот процесс называется эпигенетическая регуляция. Метилирование ДНК надежно наследуется за счет действия поддерживающих метилаз, которые модифицируют зарождающуюся цепь ДНК, генерируемую репликацией.[1] В клетках млекопитающих метилирование ДНК является основным маркером транскрипционно подавленных областей. Специализированные белки могут распознавать маркер и задействовать гистоновые деацетилазы и метилазы для восстановления сайленсинга. Модификации гистонов нуклеосом также могут быть унаследованы во время деления клеток, однако неясно, может ли это работать независимо без направления метилирования ДНК.[1]

Ген-специфическая активация

Две основные задачи инициации транскрипции - обеспечить РНК-полимеразу доступ к промотору и собрать общие факторы транскрипции с полимеразой в комплекс инициации транскрипции. Были идентифицированы различные механизмы инициации транскрипции за счет подавления тормозных сигналов на промоторе гена.[1] Эукариотические гены приобрели обширные регуляторные последовательности, которые охватывают большое количество сайтов связывания с регуляторами и распространяют общие килобазы (иногда сотни килобаз) от промотора - как вверх, так и вниз по течению.[1] Сайты связывания регуляторов часто объединяются в единицы, называемые энхансерами. Энхансеры могут способствовать высоко-кооперативному действию нескольких факторов транскрипции (которые составляют энхансомы ). Удаленные энхансеры позволяют регулировать транскрипцию на расстоянии. Инсуляторы, расположенные между энхансерами и промоторами, помогают определить гены, на которые энхансер может или не может влиять.

У эукариотических активаторов транскрипции есть отдельные ДНК-связывающие и активирующие функции.[1] Связываясь со своим цис-элементом, активатор может напрямую рекрутировать полимеразу или рекрутировать другие факторы, необходимые для транскрипционного аппарата. Активатор также может привлекать модификаторы нуклеосом, которые изменяют хроматин в непосредственной близости от промотора и тем самым способствуют инициации. Множественные активаторы могут работать вместе, либо задействуя общий или два взаимозависимых компонента транскрипционного аппарата, либо помогая друг другу связываться со своими участками ДНК.[1] Эти взаимодействия могут синергизировать множественные входные сигналы и производить сложные транскрипционные ответы для удовлетворения клеточных потребностей.

Генная репрессия

Репрессоры транскрипции эукариот имеют общие механизмы, используемые их прокариотическими аналогами. Например, связываясь с сайтом на ДНК, который перекрывается с сайтом связывания активатора, репрессор может ингибировать связывание активатора. Но чаще репрессоры эукариот подавляют функцию активатора, маскируя его активирующий домен, предотвращая его ядерную локализацию, способствуя его деградации или инактивируя его посредством химических модификаций.[1] Репрессоры могут напрямую ингибировать инициацию транскрипции, связываясь с сайтом выше промотора и взаимодействуя с аппаратом транскрипции. Репрессоры могут косвенно подавлять транскрипцию, задействуя модификаторы гистонов (деацетилазы и метилазы) или ферменты ремоделирования нуклеосом, которые влияют на доступность ДНК.[1] Подавление модификаций гистонов и ДНК также является основой подавления транскрипции, которое может распространяться по хроматину и выключать несколько генов.[44]

Контроль удлинения и прекращения

Фаза удлинения начинается после завершения сборки комплекса удлинения и продолжается до тех пор, пока не встретится последовательность завершения.[1] Пост-инициаторное движение РНК-полимеразы является мишенью другого класса важных регуляторных механизмов. Например, активатор транскрипции Tat влияет на удлинение, а не на начало, во время регуляции ВИЧ транскрипция.[45] Фактически, многие эукариотические гены регулируются путем высвобождения блока для удлинения транскрипции, называемого промотор-проксимальной паузой.[46] Пауза может влиять на структуру хроматина на промоторах, чтобы способствовать активности генов и приводить к быстрым или синхронным ответам транскрипции, когда клетки подвергаются воздействию сигнала активации.[32] Пауза связана со связыванием двух отрицательных факторов элонгации, DSIF (SPT4 / SPT5) и NELF, с комплексом элонгации. Другие факторы также могут влиять на стабильность и продолжительность приостановленной полимеразы.[47] Высвобождение паузы запускается рекрутированием киназы P-TEFb.[42]

Терминация транскрипции также стала важной областью регуляции транскрипции. Прекращение действия связано с эффективным повторным использованием полимеразы.[48] Факторы, связанные с терминацией транскрипции, также могут опосредовать образование петель гена и тем самым определять эффективность повторной инициации.

