ARN polymérase

ARN polymérase

Concept
Informations
Terme anglais	Biochimie, ARN polymérase
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Introduction

Essentielle à la survie cellulaire de tous les organismes, la transcription est le processus de synthèse de l'ARN à partir de l'ADN génomique. Au cœur de cette activité se retrouve une enzyme appelée ARN polymérase (ARNP). L'ARNP est présente dans tous les organismes vivants (bactéries, archées et eucaryotes) ainsi que dans de nombreux virus. Ces différentes ARNP partagent tous des séquences et des structures protéiques, et des mécanismes moléculaires similaires.

Fondamentaux

Les ARNP sont responsables de la transcription de l'ADN génomique en ARN. Alors que les bactéries (procaryotes) et les archées ne contiennent qu'un seul ARNP, les eucaryotes en contiennent trois: l'ARNPI (X sous-unités), l'ARNPII (x sous-unités) et l'ARNPIII (x sous-unités). (REF) Bien qu'il existe des différences drastiques entre ces trois enzymes, elles ont également de nombreuses similitudes importantes. En effet, elles partagent trois sous-unités hautement conservées. Ainsi, les scientifiques ont pu déterminer de nombreuses structures et fonctions importantes des ARNP en étudiant les bactéries et les levures qui sont des organismes beaucoup plus simples. Dans la présente page, les informations sur le mécanisme de fonctionnement général de l'ARNP proviennent principalement de celles obtenues chez la bactérie.

L'ARNP bactérien est le plus simple et elle est composée de cinq sous-unités: bêta, bêta prime, deux alphas et oméga. Les grandes sous-unités bêta et bêta prime forment une pince de crabe et au centre de celle-ci se trouve un site catalytique actif. Les sous-unités des archaea et des eucaryotes sont également très homologues à l'ARNP bactérien . L'architecture de l'enzyme est hautement conservée dans les trois domaines de la vie, ce qui suggère que ce mécanisme de synthèse d'ARN est conservé des bactéries aux humains.

Sujets de préoccupation

Des problèmes préoccupants surgissent lorsque RNAP fait une mauvaise transcription, également connue sous le nom d'infidélité de transcription. Cependant, ce domaine de recherche a été difficile à étudier car l'erreur de traduction est significativement plus élevée, obscurcissant les résultats phénotypiques. lecture des cadres.

Cellulaire

Le RNAP est une enzyme très abondante qui catalyse la formation de liaisons phosphodiester reliant les nucléotides ensemble, produisant ensuite une chaîne linéaire. La chaîne d’ARN en croissance s’étend d’un nucléotide à la fois dans le sens 5 ’à 3’ en utilisant des nucléosides triphosphates (ATP, CTP, UTP et GTP) comme substrats. On estime qu'environ 20 nucléotides subissent une synthèse pour chaque gène avec plus d'un millier de transcrits formés en une heure à partir d'un gène. Contrairement à l'ADN polymérase, la RNAP a augmenté l'infidélité. Une erreur est commise tous les 10 000 nucléotides tandis que l'ADN polymérase fait une erreur tous les 10 000 000 nucléotides. Malgré une précision moindre, RNAP dispose d'un mécanisme de relecture. Le RNAP peut sauvegarder, exciser le ribonucléotide mal incorporé et insérer le ribonucléotide approprié.

Moléculaire

RNAP est une enzyme à plusieurs sous-unités qui contient à la fois des interactions protéine-protéine ainsi que des interactions protéine-ADN. Les facteurs de spécificité du RNAP bactérien, sigma, contiennent quatre régions distinctes: région 1, région 2, région 3 et région 4. À l'exception des facteurs sigma appartenant à la famille sigma54, tous les facteurs sigma contiennent une région 2 et une région 4 très conservées tandis que certaines contiennent également en plus une région conservée 3. Ces régions sont vitales car elles permettent au noyau de reconnaître des promoteurs spécifiques, permettant une régulation positive et / ou une régulation négative différentielle à des moments particuliers. Ces éléments promoteurs comprennent les éléments UP, l'élément -35 et le motif -10 étendu. Les domaines C-terminaux attachés des sous-unités alpha interagissent avec les éléments UP qui sont des séquences riches en AT situées de -40 à -60 par rapport au site de début de transcription +1. La région 4.2 de sigma interagit avec l'élément -35, qui est une séquence -35 TTGACA-30 hautement conservée. Region 3.0 interagit avec la séquence -10 étendue qui est une -15TGn-13 ainsi que la paire de base la plus en amont, la -12 T de l'élément -10. Region 2.4 interagit avec l'élément -10, qui est une séquence hautement conservée composée de -12 TATAAT -7.

