Allungamento e terminazione negli eucarioti
L’allungamento sintetizza il pre-mRNA in una direzione da 5′ a 3′ e la terminazione avviene in risposta a sequenze e segnali di terminazione.
Obiettivi formativi
Descrivi cosa sta succedendo durante l’allungamento e la terminazione della trascrizione
Key Takeaways
Key Points
- L’RNA polimerasi II (RNAPII) trascrive la maggior parte dei geni eucariotici.
- Durante l’allungamento, il macchinario di trascrizione deve spostare gli istoni fuori strada ogni volta che incontra un nucleosoma.
- L’allungamento della trascrizione avviene in una bolla di DNA svolto, dove l’RNA polimerasi utilizza un filamento di DNA come modello per catalizzare la sintesi di un nuovo filamento di RNA nella direzione da 5′ a 3′.
- RNA polimerasi I e RNA polimerasi III terminano la trascrizione in risposta a specifiche sequenze di terminazione nel DNA trascritto (RNA polimerasi I) o nell’RNA appena sintetizzato (RNA Polimerasi III).
- L’RNA polimerasi II termina la trascrizione in posizioni casuali oltre la fine del gene che viene trascritto. L’RNA appena sintetizzato viene scisso in una posizione specificata dalla sequenza e rilasciato prima che la trascrizione termini.
Termini Chiave
- nucleosoma: una qualsiasi delle subunità che si ripetono nella cromatina; una bobina di DNA circostante un istone core
- istone: una qualsiasi delle diverse semplici proteine solubili in acqua, che sono ricchi di base di aminoacidi lisina e arginina e sono complessato con il DNA in nucleosomi di cellule eucariote
- cromatina: un complesso di DNA, RNA e proteine nel nucleo della cellula, di cui i cromosomi si condensano durante la divisione cellulare
Trascrizione attraverso Nucleosomi
di Seguito la formazione di pre-iniziazione complesso, la polimerasi è rilasciato da altri fattori di trascrizione, e l’allungamento è consentito procedere con la polimerasi sintetizza RNA in 5′ a 3′ direzione. L’RNA polimerasi II (RNAPII) trascrive la maggior parte dei geni eucariotici, quindi questa sezione si concentrerà principalmente su come questa specifica polimerasi realizza l’allungamento e la terminazione.
Sebbene il processo enzimatico di allungamento sia essenzialmente lo stesso negli eucarioti e nei procarioti, il modello di DNA eucariotico è più complesso. Quando le cellule eucariotiche non si dividono, i loro geni esistono come una massa diffusa, ma ancora ampiamente confezionata e compattata di DNA e proteine chiamate cromatina. Il DNA è impacchettato strettamente intorno alle proteine cariche dell’istone agli intervalli ripetuti. Questi complessi DNA-istone, collettivamente chiamati nucleosomi, sono regolarmente distanziati e comprendono 146 nucleotidi di DNA avvolto due volte intorno agli otto istoni in un nucleosoma come filo intorno a una bobina.
Affinché si verifichi la sintesi del polinucleotide, il macchinario di trascrizione deve spostare gli istoni fuori strada ogni volta che incontra un nucleosoma. Ciò è compiuta da un dimero speciale della proteina chiamato FATTO, che sta per “facilita la trascrizione della cromatina.”FACT smonta parzialmente il nucleosoma immediatamente avanti (a monte) di una trascrizione RNA polimerasi II rimuovendo due degli otto istoni (un singolo dimero di istoni H2A e H2B viene rimosso. Questo presumibilmente allenta sufficientemente il DNA avvolto attorno a quel nucleosoma in modo che l’RNA polimerasi II possa trascrivere attraverso di esso. FACT riassembla il nucleosoma dietro l’RNA polimerasi II restituendo gli istoni mancanti ad esso. L’RNA polimerasi II continuerà ad allungare l’RNA appena sintetizzato fino alla fine della trascrizione.