Реставрация ДНК, связанная с транскрипцией

Когда транскрипция задерживается наличием поражение в транскрибированной цепи гена, Ремонт ДНК белки привлекаются к остановившейся РНК-полимеразе, чтобы инициировать процесс, называемый репарацией, связанной с транскрипцией.[49] Центральным в этом процессе является общий фактор транскрипции TFIIH, который обладает АТФазной активностью. TFIIH вызывает конформационные изменения в полимеразе, чтобы обнажить пузырь транскрипции, заключенный внутри, чтобы ферменты репарации ДНК получили доступ к поражению.[50] Таким образом, РНК-полимераза служит в клетке как белок, чувствительный к повреждению, и направляет ферменты репарации на гены, которые активно транскрибируются.

Сравнение прокариотической и эукариотической транскрипции

Эукариотическая транскрипция сложнее, чем прокариотическая транскрипция. Например, у эукариот генетический материал (ДНК) и, следовательно, транскрипция, главным образом локализованы в ядре, где он отделен от цитоплазмы (в которой происходит трансляция) ядерной мембраной. Это обеспечивает временную регуляцию экспрессии генов за счет секвестрации РНК в ядре и позволяет избирательно переносить зрелые РНК в цитоплазму. Бактерии не имеют отдельного ядра, которое отделяет ДНК от рибосомы, и мРНК транслируется в белок, как только она транскрибируется. Сочетание этих двух процессов обеспечивает важный механизм регуляции прокариотических генов.[1]

На уровне инициации РНК-полимераза у прокариот (в частности, бактерий) прочно связывается с промоторной областью и инициирует высокую базальную скорость транскрипции. Для перехода от близкого к открытому состоянию гидролиза АТФ не требуется, плавление промотора происходит за счет реакций связывания, которые способствуют расплавленной конформации. Хроматин сильно затрудняет транскрипцию у эукариот. Сборка большого мультибелкового преинициативного комплекса необходима для промотор-специфической инициации. Для плавления промотора эукариот необходим гидролиз АТФ. В результате эукариотические РНК-полимеразы демонстрируют низкую базальную скорость инициации транскрипции.[44]

