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12.4 : Transcription eucaryote - Biologie

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Lister les étapes de la transcription eucaryote
  • Discuter du rôle des ARN polymérases dans la transcription
  • Comparer et contraster les trois ARN polymérases
  • Expliquer la signification des facteurs de transcription

Les procaryotes et les eucaryotes effectuent fondamentalement le même processus de transcription, avec quelques différences clés. La différence la plus importante entre les procaryotes et les eucaryotes est le noyau et les organites liés à la membrane de ces derniers. Avec les gènes liés dans un noyau, la cellule eucaryote doit être capable de transporter son ARNm vers le cytoplasme et doit protéger son ARNm de la dégradation avant qu'il ne soit traduit. Les eucaryotes emploient également trois polymérases différentes qui transcrivent chacune un sous-ensemble différent de gènes. Les ARNm eucaryotes sont généralement monogéniques, ce qui signifie qu'ils spécifient une seule protéine.

Initiation de la transcription chez les eucaryotes

Contrairement à la polymérase procaryote qui peut se lier à une matrice d'ADN par elle-même, les eucaryotes ont besoin de plusieurs autres protéines, appelées facteurs de transcription, pour se lier d'abord à la région promotrice, puis aider à recruter la polymérase appropriée.

Les trois ARN polymérases eucaryotes

Les caractéristiques de la synthèse d'ARNm eucaryotes sont nettement plus complexes que celles des procaryotes. Au lieu d'une seule polymérase comprenant cinq sous-unités, les eucaryotes ont trois polymérases composées chacune de 10 sous-unités ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de facteurs de transcription pour l'amener à la matrice d'ADN.

L'ARN polymérase I est située dans le nucléole, une sous-structure nucléaire spécialisée dans laquelle l'ARN ribosomique (ARNr) est transcrit, traité et assemblé en ribosomes (tableau 1). Les molécules d'ARNr sont considérées comme des ARN structuraux car elles ont un rôle cellulaire mais ne sont pas traduites en protéines. Les ARNr sont des composants du ribosome et sont essentiels au processus de traduction. L'ARN polymérase I synthétise tous les ARNr à l'exception de la molécule d'ARNr 5S. La désignation « S » s'applique aux unités « Svedberg », une valeur non additive qui caractérise la vitesse à laquelle une particule sédimente lors de la centrifugation.

Tableau 1. Emplacements, produits et sensibilités des trois ARN polymérases eucaryotes
ARN polyméraseCompartiment CellulaireProduit de transcriptionSensibilité à l'-Amanitine
jeNucléoleTous les ARNr sauf l'ARNr 5SInsensible
IINoyauTous les pré-ARNm nucléaires codant pour des protéinesExtrêmement sensible
IIINoyauARNr 5S, ARNt et petits ARN nucléairesModérément sensible

L'ARN polymérase II est située dans le noyau et synthétise tous les pré-ARNm nucléaires codant pour les protéines. Les pré-ARNm eucaryotes subissent un traitement important après la transcription mais avant la traduction. Pour plus de clarté, la discussion de ce module sur la transcription et la traduction chez les eucaryotes utilisera le terme « ARNm » pour décrire uniquement les molécules matures et traitées qui sont prêtes à être traduites. L'ARN polymérase II est responsable de la transcription de l'écrasante majorité des gènes eucaryotes.

L'ARN polymérase III est également localisée dans le noyau. Cette polymérase transcrit une variété d'ARN structurels qui incluent le pré-ARN 5S, les pré-ARN de transfert (pré-ARNt) et les petits pré-ARN nucléaires. Les ARNt ont un rôle critique dans la traduction ; ils servent de molécules adaptatrices entre la matrice d'ARNm et la chaîne polypeptidique en croissance. Les petits ARN nucléaires ont une variété de fonctions, y compris « l'épissage » des pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription.

Un scientifique caractérisant un nouveau gène peut déterminer quelle polymérase le transcrit en testant si le gène est exprimé en présence d'un champignon toxique particulier, la -amanitine (tableau 1). Fait intéressant, la α-amanitine produite par Amanite phalloïde, le champignon Death Cap, affecte les trois polymérases de manière très différente. L'ARN polymérase I est totalement insensible à l'α-amanitine, ce qui signifie que la polymérase peut transcrire l'ADN in vitro en présence de ce poison. En revanche, l'ARN polymérase II est extrêmement sensible à l'-amanitine et l'ARN polymérase III est modérément sensible. Connaître la polymérase de transcription peut éclairer un chercheur sur la fonction générale du gène étudié. Étant donné que l'ARN polymérase II transcrit la grande majorité des gènes, nous nous concentrerons sur cette polymérase dans nos discussions ultérieures sur les facteurs et les promoteurs de transcription eucaryotes.

Structure d'un promoteur d'ARN polymérase II

Les promoteurs eucaryotes sont beaucoup plus gros et plus complexes que les promoteurs procaryotes, mais tous deux ont une boîte TATA. Par exemple, dans le gène de la thymidine kinase de souris, la boîte TATA est située à environ -30 par rapport au site d'initiation (+1) (figure 1). Pour ce gène, la séquence exacte de la boîte TATA est TATAAAA, telle que lue dans la direction 5' à 3' sur le brin non-matrice. Cette séquence n'est pas identique à la E. coli Boîte TATA, mais elle conserve l'élément riche A–T. La thermostabilité des liaisons A-T est faible, ce qui aide la matrice d'ADN à se dérouler localement en vue de la transcription.

Essayez-le

Un scientifique colle un promoteur eucaryote devant un gène bactérien et insère le gène dans un chromosome bactérien. Vous attendriez-vous à ce que les bactéries transcrivent le gène ?

Le génome de la souris comprend un gène et deux pseudogènes pour la thymidine kinase cytoplasmique. Les pseudogènes sont des gènes qui ont perdu leur capacité de codage des protéines ou ne sont plus exprimés par la cellule. Ces pseudogènes sont copiés à partir de l'ARNm et incorporés dans le chromosome. Par exemple, le promoteur de la thymidine kinase de souris a également une boîte CAAT conservée (GGCCAATCT) à environ -80. Cette séquence est essentielle et est impliquée dans la liaison des facteurs de transcription. Plus en amont de la boîte TATA, les promoteurs eucaryotes peuvent également contenir une ou plusieurs boîtes riches en GC (GGCG) ou octamères (ATTTGCAT). Ces éléments se lient à des facteurs cellulaires qui augmentent l'efficacité de l'initiation de la transcription et sont souvent identifiés dans des gènes plus « actifs » qui sont constamment exprimés par la cellule.

Facteurs de transcription pour l'ARN polymérase II

La complexité de la transcription eucaryote ne s'arrête pas aux polymérases et aux promoteurs. Une armée de facteurs de transcription basaux, d'amplificateurs et de silencieux aident également à réguler la fréquence à laquelle le pré-ARNm est synthétisé à partir d'un gène. Les amplificateurs et les silencieux affectent l'efficacité de la transcription mais ne sont pas nécessaires pour que la transcription se poursuive. Les facteurs de transcription basaux sont cruciaux dans la formation d'un complexe de pré-initiation sur la matrice d'ADN qui recrute ensuite l'ARN polymérase II pour l'initiation de la transcription.

Les noms des facteurs de transcription basaux commencent par « TFII » (il s'agit du facteur de transcription de l'ARN polymérase II) et sont spécifiés par les lettres A–J. Les facteurs de transcription se mettent systématiquement en place sur la matrice d'ADN, chacun stabilisant davantage le complexe de pré-initiation et contribuant au recrutement de l'ARN polymérase II.

Les processus d'amener les ARN polymérases I et III à la matrice d'ADN impliquent des collections légèrement moins complexes de facteurs de transcription, mais le thème général est le même. La transcription eucaryote est un processus étroitement régulé qui nécessite une variété de protéines pour interagir les unes avec les autres et avec le brin d'ADN. Bien que le processus de transcription chez les eucaryotes implique un investissement métabolique plus important que chez les procaryotes, il garantit que la cellule transcrit précisément les pré-ARNm dont elle a besoin pour la synthèse des protéines.

