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11.5 : Transcription eucaryote - Biologie

11.5 : Transcription eucaryote - Biologie


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Expression des gènes eucaryotes

Le dogme central chez les eucaryotes. L'ADN génomique des gènes contient souvent des introns qui sont épissés lorsqu'un ARN mûrit en un ARNm. Cette excision d'introns peut entraîner des variants d'épissage du même gène avec des variants de la même protéine. Crédit: Thomas Shafee (CC-BY 4.0)

Contrairement aux gènes procaryotes, l'expression des gènes dans les cellules eucaryotes possède des systèmes complexes de facteurs de transcription qui agissent sur des promoteurs pour recruter des ARN polymérases. En outre, éléments d'amélioration peut résider plusieurs kilobases en amont du promoteur. Ces amplificateurs renforcent la transcription du gène. Dans ce cas, protéines activatrices de transcription ou des trans-activateurs augmentent l'activité du promoteur.

1. ADN 2. Enhancer 3. Promoteur 4. Gène 5. Protéine activatrice de transcription 6. Médiateur Protéine 7. ARN polymérase

Crédit: Jon Cheff (CC-BY-SA 4.0)

Protéines médiatrices (coactivateurs) forment un complexe multiprotéique avec les activateurs pour recruter l'ARN polymérase vers le promoteur.

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 la 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 de 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.

Vidéo avancée de la régulation de la transcription eucaryote

La première vidéo décrit la découverte de facteurs de transcription qui régulent l'expression des gènes eucaryotes.

La deuxième vidéo décrit la complexité de l'expression des gènes qui implique le remodelage et les activateurs de la chromatine. Cette vidéo explore les rôles et les résultats de l'expression différentielle des gènes.


Transcription en eucaryotes

Cet ensemble complet d'animations couvre en détail l'initiation de la transcription chez les eucaryotes. L'accent est mis sur la relation structure-fonction et les interactions protéine-protéine/protéine-acide nucléique. Toutes les structures de protéines et d'acides nucléiques sont présentées à l'échelle, et toutes les interactions protéines/acides nucléiques et les changements de conformation sont décrits avec précision, sur la base des dernières recherches scientifiques.

Ce module commence par un aperçu général de l'ARN polymérase II. Les ARN polymérases des procaryotes, des archées et des eucaryotes sont comparées. Cette vidéo permet aux étudiants de se familiariser avec la forme, la taille et la composition de l'ARN polymérase II, ce qui deviendra important lorsqu'ils tenteront de comprendre sa fonction. La leçon de présentation générale se termine par une comparaison entre la transcription procaryote et eucaryote. Ce module se poursuit par l'assemblage par étapes du complexe de pré-initiation. TFIID, TFIIA et TFIIB sont présentés et discutés. L'ARN polymérase II en complexe avec TFIIF se joint alors, et le recrutement ultérieur de TFIIE verrouille tout en place. Enfin TFIIH et médiateur arrivent.


Résumé

Des altérations de la régulation de l'expression des gènes sont fréquemment associées à des maladies du développement ou au cancer. L'activation de la transcription est un phénomène clé dans la régulation de l'expression des gènes. Chez tous les eucaryotes, le médiateur de la transcription de l'ARN polymérase II (Mediator), un grand complexe à organisation modulaire, est généralement requis pour la transcription par l'ARN polymérase II, et il régule les différentes étapes de ce processus. La fonction principale de Mediator est de transduire les signaux des activateurs de transcription liés aux régions amplificatrices vers la machinerie de transcription, qui est assemblé au niveau des promoteurs en tant que complexe de pré-initiation (PIC) pour contrôler l'initiation de la transcription. Des études fonctionnelles récentes de Mediator avec l'utilisation d'approches de biologie structurale et de génomique fonctionnelle ont révélé de nouvelles informations sur l'activité de Mediator et sa régulation pendant l'initiation de la transcription, y compris la façon dont Mediator est recruté dans les régions régulatrices de la transcription et comment il interagit et coopère avec les composants PIC pour aider à Assemblée PIC. De nouveaux rôles de Mediator dans le contrôle de l'expression des gènes ont également été révélés en montrant sa connexion au pore nucléaire et en reliant Mediator à la régulation du positionnement des gènes dans l'espace nucléaire. Des liens clairs entre les sous-unités du médiateur et la maladie ont également encouragé des études à explorer le ciblage de ce complexe en tant qu'approche thérapeutique potentielle dans le cancer et les infections fongiques.


