Élongation et terminaison chez les Eucaryotes
L’élongation synthétise le pré-ARNm dans une direction de 5’à 3′, et la terminaison se produit en réponse à des séquences et des signaux de terminaison.
Objectifs d’apprentissage
Décrire ce qui se passe pendant l’allongement et la terminaison de la transcription
Points clés
Points clés
- L’ARN polymérase II (RNAPII) transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes.
- Pendant l’élongation, la machine de transcription a besoin de déplacer les histones à chaque fois qu’elle rencontre un nucléosome.
- L’élongation de la transcription se produit dans une bulle d’ADN déroulé, où l’ARN Polymérase utilise un brin d’ADN comme matrice pour catalyser la synthèse d’un nouveau brin d’ARN dans la direction 5’à 3′.
- L’ARN Polymérase I et l’ARN Polymérase III terminent la transcription en réponse à des séquences de terminaison spécifiques dans l’ADN transcrit (ARN Polymérase I) ou dans l’ARN nouvellement synthétisé (ARN Polymérase III).
- L’ARN polymérase II termine la transcription à des endroits aléatoires après la fin du gène transcrit. L’ARN nouvellement synthétisé est clivé à un emplacement spécifié par la séquence et libéré avant la fin de la transcription.
Termes clés
- nucléosome: l’une des sous-unités qui se répètent dans la chromatine; une bobine d’ADN entourant un noyau d’histone
- histone: l’une des diverses protéines simples solubles dans l’eau riches en acides aminés basiques lysine et arginine et complexées avec l’ADN dans les nucléosomes de la chromatine eucaryote
- chromatine: un complexe d’ADN, d’ARN et de protéines à l’intérieur du noyau cellulaire à partir duquel les chromosomes se condensent pendant la division cellulaire
Transcription par des Nucléosomes
Après la formation du complexe de pré-initiation, la polymérase est libérée des autres facteurs de transcription, et l’élongation est autorisée pour procéder à la synthèse de l’ARN par la polymérase dans la direction 5’à 3′. L’ARN polymérase II (RNAPII) transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes, de sorte que cette section se concentrera principalement sur la façon dont cette polymérase spécifique accomplit l’élongation et la terminaison.
Bien que le processus enzymatique d’élongation soit essentiellement le même chez les eucaryotes et les procaryotes, le modèle d’ADN eucaryote est plus complexe. Lorsque les cellules eucaryotes ne se divisent pas, leurs gènes existent sous la forme d’une masse diffuse, mais encore largement emballée et compactée d’ADN et de protéines appelées chromatine. L’ADN est étroitement emballé autour de protéines d’histones chargées à intervalles répétés. Ces complexes ADN–histones, collectivement appelés nucléosomes, sont régulièrement espacés et comprennent 146 nucléotides d’ADN enroulés deux fois autour des huit histones dans un nucléosome comme un fil autour d’une bobine.
Pour que la synthèse des polynucléotides se produise, la machine de transcription doit écarter les histones du chemin chaque fois qu’elle rencontre un nucléosome. Ceci est accompli par un dimère de protéine spécial appelé FACT, qui signifie « facilite la transcription de la chromatine. »FACT démonte partiellement le nucléosome immédiatement en amont (en amont) d’une ARN polymérase II de transcription en retirant deux des huit histones (un seul dimère d’histones H2A et H2B est retiré.) Cela desserre vraisemblablement suffisamment l’ADN enroulé autour de ce nucléosome pour que l’ARN polymérase II puisse transcrire à travers celui-ci. FACT réassemble le nucléosome derrière l’ARN Polymérase II en lui renvoyant les histones manquantes. L’ARN polymérase II continuera à allonger l’ARN nouvellement synthétisé jusqu’à la fin de la transcription.
Le dimère protéique FACT permet à l’ARN polymérase II de se transcrire à travers de l’ADN emballé: L’ADN des eucaryotes est emballé dans des nucléosomes, qui sont constitués d’un octomère de 4 protéines histones différentes. Lorsque l’ADN est étroitement enroulé deux fois autour d’un nucléosome, l’ARN polymérase II ne peut pas y accéder pour la transcription. FACT élimine deux des histones du nucléosome immédiatement avant l’ARN Polymérase, desserrant l’emballage afin que l’ARN polymérase II puisse continuer la transcription. FACT réassemble également le nucléosome immédiatement derrière l’ARN polymérase en renvoyant les histones manquantes.
Élongation
L’ARN polymérase II est un complexe de 12 sous-unités protéiques. Des sous-unités spécifiques au sein de la protéine permettent à l’ARN Polymérase II d’agir comme sa propre hélicase, sa pince coulissante, sa protéine de liaison à l’ADN simple brin, ainsi que d’exercer d’autres fonctions. Par conséquent, l’ARN polymérase II n’a pas besoin d’autant de protéines accessoires pour catalyser la synthèse de nouveaux brins d’ARN pendant l’allongement de la transcription que l’ADN Polymérase pour catalyser la synthèse de nouveaux brins d’ADN pendant l’allongement de la réplication.
Cependant, l’ARN Polymérase II a besoin d’une grande collection de protéines accessoires pour initier la transcription au niveau des promoteurs de gènes, mais une fois que l’ADN double brin dans la région de début de transcription a été déroulé, l’ARN Polymérase II a été positionnée au niveau du nucléotide d’initiation +1 et a commencé à catalyser la synthèse de nouveaux brins d’ARN, l’ARN polymérase II efface ou « s’échappe” de la région promotrice et laisse derrière elle la plupart des protéines d’initiation de la transcription.