L'évolution des promoteurs

L'évolution des gènes peut être un concept familier. Des mutations peuvent se produire dans les gènes au cours de la réplication de l'ADN, et le résultat peut ou non être bénéfique pour la cellule. En modifiant une enzyme, une protéine structurelle ou un autre facteur, le processus de mutation peut transformer des fonctions ou des caractéristiques physiques. Cependant, les promoteurs eucaryotes et d'autres séquences de régulation des gènes peuvent également évoluer. Par exemple, considérons un gène qui, au fil de nombreuses générations, devient plus précieux pour la cellule. Peut-être que le gène code pour une protéine structurelle que la cellule a besoin de synthétiser en abondance pour une certaine fonction. Si tel est le cas, il serait bénéfique pour la cellule que le promoteur de ce gène recrute plus efficacement les facteurs de transcription et augmente l'expression du gène.

Les scientifiques examinant l'évolution des séquences promotrices ont rapporté des résultats variables. Cela est dû en partie au fait qu'il est difficile de déduire exactement où commence et se termine un promoteur eucaryote. Certains promoteurs se produisent dans les gènes; d'autres sont situés très en amont, voire en aval, des gènes qu'ils régulent. Cependant, lorsque les chercheurs ont limité leur examen aux séquences de promoteurs du noyau humain qui ont été définies expérimentalement comme des séquences qui se lient au complexe de pré-initiation, ils ont découvert que les promoteurs évoluent encore plus rapidement que les gènes codant pour les protéines.

On ne sait toujours pas comment l'évolution du promoteur pourrait correspondre à l'évolution des humains ou d'autres organismes supérieurs. Cependant, l'évolution d'un promoteur pour fabriquer efficacement plus ou moins d'un produit génique donné est une alternative intrigante à l'évolution des gènes eux-mêmes.

Structures de promoteur pour les ARN polymérases I et III

Chez les eucaryotes, les éléments promoteurs conservés diffèrent pour les gènes transcrits par les ARN polymérases I, II et III. L'ARN polymérase I transcrit les gènes qui ont deux séquences promotrices riches en GC dans la région -45 à +20. Ces séquences seules sont suffisantes pour que l'initiation de la transcription se produise, mais des promoteurs avec des séquences supplémentaires dans la région de -180 à -105 en amont du site d'initiation amélioreront encore l'initiation. Les gènes qui sont transcrits par l'ARN polymérase III ont des promoteurs en amont ou des promoteurs qui se produisent dans les gènes eux-mêmes.

Élongation et terminaison eucaryotes

Après la formation du complexe de pré-initiation, la polymérase est libérée des autres facteurs de transcription et l'élongation peut se dérouler comme chez les procaryotes, la polymérase synthétisant le pré-ARNm dans la direction 5' à 3'. Comme discuté précédemment, l'ARN polymérase II transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes, donc cette section se concentrera sur la façon dont cette polymérase accomplit l'allongement et la terminaison.

Bien que le processus enzymatique d'élongation soit essentiellement le même chez les eucaryotes et les procaryotes, la matrice d'ADN est plus complexe. Lorsque les cellules eucaryotes ne se divisent pas, leurs gènes existent sous la forme d'une masse diffuse d'ADN et de protéines appelées chromatine. L'ADN est étroitement emballé autour de protéines d'histone chargées à des intervalles répétés. Ces complexes ADN-histones, appelés collectivement nucléosomes, sont régulièrement espacés et comprennent 146 nucléotides d'ADN enroulés autour de huit histones comme un fil autour d'une bobine.

Pour que la synthèse des polynucléotides se produise, la machinerie de transcription doit écarter les histones chaque fois qu'elle rencontre un nucléosome. Ceci est accompli par un complexe protéique spécial appelé FACT, qui signifie « facilite la transcription de la chromatine ». Ce complexe éloigne les histones de la matrice d'ADN lorsque la polymérase se déplace le long de celle-ci. Une fois le pré-ARNm synthétisé, le complexe FACT remplace les histones pour recréer les nucléosomes.

La terminaison de la transcription est différente pour les différentes polymérases. Contrairement aux procaryotes, l'élongation par l'ARN polymérase II chez les eucaryotes a lieu de 1 000 à 2 000 nucléotides au-delà de la fin du gène à transcrire. Cette queue de pré-ARNm est ensuite éliminée par clivage pendant le traitement de l'ARNm. D'autre part, les ARN polymérases I et III nécessitent des signaux de terminaison. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de 18 nucléotides qui est reconnue par une protéine de terminaison. Le processus de terminaison dans l'ARN polymérase III implique une épingle à cheveux d'ARNm similaire à la terminaison rho-indépendante de la transcription chez les procaryotes.

Résumé de la section

La transcription chez les eucaryotes implique l'un des trois types de polymérases, selon le gène à transcrire. L'ARN polymérase II transcrit tous les gènes codant pour les protéines, tandis que l'ARN polymérase I transcrit les gènes d'ARNr et l'ARN polymérase III transcrit les gènes d'ARNr, d'ARNt et de petits ARN nucléaires. L'initiation de la transcription chez les eucaryotes implique la liaison de plusieurs facteurs de transcription à des séquences de promoteurs complexes qui sont généralement situées en amont du gène à copier. L'ARNm est synthétisé dans la direction 5' à 3', et le complexe FACT se déplace et réassemble les nucléosomes au fur et à mesure que la polymérase passe. Alors que les ARN polymérases I et III terminent la transcription par des méthodes dépendantes des protéines ou de l'ARN en épingle à cheveux, l'ARN polymérase II transcrit pour 1 000 nucléotides ou plus au-delà de la matrice du gène et clive l'excès pendant le traitement pré-ARNm.

Un élément Open Assessments a été exclu de cette version du texte. Vous pouvez le consulter en ligne ici : pb.libretexts.org/fob2/?p=158

Question d'autocontrôle supplémentaire

1. Un scientifique colle un promoteur eucaryote devant un gène bactérien et insère le gène dans un chromosome bactérien. Vous attendriez-vous à ce que les bactéries transcrivent le gène ?

Réponse

1. Non. Les procaryotes utilisent des promoteurs différents de ceux des eucaryotes.

Essayez-le

Coffret CAAT : (GGCCAATCT) séquence promotrice eucaryote essentielle impliquée dans la liaison des facteurs de transcription

FAIT: complexe qui «facilite la transcription de la chromatine» en désassemblant les nucléosomes avant une transcription de l'ARN polymérase II et en les réassemblant après le passage de la polymérase

Boîte riche en GC : (GGCG) séquence promotrice eucaryote non essentielle qui se lie aux facteurs cellulaires pour augmenter l'efficacité de la transcription ; peut être présent plusieurs fois dans un promoteur

Boîte octamère : (ATTTGCAT) séquence promotrice eucaryote non essentielle qui se lie aux facteurs cellulaires pour augmenter l'efficacité de la transcription ; peut être présent plusieurs fois dans un promoteur

complexe de pré-initiation : groupe de facteurs de transcription et d'autres protéines qui recrutent l'ARN polymérase II pour la transcription d'une matrice d'ADN

petit ARN nucléaire : molécules synthétisées par l'ARN polymérase III qui ont une variété de fonctions, y compris l'épissage des pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription


12.4 : Transcription eucaryote - Biologie

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Lister les étapes de la transcription eucaryote
  • Discuter du rôle des ARN polymérases dans la transcription
  • Comparer et contraster les trois ARN polymérases
  • Expliquer la signification des facteurs de transcription

Les procaryotes et les eucaryotes effectuent fondamentalement le même processus de transcription, avec quelques différences clés. La différence la plus importante entre les procaryotes et les eucaryotes est le noyau et les organites liés à la membrane de ces derniers. Avec les gènes liés dans un noyau, la cellule eucaryote doit être capable de transporter son ARNm vers le cytoplasme et doit protéger son ARNm de la dégradation avant qu'il ne soit traduit. Les eucaryotes emploient également trois polymérases différentes qui transcrivent chacune un sous-ensemble différent de gènes. Les ARNm eucaryotes sont généralement monogéniques, ce qui signifie qu'ils spécifient une seule protéine.