Composants de la transcription

Dans le processus de transcription, un segment d'ADN, une enzyme ARN polymérase et des facteurs de transcription sont principalement impliqués.

Le segment d'ADN : L'ADN est double brin et le brin sur lequel la transcription se produit est connu sous le nom de brin matrice, et il a une polarité 3'-5', et un autre brin est appelé brin codant qui a une polarité 5'-3'. Le segment d'ADN qui subit la transcription est appelé l'unité de transcription de l'ADN. Il est divisé en trois régions qui sont les suivantes :

Promoteur : Le promoteur est la région de l'ADN avec laquelle l'ARN polymérase se lie. Il est situé au bout de 5'.

Gène de structure : La région qui est codée dans l'ARN est appelée gène de structure. Il flanque entre le promoteur et le terminateur.

Terminateur : Il présente l'extrémité 3' de l'ADN, qui détermine la fin du processus de transcription.

2. ARN polymérase : Chez les eucaryotes, trois enzymes ARN polymérases différentes sont présentes dans le noyau. Le substrat de ces enzymes est le nucléoside triphosphate. Chaque enzyme polymérase a une fonction spécifique. Chez les eucaryotes, plusieurs types d'ARN différents sont présents tels que l'ARNr, l'ARNt, l'ARNm, l'ARNsn, etc.

ARN polymérase I : Il transcrit rRN.

ARN polymérase II : Il transcrit l'ARNm et le hnRN.

ARN polymérase II : Il transcrit l'ARNt et l'ARNsn.

3. Facteurs de transcription- Les facteurs de transcription sont des protéines qui aident à la formation du complexe de pré-initiation, procèdent au processus et facilitent la terminaison de la transcription. Chez les eucaryotes, des facteurs de transcription généraux sont présents, tels que TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF et TFIIH.


DISCUSSION

Cette étude a caractérisé les mécanismes par lesquels CHOP dirige les réseaux de régulation génique qui déterminent le destin des cellules. En réponse à l'inhibition du protéasome, CHOP induit l'expression d'une collection de régulateurs de transcription, y compris ATF5 (figure 1, tableau 2 et tableau supplémentaire S1). Expression transcriptionnelle de ATF5 est suggéré d'être directement activé par CHOP et ATF4 (Figure 3), coïncidant avec la traduction préférentielle de ATF5 en réponse à eIF2α∼P (Zhou et al., 2008). Comme CHOP, ATF5 fonctionne pour améliorer l'apoptose lors de perturbations de l'homéostasie des protéines (Figure 5). L'analyse des puces à ADN a révélé qu'un gène dépendant de l'ATF5, NOXA, est important pour induire la mort cellulaire pendant l'inhibition du protéasome (Figures 6 et 7 Fernandez et al., 2005 Qin et al., 2005 Wang et al., 2009). Cette étude indique que CHOP et l'ISR activent un réseau de régulateurs transcriptionnels comportant ATF5, qui déclenche l'apoptose lors de perturbations de l'homéostasie des protéines.

