РНК-полимераза I: структура, функция и регуляция синтеза рРНК в эукариотах.

Введение

Энзим у эукариот. РНК-полимераза I (также известная как Pol I) у высших эукариот является полимеразой, которая транскрибирует только рибосомальную РНК (но не 5S рРНК, которая синтезируется РНК-полимеразой III) – тип РНК, составляющий более 50% от общего количества РНК, синтезируемой в клетке.

Структура и функция

Pol I — это фермент массой 590 кДа, состоящий из 14 белковых субъединиц (полипептидов), а его кристаллическая структура в дрожжах Saccharomyces cerevisiae была определена с разрешением 2,8 Å в 2013 году. 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 в Pol III. Транскрипция рибосомной ДНК ограничена ядрышком, где присутствует около 400 копий гена рДНК размером 42,9 кб, расположенных в виде тандемных повторов в областях-организаторах ядрышек. Каждая копия содержит последовательность длиной около 13,3 кб, кодирующую молекулы РНК 18S, 5,8S и 28S, перемежающиеся с двумя внутренними транскрибированными спейсерами ITS1 и ITS2, и фланкированную выше по потоку 5'-внешним транскрибированным спейсером и ниже по потоку 3'-внешним транскрибированным спейсером. Эти компоненты транскрибируются вместе, образуя пре-рРНК 45S. Затем пре-рРНК 45S посттранскрипционно расщепляется с помощью сноРНК C/D-бокса и H/ACA-бокса, удаляя два спейсера и приводя к образованию трех рРНК в результате сложной последовательности этапов. 5S рибосомная РНК транскрибируется Pol III. Благодаря простоте транскрипции Pol I, это самая быстрая полимераза, вносящая вклад до 60% клеточного уровня транскрипции в экспоненциально растущих клетках. В Saccharomyces cerevisiae 5S рДНК имеет необычную особенность – располагаться внутри повтора рДНК. Она фланкирована нетранскрибируемыми спейсерами NTS1 и NTS2 и транскрибируется в обратном направлении Pol III, отдельно от остальной части рДНК. 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 в себя регулировку числа генов, транскрибируемых в определенный момент времени. В клетках млекопитающих число активных генов рДНК варьируется в зависимости от типа клеток и степени дифференцировки. В целом, по мере дифференцировки клетки ей требуется меньше роста и, следовательно, снижается синтез рРНК и число транскрибируемых генов рДНК. При стимуляции синтеза рРНК SL1 (фактор селективности 1) связывается с промоторами генов рДНК, которые ранее были неактивны, и рекрутирует преинициационный комплекс, к которому связывается Pol I и начинает транскрипцию рРНК. Изменения в транскрипции рРНК также могут происходить за счет изменения скорости транскрипции. Хотя точный механизм, посредством которого Pol I увеличивает скорость транскрипции, пока неизвестен, данные свидетельствуют о том, что синтез рРНК может увеличиваться или уменьшаться без изменения числа активно транскрибируемых генов рДНК.

Pol I is a 590 kDa enzyme that consists of 14 protein subunits (polypeptides), and its crystal structure in the yeast Saccharomyces cerevisiae was solved at 2.8Å resolution in 2013. Twelve of its subunits have identical or related counterparts in RNA polymerase II (Pol II) and RNA polymerase III (Pol III). The other two subunits are related to Pol II initiation factors and have structural homologues in Pol III. Ribosomal DNA transcription is confined to the nucleolus, where about 400 copies of the 42.9 kb rDNA gene are present, arranged as tandem repeats in nucleolus organizer regions. Each copy contains a ~13.3 kb sequence encoding the 18S, the 5.8S, and the 28S RNA molecules, interlaced with two internal transcribed spacers, ITS1 and ITS2, and flanked upstream by a 5' external transcribed spacer and a downstream 3' external transcribed spacer. These components are transcribed together to form the 45S pre rRNA. The 45S pre rRNA is then post transcriptionally cleaved by C/D box and H/ACA box snoRNAs, removing the two spacers and resulting in the three rRNAs by a complex series of steps. The 5S ribosomal RNA is transcribed by Pol III. Because of the simplicity of Pol I transcription, it is the fastest acting polymerase and contributes up to 60% of cellular transcription levels in exponentially growing cells. In Saccharomyces cerevisiae, the 5S rDNA has the unusual feature of lying inside the rDNA repeat. It is flanked by non transcribed spacers NTS1 and NTS2, and is transcribed backwards by Pol III, separately from the rest of the rDNA. Two specific mechanisms have been identified, ensuring proper control of rRNA synthesis and Pol I mediated transcription. Given the large numbers of rDNA genes (several hundreds) available for transcription, the first mechanism involves adjustments in the number of genes being transcribed at a specific time. In mammalian cells, the number of active rDNA genes varies between cell types and level of differentiation. In general, as a cell becomes more differentiated, it requires less growth and, therefore, will have a decrease in rRNA synthesis and a decrease in rDNA genes being transcribed. When rRNA synthesis is stimulated, SL1 (selectivity factor 1) will bind to the promoters of rDNA genes that were previously silent, and recruit a pre initiation complex to which Pol I will bind and start transcription of rRNA. Changes in rRNA transcription can also occur via changes in the rate of transcription. While the exact mechanism through which Pol I increases its rate of transcription is as yet unknown, evidence has shown that rRNA synthesis can increase or decrease without changes in the number of actively transcribed rDNA.

Введение

Pol I не требует наличия TATA-бокса в промоторе, а вместо этого опирается на восходящий регуляторный элемент (UCE), расположенный между -200 и -107, и основной элемент, расположенный между -45 и +20. Двумерный эукариотический фактор связывания с восходящим участком (UBF) связывается с UCE и основным элементом. UBF рекрутирует и связывает белковый комплекс, называемый SL1 у человека (или TIF IB у мыши), состоящий из TATA-связывающего белка (TBP) и трех TBP-ассоциированных факторов (TAF). Димер UBF содержит несколько ящиков высокой подвижности групп (HMG-боксов), которые формируют петли в восходящем участке, обеспечивая контакт между UCE и основным элементом. RRN3/TIF IA фосфорилируется и связывается с Pol I. Pol I связывается с комплексом UBF/SL1 посредством RRN3/TIF IA, после чего начинается транскрипция. Следует отметить, что этот процесс может варьироваться у разных организмов.