RNA polimerase I - RNA polymerase I
A RNA polimerase 1 (também conhecida como Pol I ) é, em eucariotos superiores , a polimerase que apenas transcreve o RNA ribossômico (mas não o 5S rRNA , que é sintetizado pela RNA polimerase III ), um tipo de RNA responsável por mais de 50% do RNA total sintetizado em uma célula .
Estrutura e função
Pol I é uma enzima de 590 kDa que consiste em 14 subunidades de proteína ( polipeptídeos ), e sua estrutura cristalina na levedura Saccharomyces cerevisiae foi resolvida com resolução de 2,8Å em 2013. Doze de suas subunidades têm contrapartes idênticas ou relacionadas na RNA polimerase II (Pol II) e RNA polimerase III (Pol III). As outras duas subunidades estão relacionadas aos fatores de iniciação de Pol II e possuem homólogos estruturais em Pol III.
A transcrição do DNA ribossomal está confinada ao nucléolo , onde cerca de 400 cópias do gene rDNA de 42,9 kb estão presentes, organizadas como repetições tandem nas regiões organizadoras do nucléolo . Cada cópia contém uma sequência de ~ 13,3 kb que codifica as moléculas de RNA 18S , 5.8S e 28S , entrelaçadas com dois espaçadores transcritos internos , ITS1 e ITS2, e flanqueados a montante por um espaçador transcrito externo 5 'e um transcrito externo 3' a jusante espaçador. Esses componentes são transcritos juntos para formar o pré-rRNA 45S. O pré-rRNA 45S é então clivado pós-transcricionalmente por C / D box e H / ACA box snoRNAs , removendo os dois espaçadores e resultando nos três rRNAs por uma série complexa de etapas. O RNA ribossômico 5S é transcrito por Pol III. Devido à simplicidade da transcrição de Pol I, é a polimerase de ação mais rápida e contribui com até 60% dos níveis de transcrição celular em células em crescimento exponencial.
Em Saccharomyces cerevisiae , o 5S rDNA tem a característica incomum de estar dentro da repetição do rDNA. É flanqueado por espaçadores não transcritos NTS1 e NTS2, e é transcrito reversamente por Pol III, separadamente do resto do rDNA.
Regulação da transcrição de rRNA
A taxa de crescimento celular é diretamente dependente da taxa de síntese de proteínas, que por sua vez está intrinsecamente ligada à síntese de ribossomos e à transcrição de rRNA. Assim, os sinais intracelulares devem coordenar a síntese de rRNA com a de outros componentes da tradução de proteínas. Myc é conhecido por se ligar ao DNA ribossomal humano para estimular a transcrição do rRNA pela RNA polimerase I. Dois mecanismos específicos foram identificados, garantindo o controle adequado da síntese de rRNA e da transcrição mediada por Pol I.
Dado o grande número de genes de rDNA (várias centenas) disponíveis para transcrição, o primeiro mecanismo envolve ajustes no número de genes sendo transcritos em um momento específico. Em células de mamíferos, o número de genes de rDNA ativos varia entre os tipos de células e o nível de diferenciação . Em geral, à medida que uma célula se torna mais diferenciada, ela requer menos crescimento e, portanto, terá uma diminuição na síntese de rRNA e uma diminuição nos genes de rDNA sendo transcritos. Quando a síntese de rRNA é estimulada, SL1 (fator de seletividade 1) se liga aos promotores de genes de rDNA que antes eram silenciosos e recruta um complexo de pré-iniciação ao qual Pol I se liga e inicia a transcrição de rRNA.
Mudanças na transcrição do rRNA também podem ocorrer por meio de mudanças na taxa de transcrição. Embora o mecanismo exato pelo qual Pol I aumenta sua taxa de transcrição seja ainda desconhecido, a evidência mostrou que a síntese de rRNA pode aumentar ou diminuir sem alterações no número de rDNA ativamente transcrito.