L'ISR dispose d'un réseau de facteurs de transcription avec une boucle d'anticipation qui contrôle le destin cellulaire

Cette étude décrit trois facteurs transcriptionnels dans l'ISR avec un réseau d'interactions comportant une boucle d'anticipation (Figure 8). L'expression transcriptionnelle de chaque nœud de facteur de transcription - ATF4, CHOP et ATF5 - est augmentée pendant l'inhibition du protéasome. ATF4 améliore HACHER et ATF5 niveaux d'ARNm, tandis que CHOP facilite l'induction de ATF5 transcriptions (Figure 8). Nous ne comprenons pas pleinement les processus sous-jacents par lesquels l'expression transcriptionnelle d'ATF4 est améliorée dans l'ISR, mais eIF2α∼P est suggéré comme étant un facteur contributif (Lu et al., 2004). ATF4 et CHOP se lient au site CARE-2 dans le ATF5 promoteur, une découverte qui est également étayée par une récente analyse ChIP-Seq des sites de liaison ATF4 et CHOP dans les cellules MEF pendant le traitement à la tunicamycine (Han et al., 2013). Il y avait une association ATF4 et CHOP appréciable au CARE-2 en l'absence de stress, suggérant qu'il peut y avoir une certaine liaison de ces facteurs de transcription au ATF5 promoteur même lorsque ATF4 et CHOP ne sont pas facilement mesurés par analyse immunoblot. En effet ATF4 −/− Les cellules MEF sont sujettes au stress oxydatif (Harding et al., 2003), suggérant que même les niveaux basaux d'ATF4 contribuent à la santé des cellules. Liaison d'ATF4 et CHOP au site CARE-1 ​​dans le ATF5 promoteur était modeste, bien que détectable, avec une certaine liaison supplémentaire sur MG132. Cela suggère qu'il peut y avoir une certaine association de ces facteurs de transcription au site CARE-1 ​​sous-optimal. Une autre explication est que même avec une sonication agressive dans l'analyse ChIP, il existe un potentiel d'ADN précipité par ATF4 et CHOP contenant les deux séquences, qui sont séparées par environ 500 paires de bases.

FIGURE 8 : L'ISR comprend un réseau de facteurs de transcription ATF4, CHOP et ATF5 dans une boucle d'anticipation qui contrôle le destin cellulaire. Différentes conditions de stress qui perturbent l'homéostasie des protéines induisent la phosphorylation de eIF2, conduisant à une expression améliorée des facteurs de transcription bZIP ATF4, CHOP et ATF5 grâce à une traduction accrue, comme indiqué par les flèches vertes. ATF4 et CHOP se lient au promoteur ATF5 et servent à améliorer la transcription de ATF5, et CHOP et ATF5, individuellement ou en combinaison, induisent la transcription de gènes cibles (flèches bleues). Ces produits de gènes cibles affectent le rétrocontrôle, l'apoptose et l'inflammation, qui ensemble peuvent déterminer le destin des cellules. L'ATF4 peut également contribuer directement à la transcription de certains de ces gènes cibles, comme l'illustre la découverte que l'ATF4, ainsi que CHOP, peut se lier directement au GADD34 promoteur pour favoriser la transcription (Ma et Hendershot, 2003 Marciniak et al., 2004 Kilberg et al., 2012).

Surexpression de HACHER dans le HACHER −/− cellules ont conduit à des niveaux élevés de ATF5 ARNm même l'absence de stress (figure 4C). Cela suggère que bien que ATF4 et CHOP se lient directement au ATF5 promoteur, CHOP peut être suffisant pour ATF5 transcription, au moins lorsque HACHER est fortement exprimé. A cet égard, la réglementation des ATF5 la transcription suit le modèle de liaison dynamique des facteurs de transcription bZIP, tels que ATF4 et CHOP, qui a été décrit pour les promoteurs d'autres gènes cibles d'ISR (Kilberg et al., 2009). Accompagnant ce mode de régulation transcriptionnel, ATF4, HACHER, et ATF5 Les ARNm sont traduits préférentiellement en réponse à eIF2α∼P (figure 8). Par conséquent, avec des perturbations chroniques de l'homéostasie des protéines, il peut y avoir des niveaux élevés d'eIF2α∼P ininterrompu, ce qui amplifiera les niveaux de chaque facteur de transcription jusqu'à un seuil proposé qui fait passer l'ISR à un résultat terminal. L'hétérodimérisation avec d'autres facteurs de transcription bZIP, les modifications post-traductionnelles et la localisation subcellulaire peuvent également contribuer aux fonctions biologiques d'ATF4, CHOP et ATF5 (Yang et al., 2004 et al., 2008 Chiribau et al., 2010 Liu et al., 2012).

