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ARN polimerasa II

Función de la ARN polimerasa II (transcripción). Verde: cadena de ARN recién sintetizada por la enzima. La ARN polimerasa II ( RNAP II y Pol II ) es un complejo multiproteico qu...

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Función de la ARN polimerasa II (transcripción). Verde: cadena de ARN recién sintetizada por la enzima.

La ARN polimerasa II ( RNAP II y Pol II ) es un complejo multiproteico que transcribe el ADN en precursores del ARN mensajero (ARNm) y la mayoría de los ARN nucleares pequeños (ARNsn) y microARN . [ 1 ] [ 2 ] Es una de las tres enzimas RNAP que se encuentran en el núcleo de las células eucariotas . [ 3 ] Un complejo de 550 kDa de 12 subunidades, la RNAP II es el tipo de ARN polimerasa más estudiado . Se requiere una amplia gama de factores de transcripción para que se una a los promotores de genes corriente arriba y comience la transcripción.

Descubrimiento

ARN polimerasa II de Saccharomyces cerevisiae que consta de las 12 subunidades. [ 4 ]

Los primeros estudios sugirieron un mínimo de dos RNAP: una que sintetizaba ARNr en el nucléolo y otra que sintetizaba otro ARN en el nucleoplasma , parte del núcleo pero fuera del nucléolo. [ 5 ] En 1969, los bioquímicos Robert G. Roeder y William Rutter descubrieron que hay un total de tres ARN polimerasas nucleares distintas , una RNAP adicional que era responsable de la transcripción de algún tipo de ARN en el nucleoplasma. [ 6 ] El hallazgo se obtuvo mediante el uso de cromatografía de intercambio iónico a través de perlas de Sephadex recubiertas con DEAE . La técnica separó las enzimas por el orden de las eluciones correspondientes, Ι, ΙΙ, ΙΙΙ, aumentando la concentración de sulfato de amonio. Las enzimas se nombraron según el orden de las eluciones, RNAP I , RNAP II, RNAP III . [ 3 ] Este descubrimiento demostró que había una enzima adicional presente en el nucleoplasma, que permitía la diferenciación entre la ARN polimerasa II y la ARN polimerasa III. [ 7 ]

La ARN polimerasa II (RNAP2) experimenta una pausa transcripcional regulada durante la elongación temprana. Diversos estudios han demostrado que la interrupción de la elongación de la transcripción está implicada en el cáncer , la neurodegeneración , la latencia del VIH, etc. [ 8 ]

Subunidades

Eukaryotic RNA-polymerase II from Saccharomyces cerevisiae, PDB ID.[9] Subunits colored: RPB3 – orange , RPB11 – yellow , RPB2 – wheat, RPB1 – red, RPB6 – pink, the rest 7 subunits are colored gray.

The eukaryotic core RNA polymerase II was first purified using transcription assays.[10] The purified enzyme has typically 10–12 subunits (12 in humans and yeast) and is incapable of specific promoter recognition.[11] Many subunit-subunit interactions are known.[12]