Parallèlement aux interactions sigma-ADN, sigma établit également divers contacts protéiques étendus avec le RNAP de base. Les interactions importantes incluent les résidus dans les régions 2.1 et 2.2 avec la sous-unité beta prime ainsi que les résidus avec la région 3.2 qui traversent un canal composé de beta et beta prime. Les régions 4.1 et 4.2 interagissent avec le volet bêta, un domaine au sein de la beta sous-unité, tandis que la pointe du volet bêta entre en contact avec l'extrême extrémité C (connue sous le nom d'hélice 5) du facteur sigma. Fait intéressant, les facteurs sigma primaires contiennent une région fortement chargée 1.1, qui interagit avec la fente principale bêta et bêta et agit comme un imitateur d'ADN, aidant à maintenir l'ADN qui est en aval du site de départ de la transcription.

La structure globale du RNAP ressemble à celle d'une pince de crabe. Les sous-unités bêta et bêta principale forment deux structures opposées en forme de pince, bordant le canal principal. La plus grande de la pince, la sous-unité bêta principale, contient un domaine très mobile qui peut s'articuler autour d'une région flexible; ceci est connu comme la région de commutation et a cinq éléments discrets SW1-SW5. Une fente entre les deux pinces abrite le site catalytique RNAP qui contient un ion magnésium. Menant à ce site actif catalytique sont deux canaux. Le canal principal contient l'hybride ADN-ARN ainsi que l'ADN en aval, tandis que le canal secondaire prouve l'accès aux substrats NTP ainsi qu'à l'ARN naissant.

Fonction

La fonction du RNAP est de transcrire l'ADN en ARN. L'ADN brin matrice est lu de 3 'à 5' tandis que la synthèse d'ARN se produit de 5 'à 3'. De nombreux types d'ARN différents sont produits: ARNm, ARNt, ARNr, ARNs, snoRNA et autres ARN non codants.

Mécanisme

Le mécanisme de RNAP de transcription de l'ADN en ARN est hautement conservé chez les procaryotes, les archées et les eucaryotes. Pour commencer le processus de transcription bactérienne, avec la polymérase de base, un facteur de spécificité supplémentaire est également nécessaire. Ces protéines de spécificité reconnaissent certains éléments de l'ADN promoteur et déterminent le site de départ de la transcription. Chez les bactéries, ces facteurs de spécificité portent le nom de sous-unités sigma. Sigma et le noyau forment le RNAP bactérien. Bien que la recherche ait maintenant identifié des centaines de sigma, le principal facteur sigma, sigma70 dans Escherichia coli ou sigma A dans d'autres bactéries, est responsable de la croissance exponentielle et de la régulation des gènes de ménage. D'autres facteurs sigma alternatifs sont utilisés pendant les périodes de stress et / ou différentes conditions de croissance.

Pour initier le processus de transcription bactérienne, sigma et le noyau se lient d'abord à l'ADN double brin. Les domaines C-terminaux des sous-unités alpha interagissent tous les deux avec les éléments UP, les interactions de la région 4.2 avec le -35 et la région 3.0 interagit avec le étendu -10. Ces interactions entre le noyau et l'ADN promoteur sont très instables et de courte durée, formant un produit appelé le complexe fermé instable (RPc) . L'idée est que l'ADN double brin se trouve sur la face du RNAP. RPc passe rapidement au complexe ouvert stable (RPo) où l'ADN se décompresse, se plie d'environ 90 degrés et forme une bulle de -11/12 à environ +5 par rapport au site de début de transcription +1. Parallèlement aux changements d'ADN, il y a sont également des changements majeurs de conformation des protéines au sein de la polymérase: la région 1.1 se déplace en aval pour entrer dans ce canal principal bêta et bêta et la pince bêta principale subit de grands changements de conformation, permettant à l'ADN en aval d'être entièrement sécurisé. noyau, conduisant à la synthèse de l'ARN et formant un complexe appelé le complexe initiateur (RPi). Ces produits à base d'ARN sont très courts et sont également appelés abortifs. Une fois que les abortifs atteignent une certaine taille, ils peuvent finalement pousser la région 3.2 hors de sa position actuelle dans le canal de sortie de l'ARN. Ce changement ouvre ainsi le canal de sortie de l'ARN, conduisant à la libération du facteur sigma et de l'ARN. La polymérase de base continue de se déplacer le long de l'ADN brin matrice jusqu'à ce qu'elle atteigne le site de terminaison. Dans la terminaison Rho-dépendante, un facteur appelé Rho est responsable de la perturbation du complexe d'ADN RNAP / ARN / matrice tandis que dans la terminaison Rho-indépendante, une boucle se forme à la fin de la molécule d'ARN, permettant à RNAP de tomber.