Le réseau ISR de facteurs de transcription peut induire l'expression de trois classes de gènes cibles (Figure 8). Le premier groupe ne dépend que du facteur de transcription ATF5. Parmi les gènes spécifiques d'ATF5 se trouve TXNIP. Des niveaux élevés de TXNIP pendant certaines conditions de stress du RE peuvent atténuer la fonction des thiorédoxines, augmentant les espèces réactives de l'oxygène et améliorant le clivage de la caspase-1 et la production d'interleukine-1b par la liaison de TXNIP à l'inflammasome NLRP3, qui ensemble peuvent déclencher le clivage de la caspase-3 et la mort de cellules β pancréatiques (Lerner et al., 2012 Oslowski et al., 2012). Les niveaux d'ATF5 sont fortement réduits en l'absence de HACHER, suggérant que les promoteurs de gènes ciblés uniquement par ATF5 ont une plus grande affinité pour ce facteur de transcription. De plus, le knockdown dirigé par shRNA de TXNIP n'a pas altéré la survie des cellules MEF traitées avec MG132 (Figure 7, D et E), ce qui suggère que les différences dans les types de cellules et les conditions de stress peuvent altérer les voies de signalisation régulant la survie des cellules. Le deuxième groupe comprend des gènes spécifiques à CHOP, illustrés par GADD34, qui fonctionne pour déphosphoryler eIF2α∼P dans le contrôle de rétroaction de l'ISR (Figure 8). CHOP induction de GADD34 l'expression est suggérée pour réduire la survie des cellules pendant le stress chronique, car une reprise prématurée de la synthèse des protéines peut entraîner un mauvais repliement et une agrégation des protéines (Marciniak et al., 2004). Le troisième groupe présente des gènes nécessitant à la fois CHOP et ATF5 pour une expression complète (Figure 8). Cette codépendance peut être la conséquence de CHOP facilitant l'expression élevée de la protéine ATF5 en réponse à l'inhibition du protéasome, facilitant la liaison de ce facteur de transcription aux promoteurs des gènes ciblés. Alternativement, CHOP et ATF5 pourraient activer l'expression génique en s'associant conjointement à des promoteurs cibles. Parmi ce troisième groupe se trouve NOXA, qui peut induire l'apoptose lors de stress, comme l'inhibition du protéasome (Fernandez et al., 2005 Qin et al., 2005 Wang et al., 2009). NOXA peut se lier et inhiber le membre de la famille de prosurvie BCL2 MCL1, ce qui facilite la perméabilisation de la membrane mitochondriale, la libération du cytochrome C et l'activation du complexe apoptosome et le clivage des caspases 3/9 (Ploner et al., 2008 Youle et Strasser, 2008). De plus, l'ATF5 facilite l'expression de APAF1 (Figure 7), un régulateur clé de l'apoptose et de l'apoptose (Youle et Strasser, 2008). Par conséquent, CHOP et ATF5 contrôlent l'expression de multiples régulateurs de la voie intrinsèque de l'apoptose en réponse à des perturbations de l'homéostasie des protéines, avec le thème général de l'induction de facteurs pro-apoptotiques et de la répression de ceux qui facilitent la survie.