Регуляция транскрипции при раке

Основная статья: Регуляция транскрипции при раке

У позвоночных большинство генов промоутеры содержать Остров CpG с многочисленными CpG сайты.[51] Когда многие из промоторных сайтов CpG гена метилированный ген заглушается.[52] Колоректальный рак обычно бывает от 3 до 6. Водитель мутации и от 33 до 66 автостопщик или пассажирские мутации.[53] Однако подавление транскрипции может иметь большее значение, чем мутации в развитии рака. Например, при колоректальном раке от 600 до 800 генов транскрипционно подавляются метилированием CpG-островков (см. регуляция транскрипции при раке ). Репрессия транскрипции при раке также может происходить другими эпигенетический механизмы, такие как измененное выражение микроРНК.[54] При раке груди подавление транскрипции BRCA1 может происходить чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК-182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке груди и яичников ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab ac объявление ае аф аг ах ай Уотсон Дж., Бейкер Т.А., Белл С.П., Ганн А., Левин М., Лосик Р., Харрисон С.К. (2014). Молекулярная биология гена (7-е изд.). Издательство Бенджамин-Каммингс. ISBN  978-0-321-76243-6.
  2. ^ а б Mattick JS (ноябрь 2001 г.). «Некодирующие РНК: архитекторы эукариотической сложности». EMBO отчеты. 2 (11): 986–91. Дои:10.1093 / embo-reports / kve230. ЧВК  1084129. PMID  11713189.
  3. ^ а б c d Лодиш Х, Берк А., Кайзер Калифорния, Кригер М., Бретчер А., Плоег Х, Амон А., Скотт депутат (2012-05-02). Молекулярная клеточная биология (7-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фриман и Ко. ISBN  9781429234139.
  4. ^ а б c Крамер П., Армаш К.Дж., Баумли С., Бенкерт С., Брюкнер Ф., Бухен С., Дамсма Г.Е., Денгл С., Гейгер С.Р., Ясиак А.Дж., Джавари А., Йеннебах С., Каменски Т., Кеттенбергер Х., Кун С.Д., Леманн Е., Лейке К. , Sydow JF, Vannini A (2008). «Структура эукариотических РНК-полимераз». Ежегодный обзор биофизики. 37: 337–52. Дои:10.1146 / annurev.biophys.37.032807.130008. HDL:11858 / 00-001M-0000-0015-7BF0-E. PMID  18573085. S2CID  8818814.
  5. ^ Сирри В., Уркуки-Инчима С., Руссель П., Эрнандес-Верден Д. (январь 2008 г.). «Ядрышко: завораживающее ядерное тело». Гистохимия и клеточная биология. 129 (1): 13–31. Дои:10.1007 / s00418-007-0359-6. ЧВК  2137947. PMID  18046571.
  6. ^ Фромонт-Расин М., Сенгер Б., Савяну С., Фазиоло Ф. (август 2003 г.). «Сборка рибосом у эукариот». Ген. 313: 17–42. Дои:10.1016 / S0378-1119 (03) 00629-2. PMID  12957375.
  7. ^ Dieci G, Fiorino G, Castelnuovo M, Teichmann M, Pagano A (декабрь 2007 г.). «Расширяющийся транскриптом РНК-полимеразы III». Тенденции в генетике. 23 (12): 614–22. Дои:10.1016 / j.tig.2007.09.001. PMID  17977614.
  8. ^ а б Картер Р., Друин Дж. (Май 2010 г.). «Увеличение количества субъединиц в эукариотической РНК-полимеразе III по сравнению с РНК-полимеразой II связано с постоянным привлечением общих факторов транскрипции». Молекулярная биология и эволюция. 27 (5): 1035–43. Дои:10.1093 / молбев / msp316. PMID  20026480.
  9. ^ Фернандес-Торнеро К., Морено-Морсилло М., Рашид У. Дж., Тейлор Н. М., Руис Ф. М., Грюн Т., Легран П., Штойервальд Ю., Мюллер К. В. (октябрь 2013 г.). «Кристаллическая структура 14-субъединичной РНК-полимеразы I». Природа. 502 (7473): 644–9. Bibcode:2013Натура.502..644F. Дои:10.1038 / природа12636. PMID  24153184. S2CID  205235881.
  10. ^ Крамер П., Бушнелл Д.А., Корнберг Р.Д. (июнь 2001 г.). «Структурная основа транскрипции: РНК-полимераза II с разрешением 2,8 ангстрем» (PDF). Наука. 292 (5523): 1863–76. Дои:10.1126 / science.1059493. HDL:11858 / 00-001M-0000-0015-8729-F. PMID  11313498. S2CID  4993438.
