RNA-polymerase I

Schematische voorstelling van de transcriptie

RNA-polymerase I of Pol I is een RNA-polymerase, die betrokken is bij de transcriptie van een pre-ribosomaal RNA-streng met een sedimentatiecoëfficiënt van 45S. (45S wordt door RNA-modificatie omgezet in de rRNA's 18S; 5,8S; 28S), maar niet bij die van 5S rRNA, dat aangemaakt wordt door RNA-polymerase III. Daarnaast is dit enzym betrokken bij de productie van vele snRNA's (sn staat voor het Engelse small nuclear) in de celkern. Het enzym komt voor in de celkern van eukaryoten.

Structuur en functie

RNA-polymerase I is een 590 kDa groot enzym, dat bestaat uit 14 proteïne-subeenheden (polypeptiden). De kristalstructuur werd in 2013 opgehelderd bij de gist Saccharomyces cerevisiae met een resolutie van 280 pm (dit is ongeveer 2,5 tot 3 keer de diameter van atomen).[1] Twaalf subeenheden zijn hetzelfde of hebben verwante tegenhangers in RNA-polymerase II (Pol II) en RNA-polymerase III (Pol III). De andere twee subeenheden zijn verwant aan factoren die RNA-polymerase II activeren en hebben structurele homologen in RNA-polymerase III.

Ribosomaal-DNA-transcriptie komt alleen voor in de celkern, waar ongeveer 400 kopieën van het 42,9 kilobasenpaar (kb) grote rDNA-gen aanwezig zijn, gerangschikt in tandem repeats (herhalingen achter elkaar) in kernorganisatorregio's. Elke kopie bevat een ~13,3 kb sequentie coderend voor de 18S, de 5,8S en de 28S RNA-moleculen, verweven met twee internal transcribed spacers (nucleotidesequenties er tussen), ITS1 en ITS2, en geflankeerd stroomopwaarts door een extern getranscribeerd 5'-tussenstuk (spacer) en stroomafwaarts door een extern getranscribeerd 3'-tussenstuk.[2][3] Deze onderdelen worden samen getranscribeerd en vormen zo het 45S pre-rRNA.[4] Het 45S pre-rRNA wordt dan post-transcriptioneel gesplitst door proteolyse van de C/D-box en de H/ACA-box snoRNA's (small nucleolar RNA)[5] en worden de twee tussenstukken verwijderd, waardoor de drie rRNA's in drie stappen gevormd worden.[6] Het 5S ribosomaal RNA wordt getranscribeerd door polymerase III, omdat polymerase I een eenvoudige structuur heeft en daardoor snel kan werken in exponentieel groeiende cellen. Daar maakt RNA-polymerase I tot 60 % van de totale transcriptie uit.

Subeenheden[7]

Saccharomyces cerevisiae Pol I subeenheden	Synoniemen	Al of niet in de andere RNA-polymerasen voorkomend	Menselijk gen	Aantal proteïnogene aminozuren[8]	Menselijke Pol I subeenheden
RPA1	DKFZP586M0122, FLJ21915, RPO1-4, RPA190	I	POLR1A	1716	RNA polymerase I subunit A
RPA2	Rpo1-2, FLJ21921, FLJ10816, RPA135	I	POLR1B	1196	hRPA127, RNA polymerase I subunit B
RPA49		I		415	PAF53, RNA polymerase I subunit RPA49
RPA43		I		326	hRPA43, RNA polymerase I subunit RPA43
RPA40	AC40, RPA40, RPA39, RPA5, RPAC1	I, III	POLR1C	346	hRPA40, RNA polymerase I subunit C
RPA34,5	CAST (PAF49)	I		510	RNA polymerase I subunit RPA34
RPB5	ABC27, RPA7, RPC9, YBR154C, YBR1204	I, II, III	POLR2E	215	hRPB5, RNA polymerase II subunit E
RPB6	ABC23, RPB6, YPR187W, P9677.8	I, II, III, IV, V	POLR2F	137	hRPB6, RNA polymerases I, II, and III subunit RPABC2
RPA19	AC19, RPC19 YNL113W, N1937	I, III	POLR1D	133	hRPA19, RNA polymerases I and III subunit RPAC2
RPB8	ABC14,5	I, II, III, IV, V	POLR2H	150	hRPB8, RNA polymerases I, II, and III subunit RPABC3
RPA12	RRN4, YJR063W, J1747	I		125	hRPB12,2, RNA polymerase I subunit RPA12
RPA14	RABC4	I		137	RNA polymerase I subunit RPA14[9]
RPC10	ABC10β	I, II, III	POLR2K	58	hRPB10, RNA polymerases I, II en III subunit RPABC4
RPB12	ABC10α, RPABC5	I, II, III, IV, V	POLR2L	67	hRPB12, RNA polymerase II subunit L

Regulering van de rRNA-transcriptie

De snelheid van celgroei is direct afhankelijk van die van de eiwitsynthese, die zelf weer op een ingewikkelde wijze gekoppeld is aan de ribosoomsynthese en rRNA-transcriptie. Intracellulaire signalen moeten de synthese van rRNA coördineren met de translatie van andere eiwitcomponenten. Bekend is dat het Mycgen, dat andere genen reguleert, zich bindt aan het menselijk ribosomaal-DNA voor het stimuleren van de rRNA-transcriptie door het RNA polymerase I.[10] Er zijn twee specifieke mechanismen gevonden die de juiste controle uitoefenen op de rRNA-synthese en de RNA-polymerase I gestuurde transcriptie.