Rôles biologiques de l'ATF5

ATF5 L'ARNm a été identifié pour la première fois dans les neurones sensoriels au cours du développement embryonnaire de l'épithélium olfactif et des organes voméronasaux, suggérant un rôle pour l'ATF5 dans la différenciation des neurones olfactifs (Lee et al., 2009). Élevé ATF5 L'ARNm a également été observé dans les gliobastomes et d'autres tumeurs sélectionnées, et il a été suggéré que ATF5 l'expression, qui est diminuée après le développement neural, peut être restaurée lors de la différenciation du cancer (Angelastro et al., 2005 Greene et al., 2009). Ces études suggèrent que l'ATF5 est un contributeur important à la prolifération de certains cancers. Cependant, dans d'autres types de cellules, l'ATF5 réduisait la viabilité cellulaire (Shringarpure et al., 2006 Plonnier et al., 2008 et al., 2008). De cette façon, l'ATF5 peut contribuer à la survie ou à la mort des cellules, selon le type de cellule, le stade de développement ou les conditions de stress. Notre étude indique que CHOP et ATF5 peuvent cibler sélectivement les gènes qui affectent négativement les cellules lors de la perturbation de l'homéostasie des protéines. Une question importante pour les études futures est de savoir si eIF2α∼P et les ISR contribuent également à ATF5 l'expression et ses fonctions dans le devenir cellulaire au cours du développement neural et de la tumorigenèse.


Transcription eucaryote

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 ([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-ARNr 5S, les pré-ARN de transfert (pré-ARNt) et petit nucléaire pré-ARN. 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.

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) ([link]). 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.

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 possède également une Coffret CAAT (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 un ou plusieurs Boîtes riches en GC (GGCG) ou boîtes d'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 s'explique en partie par le fait qu'il est difficile de déduire exactement où commence et se termine un promoteur eucaryote. Certains promoteurs sont présents au sein des 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. 1

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 davantage 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.

Allongement et terminaison eucaryote

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 FAIT, 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 au cours du traitement pré-ARNm.

Connexions artistiques

[lien] 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 ?

[lien] Non. Les procaryotes utilisent des promoteurs différents de ceux des eucaryotes.

Questions de révision

Quelle caractéristique des promoteurs peut être trouvée à la fois chez les procaryotes et les eucaryotes ?

Quels transcrits seront les plus affectés par de faibles niveaux de -amanitine ?

  1. ARNr 18S et 28S
  2. pré-ARNm
  3. ARNr et ARNt 5S
  4. autres petits ARN nucléaires

Notes de bas de page

    H Liang et al., « Evolution rapide des promoteurs de base dans les génomes des primates », Biologie moléculaire et évolution 25 (2008): 1239–44.

Glossaire


Le promoteur et les machines de transcription

Les gènes sont organisés pour faciliter le contrôle de l'expression des gènes. La région promotrice est immédiatement en amont de la séquence codante. Cette région peut être courte (seulement quelques nucléotides de long) ou assez longue (des centaines de nucléotides de long). Plus le promoteur est long, plus l'espace disponible pour la liaison des protéines est important. Cela ajoute également plus de contrôle au processus de transcription. La longueur du promoteur est spécifique d'un gène et peut différer considérablement d'un gène à l'autre. Par conséquent, le niveau de contrôle de l'expression des gènes peut également différer considérablement d'un gène à l'autre. Le but du promoteur est de lier des facteurs de transcription qui contrôlent l'initiation de la transcription.

Dans la région promotrice, juste en amont du site de démarrage de la transcription, réside la boîte TATA. Cette boîte est simplement une répétition de dinucléotides thymine et adénine (littéralement, répétitions TATA). L'ARN polymérase se lie au complexe d'initiation de la transcription, permettant à la transcription de se produire. Pour initier la transcription, un facteur de transcription (TFIID) est le premier à se lier à la boîte TATA. La liaison de TFIID recrute d'autres facteurs de transcription, notamment TFIIB, TFIIE, TFIIF et TFIIH à la boîte TATA. Une fois ce complexe assemblé, l'ARN polymérase peut se lier à sa séquence amont. Lorsqu'elle est liée avec les facteurs de transcription, l'ARN polymérase est phosphorylée. Cela libère une partie de la protéine de l'ADN pour activer le complexe d'initiation de la transcription et place l'ARN polymérase dans la bonne orientation pour commencer la transcription. protéines médiatrices ([link]).