Il FATTO protein dimer permette all’RNA Polimerasi II di trascrivere attraverso il DNA confezionato: il DNA negli eucarioti è confezionato in nucleosomi, che consistono in un ottomero di 4 diverse proteine istoniche. Quando il DNA è strettamente avvolto due volte attorno a un nucleosoma, l’RNA polimerasi II non può accedervi per la trascrizione. FACT rimuove due degli istoni dal nucleosoma immediatamente prima della RNA polimerasi, allentando la confezione in modo che l’RNA polimerasi II possa continuare la trascrizione. FACT riassembla anche il nucleosoma immediatamente dietro la RNA polimerasi restituendo gli istoni mancanti.
Allungamento
L’RNA polimerasi II è un complesso di 12 subunità proteiche. Le subunità specifiche all’interno della proteina consentono all’RNA polimerasi II di agire come propria elicasi, morsetto scorrevole, proteina legante il DNA a filamento singolo e svolgere altre funzioni. Di conseguenza, l’RNA polimerasi II non ha bisogno di tante proteine accessorie per catalizzare la sintesi di nuovi filamenti di RNA durante l’allungamento della trascrizione come la DNA Polimerasi per catalizzare la sintesi di nuovi filamenti di DNA durante l’allungamento della replicazione.
Tuttavia, la RNA Polimerasi II si ha bisogno di una grande collezione di proteine accessorie per avviare la trascrizione genica promotori, ma una volta che la doppia elica del DNA la trascrizione inizia regione è stato svolto, la RNA Polimerasi II è stato posizionato il +1 di iniziazione nucleotide, e ha iniziato a catalizzare nuovo filamento di RNA sintesi di RNA Polimerasi II cancella o “scappa” la regione del promotore e lascia la maggior parte di iniziazione della trascrizione di proteine dietro.
Tutte le RNA polimerasi viaggiano lungo il filamento di DNA del modello nella direzione da 3′ a 5′ e catalizzano la sintesi di nuovi filamenti di RNA nella direzione da 5′ a 3′, aggiungendo nuovi nucleotidi all’estremità da 3′ del filamento di RNA in crescita.
Le RNA polimerasi srotolano il DNA a doppio filamento davanti a loro e permettono al DNA svolto dietro di loro di riavvolgersi. Di conseguenza, la sintesi del filamento di RNA si verifica in una bolla di trascrizione di circa 25 basebairs di DNA svolto. Solo circa 8 nucleotidi di RNA appena sintetizzato rimangono basepaired al DNA del modello. Il resto delle molecole di RNA cade dal modello per consentire al DNA dietro di esso di riavvolgere.
Le RNA polimerasi utilizzano il filamento di DNA sottostante come modello per dirigere quale nucleotide aggiungere all’estremità 3′ del filamento di RNA in crescita in ogni punto della sequenza. La RNA polimerasi viaggia lungo il DNA del modello un nucleotide alla volta. Qualunque nucleotide del RNA sia capace di basepairing al nucleotide del modello sotto la polimerasi del RNA è il nucleotide seguente da aggiungere. Una volta che l’aggiunta di un nuovo nucleotide all’estremità 3′ del filamento crescente è stata catalizzata, l’RNA polimerasi si sposta al successivo nucleotide del DNA sul modello sottostante. Questo processo continua fino a quando si verifica la terminazione della trascrizione.
Terminazione
La terminazione della trascrizione è diversa per le tre diverse RNA polimerasi eucariotiche.
I geni rRNA ribosomiali trascritti dalla RNA polimerasi I contengono una sequenza specifica di coppie di base (11 bp lungo nell’uomo; 18 bp nei topi) che è riconosciuto da una proteina di terminazione chiamata TTF-1 (fattore di terminazione di trascrizione per RNA polimerasi I.) Questa proteina lega il DNA alla sua sequenza di riconoscimento e blocca ulteriormente la trascrizione, causando l’RNA polimerasi I a disimpegnarsi dal filamento di DNA del modello e rilasciare il suo RNA appena sintetizzato.