  11. ^ а б Corden JL (ноябрь 2013 г.). «С-концевой домен РНК-полимеразы II: привязка транскрипции к транскрипту и матрице». Химические обзоры. 113 (11): 8423–55. Дои:10.1021 / cr400158h. ЧВК  3988834. PMID  24040939.
  12. ^ Батлер Дж. Э., Кадонага Дж. Т. (октябрь 2002 г.). «Основной промотор РНК-полимеразы II: ключевой компонент в регуляции экспрессии генов». Гены и развитие. 16 (20): 2583–92. Дои:10.1101 / gad.1026202. PMID  12381658.
  13. ^ Ленхард Б., Санделин А., Карнинчи П. (март 2012 г.). «Промоторы Metazoan: новые характеристики и понимание регуляции транскрипции». Обзоры природы. Генетика. 13 (4): 233–45. Дои:10.1038 / nrg3163. PMID  22392219. S2CID  39948639.
  14. ^ Орфаниды Г., Лагранж Т., Рейнберг Д. (ноябрь 1996 г.). «Общие факторы транскрипции РНК-полимеразы II». Гены и развитие. 10 (21): 2657–83. Дои:10.1101 / gad.10.21.2657. PMID  8946909.
  15. ^ Рёдер Р.Г. (сентябрь 1996 г.). «Роль общих факторов инициации в транскрипции РНК-полимеразой II». Тенденции в биохимических науках. 21 (9): 327–35. Дои:10.1016 / S0968-0004 (96) 10050-5. PMID  8870495.
  16. ^ He Y, Fang J, Taatjes DJ, Nogales E (март 2013 г.). «Структурная визуализация ключевых этапов инициации транскрипции человека». Природа. 495 (7442): 481–6. Bibcode:2013Натура.495..481H. Дои:10.1038 / природа11991. ЧВК  3612373. PMID  23446344.
  17. ^ а б Holstege FC, Fiedler U, Timmers HT (декабрь 1997 г.). «Три перехода в транскрипционном комплексе РНК-полимеразы II во время инициации». Журнал EMBO. 16 (24): 7468–80. Дои:10.1093 / emboj / 16.24.7468. ЧВК  1170346. PMID  9405375.
  18. ^ Свейструп Дж. К., Вичи П., Эгли Дж. М. (сентябрь 1996 г.). «Множественные роли фактора транскрипции / репарации TFIIH». Тенденции в биохимических науках. 21 (9): 346–50. Дои:10.1016 / S0968-0004 (96) 10046-3. PMID  8870499.
  19. ^ а б Ревякин А., Лю С., Эбрайт Р.Х., Стрик Т.Р. (ноябрь 2006 г.). «Прерывистая инициация и продуктивная инициация с помощью РНК-полимеразы включают сжатие ДНК». Наука. 314 (5802): 1139–43. Bibcode:2006Научный ... 314.1139R. Дои:10.1126 / science.1131398. ЧВК  2754787. PMID  17110577.
  20. ^ Двир А (сентябрь 2002 г.). «Ускользание промотора с помощью РНК-полимеразы II». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура и экспрессия гена. 1577 (2): 208–223. Дои:10.1016 / S0167-4781 (02) 00453-0. PMID  12213653.
  21. ^ Похолок Д.К., Ханнетт Н.М., Янг Р.А. (апрель 2002 г.). «Обмен факторов инициации и элонгации РНК-полимеразы II во время экспрессии генов in vivo». Молекулярная клетка. 9 (4): 799–809. Дои:10.1016 / S1097-2765 (02) 00502-6. PMID  11983171.
  22. ^ Wade JT, Struhl K (апрель 2008 г.). «Переход от инициации транскрипции к удлинению». Текущее мнение в области генетики и развития. 18 (2): 130–6. Дои:10.1016 / j.gde.2007.12.008. ЧВК  2563432. PMID  18282700.
  23. ^ Сондерс А., Core LJ, Lis JT (август 2006 г.). «Устранение барьеров на пути удлинения транскрипции». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 7 (8): 557–67. Дои:10.1038 / nrm1981. PMID  16936696. S2CID  29242830.
  24. ^ Арндт К.М., Кейн С.М. (октябрь 2003 г.). «Запуск с РНК-полимеразой: удлинение транскрипта эукариот». Тенденции в генетике. 19 (10): 543–50. Дои:10.1016 / j.tig.2003.08.008. PMID  14550628.
  25. ^ а б Brès V, Yoh SM, Jones KA (июнь 2008 г.). «Многозадачный комплекс П-ТЭФб». Текущее мнение в области клеточной биологии. 20 (3): 334–40. Дои:10.1016 / j.ceb.2008.04.008. ЧВК  2628440. PMID  18513937.
  26. ^ Вестовер К.Д., Бушнелл Д.А., Корнберг Р.Д. (ноябрь 2004 г.). «Структурные основы транскрипции: отбор нуклеотидов вращением в активном центре РНК-полимеразы II». Клетка. 119 (4): 481–9. Дои:10.1016 / j.cell.2004.10.016. PMID  15537538. S2CID  11068662.