En plus des facteurs de transcription généraux, d'autres facteurs de transcription peuvent se lier au promoteur pour réguler la transcription des gènes. Ces facteurs de transcription se lient aux promoteurs d'un ensemble spécifique de gènes. Ce ne sont pas des facteurs de transcription généraux qui se lient à chaque complexe promoteur, mais sont recrutés dans une séquence spécifique sur le promoteur d'un gène spécifique. Il existe des centaines de facteurs de transcription dans une cellule qui se lient chacun spécifiquement à un motif de séquence d'ADN particulier. Lorsque les facteurs de transcription se lient au promoteur juste en amont du gène codé, on parle de cis-élément agissant, car il se trouve sur le même chromosome juste à côté du gène. La région à laquelle se lie un facteur de transcription particulier est appelée site de liaison du facteur de transcription. Les facteurs de transcription répondent aux stimuli environnementaux qui amènent les protéines à trouver leurs sites de liaison et à initier la transcription du gène nécessaire.


Résumé

Les molécules d'ARN peuvent se plier en des formes complexes qui peuvent fournir une couche supplémentaire de contrôle de l'expression des gènes au-delà de celle de leur séquence. Dans cette revue, nous discutons de la compréhension mécanistique actuelle des structures dans les régions 5' non traduites (UTR) des ARNm eucaryotes et des méthodologies émergentes utilisées pour les explorer. Ces structures peuvent réguler l'initiation de la traduction dépendante de la coiffe via le remodelage médié par l'hélicase des structures d'ARN et des interactions d'ARN d'ordre supérieur, ainsi que l'initiation de la traduction indépendante de la coiffe via les sites d'entrée des ribosomes internes (IRES), les modifications de l'ARNm et d'autres voies de traduction spécialisées. Nous discutons des structures d'ARN 5' UTR connues et de la façon dont les nouvelles technologies de sondage de structure couplées à une validation prospective, en particulier la mutagenèse compensatoire, sont susceptibles d'identifier des classes d'éléments d'ARN structurés qui façonnent le contrôle post-transcriptionnel de l'expression génique et le développement d'organismes multicellulaires.


Traitement de l'ARN : pré-ARNm &rarr ARNm

Tous les transcrits primaires produits dans le noyau doivent subir des étapes de traitement pour produire des molécules d'ARN fonctionnelles à exporter vers le cytosol. Nous nous limiterons à une vue des étapes telles qu'elles se produisent dans le traitement du pré-ARNm en ARNm.

  • Le gène d'un type de collagène trouvé chez les poulets est divisé en 52 exons distincts.
  • Le gène de dystrophine, qui est muté chez les garçons atteints de dystrophie musculaire, possède 79 exons.
  • Même les gènes de l'ARNr et de l'ARNt sont séparés par des introns.
  • On estime que le génome humain contient environ 180 000 exons. Avec une estimation actuelle de 21 000 gènes, le contenu moyen en exons de nos gènes est d'environ 9.

En général, les introns ont tendance à être beaucoup plus longs que les exons. Un exon eucaryote moyen ne fait que 140 nucléotides de long, mais un intron humain s'étend sur 480 000 nucléotides !

Suppression des introns &mdash et épissure les exons ensemble &mdash sont parmi les étapes essentielles de la synthèse de l'ARNm.

Les étapes du traitement de l'ARN :

  • Synthèse de la casquette. Il s'agit d'une guanine modifiée (G) qui est attachée à l'extrémité 5&prime du pré-ARNm lorsqu'elle émerge de l'ARN polymérase II (Pol II). le capuchon
    • protège l'ARN contre la dégradation par les enzymes qui dégradent l'ARN de l'extrémité 5&prime
    • sert de point d'assemblage pour les protéines nécessaires pour recruter la petite sous-unité du ribosome pour commencer la traduction.

    La coupe et l'épissage de l'ARNm doivent être effectués avec une grande précision. S'il ne reste qu'un seul nucléotide d'un intron ou qu'un seul est retiré d'un exon, le cadre de lecture à partir de ce point sera décalé, produisant de nouveaux codons spécifiant une séquence d'acides aminés totalement différente de ce point à la fin de la molécule (qui se termine souvent prématurément de toute façon lorsque le cadre de lecture décalé génère un ARRÊTER codons).