I geni della proteina-codifica, RNA strutturale e RNA regolatore trascritti da RNA Polymerse II mancano dei segnali o delle sequenze specifici che dirigono la RNA polimerasi II per terminare alle posizioni specifiche. RNA polimerasi II può continuare a trascrivere RNA ovunque da pochi bp a migliaia di bp oltre la fine effettiva del gene. Tuttavia, la trascrizione viene scissa in un sito interno prima che l’RNA polimerasi II finisca di trascrivere. Questo rilascia la porzione a monte della trascrizione, che servirà come RNA iniziale prima di ulteriori elaborazioni (il pre-mRNA nel caso di geni codificanti proteine.) Questo sito di scissione è considerato la “fine” del gene. Il resto della trascrizione viene digerito da una 5 ‘- esonucleasi (chiamata Xrn2 negli esseri umani) mentre è ancora trascritto dalla RNA polimerasi II. Quando la 5’-esonulease “raggiunge” l’RNA polimerasi II digerendo via tutto l’RNA sovrastante, aiuta a disimpegnare la polimerasi dal suo filamento di DNA, terminando infine quel giro di trascrizione.
Nel caso di geni codificanti proteine, il sito di scissione che determina la “fine” del pre-mRNA emergente si verifica tra una sequenza AAUAAA a monte e una sequenza ricca di GU a valle separata da circa 40-60 nucleotidi nell’RNA emergente. Una volta che entrambe queste sequenze sono state trascritte, una proteina chiamata CPSF nell’uomo lega la sequenza AAUAAA e una proteina chiamata CstF nell’uomo lega la sequenza ricca di GU. Queste due proteine formano la base di un complesso proteico complicato che si forma in questa regione prima CPSF scinde il nascente pre-mRNA in un sito 10-30 nucleotidi a valle del sito AAUAAA. L’enzima poli(A) polimerasi che catalizza l’aggiunta di una coda 3′ poli-A sul pre-mRNA fa parte del complesso che si forma con CPSF e CstF.
Terminazione della trascrizione da RNA polimerasi II su un gene codificante per proteine.: L’RNA polimerasi II non ha segnali specifici che terminano la sua trascrizione. Nel caso di geni codificanti proteine, un complesso proteico si legherà a due posizioni sul pre-mRNA in crescita una volta che l’RNA Polimerasi ha trascritto oltre la fine del gene. CPSF nel complesso legherà una sequenza AAUAAA e CstF nel complesso legherà una sequenza ricca di GU (figura in alto). CPSF nel complesso fende il pre-mRNA in un sito tra le due sequenze legate, rilasciando il pre-mRNA (figura centrale). La poli (A) polimerasi è una parte dello stesso complesso e inizierà ad aggiungere una coda di poli-A al pre-mRNA. Allo stesso tempo, la proteina Xrn2, che è un’esonucleasi, attacca l’estremità 5′ del filamento di RNA ancora associato alla RNA polimerasi. Xrn2 inizierà a digerire la porzione non rilasciata dell’RNA appena sintetizzato fino a quando Xrn2 raggiunge l’RNA polimerasi, dove aiuta a spostare l’RNA polimerasi dal filamento di DNA del modello. Questo termina la trascrizione in una posizione casuale a valle della vera estremità del gene (figura in basso).
I geni tRNA, 5S rRNA e RNAs strutturali trascritti dalla RNA polimerasi III hanno un segnale di terminazione non completamente compreso. Gli RNA trascritti dalla RNA polimerasi III hanno un breve tratto da quattro a sette U alla loro estremità 3′. Questo innesca in qualche modo RNA polimerasi III sia per rilasciare l’RNA nascente e disimpegnarsi dal filamento di DNA modello.