  • DNA-directed RNA polymerase II subunit RPB1 – an enzyme that in humans is encoded by the POLR2Agene and in yeast is encoded by RPO21. RPB1 is the largest subunit of RNA polymerase II. It contains a carboxy terminal domain (CTD) composed of up to 52 heptapeptide repeats (YSPTSPS) that are essential for polymerase activity.[13] The CTD was first discovered in the laboratory of C.J. Ingles at the University of Toronto and by JL Corden at Johns Hopkins University. In combination with several other polymerase subunits, the RPB1 subunit forms the DNA binding domain of the polymerase, a groove in which the DNA template is transcribed into RNA.[14] It strongly interacts with RPB8.[12]
  • RPB2 (POLR2B) – the second-largest subunit that in combination with at least two other polymerase subunits forms a structure within the polymerase that maintains contact in the active site of the enzyme between the DNA template and the newly synthesized RNA.[15]
  • RPB3 (POLR2C) – the third-largest subunit. Exists as a heterodimer with another polymerase subunit, POLR2J forming a core subassembly. RPB3 strongly interacts with RPB1-5, 7, 10–12.[12]
  • RNA polymerase II subunit B4 (RPB4) – encoded by the POLR2D gene[16] is the fourth-largest subunit and may have a stress protective role.
  • RPB5 – In humans is encoded by the POLR2E gene. Two molecules of this subunit are present in each RNA polymerase II.[17] RPB5 strongly interacts with RPB1, RPB3, and RPB6.[12]
  • RPB6 ( POLR2F ) – forma una estructura con al menos otras dos subunidades que estabiliza la polimerasa transcriptora en la plantilla de ADN. [ 18 ]
  • RPB7 – codificado por POLR2G y puede desempeñar un papel en la regulación de la función de la polimerasa. [ 19 ] RPB7 interactúa fuertemente con RPB1 y RPB5. [ 12 ]
  • RPB8 ( POLR2H ) – interactúa con las subunidades RPB1-3, 5 y 7. [ 12 ]
  • RPB9 – El surco en el que la plantilla de ADN se transcribe en ARN está compuesto por RPB9 ( POLR2I ) y RPB1.
  • RPB10 – el producto del gen POLR2L . Interactúa con RPB1-3 y 5, y fuertemente con RPB3. [ 12 ]
  • RPB11 : la subunidad RPB11 está compuesta a su vez por tres subunidades en humanos: POLR2J (RPB11-a), POLR2J2 (RPB11-b) y POLR2J3 [ 20 ] (RPB11-c).
  • RPB12 – También interactúa con RPB3 es RPB12 ( POLR2K ). [ 12 ]

Asamblea

RPB3 participa en el ensamblaje de la ARN polimerasa II. [ 21 ] Un subcomplejo de RPB2 y RPB3 aparece poco después de la síntesis de la subunidad. [ 21 ] Este complejo interactúa posteriormente con RPB1. [ 21 ] RPB3, RPB5 y RPB7 interactúan entre sí para formar homodímeros, y RPB3 y RPB5 juntos pueden contactar con todas las demás subunidades RPB, excepto RPB9. [ 12 ] Solo RPB1 se une fuertemente a RPB5. [ 12 ] La subunidad RPB1 también contacta con RPB7, RPB10 y, de forma más débil pero más eficiente, con RPB8. [ 12 ] Una vez que RPB1 entra en el complejo, otras subunidades como RPB5 y RPB7 pueden entrar, donde RPB5 se une a RPB6 y RPB8 y RPB3 trae a RPB10, RPB11 y RPB12. [ 12 ] RPB4 y RPB9 pueden entrar una vez que la mayor parte del complejo esté ensamblada. RPB4 forma un complejo con RPB7. [ 12 ]

Cinética

Las enzimas pueden catalizar hasta varios millones de reacciones por segundo. La velocidad de reacción enzimática depende de las condiciones de la solución y de la concentración del sustrato. Al igual que otras enzimas, POLR2 tiene una curva de saturación y una velocidad máxima ( Vmax). Posee una Km (concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de Vmax) y una kcat ( número de moléculas de sustrato procesadas por un sitio activo por segundo). La constante de especificidad viene dada por kcat / Km . El máximo teórico para la constante de especificidad es el límite de difusión de aproximadamente 10⁸ a 10⁹ ( M⁻¹s⁻¹ ) , donde cada colisión de la enzima con su sustrato produce catálisis. En levaduras, una mutación en el dominio Trigger-Loop de la subunidad más grande puede modificar la cinética de la enzima. [ 22 ]

La ARN polimerasa bacteriana, un pariente de la ARN polimerasa II, alterna entre estados inactivado y activado mediante translocación a lo largo del ADN. [ 23 ] Concentraciones de [NTP] eq = 10 μM GTP, 10 μM UTP, 5 μM ATP y 2,5 μM CTP, producen una tasa de elongación media, número de recambio, de ~1 pb (NTP) −1 para la ARN polimerasa bacteriana, un pariente de la ARN polimerasa II. [ 23 ]

ARN polimerasa II (gris). Interacción alfa-amanitina (rojo).