    L'élimination des introns et l'épissage des exons se fait par spliceosomes. Ce sont des complexes de 5 snRNA molécules et quelque 145 protéines différentes.

    Les introns dans la plupart des pré-ARNm commencent par un GU et se terminent par un AG. Vraisemblablement, ces courtes séquences aident à guider le spliceosome.

    Preuve visuelle

    L'image supérieure est une micrographie électronique d'une molécule hybride ARNm-ADN formée en mélangeant l'ARN messager (ARNm) d'un clone de cellules sécrétant des anticorps avec de l'ADN simple brin provenant du même type de cellules. La barre représente la longueur de 1000 bases.

    • V = région variable
    • E1 = première région constante (CH1) domaine
    • EH = région charnière
    • E2 et E3 = les nucléotides codant pour les deux domaines C-terminaux (CH2 et CH3).

    La partie non hybridée de l'ARNm est sa queue poly(A).

    [De R. Maki et al., Proc. Natl. Acad. Sci. Etats-Unis 77:2138, 1980.]

    Épissage alternatif

    Le traitement du pré-ARNm pour de nombreuses protéines se déroule selon diverses voies dans différentes cellules ou dans différentes conditions. Par exemple, au début de la différenciation d'une cellule B (un lymphocyte qui synthétise un anticorps), la cellule utilise d'abord un exon qui code pour un domaine transmembranaire qui fait que la molécule est retenue à la surface cellulaire. Plus tard, la cellule B utilise un exon différent dont le domaine permet à la protéine d'être sécrétée par la cellule en tant que molécule d'anticorps circulante.

    L'épissage alternatif fournit un mécanisme pour produire une grande variété de protéines à partir d'un petit nombre de gènes. Alors que nous, les humains, n'avons que 20 000 gènes, nous fabriquons probablement au moins 10 fois ce nombre de protéines différentes. On estime maintenant que 92&ndash94% de nos gènes produisent des pré-ARNm qui sont épissés alternativement. Il existe des preuves que le modèle d'épissage alternatif diffère systématiquement dans différents tissus et doit donc être réglementé. Mais il reste à voir si tous les produits sont fonctionnels ou si beaucoup sont simplement le résultat d'un processus sujet aux erreurs.

    • L'UTR 3' du bicoïde Le gène de la drosophile dirige l'ARNm vers la partie antérieure de l'embryon [Link]
    • la même région dans le Légumes gène de Xenopus dirige son ARNm vers le pôle végétal de l'embryon [Link].

    L'un des exemples les plus spectaculaires d'épissage alternatif est le Dscam gène dans Drosophile. Ce gène unique contient quelque 116 exons dont 17 sont retenus dans l'ARNm final. Certains exons sont toujours inclus, d'autres sont sélectionnés dans un tableau. Théoriquement, ce système est capable de produire 38 016 protéines différentes. Et, en fait, plus de 18 000 différents ont été trouvés dans l'hémolymphe de drosophile.

    Ces protéines Dscam sont utilisées pour établir une identité unique pour chaque neurone. Cela fonctionne comme ça. Chaque neurone en développement synthétise une douzaine d'ARNm Dscam parmi les milliers de possibilités. Celles qui sont sélectionnées semblent être simplement une question de chance, mais en raison du grand nombre de possibilités, chaque neurone se retrouvera très probablement avec un ensemble unique d'une douzaine de protéines Dscam. Comme chaque neurone en développement dans le système nerveux central fait germer des dendrites et un axone, ceux-ci expriment sa collection unique de protéines Dscam. Si les diverses extensions d'un même neurone devaient se rencontrer dans la toile enchevêtrée qui caractérise le tissu nerveux, elles sont repoussées. De cette façon, des milliers de neurones différents peuvent coexister en contact intime sans risque de contacts non fonctionnels entre les différentes extensions d'un même neurone.

    Nous avons également un DSCAM gène qui est situé sur le chromosome 21. Lorsqu'il est présent en 3 copies, il est probablement responsable de certaines des caractéristiques du syndrome de Down (et explique son nom complet : posséder Ssyndrome Caune UNEadhésion Molécule).

