กลไกการถอดรหัสพันธุกรรมในยูคาริโอต

ยูคาริโอตถอดรหัสจีโนมของพวกมันด้วยเอนไซม์ RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA ในนิวเคลียสสามชนิด ซึ่งในจำนวนนี้ RNA polymerase II ทำหน้าที่ถอดรหัสยีนที่สร้างโปรตีนทั้งหมดและ RNA ที่ไม่เข้ารหัสจำนวนมาก แตกต่างจากเอนไซม์ในแบคทีเรียที่ค่อนข้างพึ่งพาตนเองได้ เอนไซม์ polymerase ในยูคาริโอตต้องการชุดปัจจัยเสริมขนาดใหญ่เพื่อจดจำโปรโมเตอร์ ประกอบตัวที่ตำแหน่งเริ่มต้น และดำเนินงานผ่านโครมาติน

Definition

RNA polymerase II คือเอนไซม์ RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA ในยูคาริโอต ซึ่งทำหน้าที่ถอดรหัสสารตั้งต้นของ messenger RNA และ RNA ที่ไม่เข้ารหัสจำนวนมาก ส่วนกลไกการถอดรหัสในยูคาริโอตคือเอนไซม์ polymerase ร่วมกับปัจจัยการถอดรหัสทั่วไป, Mediator และโปรตีนที่เกี่ยวข้องซึ่งประกอบตัวและควบคุมการถอดรหัสที่โปรโมเตอร์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึง RNA polymerase ในยูคาริโอต (โดยเน้นที่ RNA polymerase II) ปัจจัยการถอดรหัสทั่วไป และคอมเพล็กซ์เริ่มต้นก่อนการถอดรหัสที่พวกมันสร้างขึ้น โคแอคติเวเตอร์ Mediator และการเปลี่ยนผ่านที่ถูกควบคุมของการเริ่มต้น การหยุดชั่วคราว และการยืดตัวของสาย RNA เนื้อหาจะถูกนำเสนอในระดับอ้างอิงเชิงวิชาการ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• คอมเพล็กซ์เริ่มต้นก่อนการถอดรหัสของ RNA polymerase II ถูกประกอบขึ้นที่โปรโมเตอร์ได้อย่างไร?
• ปัจจัยการถอดรหัสทั่วไปและคอมเพล็กซ์ Mediator มีบทบาทอย่างไร?
• การหยุดชั่วคราวใกล้โปรโมเตอร์และการควบคุมการยืดตัวของสาย RNA ควบคุมการถอดรหัสของ Pol II ได้อย่างไร?

Key concepts

• RNA polymerase I, II และ III
• ปัจจัยการถอดรหัสทั่วไป (เช่น TFIID, TFIIB, TFIIE, TFIIF, TFIIH)
• คอมเพล็กซ์เริ่มต้นก่อนการถอดรหัส
• คอมเพล็กซ์ Mediator
• โดเมน C-terminal (CTD) ของ Pol II
• การหยุดชั่วคราวใกล้โปรโมเตอร์
• การเชื่อมโยงการยืดตัวของสาย RNA เข้ากับการประมวลผล RNA

Mechanisms

RNA polymerase II ถูกนำมายังโปรโมเตอร์ในฐานะส่วนหนึ่งของคอมเพล็กซ์เริ่มต้นก่อนการถอดรหัสที่ประกอบขึ้นจากปัจจัยการถอดรหัสทั่วไป ซึ่งทำหน้าที่จดจำองค์ประกอบของโปรโมเตอร์หลัก จัดตำแหน่งเอนไซม์ polymerase คลายเกลียว DNA และอนุญาตให้การสังเคราะห์เริ่มต้นขึ้น คอมเพล็กซ์ Mediator ทำหน้าที่เชื่อมโยงตัวกระตุ้นที่จำเพาะต่อยีนเข้ากับกลไกนี้ หลังจากการเริ่มต้น Pol II มักจะหยุดชั่วคราวหลังจากตำแหน่งเริ่มต้นไม่นาน และต้องการปัจจัยเพิ่มเติมเพื่อเข้าสู่กระบวนการยืดตัวที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งในระหว่างนั้นสถานะการฟอสโฟรีเลชันของโดเมน C-terminal ของเอนไซม์ polymerase จะประสานงานกับการเติมแคป การต่อเชื่อม และการประมวลผลปลาย 3' ของทรานสคริปต์ โครงสร้างอะตอมของ RNA polymerase II ได้เผยให้เห็นร่อง คีมจับ และตำแหน่งออกฤทธิ์ที่อนุรักษ์ไว้ซึ่งเป็นพื้นฐานของขั้นตอนเหล่านี้ โดยต่อยอดจากการค้นพบดั้งเดิมที่ว่ายูคาริโอตใช้เอนไซม์ polymerase หลายชนิดที่เชี่ยวชาญเฉพาะทาง

Clinical relevance

ส่วนประกอบของกลไกการถอดรหัสในยูคาริโอต รวมถึงหน่วยย่อยของ Mediator และไคเนสที่ควบคุมการหยุดชั่วคราวและการยืดตัว มีส่วนเกี่ยวข้องกับโรคมะเร็งและความผิดปกติของการพัฒนา และกำลังถูกศึกษาในฐานะเป้าหมายของยา; สารยับยั้ง Pol II อย่าง α-amanitin เป็นสารทดลองและสารพิษคลาสสิก บทความนี้อธิบายกลไกเหล่านี้ในระดับอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการรักษา

History

การรับรู้ว่ายูคาริโอตมี RNA polymerase หลายชนิด (Roeder and Rutter, 1969) ได้เปิดการศึกษาเกี่ยวกับอุปกรณ์การถอดรหัสที่ซับซ้อนและประกอบด้วยหลายส่วน การประกอบปัจจัยการถอดรหัสทั่วไปขึ้นใหม่ในภายหลัง การค้นพบคอมเพล็กซ์ Mediator และโครงสร้างความละเอียดสูงของ RNA polymerase II (Cramer et al., 2001) ได้สร้างภาพกลไกที่จัดระเบียบภายใต้หัวข้อนี้ โดยมีการควบคุมการยืดตัวของสาย RNA เกิดขึ้นเป็นชั้นการควบคุมที่สำคัญ

Key figures

• Robert G. Roeder
• Roger Kornberg
• Patrick Cramer
• John T. Lis

Seminal works

• roeder-rutter-1969
• cramer-2001
• soutourina-2018

Frequently asked questions

ทำไมยูคาริโอตจึงมี RNA polymerase สามชนิด?

งานของการถอดรหัสถูกแบ่งออก: RNA polymerase I สร้าง ribosomal RNA ส่วนใหญ่, RNA polymerase II สร้าง messenger RNA และ RNA ที่ไม่เข้ารหัสจำนวนมาก, และ RNA polymerase III สร้าง transfer RNA และ RNA ขนาดเล็กอื่นๆ โดยแต่ละชนิดมีกลไกการทำงานของตนเอง

คอมเพล็กซ์เริ่มต้นก่อนการถอดรหัสคืออะไร?

คือการรวมตัวกันของ RNA polymerase II ร่วมกับปัจจัยการถอดรหัสทั่วไปที่โปรโมเตอร์ ซึ่งทำหน้าที่จัดตำแหน่งเอนไซม์ เปิด DNA และเตรียมพร้อมสำหรับการเริ่มต้นการถอดรหัส