Gelet op het grote aantal rDNA-genen (meerdere honderden), die beschikbaar zijn voor translatie, is het eerste mechanisme betrokken bij de afstemming van het aantal genen, die op een bepaald moment moeten worden getranscribeerd. In de cellen van zoogdieren varieert het aantal rDNA-genen tussen de typen cellen en de mate van celdifferentiatie. In het algemeen geldt dat als een cel meer gedifferentieerd is het minder groeit en daarom een lagere rRNA-synthese heeft en er een vermindering van het aantal getranscribeerde rDNA-genen optreedt.

Als de rRNA-synthese wordt gestimuleerd, bindt de SL1 (selectieve factor 1) aan de promotoren van de rDNA-genen, waarna RNA-polymerase I aan het pre-initiatiecomplex bindt en de transcriptie van rRNA begint.

Veranderingen in de rRNA-transcriptie kan ook gebeuren door veranderingen in de snelheid van transcriptie. Synthese van rRNA kan toe- of afnemen zonder veranderingen in het aantal actief getranscribeerde rDNA's.

RNA-polymerase I-transcriptiecyclus

Bij de transcriptie worden drie hoofdstadia onderscheiden:

1. Initiatie: de binding van het RNA-polymerasecomplex aan de promotoren van de genen met behulp van transcriptiefactoren.
2. Elongatie: de actuele transcriptie van het merendeel van genen in de overeenkomstige RNA-sequentie.
3. Terminatie: het stoppen van de RNA-transcriptie en het ontmantelen van het RNA-polymerasecomplex.

Initiatie

RNA polymerase I heeft geen TATA-box in de promotor nodig, in plaats daarvan gebruikt het een stroomopwaarts controle-element (UCE=ultra-conserved element) dat zich bevindt tussen −200 en −107 en een kernelement (core element) tussen −45 en +20.[11][12]

Rol van de transcriptiefactor bij de regulering van de genexpressie

1. De dimere eukaryotische bovenstroomse bindingsfactor (upstreambindingsfactor (UBF)) bindt het UCE en het kernelement.
2. UBF werft en bindt een ∼300 kDa groot proteïnecomplex, bij mensen SL1[13] en bij muizen TIF-IB genoemd[14] en dat is samengesteld uit de TATA-bindingsproteïne (TBP) en de drie TBP-geassocieerde factoren (TAF's), TAF48, TAF63 en TAF110 bij mensen en bij muizen TAF48, TAF68 en TAF95.
3. Het UBF-dimeer bevat meerdere zeer mobiele boxgroepen (high-mobility-group boxes:HMG-boxen) die lussen maken in de bovenstroomse regio, waardoor het UCE en het kernelement met elkaar in contact komen.
4. RRN3/TIF-IA is gefosforyleerd en het RNA-polymerase I bindt.
5. RNA-polymerase I bindt aan het UBF/SL1-complex met behulp van RRN3/TIF-IA, waarna de transcriptie begint.

NB. Bij verschillende organismen is bovenstaand proces variabel.[12]

Elongatie

Simpel diagram van de elongatie met promotor elementen en RNAP (RNAP = RNA-polymerase)

De RNA-synthese kan worden gestart en de RNA-streng groeit in 5' → 3'-richting. Deze fase wordt elongatie genoemd. Tijdens de elongatie moet telkens het dubbelstrengs-DNA uit elkaar worden gehouden vlak voor de RNA-polymerase. Dit wordt door een transcriptiefactor bewerkstelligd, namelijk TFIIH (transcriptiefactor II met helicase activiteit).

Vlak na de elongatie wordt aan het 5'-einde van de RNA-synthetiserende streng een beschermingselement aangebracht, een zogenaamde 'kap' ('cap').

Op het moment dat RNA-polymerase I loskomt van de promotor, blijven UBF en SL1 gebonden en staan ze klaar om een ander RNA-polymerase I in te schakelen. Zo kan een actief rDNA-gen meerdere keren tegelijkertijd getranscribeerd worden. Dit in tegenstelling tot RNA-polymerase II dat zich op een bepaald moment alleen maar kan binden aan één complex. Terwijl verlenging in vitro ongehinderd doorgaat is het nog niet duidelijk of dit proces ook in een cel plaats vindt gelet op de aanwezigheid van nucleosomen.

Terminatie

Bij hogere eukaryoten bindt en buigt de transcriptieterminatiefactor RNA-polymerase I (TTF-I) de terminatieplaats aan het 3'-eind van het getranscribeerde gebied. Hierdoor wordt RNA-polymerase I gedwongen te pauseren. TTF-I zorgt er met de hulp van de polymerase-I en transcriptie-releasefactor (PTRF) en een T-rijk gebied voor, dat RNA-polymerase I de transcriptie staakt en loslaat van het DNA en de nieuw getranscribeerde sequentie.