    Cependant, il est ne pas responsable de la spécification de l'identité des neurones comme le font les protéines Dscam chez la drosophile. Cette fonction semble être accomplie par des protéines de surface cellulaire appelées protocadhérines. Les protocadhérines sont un sous-ensemble des cadhérines, des protéines impliquées dans le contact cellule-cellule [Link]. Nos protocadhérines sont codées par une famille de 53 gènes. Cependant, un seul neurone n'en exprime qu'environ 6. Le choix des six est le fruit du hasard, ce qui donne lieu à des milliers de combinaisons possibles donnant à chaque neurone une identité unique. Comme le processus décrit ci-dessus pour la drosophile, si les dendrites d'un Célibataire neurone doivent se rencontrer, ils évitent d'établir une synapse par la répulsion médiée par leur collection identique de protocadhérines. De cette façon, des milliers de neurones différents peuvent coexister en contact intime sans risque de contacts non fonctionnels entre les différentes extensions d'un même neurone.

    • dans quel type de cellule se trouve le gène
    • par quel stade de différenciation cette cellule passe-t-elle
    • quels signaux extracellulaires cette cellule reçoit.

    Trans-épissage

    La plupart des gènes sont transcrits et leurs transcrits traités comme décrit ci-dessus. L'ARN polymérase parcourt un seul brin d'un seul locus de gène pour former un pré-ARNm qui est traité (y compris l'élimination des introns) pour former l'ARNm mature. Mais il y a des exceptions. Un certain nombre de cas ont été trouvés où deux transcrits précurseurs différents ont été épissés ensemble pour former la molécule d'ARN finale. Le phénomène s'appelle trans-épissage.

    • éloignés les uns des autres sur le même chromosome ou
    • sur des brins opposés du même locus génique ou
    • qui sont les deux allèles du gène sur leurs chromosomes séparés (homologues).

    1. L'enzyme nécessaire à la transcription est
    (a) ARNase
    (b) ADN polymérase
    (c) ARN polymérase
    (d) Enzymes de restriction

    2. La transcription est le transfert d'informations génétiques de
    (a) ADN à ARN
    (b) ADN en ARNm
    (c) ARNm en ARNt
    (d) ARNt en ARNm

    3. Le facteur Sigma est un composant de
    (a) ADN ligase
    (b) ADN polymérase
    (c) Endonucléase
    (d) ARN polymérase

    4. La fonction principale de l'ARNt en ce qui concerne la synthèse des protéines est
    (a) Relecture
    (b) identifie les acides aminés et les transporte vers les ribosomes
    (c) Inhibe la synthèse des protéines
    (Tout ce qui précède

    5. Une extrémité de l'ARNt correspond au code génétique dans des séquences de trois nucléotides appelées
    (a) codons
    (b) code génétique
    (c) extrémités franches
    (d) anticodon

    6. Le transcrit primaire le plus long est généré par
    (a) gène de la dystrophine
    (b) Gène Tintin
    (c) neuromédine u
    (d) centromère protéine A

    7. Une séquence d'ADN est lue par une ARN polymérase qui produit un brin d'ARN antiparallèle complémentaire appelé
    (a) Transcription hexadécimale
    (b) relevé de notes secondaire
    (c) relevé de notes principal
    (d) relevé de notes tertiaire

    8. Which of these subunits of RNA polymerase is totally required to initiate transcription?
    (a) alpha (α)
    (b) sigma (σ)
    (c) omega (ω)
    (d) beta (β)

    9. In both prokaryotic and eukaryotic cells, the synthesis of protein chains is initiated with
    (a) Arginine
    (b) Methionine
    (c) Serina
    (d) Valine

    10. In eukaryotes, in order to initiate transcription
    (a) RNA strand must be present
    (b) RNA polymerase must be present
    (c) Core promoter sequence must be present
    (d) None of these


    Voir la vidéo: Regulation of Gene Expression: Operons, Epigenetics, and Transcription Factors (Janvier 2023).