Ciclo de transcrição
No processo de transcrição (por qualquer polimerase), existem três etapas principais:
- Iniciação: a construção do complexo de RNA polimerase no promotor do gene com a ajuda de fatores de transcrição
- Alongamento: a transcrição real da maioria do gene em uma sequência de RNA correspondente
- Terminação: a cessação da transcrição do RNA e a desmontagem do complexo da RNA polimerase.
Iniciação
Pol I não requer TATA box no promotor, em vez disso, depende de um elemento de controle upstream (UCE) localizado entre −200 e −107, e um elemento central localizado entre −45 e +20.
- O fator de ligação a montante eucariótico dimérico ( UBF ) liga o UCE e o elemento central.
- O UBF recruta e se liga a um complexo proteico denominado SL1 em humanos (ou TIF-IB em camundongos), composto pela proteína de ligação a TATA (TBP) e três fatores associados a TBP (TAFs).
- O dímero UBF contém várias caixas de grupo de alta mobilidade (caixas HMG ) que introduzem loops na região a montante, permitindo que o UCE e os elementos centrais entrem em contato.
- RRN3 / TIF-IA é fosforilado e se liga a Pol I.
- Pol I se liga ao complexo UBF / SL1 via RRN3 / TIF-IA, e a transcrição começa.
Observe que esse processo é variável em diferentes organismos.
Alongamento
À medida que Pol I escapa e limpa o promotor, UBF e SL1 permanecem ligados ao promotor, prontos para recrutar outro Pol I. Na verdade, cada gene de rDNA ativo pode ser transcrito várias vezes simultaneamente, em oposição aos genes transcritos de Pol II, que se associam apenas com um complexo de cada vez. Embora o alongamento prossiga desimpedido in vitro, não está claro neste ponto se esse processo ocorre em uma célula, dada a presença de nucleossomos . Pol I parece transcrever por meio de nucleossomos, ignorando-os ou interrompendo-os, talvez auxiliado por atividades de remodelação da cromatina. Além disso, o UBF também pode atuar como feedback positivo, aumentando o alongamento de Pol I por meio de uma função anti-repressora. Um fator adicional, TIF-IC, também pode estimular a taxa geral de transcrição e suprimir a pausa de Pol I. À medida que Pol I prossegue ao longo do rDNA, superenroladas se formam à frente e atrás do complexo. Estes são desenrolados pela topoisomerase I ou II em intervalos regulares, semelhante ao que é visto na transcrição mediada por Pol II.
É provável que o alongamento seja interrompido nos locais de dano ao DNA. O reparo acoplado à transcrição ocorre de forma semelhante aos genes transcritos de Pol II e requer a presença de várias proteínas de reparo de DNA, como TFIIH, CSB e XPG.
Terminação
Em eucariotos superiores, TTF-I liga e dobra o local de terminação na extremidade 3 'da região transcrita. Isso forçará Pol I a fazer uma pausa. TTF-I, com a ajuda do fator de liberação de transcrição PTRF e uma região rica em T, induzirá Pol I a terminar a transcrição e se dissociar do DNA e do novo transcrito. As evidências sugerem que a terminação pode ser limitante da taxa em casos de alta produção de rRNA. TTF-I e PTRF irão então estimular indiretamente a reinicialização da transcrição por Pol I no mesmo gene rDNA. Em organismos como a levedura de brotamento, o processo parece ser muito mais complicado e ainda não está completamente elucidado.
Hotspot de recombinação
Os pontos críticos de recombinação são sequências de DNA que aumentam a recombinação local . A sequência HOT1 na levedura é um dos pontos críticos de recombinação mitótica mais bem estudados . A sequência hot1 inclui uma polimerase I de ARN de transcrição do promotor . Em uma cepa mutante de levedura com defeito na RNA polimerase I, a atividade HOT1 na promoção da recombinação é abolida. O nível de atividade de transcrição da RNA polimerase I que é dependente do promotor na sequência HOT1 parece determinar o nível de recombinação mitótica próxima.