Bepaling type RNA-polymerase

Alfa-amanitine wordt door zijn werkingsmechanisme ook veelal gebruikt als een stuk gereedschap in wetenschappelijke studies in moleculaire biologie en biologisch onderzoek. Het kan gebruikt worden om te bepalen welke vormen van RNA-polymerase aanwezig zijn. Men test dan de gevoeligheid van de RNA-polymerase in aanwezigheid van alfa-amanitine. RNA-polymerase I, RNA-polymerase IV en RNA-polymerase V zijn ongevoelig, RNA-polymerase II zeer gevoelig en RNA-polymerase III is enigszins gevoelig voor alfa-amanitine.[15]

Externe links

• (en) De RNA-polymerase I transcriptie-machinerie
• (en) Transcriptie door RNA-polymerases I en III
• (en) RNA polymerase I–specific subunits promote polymerase clustering to enhance the rRNA gene transcription cycle

Bronnen, noten en/of referenties

1. Engel, Christoph, Sainsbury, Sarah, Cheung, Alan C., Kostrewa, Dirk, Cramer, Patrick (23 October 2013). RNA polymerase I structure and transcription regulation. Nature 502 (7473): 650–655. DOI: 10.1038/nature12712. Geraadpleegd op 16 december 2014.
2. Zentner, Gabriel E, Saiakhova, Alina, Manaenkov, Pavel, Adams, Mark D, Scacheri, Peter C (25 February 2011). Integrative genomic analysis of human ribosomal DNA. Nucleic Acids Research 39 (12): 4949–4960. DOI: 10.1093/nar/gkq1326. Geraadpleegd op 16 december 2014.
3. Edger, Patrick P, Tang, Michelle, Bird, Kevin A, Mayfield, Dustin R, Conant, Gavin (1 July 2014). Secondary structure analyses of the nuclear rRNA internal transcribed spacers and assessment of its phylogenetic utility across the Brassicaceae (mustards). PLoS ONE 9 (7): e101341. PMID 24984034. PMC 4077792. DOI: 10.1371/journal.pone.0101341. Geraadpleegd op 16 december 2014.
4. Appling, Dean, Anthony-Cahill, Spencer, Mathews, Christopher (2016). Biochemistry: Concepts and Connections. Pearson, Hoboken, New Jersey, 742. ISBN 978-0-321-83992-3.
5. Watkins, Nicholas J., Bohnsack, Markus T. (May 2012). The box C/D and H/ACA snoRNPs: key players in the modification, processing and the dynamic folding of ribosomal RNA. Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA 3 (3): 397–414. DOI: 10.1002/wrna.117. Geraadpleegd op 16 december 2014.
6. Venema, Jaap, Tollervey, David (December 1999). Ribosome Synthesis in Saccharomyces cerevisiae. Annual Review of Genetics 33 (1): 261–311. DOI: 10.1146/annurev.genet.33.1.261. Geraadpleegd op 16 december 2014.
7. De RNA-polymerase I transcriptie-machinerie
8. UniProt
9. UniProt
10. Grandori, Carla, Gomez-Roman, Natividad, Felton-Edkins, Zoe A., Ngouenet, Celine, Galloway, Denise A. (20 February 2005). c-Myc binds to human ribosomal DNA and stimulates transcription of rRNA genes by RNA polymerase I. Nature Cell Biology 7 (3): 311–318. PMID 15723054. DOI: 10.1038/ncb1224. Geraadpleegd op 16 december 2014.
11. Jantzen, Hans-Michael, Admon, Arie, Bell, Stephen P., Tjian, Robert (26 april 1990). Nucleolar transcription factor hUBF contains a DNA-binding motif with homology to HMG proteins. Nature 344 (6269): 830–836. PMID 2330041. DOI: 10.1038/344830a0. Geraadpleegd op 16 december 2014.
12. Grummt, Ingrid (15 July 2003). Life on a planet of its own: regulation of RNA polymerase I transcription in the nucleolus. Genes & Development 17 (14): 1691–1702. DOI: 10.1101/gad.1098503R. Geraadpleegd op 16 december 2014.
13. Learned, R Marc, Cordes, Sabine, Tjian, Robert (June 1985). Purification and characterization of a transcription factor that confers promoter specificity to human RNA polymerase I. Molecular and Cellular Biology 5 (6): 1358–69. PMID 3929071. PMC 366865. DOI: 10.1128/MCB.5.6.1358. Geraadpleegd op 16 december 2014.
14. Clos, Joachim, Buttgereit, Detlev, Grummt, Ingrid (February 1986). A purified transcription factor (TIF-IB) binds to essential sequences of the mouse rDNA promoter. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 83 (3): 604–8. PMID 3456157. DOI: 10.1073/pnas.83.3.604. Geraadpleegd op 16 december 2014.
15. Meinecke and S. Meinecke-Tillmann (1993). "Effects of -amanitin on nuclear maturation of porcine oocytes in vitro". Journal of Reproduction and Fertility 98 (1): 195–201. doi:10.1530/jrf.0.0980195. PMID 8345464.