Les caractéristiques de la synthèse d'ARNm eucaryotes sont nettement plus complexes que celles des procaryotes. Au lieu d'une seule polymérase comprenant cinq sous-unités, les eucaryotes ont trois polymérases composées chacune de 10 sous-unités ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de facteurs de transcription pour l'amener à la matrice d'ADN.

L'ARN polymérase I est située dans le nucléole, une sous-structure nucléaire spécialisée dans laquelle l'ARN ribosomique (ARNr) est transcrit, traité et assemblé en ribosomes ([link]). Les molécules d'ARNr sont considérées comme des ARN structuraux car elles ont un rôle cellulaire mais ne sont pas traduites en protéines. Les ARNr sont des composants du ribosome et sont essentiels au processus de traduction. L'ARN polymérase I synthétise tous les ARNr à l'exception de la molécule d'ARNr 5S. La désignation « S » s'applique aux unités « Svedberg », une valeur non additive qui caractérise la vitesse à laquelle une particule sédimente lors de la centrifugation.

Emplacements, produits et sensibilités des trois ARN polymérases eucaryotes
ARN polymérase Compartiment Cellulaire Produit de transcription Sensibilité à l'-Amanitine
je Nucléole Tous les ARNr sauf l'ARNr 5S Insensible
II Noyau Tous les pré-ARNm nucléaires codant pour des protéines Extrêmement sensible
III Noyau ARNr 5S, ARNt et petits ARN nucléaires Modérément sensible

L'ARN polymérase II est située dans le noyau et synthétise tous les pré-ARNm nucléaires codant pour les protéines. Les pré-ARNm eucaryotes subissent un traitement important après la transcription mais avant la traduction. Pour plus de clarté, la discussion de ce module sur la transcription et la traduction chez les eucaryotes utilisera le terme « ARNm » pour décrire uniquement les molécules matures et traitées qui sont prêtes à être traduites. L'ARN polymérase II est responsable de la transcription de l'écrasante majorité des gènes eucaryotes.

L'ARN polymérase III est également localisée dans le noyau. Cette polymérase transcrit une variété d'ARN structurels qui incluent le pré-ARN 5S, les pré-ARN de transfert (pré-ARNt) et les petits pré-ARN nucléaires. Les ARNt ont un rôle critique dans la traduction, ils servent de molécules adaptatrices entre la matrice d'ARNm et la chaîne polypeptidique en croissance. Les petits ARN nucléaires ont une variété de fonctions, y compris « l'épissage » des pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription.

Un scientifique caractérisant un nouveau gène peut déterminer quelle polymérase le transcrit en testant si le gène est exprimé en présence d'un champignon toxique particulier, l'-amanitine ([link]). Fait intéressant, la α-amanitine produite par Amanite phalloïde, le champignon Death Cap, affecte les trois polymérases de manière très différente. L'ARN polymérase I est totalement insensible à l'-amanitine, ce qui signifie que la polymérase peut transcrire l'ADN in vitro en présence de ce poison. En revanche, l'ARN polymérase II est extrêmement sensible à l'-amanitine et l'ARN polymérase III est modérément sensible. Connaître la polymérase de transcription peut éclairer un chercheur sur la fonction générale du gène étudié. Étant donné que l'ARN polymérase II transcrit la grande majorité des gènes, nous nous concentrerons sur cette polymérase dans nos discussions ultérieures sur les facteurs et les promoteurs de transcription eucaryotes.


ARNm eucaryote

Crédit : Kelvinsong (CC-BY-3.0)
Les gènes eucaryotes peuvent souvent contenir introns (séquences non codantes) qui sont épissés de la exons (séquences codantes). Cette complexité permet une plus grande variété de produits géniques. Les ARNm eucaryotes matures contiennent une 5′-méthyl-guanine suivie d'une séquence leader non traduite ( 5′-UTR ), les séquences codantes ( CD ), une région 3′-non traduite ( 3′-UTR ) et une longue étendue d'Adénines (queue polyA).


L'expression est plus facilement mesurée avec l'ARN car la manipulation des acides nucléiques est assez simple avec 4 nucléotides différents. Chez les eucaryotes, l'intermédiaire d'ARN messager (ARNm) qui est transcrit à partir de l'ADN contient une queue polyA qui est utilisée pour séparer ces messages d'autres types d'ARN abondants dans les cellules (comme l'ARN ribosomique). Grâce à l'utilisation d'une enzyme appelée transcriptase inverse (RT) et des amorces composées de désoxy-thymidines ( oligo-dT ou dT18), l'ARNm peut être converti en un seul brin d'ADN complémentaire à l'ARNm. Cet ADN complémentaire est appelé ADNc . L'ADNc est très stable par rapport à l'ARNm hautement labile et est utilisé pour le traitement ultérieur.

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Élongation et terminaison eucaryotes

Après la formation du complexe de pré-initiation, la polymérase est libérée des autres facteurs de transcription et l'élongation peut se dérouler comme chez les procaryotes, la polymérase synthétisant le pré-ARNm dans la direction 5' à 3'. Comme discuté précédemment, l'ARN polymérase II transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes, donc cette section se concentrera sur la façon dont cette polymérase accomplit l'allongement et la terminaison.

Bien que le processus enzymatique d'élongation soit essentiellement le même chez les eucaryotes et les procaryotes, la matrice d'ADN est plus complexe. Lorsque les cellules eucaryotes ne se divisent pas, leurs gènes existent sous la forme d'une masse diffuse d'ADN et de protéines appelées chromatine. L'ADN est étroitement emballé autour de protéines d'histone chargées à des intervalles répétés. Ces complexes ADN-histones, collectivement appelés nucléosomes, sont régulièrement espacés et comprennent 146 nucléotides d'ADN enroulés autour de huit histones comme un fil autour d'une bobine.

Pour que la synthèse des polynucléotides se produise, la machinerie de transcription doit écarter les histones chaque fois qu'elle rencontre un nucléosome. Ceci est accompli par un complexe protéique spécial appelé FACT, qui signifie « facilite la transcription de la chromatine ». Ce complexe éloigne les histones de la matrice d'ADN lorsque la polymérase se déplace le long de celle-ci. Une fois le pré-ARNm synthétisé, le complexe FACT remplace les histones pour recréer les nucléosomes.

La terminaison de la transcription est différente pour les différentes polymérases. Contrairement aux procaryotes, l'élongation par l'ARN polymérase II chez les eucaryotes a lieu de 1 000 à 2 000 nucléotides au-delà de la fin du gène à transcrire. Cette queue de pré-ARNm est ensuite éliminée par clivage pendant le traitement de l'ARNm. D'autre part, les ARN polymérases I et III nécessitent des signaux de terminaison. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de 18 nucléotides qui est reconnue par une protéine de terminaison. Le processus de terminaison dans l'ARN polymérase III implique une épingle à cheveux d'ARNm similaire à la terminaison rho-indépendante de la transcription chez les procaryotes.


15.3 Transcription eucaryote

Dans cette section, vous explorerez les questions suivantes :

  • Quelles sont les étapes de la transcription eucaryote ?
  • Quelles sont les similitudes et les différences structurelles et fonctionnelles entre les trois ARN polymérases ?

Connexion pour les cours AP ®

Comme prévu, la transcription chez les eucaryotes est plus complexe que la transcription chez les procaryotes. Premièrement, la transcription chez les eucaryotes implique l'un des trois types d'ARN polymérase, en fonction du gène à transcrire. Deuxièmement, l'initiation de la transcription implique la liaison de plusieurs facteurs de transcription à des promoteurs complexes qui sont généralement situés en amont du gène à copier. Les facteurs de transcription peuvent activer ou inhiber l'expression des gènes. La terminaison de la transcription implique les ARN polymérases.

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section soutiennent les concepts décrits dans la grande idée 3 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage énumérés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 3 Les systèmes vivants stockent, récupèrent, transmettent et répondent aux informations essentielles aux processus de la vie.
Compréhension durable 3.A Les informations héréditaires assurent la continuité de la vie.
Connaissances essentielles 3.A.1 L'ADN, et dans certains cas l'ARN, est la principale source d'informations héréditaires.
Pratique scientifique 6.5 L'étudiant peut évaluer des explications scientifiques alternatives.
Objectif d'apprentissage 3.1 L'étudiant est capable de construire des explications scientifiques qui utilisent les structures et les mécanismes de l'ADN et de l'ARN pour soutenir l'affirmation selon laquelle l'ADN et, dans certains cas, l'ARN sont les principales sources d'informations héréditaires.