  27. ^ Ван Д., Бушнелл Д.А., Вестовер К.Д., Каплан С.Д., Корнберг Р.Д. (декабрь 2006 г.). «Структурные основы транскрипции: роль триггерной петли в субстратной специфичности и катализе». Клетка. 127 (5): 941–54. Дои:10.1016 / j.cell.2006.11.023. ЧВК  1876690. PMID  17129781.
  28. ^ Ван Д., Бушнелл Д.А., Хуанг Х, Вестовер К.Д., Левитт М., Корнберг Р.Д. (май 2009 г.). «Структурная основа транскрипции: обратная РНК-полимераза II с разрешением 3,4 ангстрем». Наука. 324 (5931): 1203–6. Bibcode:2009Sci ... 324.1203W. Дои:10.1126 / science.1168729. ЧВК  2718261. PMID  19478184.
  29. ^ Сосунов В., Сосунова Е., Мустаев А., Басс И., Никифоров В., Гольдфарб А. (май 2003 г.). «Единый двухметаллический механизм синтеза и деградации РНК РНК-полимеразой». Журнал EMBO. 22 (9): 2234–44. Дои:10.1093 / emboj / cdg193. ЧВК  156065. PMID  12727889.
  30. ^ а б Ходжес, Кортни; Бинту, Лакрамиоара; Лубковская, Люцина; Кашлев Михаил; Бустаманте, Карлос (31.07.2009). «Нуклеосомные колебания определяют динамику транскрипции РНК-полимеразы II». Наука. 325 (5940): 626–628. Bibcode:2009Sci ... 325..626H. Дои:10.1126 / science.1172926. ISSN  1095-9203. ЧВК  2775800. PMID  19644123.
  31. ^ Черчман, Л. Стирлинг; Вайсман, Джонатан С. (20 января 2011 г.). «Зарождающееся секвенирование транскриптов визуализирует транскрипцию при разрешении нуклеотидов». Природа. 469 (7330): 368–373. Bibcode:2011Натура.469..368C. Дои:10.1038 / природа09652. ISSN  1476-4687. ЧВК  3880149. PMID  21248844.
  32. ^ а б c Адельман К., Лис Дж. Т. (октябрь 2012 г.). «Промотор-проксимальная пауза РНК-полимеразы II: новые роли у многоклеточных животных». Обзоры природы. Генетика. 13 (10): 720–31. Дои:10.1038 / nrg3293. ЧВК  3552498. PMID  22986266.
  33. ^ Galburt, Eric A .; Гриль, Стефан В .; Видманн, Анна; Лубковская, Люцина; Чой, Джейсон; Ногалес, Ева; Кашлев Михаил; Бустаманте, Карлос (2007-04-12). «Обратное отслеживание определяет силовую чувствительность RNAP II в зависимости от факторов». Природа. 446 (7137): 820–823. Bibcode:2007Натура.446..820Г. Дои:10.1038 / природа05701. ISSN  1476-4687. PMID  17361130. S2CID  4310108.
  34. ^ Миссра А., Гилмор Д.С. (июнь 2010 г.). «Взаимодействие между DSIF (фактор, вызывающий чувствительность DRB), NELF (отрицательный фактор элонгации) и комплексом элонгации транскрипции РНК-полимеразы II дрозофилы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 107 (25): 11301–6. Bibcode:2010ПНАС..10711301М. Дои:10.1073 / pnas.1000681107. ЧВК  2895096. PMID  20534440.
  35. ^ а б c d е Ричард П., Мэнли Дж. Л. (июнь 2009 г.). "Transcription termination by nuclear RNA polymerases". Genes & Development. 23 (11): 1247–69. Дои:10.1101/gad.1792809. ЧВК  2763537. PMID  19487567.
  36. ^ а б Clancey S (2008). "DNA transcription". Природное образование. 1 (41). Получено 27 ноября 2013.
  37. ^ а б Rosonina E, Kaneko S, Manley JL (May 2006). "Terminating the transcript: breaking up is hard to do". Genes & Development. 20 (9): 1050–6. Дои:10.1101/gad.1431606. PMID  16651651.
  38. ^ Nielsen S, Yuzenkova Y, Zenkin N (June 2013). "Mechanism of eukaryotic RNA polymerase III transcription termination". Наука. 340 (6140): 1577–80. Bibcode:2013Sci...340.1577N. Дои:10.1126/science.1237934. ЧВК  3760304. PMID  23812715.
  39. ^ Epshtein V, Cardinale CJ, Ruckenstein AE, Borukhov S, Nudler E (December 2007). "An allosteric path to transcription termination". Molecular Cell. 28 (6): 991–1001. Дои:10.1016/j.molcel.2007.10.011. PMID  18158897.