La ARN polimerasa II experimenta pausas cotranscripcionales extensas durante la elongación de la transcripción. [ 24 ] [ 25 ] Estas pausas son especialmente pronunciadas en los nucleosomas y surgen en parte debido a que la polimerasa entra en un estado de retroceso transcripcionalmente incompetente. [ 24 ] La duración de estas pausas varía de segundos a minutos o más, y la salida de pausas prolongadas puede ser promovida por factores de elongación como TFIIS. [ 26 ] A su vez, la tasa de transcripción influye en si las histonas de los nucleosomas transcritos son desalojadas de la cromatina o reinsertadas detrás de la polimerasa transcriptora. [ 27 ]

Alfa-amanitina

La ARN polimerasa II es inhibida por la α-amanitina [ 28 ] y otras amatoxinas . La α-amanitina es una sustancia altamente venenosa presente en muchos hongos [ 5 ] . El veneno de los hongos tiene efectos diferentes en cada una de las ARN polimerasas: I, II y III. La ARN polimerasa I es completamente insensible a la sustancia y funciona normalmente, mientras que la ARN polimerasa III presenta una sensibilidad moderada. Sin embargo, la ARN polimerasa II es completamente inhibida por la toxina. La α-amanitina inhibe la ARN polimerasa II mediante fuertes interacciones en las regiones clave de la subunidad RPB-1, como el "embudo", la "hendidura" y la " hélice α puente" [ 29 ] .

Holoenzima

La holoenzima de la ARN polimerasa II es una forma de la ARN polimerasa II eucariota que se recluta en los promotores de los genes codificadores de proteínas en las células vivas. [ 11 ] Está compuesta por la ARN polimerasa II, un subconjunto de factores de transcripción generales y proteínas reguladoras conocidas como proteínas SRB.

Una parte del ensamblaje de la holoenzima se denomina complejo de preiniciación , ya que su ensamblaje tiene lugar en el promotor del gen antes del inicio de la transcripción . El complejo mediador actúa como puente entre la ARN polimerasa II y los factores de transcripción.

Control por la estructura de la cromatina

Este es un resumen de un mecanismo de ejemplo en células de levadura mediante el cual la estructura de la cromatina y la modificación postraduccional de las histonas ayudan a regular y registrar la transcripción de genes por la ARN polimerasa II.

Esta vía ofrece ejemplos de regulación en estos puntos de transcripción:

  • Preiniciación (promoción por Bre1, modificación de histonas)
  • Iniciación (promoción por TFIIH, modificación de Pol II y promoción por COMPASS, modificación de histonas)
  • Elongación (promoción por Set2, modificación de histonas)

Esto se refiere a las distintas etapas del proceso como pasos regulatorios. No se ha demostrado que se utilicen para la regulación, pero es muy probable que así sea.

Los promotores de elongación de la ARN polimerasa II se pueden resumir en 3 clases.

  1. Factores que afectan la detención del ciclo celular, dependientes del fármaco o de la secuencia (diversas proteínas interferentes).
  2. Factores orientados a la estructura de la cromatina (modificadores postranscripcionales de histonas, por ejemplo, metiltransferasas de histonas)
  3. Factores que mejoran la catálisis de la ARN polimerasa II (diversas proteínas interferentes y cofactores de la ARN polimerasa II; véase ARN polimerasa II).