Soutien aux enseignants

Demandez aux élèves s'ils s'attendent à ce que la transcription soit différente chez les eucaryotes. Demander aux élèves d'expliquer leurs réponses. Passez en revue la différence majeure entre les procaryotes et les eucaryotes, la présence du noyau.

Expliquez que le processus suit le même ordre général, mais qu'il existe des différences majeures. L'initiation de la transcription chez les eucaryotes est plus compliquée. Les ARNm polycistroniques existent chez les eucaryotes bien qu'ils soient très rares. Rappelez aux élèves, le cas échéant, qu'ils ont rencontré des facteurs de transcription nucléaires lorsque vous avez étudié la signalisation cellulaire. Souligner le rôle utile de l'α-amanitine dans la différenciation entre les ARN polymérases. Rappelez aux élèves que le produit final d'un gène peut être une molécule d'ARN, par exemple une molécule d'ARNr, ou un polypeptide.

Demandez aux élèves de préparer une chronologie de transcription chez les eucaryotes et de la comparer à leur chronologie de transcription chez les procaryotes. Enseignez aux élèves une façon simple de se rappeler quels sont les introns (dans les trcendre) et quels sont les exons (expressé).

Les ARN polymérases chez les procaryotes et les eucaryotes ont les mêmes fonctions générales, mais ce sont des enzymes différentes. La numérotation des ARN polymérases chez les eucaryotes ne reflète pas l'ordre d'activité. Pol II est la polymérase la mieux étudiée, probablement parce qu'elle transcrit l'ARNm.

L'assemblage des ribosomes a lieu dans le nucléole, ce qui signifie que les protéines ribosomiques sont synthétisées dans le cytoplasme et rentrent dans le noyau.

Les questions du défi de la pratique scientifique contiennent des questions de test supplémentaires pour cette section qui vous aideront à vous préparer à l'examen AP. Ces questions portent sur les normes suivantes :
[APLO 3.3][APLO 3.22][APLO 2.36][APLO 1.14][APLO 2.22][APLO 4.5]

Les procaryotes et les eucaryotes effectuent fondamentalement le même processus de transcription, avec quelques différences clés. La différence la plus importante entre les procaryotes et les eucaryotes est le noyau et les organites liés à la membrane de ces derniers. Avec les gènes liés dans un noyau, la cellule eucaryote doit être capable de transporter son ARNm vers le cytoplasme et doit protéger son ARNm de la dégradation avant qu'il ne soit traduit. Les eucaryotes emploient également trois polymérases différentes qui transcrivent chacune un sous-ensemble différent de gènes. Les ARNm eucaryotes sont généralement monogéniques, ce qui signifie qu'ils spécifient une seule protéine.

Initiation de la transcription chez les eucaryotes

Contrairement à la polymérase procaryote qui peut se lier à une matrice d'ADN par elle-même, les eucaryotes ont besoin de plusieurs autres protéines, appelées facteurs de transcription, pour se lier d'abord à la région promotrice, puis aider à recruter la polymérase appropriée.

Les trois ARN polymérases eucaryotes

Les caractéristiques de la synthèse d'ARNm eucaryotes sont nettement plus complexes que celles des procaryotes. Au lieu d'une seule polymérase comprenant cinq sous-unités, les eucaryotes ont trois polymérases composées chacune de 10 sous-unités ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de facteurs de transcription pour l'amener à la matrice d'ADN.

L'ARN polymérase I est située dans le nucléole, une sous-structure nucléaire spécialisée dans laquelle l'ARN ribosomique (ARNr) est transcrit, traité et assemblé en ribosomes (tableau 15.1). Les molécules d'ARNr sont considérées comme des ARN structuraux car elles ont un rôle cellulaire mais ne sont pas traduites en protéines. Les ARNr sont des composants du ribosome et sont essentiels au processus de traduction. L'ARN polymérase I synthétise tous les ARNr à l'exception de la molécule d'ARNr 5S. La désignation « S » s'applique aux unités « Svedberg », une valeur non additive qui caractérise la vitesse à laquelle une particule sédimente lors de la centrifugation.

ARN polymérase Compartiment Cellulaire Produit de transcription Sensibilité à l'-Amanitine
je Nucléole Tous les ARNr sauf l'ARNr 5S Insensible
II Noyau Tous les pré-ARNm nucléaires codant pour des protéines Extrêmement sensible
III Noyau ARNr 5S, ARNt et petits ARN nucléaires Modérément sensible

L'ARN polymérase II est située dans le noyau et synthétise tous les pré-ARNm nucléaires codant pour les protéines. Les pré-ARNm eucaryotes subissent un traitement important après la transcription mais avant la traduction. Pour plus de clarté, la discussion de ce module sur la transcription et la traduction chez les eucaryotes utilisera le terme « ARNm » pour décrire uniquement les molécules matures et traitées qui sont prêtes à être traduites. L'ARN polymérase II est responsable de la transcription de l'écrasante majorité des gènes eucaryotes.

L'ARN polymérase III est également localisée dans le noyau. Cette polymérase transcrit une variété d'ARN structurels qui incluent le pré-ARN 5S, les pré-ARN de transfert (pré-ARNt) et les petits pré-ARN nucléaires. Les ARNt ont un rôle critique dans la traduction, ils servent de molécules adaptatrices entre la matrice d'ARNm et la chaîne polypeptidique en croissance. Les petits ARN nucléaires ont une variété de fonctions, y compris « l'épissage » des pré-ARNm et la régulation des facteurs de transcription.

Un scientifique caractérisant un nouveau gène peut déterminer quelle polymérase le transcrit en testant si le gène est exprimé en présence d'un champignon toxique particulier, l'-amanitine (tableau 15.1). Fait intéressant, la α-amanitine produite par Amanite phalloïde, le champignon Death Cap, affecte les trois polymérases de manière très différente. L'ARN polymérase I est totalement insensible à l'α-amanitine, ce qui signifie que la polymérase peut transcrire l'ADN in vitro en présence de ce poison. En revanche, l'ARN polymérase II est extrêmement sensible à l'-amanitine et l'ARN polymérase III est modérément sensible. Connaître la polymérase de transcription peut éclairer un chercheur sur la fonction générale du gène étudié. Étant donné que l'ARN polymérase II transcrit la grande majorité des gènes, nous nous concentrerons sur cette polymérase dans nos discussions ultérieures sur les facteurs et les promoteurs de transcription eucaryotes.

Structure d'un promoteur d'ARN polymérase II

Les promoteurs eucaryotes sont beaucoup plus gros et plus complexes que les promoteurs procaryotes, mais tous deux ont une boîte TATA. Par exemple, dans le gène de la thymidine kinase de souris, la boîte TATA est située à environ -30 par rapport au site d'initiation (+1) (figure 15.10). Pour ce gène, la séquence exacte de la boîte TATA est TATAAAA, telle que lue dans la direction 5' à 3' sur le brin non-matrice. Cette séquence n'est pas identique à la E. coli Boîte TATA, mais elle conserve l'élément riche A–T. La thermostabilité des liaisons A-T est faible, ce qui aide la matrice d'ADN à se dérouler localement en vue de la transcription.

Connexion visuelle

  1. Initialement, la bactérie ne le transcrira pas, mais le transcrira après 5' coiffage.
  2. Il ne le transcrira pas car il n'y a pas de queue poly A chez les procaryotes.
  3. Non, les procaryotes utilisent des promoteurs différents de ceux des eucaryotes.
  4. Oui, la bactérie transcrirait le gène eucaryote.