Toutes les ARN polymérases se déplacent le long du brin d’ADN modèle dans la direction 3’à 5′ et catalysent la synthèse de nouveaux brins d’ARN dans la direction 5′ à 3′, ajoutant de nouveaux nucléotides à l’extrémité 3′ du brin d’ARN en croissance.
Les ARN polymérases déroulent l’ADN double brin devant elles et permettent à l’ADN déroulé derrière elles de se rembobiner. En conséquence, la synthèse des brins d’ARN se produit dans une bulle de transcription d’environ 25 paires de bases d’ADN déroulées. Seuls environ 8 nucléotides d’ARN nouvellement synthétisé restent appariés à la base de l’ADN modèle. Le reste des molécules d’ARN tombe du gabarit pour permettre à l’ADN derrière lui de se rembobiner.
Les ARN polymérases utilisent le brin d’ADN en dessous d’eux comme matrice pour diriger le nucléotide à ajouter à l’extrémité 3 ‘ du brin d’ARN en croissance à chaque point de la séquence. L’ARN polymérase se déplace le long de l’ADN modèle d’un nucléotide à à la fois. Quel que soit le nucléotide d’ARN capable de s’apparier au nucléotide modèle sous l’ARN polymérase est le prochain nucléotide à ajouter. Une fois que l’ajout d’un nouveau nucléotide à l’extrémité 3 ‘ du brin en croissance a été catalysé, l’ARN Polymérase passe au nucléotide d’ADN suivant sur le gabarit en dessous. Ce processus se poursuit jusqu’à la terminaison de la transcription.
Terminaison
La terminaison de la transcription est différente pour les trois ARN polymérases eucaryotes différentes.
Les gènes de l’ARNr ribosomique transcrits par l’ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de paires de base (11 pb de long chez l’homme; 18 pb chez la souris) qui est reconnue par une protéine de terminaison appelée TTF-1 (Facteur de terminaison de transcription pour l’ARN Polymérase I.) Cette protéine lie l’ADN à sa séquence de reconnaissance et bloque la transcription ultérieure, provoquant le désengagement de l’ARN Polymérase I du brin d’ADN modèle et la libération de son ARN nouvellement synthétisé.
Les gènes codant pour les protéines, l’ARN structural et l’ARN régulateur transcrits par l’ARN Polymerse II n’ont aucun signal ou séquence spécifique qui dirige l’ARN Polymérase II pour qu’elle se termine à des endroits spécifiques. L’ARN polymérase II peut continuer à transcrire l’ARN de quelques bp à des milliers de bp après la fin réelle du gène. Cependant, le transcrit est clivé sur un site interne avant que l’ARN polymérase II ne termine la transcription. Cela libère la partie amont du transcrit, qui servira d’ARN initial avant un traitement ultérieur (le pré-ARNm dans le cas des gènes codant pour les protéines.) Ce site de clivage est considéré comme la « fin » du gène. Le reste de la transcription est digéré par une 5′-exonucléase (appelée Xrn2 chez l’homme) alors qu’elle est encore transcrite par l’ARN Polymérase II. Lorsque la 5′-exonulase « rattrape » l’ARN Polymérase II en digérant tout l’ARN en surplomb, elle aide à désengager la polymérase de son brin modèle d’ADN, terminant finalement ce cycle de transcription.
Dans le cas de gènes codant pour des protéines, le site de clivage qui détermine la « fin” du pré-ARNm émergent se produit entre une séquence AAUAAA en amont et une séquence riche en GU en aval séparées d’environ 40 à 60 nucléotides dans l’ARN émergent. Une fois ces deux séquences transcrites, une protéine appelée CPSF chez l’homme lie la séquence AAUAAA et une protéine appelée CstF chez l’homme lie la séquence riche en GU. Ces deux protéines forment la base d’un complexe protéique complexe qui se forme dans cette région avant que le CPSF ne clive le pré-ARNm naissant sur un site de 10 à 30 nucléotides en aval du site AAUAAA. L’enzyme Poly(A)Polymérase qui catalyse l’addition d’une queue poly-A 3′ sur le pré-ARNm fait partie du complexe qui se forme avec le CPSF et le CstF.
Terminaison de transcription par l’ARN polymérase II sur un gène codant pour une protéine.: L’ARN polymérase II n’a pas de signaux spécifiques qui terminent sa transcription. Dans le cas de gènes codant pour les protéines, un complexe protéique se liera à deux emplacements sur le pré-ARNm en croissance une fois que l’ARN polymérase aura transcrit au-delà de la fin du gène. CPSF dans le complexe liera une séquence AAUAAA, et CstF dans le complexe liera une séquence riche en GU (figure du haut). CPSF dans le complexe va cliver le pré-ARNm à un site entre les deux séquences liées, libérant le pré-ARNm (figure du milieu). La poly(A) polymérase fait partie du même complexe et commencera à ajouter une queue poly-A au pré-ARNm. En même temps, la protéine Xrn2, qui est une exonucléase, attaque l’extrémité 5′ du brin d’ARN encore associé à l’ARN Polymérase. Xrn2 commencera à digérer la partie non libérée de l’ARN nouvellement synthétisé jusqu’à ce que Xrn2 atteigne l’ARN Polymérase, où il aide à déplacer l’ARN polymérase du brin d’ADN modèle. Cela termine la transcription à un endroit aléatoire en aval de l’extrémité réelle du gène (figure du bas).
L’ARNt, l’ARNr 5S et les gènes d’ARN structuraux transcrits par l’ARN Polymérase III ont un signal de terminaison pas entièrement compris. Les ARN transcrits par l’ARN Polymérase III ont une courte étendue de quatre à sept U à leur extrémité 3′. Cela déclenche en quelque sorte l’ARN polymérase III pour libérer l’ARN naissant et se désengager du brin d’ADN modèle.