Mecanismos de transcripción

  • Factores orientados a la estructura de la cromatina: (HMTs ( transferasas de metil histonas ) ): COMPASS§† – ( complejo de proteínas asociadas con Set1 ) – Metila la lisina 4 de la histona H3: Es responsable de la represión/silenciamiento de la transcripción. Una parte normal del crecimiento celular y la regulación de la transcripción dentro de la ARN polimerasa II . [ 30 ]
  • Set2 – Metila la lisina 36 de la histona H3: Set2 participa en la regulación de la elongación de la transcripción mediante su contacto directo con el CTD. [ 31 ] (ejemplo irrelevante interesante: Dot1*‡ – Metila la lisina 79 de la histona H3.)
  • Bre1 – Ubiquina (añade ubiquitina a) la lisina 123 de la histona H2B. Está asociada con la preiniciación y permite la unión de la ARN polimerasa II.

Dominio C-terminal

El extremo C-terminal de RPB1 se une para formar el dominio C-terminal (CTD). El dominio carboxi-terminal de la ARN polimerasa II generalmente consta de hasta 52 repeticiones de la secuencia Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser. [ 32 ] El dominio se extiende desde el núcleo de la enzima RNAPII hasta el canal de salida; esta ubicación es efectiva debido a su inducción de "reacciones de procesamiento de ARN, a través de interacciones directas o indirectas con componentes de la maquinaria de procesamiento de ARN". [ 33 ] El CTD no existe en la ARN polimerasa I ni en la ARN polimerasa III. [ 3 ] El CTD de la ARN polimerasa fue descubierto por primera vez en el laboratorio de CJ Ingles en la Universidad de Toronto y también en el laboratorio de J Corden en la Universidad Johns Hopkins durante los procesos de secuenciación del ADN que codifica la subunidad RPB1 de la ARN polimerasa de levadura y ratones, respectivamente. Otras proteínas a menudo se unen al dominio C-terminal de la ARN polimerasa para activar la actividad de la polimerasa. Es el dominio proteico que participa en la iniciación de la transcripción, la adición de la caperuza al transcrito de ARN y la unión al espliceosoma para el empalme del ARN . [ 13 ]

Fosforilación del CTD

La ARN polimerasa II existe en dos formas, no fosforilada y fosforilada, IIA e IIO respectivamente. [ 5 ] [ 3 ] La transición entre las dos formas facilita diferentes funciones para la transcripción. La fosforilación del CTD es catalizada por uno de los seis factores de transcripción generales , TFIIH . TFIIH cumple dos funciones: una es desenrollar el ADN en el sitio de inicio de la transcripción y la otra es fosforilar. La forma polimerasa IIA se une al complejo de preiniciación, esto se sugiere porque IIA se une con mayor afinidad a la TBP ( proteína de unión a la caja TATA ), la subunidad del factor de transcripción general TFIID , que la forma polimerasa IIO. La forma polimerasa IIO facilita la elongación de la cadena de ARN. [ 5 ] El método para la iniciación de la elongación se realiza mediante la fosforilación de la serina en la posición 5 (Ser5), a través de TFIIH. La Ser5 recién fosforilada recluta enzimas para bloquear el extremo 5' del ARN recién sintetizado y los factores de procesamiento 3' para los sitios de poliadenilación . [ 33 ] Una vez que la segunda serina, Ser2, se fosforila, se activa la elongación. Para finalizar la elongación, debe ocurrir la desfosforilación. Una vez que el dominio está completamente desfosforilado, la enzima ARN polimerasa II se "recicla" y cataliza el mismo proceso con otro sitio de iniciación. [ 33 ]

Reparación recombinacional acoplada a la transcripción

El daño oxidativo del ADN puede bloquear la transcripción de la ARN polimerasa II y causar roturas de la cadena. Se ha descrito un proceso de recombinación asociado a la transcripción mediado por ARN que puede proteger contra el daño del ADN. [ 34 ] Durante las fases G1/G0 del ciclo celular , las células exhiben el ensamblaje de factores de recombinación homóloga en roturas de doble cadena dentro de regiones activamente transcritas. Parece que la transcripción está acoplada a la reparación de roturas de doble cadena del ADN mediante recombinación homóloga mediada por ARN. Este proceso de reparación une de manera eficiente y precisa las roturas de doble cadena en genes que están siendo transcritos activamente por la ARN polimerasa II.

Véase también

Referencias

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