Le génome de la souris comprend un gène et deux pseudogènes pour la thymidine kinase cytoplasmique. Les pseudogènes sont des gènes qui ont perdu leur capacité de codage des protéines ou ne sont plus exprimés par la cellule. Ces pseudogènes sont copiés à partir de l'ARNm et incorporés dans le chromosome. Par exemple, le promoteur de la thymidine kinase de souris a également une boîte CAAT conservée (GGCCAATCT) à environ -80. Cette séquence est essentielle et est impliquée dans la liaison des facteurs de transcription. Plus en amont de la boîte TATA, les promoteurs eucaryotes peuvent également contenir une ou plusieurs boîtes riches en GC (GGCG) ou octamères (ATTTGCAT). Ces éléments se lient à des facteurs cellulaires qui augmentent l'efficacité de l'initiation de la transcription et sont souvent identifiés dans des gènes plus « actifs » qui sont constamment exprimés par la cellule.

Facteurs de transcription pour l'ARN polymérase II

La complexité de la transcription eucaryote ne s'arrête pas aux polymérases et aux promoteurs. Une armée de facteurs de transcription basaux, d'amplificateurs et de silencieux aident également à réguler la fréquence à laquelle le pré-ARNm est synthétisé à partir d'un gène. Les amplificateurs et les silencieux affectent l'efficacité de la transcription mais ne sont pas nécessaires pour que la transcription se poursuive. Les facteurs de transcription basaux sont cruciaux dans la formation d'un complexe de pré-initiation sur la matrice d'ADN qui recrute ensuite l'ARN polymérase II pour l'initiation de la transcription.

Les noms des facteurs de transcription basaux commencent par « TFII » (c'est le facteur de transcription de l'ARN polymérase II) et sont spécifiés par les lettres A–J. Les facteurs de transcription se mettent systématiquement en place sur la matrice d'ADN, chacun stabilisant davantage le complexe de pré-initiation et contribuant au recrutement de l'ARN polymérase II.

Les processus d'amener les ARN polymérases I et III à la matrice d'ADN impliquent des collections légèrement moins complexes de facteurs de transcription, mais le thème général est le même. La transcription eucaryote est un processus étroitement régulé qui nécessite une variété de protéines pour interagir les unes avec les autres et avec le brin d'ADN. Bien que le processus de transcription chez les eucaryotes implique un investissement métabolique plus important que chez les procaryotes, il garantit que la cellule transcrit précisément les pré-ARNm dont elle a besoin pour la synthèse des protéines.

Everyday Connection for AP® Courses

During human embryonic development, a transcription factor encoded by the SRY gene starts a chain of events, causing the embryo to develop male sex characteristics. This gene is on the Y chromosome in humans and many other mammals. A deletion or mutation of the SRY gene can cause the human embryo to not develop into a male even though the individual has an XY genotype, a condition called Swyer syndrome.

  1. A mutation that abolished activity of SF1 would increase the effect of a SRY mutation, making the person more feminine.
  2. A mutation that abolished activity of SF1 would cancel out a mutation in SRY, so if both mutations occur together male sex characteristics would develop normally.
  3. A mutation in the SRY protein that abolished activity would result in abnormal development of male sex characteristics but a mutation of SF1 would not.
  4. Both a mutation in the SRY protein and a mutation in SF1 that abolished activity would result in a lack of development of male sex characteristics.

Connexion Évolution

The Evolution of Promoters

The evolution of genes may be a familiar concept. Mutations can occur in genes during DNA replication, and the result may or may not be beneficial to the cell. By altering an enzyme, structural protein, or some other factor, the process of mutation can transform functions or physical features. However, eukaryotic promoters and other gene regulatory sequences may evolve as well. For instance, consider a gene that, over many generations, becomes more valuable to the cell. Maybe the gene encodes a structural protein that the cell needs to synthesize in abundance for a certain function. If this is the case, it would be beneficial to the cell for that gene’s promoter to recruit transcription factors more efficiently and increase gene expression.

Scientists examining the evolution of promoter sequences have reported varying results. In part, this is because it is difficult to infer exactly where a eukaryotic promoter begins and ends. Some promoters occur within genes others are located very far upstream, or even downstream, of the genes they are regulating. However, when researchers limited their examination to human core promoter sequences that were defined experimentally as sequences that bind the preinitiation complex, they found that promoters evolve even faster than protein-coding genes.

It is still unclear how promoter evolution might correspond to the evolution of humans or other higher organisms. However, the evolution of a promoter to effectively make more or less of a given gene product is an intriguing alternative to the evolution of the genes themselves. 1

  1. core promoters that bind the preinitiation complex
  2. core promoters that occur within genes
  3. promoters that occur far upstream of the gene
  4. promoters that occur downstream of a gene

Promoter Structures for RNA Polymerases I and III

In eukaryotes, the conserved promoter elements differ for genes transcribed by RNA polymerases I, II, and III. RNA polymerase I transcribes genes that have two GC-rich promoter sequences in the -45 to +20 region. These sequences alone are sufficient for transcription initiation to occur, but promoters with additional sequences in the region from -180 to -105 upstream of the initiation site will further enhance initiation. Genes that are transcribed by RNA polymerase III have upstream promoters or promoters that occur within the genes themselves.

Eukaryotic Elongation and Termination

Following the formation of the preinitiation complex, the polymerase is released from the other transcription factors, and elongation is allowed to proceed as it does in prokaryotes with the polymerase synthesizing pre-mRNA in the 5' to 3' direction. As discussed previously, RNA polymerase II transcribes the major share of eukaryotic genes, so this section will focus on how this polymerase accomplishes elongation and termination.

Although the enzymatic process of elongation is essentially the same in eukaryotes and prokaryotes, the DNA template is more complex. When eukaryotic cells are not dividing, their genes exist as a diffuse mass of DNA and proteins called chromatin. The DNA is tightly packaged around charged histone proteins at repeated intervals. These DNA–histone complexes, collectively called nucleosomes, are regularly spaced and include 146 nucleotides of DNA wound around eight histones like thread around a spool.

For polynucleotide synthesis to occur, the transcription machinery needs to move histones out of the way every time it encounters a nucleosome. This is accomplished by a special protein complex called FACT , which stands for “facilitates chromatin transcription.” This complex pulls histones away from the DNA template as the polymerase moves along it. Once the pre-mRNA is synthesized, the FACT complex replaces the histones to recreate the nucleosomes.

The termination of transcription is different for the different polymerases. Unlike in prokaryotes, elongation by RNA polymerase II in eukaryotes takes place 1,000–2,000 nucleotides beyond the end of the gene being transcribed. This pre-mRNA tail is subsequently removed by cleavage during mRNA processing. On the other hand, RNA polymerases I and III require termination signals. Genes transcribed by RNA polymerase I contain a specific 18-nucleotide sequence that is recognized by a termination protein. The process of termination in RNA polymerase III involves an mRNA hairpin similar to rho-independent termination of transcription in prokaryotes.


Contenu

Eukaryotes have three nuclear RNA polymerases, each with distinct roles and properties. [3] [4]

Nom Emplacement Produit
RNA Polymerase I (Pol I, Pol A) nucléole larger ribosomal RNA (rRNA) (28S, 18S, 5.8S)
RNA Polymerase II (Pol II, Pol B) noyau messenger RNA (mRNA), most small nuclear RNAs (snRNAs), small interfering RNA (siRNAs) and microRNA (miRNA).
RNA Polymerase III (Pol III, Pol C) nucleus (and possibly the nucleolus-nucleoplasm interface) transfer RNA (tRNA), other small RNAs (including the small 5S ribosomal RNA (5s rRNA), snRNA U6, signal recognition particle RNA (SRP RNA) and other stable short RNAs

RNA polymerase I (Pol I) catalyses the transcription of all rRNA genes except 5S. [3] [4] These rRNA genes are organised into a single transcriptional unit and are transcribed into a continuous transcript. This precursor is then processed into three rRNAs: 18S, 5.8S, and 28S. The transcription of rRNA genes takes place in a specialised structure of the nucleus called the nucleolus, [5] where the transcribed rRNAs are combined with proteins to form ribosomes. [6]

RNA polymerase II (Pol II) is responsible for the transcription of all mRNAs, some snRNAs, siRNAs, and all miRNAs. [3] [4] Many Pol II transcripts exist transiently as single strand precursor RNAs (pre-RNAs) that are further processed to generate mature RNAs. [1] For example, precursor mRNAs (pre-mRNAs) are extensively processed before exiting into the cytoplasm through the nuclear pore for protein translation.