Test

Les anticorps anti-RNAP peuvent être achetés dans le commerce et sont couramment utilisés dans les laboratoires pour détecter la présence de sous-unités RNAP. De plus, les anticorps anti-RNAP III sont considérés comme hautement sensibles et spécifiques à la sclérodermie systémique ou à la sclérodermie et sont également associés à la sclérodermie cutanée diffuse et à la crise rénale de la sclérodermie. avec une diminution du temps d'apparition des premiers symptômes et du pic d'épaississement de la peau. Ainsi, les patients avec des anticorps anti-RNAP III sont plus à risque de développer une crise rénale sclérodermique. de la sclérodermie systémique, allant de 14% à 51% .

Physiopathologie

Bien que les mutations dans le RNAP eucaryote ne soient pas uniquement impliquées dans la maladie, la dérégulation de la synthèse d'ARN ribosomique via le RNAP I a conduit à une variété de maladies différentes. Les maladies les plus reconnues résultent d'une perte de mutations fonctionnelles dans les ribosomes ou de facteurs associés à Pol I. Ces maladies sont appelées ribosomopathies et comprennent l'anémie Diamond-Blackfan, le syndrome 5q moins, le syndrome de Treacher Collins et le syndrome de Blooms et Werner. Il existe également d'autres ribosomopathies associées à des mutations affectant le traitement et la modification de l'ARN; ces maladies comprennent le syndrome de Shwachman-Diamond, la dyskératose congénitale, l'hypoplasie des cheveux cartilagineux, la cirrhose infantile des Indiens d'Amérique du Nord, le syndrome de Bowen-Conradi et l'alopécie, le syndrome neurologique et l'endocrinopathie (ANE). Malheureusement, les ribosomopathies sont rares, et le traitement est généralement palliatif plutôt que curatif.

Importance clinique

La prévention de l'expression des gènes est l'un des moyens par lesquels les antibiotiques peuvent tuer les bactéries. La transcription étant un processus essentiel pour tous les organismes, le mécanisme de transcription est une cible extrêmement attrayante pour le développement de nouveaux antibiotiques. La rifampicine est un antibiotique couramment utilisé contre Mycobacterium tuberculosis. Appartenant à la classe d'antibiotiques ansamycine, la rifampicine se lie à la sous-unité bêta de RNAP au sein du canal ADN / ARN et empêche la formation de la deuxième ou troisième liaison phosphodiester, induisant la libération d'avortements courts et bloquant par la suite l'extension d'ARN naissant. les bactéries ont rapidement évolué pour développer une résistance à la rifampicine. Les mutations au sein de la sous-unité bêta de RNAP (S531L, H526Y et D516V) représentent respectivement environ 41, 36 et 9% des souches de tuberculose résistantes. D'autres antibiotiques qui bloquent l'extension de l'ARN naissant incluent la sorangicine et GE23077. Autre couramment utilisé l'antibiotique, la fidaxomicine, se lie également au Clostridium difficile RNAP. Au lieu de la sous-unité bêta, la fidaxomicine se lie à la région de commutation de RNAP. Cette liaison empêche la formation de RPo. Le mécanisme proposé est que la fidaxomicine empêche l'orientation spatiale correcte de la région 2 et de la région 4 pour la reconnaissance des éléments promoteurs du noyau -10 et -35, respectivement. ripostatin. Bien que très peu d'antibiotiques aient atteint le marché clinique, il existe également de nombreux autres antibiotiques qui inhibent la transcription en faisant varier les processus. La série SB-2 perturbe l'assemblage des holoenzymes, la pseudoridmycine est un analogue nucléosidique et les salinamides ciblent les éléments mobiles du canal principal.

Parallèlement à l'inhibition de la transcription procaryote, les chercheurs ont découvert plusieurs composés qui ciblent le RNAP eucaryote. L'actinomycine D est un antibiotique bactérien utilisé comme réactif antitumoral. Il intercale l'ADN, empêchant ainsi la progression des RNAP bactériens et eucaryotes I. Parallèlement à l'actinomycine D, d'autres produits chimiques inhibent également la transcription eucaryote. L'alpha-amanitine se lie à l'hélice du pont et à la boucle de déclenchement des RNAP II et III, empêchant l'incorporation de chaînes d'ARN naissantes, tandis que la 8-hydroxyquinoléine chélate les cations bivalents, le manganèse et le magnésium, au sein du site actif de RNAP.UNIQQ0000

Références

• Cette page a été modifiée ou créée le 2020/07/12 à partir de Biochemistry, RNA Polymerase (StatPearls / Biochemistry, RNA Polymerase (2019/07/23)), écrite par les contributeurs de StatPearls et partagée sous la licence CC-BY 4.0 international (jusqu'au 2022-12-08). Le contenu original est disponible à https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31424796 (livre).

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