  40. ^ Shandilya J, Roberts SG (May 2012). "The transcription cycle in eukaryotes: from productive initiation to RNA polymerase II recycling". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - механизмы регуляции генов. 1819 (5): 391–400. Дои:10.1016/j.bbagrm.2012.01.010. PMID  22306664.
  41. ^ Kulaeva OI, Gaykalova DA, Studitsky VM (May 2007). "Transcription through chromatin by RNA polymerase II: histone displacement and exchange". Мутационные исследования. 618 (1–2): 116–29. Дои:10.1016/j.mrfmmm.2006.05.040. ЧВК  1924643. PMID  17313961.
  42. ^ а б Peterlin BM, Price DH (August 2006). "Controlling the elongation phase of transcription with P-TEFb". Molecular Cell. 23 (3): 297–305. Дои:10.1016/j.molcel.2006.06.014. PMID  16885020.
  43. ^ Bannister AJ, Kouzarides T (March 2011). "Regulation of chromatin by histone modifications". Клеточные исследования. 21 (3): 381–95. Дои:10.1038/cr.2011.22. ЧВК  3193420. PMID  21321607.
  44. ^ а б Brown TA (2002). Геномы. Нью-Йорк: Вили-Лисс. ISBN  978-0-471-25046-3.
  45. ^ Kao SY, Calman AF, Luciw PA, Peterlin BM (3 December 1987). "Anti-termination of transcription within the long terminal repeat of HIV-1 by tat gene product". Природа. 330 (6147): 489–93. Bibcode:1987Natur.330..489K. Дои:10.1038/330489a0. PMID  2825027. S2CID  4311235.
  46. ^ Lis J (1998). "Promoter-associated pausing in promoter architecture and postinitiation transcriptional regulation". Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 63: 347–56. Дои:10.1101/sqb.1998.63.347. PMID  10384299.
  47. ^ Cheng B, Li T, Rahl PB, Adamson TE, Loudas NB, Guo J, Varzavand K, Cooper JJ, Hu X, Gnatt A, Young RA, Price DH (January 2012). "Functional association of Gdown1 with RNA polymerase II poised on human genes". Molecular Cell. 45 (1): 38–50. Дои:10.1016/j.molcel.2011.10.022. ЧВК  3259526. PMID  22244331.
  48. ^ Feige MJ, Hendershot LM (April 2011). "Disulfide bonds in ER protein folding and homeostasis". Текущее мнение в области клеточной биологии. 23 (2): 167–75. Дои:10.1016/j.ceb.2010.10.012. ЧВК  3078216. PMID  21144725.
  49. ^ Mellon I, Spivak G, Hanawalt PC (October 1987). "Selective removal of transcription-blocking DNA damage from the transcribed strand of the mammalian DHFR gene". Клетка. 51 (2): 241–9. Дои:10.1016/0092-8674(87)90151-6. PMID  3664636. S2CID  2879958.
  50. ^ Sarker AH, Tsutakawa SE, Kostek S, Ng C, Shin DS, Peris M, Campeau E, Tainer JA, Nogales E, Cooper PK (October 2005). "Recognition of RNA polymerase II and transcription bubbles by XPG, CSB, and TFIIH: insights for transcription-coupled repair and Cockayne Syndrome". Molecular Cell. 20 (2): 187–98. Дои:10.1016/j.molcel.2005.09.022. PMID  16246722.
  51. ^ Saxonov S, Berg P, Brutlag DL (January 2006). «Полногеномный анализ динуклеотидов CpG в геноме человека позволяет выделить два различных класса промоторов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (5): 1412–7. Bibcode:2006PNAS..103.1412S. Дои:10.1073 / pnas.0510310103. ЧВК  1345710. PMID  16432200.
  52. ^ Bird A (January 2002). «Паттерны метилирования ДНК и эпигенетическая память». Genes & Development. 16 (1): 6–21. Дои:10.1101 / gad.947102. PMID  11782440.
  53. ^ Фогельштейн Б., Пападопулос Н., Велкулеску В.Е., Чжоу С., Диас Л.А., Кинзлер К.В. (март 2013 г.). «Пейзажи генома рака». Наука. 339 (6127): 1546–58. Bibcode:2013Sci...339.1546V. Дои:10.1126 / наука.1235122. ЧВК  3749880. PMID  23539594.
  54. ^ Tessitore A, Cicciarelli G, Del Vecchio F, Gaggiano A, Verzella D, Fischietti M, Vecchiotti D, Capece D, Zazzeroni F, Alesse E (2014). «МикроРНК в сети повреждения / восстановления ДНК и рака». International Journal of Genomics. 2014: 820248. Дои:10.1155/2014/820248. ЧВК  3926391. PMID  24616890.