RNA polymerase III (Pol III) transcribes small non-coding RNAs, including tRNAs, 5S rRNA, U6 snRNA, SRP RNA, and other stable short RNAs such as ribonuclease P RNA. [7]

RNA Polymerases I, II, and III contain 14, 12, and 17 subunits, respectively. [8] All three eukaryotic polymerases have five core subunits that exhibit homology with the β, β’, α I , α II , and ω subunits of E. coli RNA polymerase. An identical ω-like subunit (RBP6) is used by all three eukaryotic polymerases, while the same α-like subunits are used by Pol I and III. The three eukaryotic polymerases share four other common subunits among themselves. The remaining subunits are unique to each RNA polymerase. The additional subunits found in Pol I and Pol III relative to Pol II, are homologous to Pol II transcription factors. [8]

Crystal structures of RNA polymerases I [9] and II [10] provide an opportunity to understand the interactions among the subunits and the molecular mechanism of eukaryotic transcription in atomic detail.

The carboxyl terminal domain (CTD) of RPB1, the largest subunit of RNA polymerase II, plays an important role in bringing together the machinery necessary for the synthesis and processing of Pol II transcripts. [11] Long and structurally disordered, the CTD contains multiple repeats of heptapeptide sequence YSPTSPS that are subject to phosphorylation and other posttranslational modifications during the transcription cycle. These modifications and their regulation constitute the operational code for the CTD to control transcription initiation, elongation and termination and to couple transcription and RNA processing. [11]

The initiation of gene transcription in eukaryotes occurs in specific steps. [1] First, an RNA polymerase along with general transcription factors binds to the promoter region of the gene to form a closed complex called the preinitiation complex. The subsequent transition of the complex from the closed state to the open state results in the melting or separation of the two DNA strands and the positioning of the template strand to the active site of the RNA polymerase. Without the need of a primer, RNA polymerase can initiate the synthesis of a new RNA chain using the template DNA strand to guide ribonucleotide selection and polymerization chemistry. [1] However, many of the initiated syntheses are aborted before the transcripts reach a significant length (

10 nucleotides). During these abortive cycles, the polymerase keeps making and releasing short transcripts until it is able to produce a transcript that surpasses ten nucleotides in length. Once this threshold is attained, RNA polymerase passes the promoter and transcription proceeds to the elongation phase. [1]

Eukaryotic promoters and general transcription factors Edit

Pol II-transcribed genes contain a region in the immediate vicinity of the transcription start site (TSS) that binds and positions the preinitiation complex. This region is called the core promoter because of its essential role in transcription initiation. [12] [13] Different classes of sequence elements are found in the promoters. For example, the TATA box is the highly conserved DNA recognition sequence for the TATA box binding protein, TBP, whose binding initiates transcription complex assembly at many genes.

Eukaryotic genes also contain regulatory sequences beyond the core promoter. These cis-acting control elements bind transcriptional activators or repressors to increase or decrease transcription from the core promoter. Well-characterized regulatory elements include enhancers, silencers, and insulators. These regulatory sequences can be spread over a large genomic distance, sometimes located hundreds of kilobases from the core promoters. [1]

General transcription factors are a group of proteins involved in transcription initiation and regulation. [1] These factors typically have DNA-binding domains that bind specific sequence elements of the core promoter and help recruit RNA polymerase to the transcriptional start site. General transcription factors for RNA polymerase II include TFIID, TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, and TFIIH. [1] [14] [15]

Assembly of preinitiation complex Edit

The transcription, a complete set of general transcription factors and RNA polymerase need to be assembled at the core promoter to form the

2.5 million dalton preinitiation complex. [16] For example, for promoters that contain a TATA box near the TSS, the recognition of TATA box by the TBP subunit of TFIID initiates the assembly of a transcription complex. The next proteins to enter are TFIIA and TFIIB, which stabilize the DNA-TFIID complex and recruit Pol II in association with TFIIF and additional transcription factors. TFIIB serves as the bridge between the TATA-bound TBP and polymerase and helps place the active center of the polymerase in the correct position to initiate transcription. One of the last transcription factors to be recruited to the preinitiation complex is TFIIH, which plays an important role in promoter melting and escape. [17]

Promoter melting and open complex formation Edit

For pol II-transcribed genes, and unlike bacterial RNA polymerase, promoter melting requires hydrolysis of ATP and is mediated by TFIIH. [17] TFIIH is a ten-subunit protein, including both ATPase and protein kinase activities. [18] While the upstream promoter DNA is held in a fixed position by TFIID, TFIIH pulls downstream double-stranded DNA into the cleft of the polymerase, driving the separation of DNA strands and the transition of the preinitiation complex from the closed to open state. TFIIB aids in open complex formation by binding the melted DNA and stabilizing the transcription bubble.

Abortive initiation Edit

Once the initiation complex is open, the first ribonucleotide is brought into the active site to initiate the polymerization reaction in the absence of a primer. [1] This generates a nascent RNA chain that forms a hetero-duplex with the template DNA strand. However, before entering the elongation phase, polymerase may terminate prematurely and release a short, truncated transcript. This process is called abortive initiation. [19] Many cycles of abortive initiation may occur before the transcript grows to sufficient length to promote polymerase escape from the promoter. Throughout abortive initiation cycles, RNA polymerase remains bound to the promoter and pulls downstream DNA into its catalytic cleft in a scrunching-kind of motion. [19]

Promoter escape Edit

When a transcript attains the threshold length of ten nucleotides, it enters the RNA exit channel. [1] The polymerase breaks its interactions with the promoter elements and any regulatory proteins associated with the initiation complex that it no longer needs. [20] Promoter escape in eukaryotes requires ATP hydrolysis and, in the case of Pol II-phosphorylation of the CTD. Meanwhile, the transcription bubble collapses down to 12-14 nucleotides, providing kinetic energy required for the escape. [1]

After escaping the promoter and shedding most of the transcription factors for initiation, the polymerase acquires new factors for the next phase of transcription: elongation. [21] [22] Transcription elongation is a processive process. Double stranded DNA that enters from the front of the enzyme is unzipped to avail the template strand for RNA synthesis. For every DNA base pair separated by the advancing polymerase, one hybrid RNA:DNA base pair is immediately formed. DNA strands and nascent RNA chain exit from separate channels the two DNA strands reunite at the trailing end of the transcription bubble while the single strand RNA emerges alone.

Elongation factors Edit

Among the proteins recruited to polymerase are elongation factors, thus called because they stimulate transcription elongation. [23] There are different classes of elongation factors. Some factors can increase the overall rate of transcribing, some can help the polymerase through transient pausing sites, and some can assist the polymerase to transcribe through chromatin. [24] One of the elongation factors, P-TEFb, is particularly important. [25] P-TEFb phosphorylates the second residue (Ser-2) of the CTD repeats (YSPTSPS) of the bound Pol II. P-TEFb also phosphorylates and activates SPT5 and TAT-SF1. SPT5 is a universal transcription factor that helps recruit 5'-capping enzyme to Pol II with a CTD phosphorylated at Ser-5. TAF-SF1 recruits components of the RNA splicing machinery to the Ser-2 phosphorylated CTD. P-TEFb also helps suppress transient pausing of polymerase when it encounters certain sequences immediately following initiation. [25]

Transcription fidelity Edit

Transcription fidelity is achieved through multiple mechanisms. RNA polymerases select correct nucleoside triphosphate (NTP) substrate to prevent transcription errors. Only the NTP which correctly base pairs with the coding base in the DNA is admitted to the active center. [26] [27] RNA polymerase performs two known proof reading functions to detect and remove misincorporated nucleotides: pyrophosphorylytic editing and hydrolytic editing. [1] The former removes the incorrectly inserted ribonucleotide by a simple reversal of the polymerization reaction, while the latter involves backtracking of the polymerase and cleaving of a segment of error-containing RNA product. Elongation factor TFIIS (InterPro: IPR006289 TCEA1, TCEA2, TCEA3) stimulates an inherent ribonuclease activity in the polymerase, allowing the removal of misincorporated bases through limited local RNA degradation. [28] Note that all reactions (phosphodiester bond synthesis, pyrophosphorolysis, phosphodiester bond hydrolysis) are performed by RNA polymerase by using a single active center. [29]

Pausing, poising, and backtracking Edit

Transcription elongation is not a smooth ride along double stranded DNA , as RNA polymerase undergoes extensive co-transcriptional pausing during transcription elongation. [30] [31] In general, RNA polymerase II does not transcribe through a gene at a constant pace. Rather it pauses periodically at certain sequences, sometimes for long periods of time before resuming transcription. [32] This pausing is especially pronounced at nucleosomes, and arises in part through the polymerase entering a transcriptionally incompetent backtracked state. [30] The duration of these pauses ranges from seconds to minutes or longer, and exit from long-lived pauses can be promoted by elongation factors such as TFIIS. [33]

This pausing is also sometimes used for proofreading here the polymerase backs up, erases some of the RNA it has already made and has another go at transcription. [1] In extreme cases, for example, when the polymerase encounters a damaged nucleotide, it comes to a complete halt. More often, an elongating polymerase is stalled near the promoter. [32] Promoter-proximal pausing during early elongation is a commonly used mechanism for regulating genes poised to be expressed rapidly or in a coordinated fashion. Pausing is mediated by a complex called NELF (negative elongation factor) in collaboration with DSIF (DRB-sensitivity-inducing factor containing SPT4/SPT5). [34] The blockage is released once the polymerase receives an activation signal, such as the phosphorylation of Ser-2 of CTD tail by P-TEFb. Other elongation factors such as ELL and TFIIS stimulate the rate of elongation by limiting the length of time that polymerase pauses. [1]

RNA processing Edit

Elongating polymerase is associated with a set of protein factors required for various types of RNA processing. [1] mRNA is capped as soon as it emerges from the RNA-exit channel of the polymerase. After capping, dephosphorylation of Ser-5 within the CTD repeats may be responsible for dissociation of the capping machinery. Further phosphorylation of Ser-2 causes recruitment of the RNA splicing machinery that catalyzes the removal of non-coding introns to generate mature mRNA. [1] Alternative splicing expands the protein complements in eukaryotes. Just as with 5’-capping and splicing, the CTD tail is involved in recruiting enzymes responsible for 3’-polyadenylation, the final RNA processing event that is coupled with the termination of transcription. [1]

The last stage of transcription is termination, which leads to the dissociation of the complete transcript and the release of RNA polymerase from the template DNA.The process differs for each of the three RNA polymerases. [35] The mechanism of termination is the least understood of the three transcription stages.

Factor-dependent Edit

The termination of transcription of pre-rRNA genes by polymerase Pol I is performed by a system that needs a specific transcription termination factor. [3] The mechanism used bears some resemblance to the rho-dependent termination in prokaryotes. [36] Eukaryotic cells contain hundreds of ribosomal DNA repeats, sometimes distributed over multiple chromosomes. Termination of transcription occurs in the ribosomal intergenic spacer region that contains several transcription termination sites upstream of a Pol I pausing site. Through a yet unknown mechanism, the 3’-end of the transcript is cleaved, generating a large primary rRNA molecule that is further processed into the mature 18S, 5.8S and 28S rRNAs.

As Pol II reaches the end of a gene, two protein complexes carried by the CTD, CPSF (cleavage and polyadenylation specificity factor) and CSTF (cleavage stimulation factor), recognize the poly-A signal in the transcribed RNA. [35] Poly-A-bound CPSF and CSTF recruit other proteins to carry out RNA cleavage and then polyadenylation. Poly-A polymerase adds approximately 200 adenines to the cleaved 3’ end of the RNA without a template. [35] The long poly-A tail is unique to transcripts made by Pol II.

In the process of terminating transcription by Pol I and Pol II, the elongation complex does not dissolve immediately after the RNA is cleaved. The polymerase continues to move along the template, generating a second RNA molecule associated with the elongation complex. [1] Two models have been proposed to explain how termination is achieved at last. [35] The allosteric model states that when transcription proceeds through the termination sequence, it causes disassembly of elongation factors and/or an assembly of termination factors that cause conformational changes of the elongation complex. [36] [37] The torpedo model suggests that a 5' to 3' exonuclease degrades the second RNA as it emerges from the elongation complex. Polymerase is released as the highly processive exonuclease overtakes it. It is proposed that an emerging view will express a merge of these two models. [37]

Factor-independent Edit

RNA polymerase III can terminate transcription efficiently without the involvement of additional factors. The Pol III termination signal consists of a stretch of thymines (on the nontemplate strand) located within 40bp downstream from the 3' end of mature RNAs. [35] The poly-T termination signal pauses Pol III

The regulation of gene expression in eukaryotes is achieved through the interaction of several levels of control that acts both locally to turn on or off individual genes in response to a specific cellular need and globally to maintain a chromatin-wide gene expression pattern that shapes cell identity. [1] [38] Because eukaryotic genome is wrapped around histones to form nucleosomes and higher-order chromatin structures, the substrates for transcriptional machinery are in general partially concealed. [1] Without regulatory proteins, many genes are expressed at low level or not expressed at all. Transcription requires displacement of the positioned nucleosomes to enable the transcriptional machinery to gain access of the DNA. [39]

All steps in the transcription are subject to some degree of regulation. [1] Transcription initiation in particular is the primary level at which gene expression is regulated. Targeting the rate-limiting initial step is the most efficient in terms of energy costs for the cell. Transcription initiation is regulated by cis-acting elements (enhancers, silencers, isolators) within the regulatory regions of the DNA, and sequence-specific trans-acting factors that act as activators or repressors. [1] Gene transcription can also be regulated post-initiation by targeting the movement of the elongating polymerase. [40]

Global control and epigenetic regulation Edit

The eukaryotic genome is organized into a compact chromatin structure that allows only regulated access to DNA. The chromatin structure can be globally "open" and more transcriptionally permissive, or globally "condensed" and transcriptionally inactive. The former (euchromatin) is lightly packed and rich in genes under active transcription. The latter (heterochromatin) includes gene-poor regions such as telomeres and centromeres but also regions with normal gene density but transcriptionally silenced. Transcription can be silenced by histone modification (deacetylation and methylation), RNA interference, and/or DNA methylation. [41]

The gene expression patterns that define cell identity are inherited through cell division. [1] This process is called epigenetic regulation. DNA methylation is reliably inherited through the action of maintenance methylases that modify the nascent DNA strand generated by replication. [1] In mammalian cells, DNA methylation is the primary marker of transcriptionally silenced regions. Specialized proteins can recognize the marker and recruit histone deacetylases and methylases to re-establish the silencing. Nucleosome histone modifications could also be inherited during cell division, however, it is not clear whether it can work independently without the direction by DNA methylation. [1]

Gene-specific activation Edit

The two main tasks of transcription initiation are to provide RNA polymerase with an access to the promoter and to assemble general transcription factors with polymerase into a transcription initiation complex. Diverse mechanisms of initiating transcription by overriding inhibitory signals at the gene promoter have been identified. [1] Eukaryotic genes have acquired extensive regulatory sequences that encompass a large number of regulator-binding sites and spread overall kilobases (sometimes hundreds of kilobases) from the promoter–-both upstream and downstream. [1] The regulator binding sites are often clustered together into units called enhancers. Enhancers can facilitate highly cooperative action of several transcription factors (which constitute enhanceosomes). Remote enhancers allow transcription regulation at a distance. Insulators situated between enhancers and promoters help define the genes that an enhancer can or cannot influence.

Eukaryotic transcriptional activators have separate DNA-binding and activating functions. [1] Upon binding to its cis-element, an activator can recruit polymerase directly or recruit other factors needed by the transcriptional machinery. An activator can also recruit nucleosome modifiers that alter chromatin in the vicinity of the promoter and thereby help initiation. Multiple activators can work together, either by recruiting a common or two mutually dependent components of the transcriptional machinery, or by helping each other bind to their DNA sites. [1] These interactions can synergize multiple signaling inputs and produce intricate transcriptional responses to address cellular needs.

Gene-specific repression Edit

Eukaryotic transcription repressors share some of the mechanisms used by their prokaryotic counterparts. For example, by binding to a site on DNA that overlaps with the binding site of an activator, a repressor can inhibit binding of the activator. But more frequently, eukaryotic repressors inhibit the function of an activator by masking its activating domain, preventing its nuclear localization, promoting its degradation, or inactivating it through chemical modifications. [1] Repressors can directly inhibit transcription initiation by binding to a site upstream of a promoter and interacting with the transcriptional machinery. Repressors can indirectly repress transcription by recruiting histone modifiers (deacetylases and methylases) or nucleosome remodeling enzymes that affect the accessibility of the DNA. [1] Repressing histone and DNA modifications are also the basis of transcriptional silencing that can spread along the chromatin and switch off multiple genes. [42]

Elongation and termination control Edit

The elongation phase starts once assembly of the elongation complex has been completed, and progresses until a termination sequence is encountered. [1] The post-initiation movement of RNA polymerase is the target of another class of important regulatory mechanisms. For example, the transcriptional activator Tat affects elongation rather than initiation during its regulation of HIV transcription. [43] In fact, many eukaryotic genes are regulated by releasing a block to transcription elongation called promoter-proximal pausing. [44] Pausing can influence chromatin structure at promoters to facilitate gene activity and lead to rapid or synchronous transcriptional responses when cells are exposed to an activation signal. [32] Pausing is associated with the binding of two negative elongation factors, DSIF (SPT4/SPT5) and NELF, to the elongation complex. Other factors can also influence the stability and duration of the paused polymerase. [45] Pause release is triggered by the recruitment of the P-TEFb kinase. [40]

Transcription termination has also emerged as an important area of transcriptional regulation. Termination is coupled with the efficient recycling of polymerase. [46] The factors associated with transcription termination can also mediate gene looping and thereby determine the efficiency of re-initiation.

When transcription is arrested by the presence of a lesion in the transcribed strand of a gene, DNA repair proteins are recruited to the stalled RNA polymerase to initiate a process called transcription-coupled repair. [47] Central to this process is the general transcription factor TFIIH that has ATPase activity. TFIIH causes a conformational change in the polymerase, to expose the transcription bubble trapped inside, in order for the DNA repair enzymes to gain access to the lesion. [48] Thus, RNA polymerase serves as damage-sensing protein in the cell to target repair enzymes to genes that are being actively transcribed.

Eukaryotic transcription is more complex than prokaryotic transcription. For instance, in eukaryotes the genetic material (DNA), and therefore transcription, is primarily localized to the nucleus, where it is separated from the cytoplasm (in which translation occurs) by the nuclear membrane. This allows for the temporal regulation of gene expression through the sequestration of the RNA in the nucleus, and allows for selective transport of mature RNAs to the cytoplasm. Bacteria do not have a distinct nucleus that separates DNA from ribosome and mRNA is translated into protein as soon as it is transcribed. The coupling between the two processes provides an important mechanism for prokaryotic gene regulation. [1]

At the level of initiation, RNA polymerase in prokaryotes (bacteria in particular) binds strongly to the promoter region and initiates a high basal rate of transcription. No ATP hydrolysis is needed for the close-to-open transition, promoter melting is driven by binding reactions that favor the melted conformation. Chromatin greatly impedes transcription in eukaryotes. Assembly of large multi-protein preinitiation complex is required for promoter-specific initiation. Promoter melting in eukaryotes requires hydrolysis of ATP. As a result, eukaryotic RNA polymerases exhibit a low basal rate of transcription initiation. [42]

In vertebrates, the majority of gene promoters contain a CpG island with numerous CpG sites. [49] When many of a gene's promoter CpG sites are methylated the gene becomes silenced. [50] Colorectal cancers typically have 3 to 6 driver mutations and 33 to 66 hitchhiker or passenger mutations. [51] However, transcriptional silencing may be of more importance than mutation in causing progression to cancer. For example, in colorectal cancers about 600 to 800 genes are transcriptionally silenced by CpG island methylation (see regulation of transcription in cancer). Transcriptional repression in cancer can also occur by other epigenetic mechanisms, such as altered expression of microRNAs. [52] In breast cancer, transcriptional repression of BRCA1 may occur more frequently by over-expressed microRNA-182 than by hypermethylation of the BRCA1 promoter (see Low expression of BRCA1 in breast and ovarian cancers).


Eukaryotic mRNA

Credit: Kelvinsong (CC-BY-3.0)
Eukaryotic genes may often contain introns (non-coding sequences) that are spliced out from the exons (coding sequences). This complexity permits for increased variety of gene products. Mature eukaryotic mRNAs conatins a 5&prime-methyl-Guanine followed by an untranslated leader sequence ( 5&prime-UTR ), the coding sequences ( cds ), a 3&prime-untranslated region ( 3&prime-UTR ) and a long stretch of Adenines (polyA tail).


Expression is most easily measured with RNA since nucleic acid manipulation is fairly simple with 4 different nucleotides. In eukaryotes, the messenger RNA (mRNA) intermediate that is transcribed from DNA contains a polyA tail that is used to separate these messages from other types of RNA that are abundant within cells (like ribosomal RNA). Through the use of an enzyme called transcriptase inverse (RT) and primers composed of deoxy-Thymidines ( oligo-dT or dT18), mRNA can be converted into a single strand of DNA that is complimentary to the mRNA. This complimentary DNA is called cDNA . cDNA is very stable compared to the highly labile mRNA and is used for subsequent processing.


Eukaryotic transcription

Transcription in eukaryotes: A brief view
Transcription is the process by which single stranded RNA is synthesized by double stranded DNA. Transcription in eukaryotes and prokaryotes has many similarities while at the same time both showing their individual characteristics due to the differences in organization. RNA Polymerase (RNAP or RNA Pol) is different in prokaryotes and eukaryotes. Coupled transcription is seen in prokaryotes but not in Eukaryotes. In eukaryotes the pre-RNA should be spliced first to be translated.
In Eukaryotic transcription, synthesis of RNA occurs in the 3’→5’ direction. The 3’ end is more reactive due to the hydroxide group. 5’ end containing phosphate groups meanwhile, is not very reactive when it comes to adding new nucleotides. In Eukaryotes, the whole genome is not transcribed at once. Only a part of the genome is transcribed which also acts as the first, principle stage of genetic regulation.
Eukaryotes have five nuclear polymerases:
• RNA Polymerase I: This produces rRNA (23S, 5.8S, and 18S) which are the major components in a ribosome. This also produces pre-rRNA in yeasts.
• RNA Polymerase II: Helps in the production of mRNA (messenger RNA), snRNA (small, nuclear RNA), miRNA. This is the most studied type and requires several transcription factors for its binding
• RNA Polymerase III: This synthesizes tRNA (transfer RNA), 5S rRNA and other small RNAs required in the cytosol and nucleus.
• RNA Polymerase IV: Synthesizes siRNA (small interfering RNA) in plants.
• RNA Polymerase V: This is the least studied polymerase and synthesizes siRNA-directed heterochromatin in plants.
Eukaryotic transcription can be broadly divided into 4 stages:
• Pre-Initiation
• Initiation
• Elongation
• Termination
Transcription is an elaborate process which cells use to copy the genetic information stored in DNA into RNA. This pre-RNA is modified into mRNA before being transcribed to proteins. Transcription is the first step to utilizing the genetic information in a cell. Both Eukaryotes and Prokaryotes employ this process with the basic phases remaining the same. However eukaryotic transcription is more complex indicating the changes transcription has undergone towards perfection during evolution.


Résumé de la section

Transcription in eukaryotes involves one of three types of polymerases, depending on the gene being transcribed. RNA polymerase II transcribes all of the protein-coding genes, whereas RNA polymerase I transcribes rRNA genes, and RNA polymerase III transcribes rRNA, tRNA, and small nuclear RNA genes. The initiation of transcription in eukaryotes involves the binding of several transcription factors to complex promoter sequences that are usually located upstream of the gene being copied. The mRNA is synthesized in the 5' to 3' direction, and the FACT complex moves and reassembles nucleosomes as the polymerase passes by. Whereas RNA polymerases I and III terminate transcription by protein- or RNA hairpin-dependent methods, RNA polymerase II transcribes for 1,000 or more nucleotides beyond the gene template and cleaves the excess during pre-mRNA processing.


Voir la vidéo: Transcription DNA to mRNA (Mai 2022).