ARN polimerasa I

ARN polimerasa 1 (también conocida como Pol I) es, en eucariotas superiores, la polimerasa que sólo transcribe el ARN ribosomal (pero no el ARNr 5S, que es sintetizado por ARN polimerasa III), un tipo de ARN que representa más del 50% del ARN total sintetizado en una célula.

Estructura y función

Pol I es una enzima de 590 kDa que consta de 14 subunidades proteicas (polipéptidos) y su estructura cristalina en la levadura Saccharomyces cerevisiae se resolvió con una resolución de 2,8 Å en 2013. Doce de sus subunidades tienen homólogos idénticos o relacionados en la ARN polimerasa II (Pol II) y la ARN polimerasa III (Pol III). Las otras dos subunidades están relacionadas con factores de iniciación de Pol II y tienen homólogos estructurales en Pol III.

La transcripción del ADN ribosomal se limita al nucleolo, donde están presentes alrededor de 400 copias del gen rDNA de 42,9 kb, dispuestas como repeticiones en tándem en las regiones organizadoras del nucleolo. Cada copia contiene una secuencia de ~13,3 kb que codifica las moléculas de ARN 18S, 5.8S y 28S, entrelazadas con dos espaciadores transcritos internos, ITS1 e ITS2, y flanqueados aguas arriba por una secuencia de 5' espaciador transcrito externo y un espaciador de 3' espaciador transcrito externo. Estos componentes se transcriben juntos para formar el pre-ARNr 45S. Luego, el pre-ARNr 45S se escinde postranscripcionalmente mediante snoARN de caja C/D y caja H/ACA, eliminando los dos espaciadores y dando como resultado los tres ARNr mediante una compleja serie de pasos. El ARN ribosomal 5S es transcrito por Pol III. Debido a la simplicidad de la transcripción de Pol I, es la polimerasa de acción más rápida y contribuye hasta el 60% de los niveles de transcripción celular en células en crecimiento exponencial.

En Saccharomyces cerevisiae, el ADNr 5S tiene la característica inusual de encontrarse dentro de la repetición del ADNr. Está flanqueado por espaciadores no transcritos NTS1 y NTS2, y Pol III lo transcribe hacia atrás, por separado del resto del ADNr.

Regulación de la transcripción del ARNr

La tasa de crecimiento celular depende directamente de la tasa de síntesis de proteínas, que a su vez está estrechamente relacionada con la síntesis de ribosomas y la transcripción de ARNr. Por tanto, las señales intracelulares deben coordinar la síntesis de ARNr con la de otros componentes de la traducción de proteínas. Se sabe que Myc se une al ADN ribosómico humano para estimular la transcripción del ARNr mediante la ARN polimerasa I. Se han identificado dos mecanismos específicos que garantizan un control adecuado de la síntesis de ARNr y la transcripción mediada por Pol I.

Dada la gran cantidad de genes de ADNr (varios cientos) disponibles para la transcripción, el primer mecanismo implica ajustes en la cantidad de genes que se transcriben en un momento específico. En las células de mamíferos, la cantidad de genes de ADNr activos varía según el tipo de célula y el nivel de diferenciación. En general, a medida que una célula se diferencia más, requiere menos crecimiento y, por lo tanto, tendrá una disminución en la síntesis de ARNr y una disminución en la transcripción de genes de ADNr. Cuando se estimula la síntesis de ARNr, SL1 (factor de selectividad 1) se unirá a los promotores de genes de ADNr que antes estaban en silencio y reclutará un complejo de preiniciación al que se unirá Pol I e iniciará la transcripción de ARNr.

Los cambios en la transcripción del ARNr también pueden ocurrir mediante cambios en la tasa de transcripción. Si bien aún se desconoce el mecanismo exacto a través del cual Pol I aumenta su tasa de transcripción, la evidencia ha demostrado que la síntesis de ARNr puede aumentar o disminuir sin cambios en la cantidad de ADNr transcrito activamente.

Ciclo de transcripción

En el proceso de transcripción (por cualquier polimerasa), hay tres etapas principales:

1. Iniciación: la construcción del complejo de polimerasa RNA en el promotor del gen con la ayuda de factores de transcripción
2. Elongación: la transcripción real de la mayoría del gen en una secuencia de ARN correspondiente
3. Terminación: el cese de la transcripción del ARN y el desmontaje del complejo de polimerasa del ARN.

Iniciación

Pol I no requiere ninguna caja TATA en el promotor, sino que depende de un elemento de control ascendente (UCE) ubicado entre −200 y −107, y un elemento central ubicado entre −45 y +20.

1. El factor de unión eucariota eucariota (UBF) ata la UCE y el elemento central.
2. UBF recluta y une un complejo de proteínas llamado SL1 en humanos (o TIF-IB en ratón), compuesto por la proteína TATA (TBP) y tres factores asociados con TBP (TAF).
3. La UBF dimer contiene varias cajas de grupos de alta movilidad (HMG-boxes) que introducen bucles en la región de arriba, permitiendo a la UCE y los elementos básicos entrar en contacto.
4. RRN3/TIF-IA es fosforilada y une Pol I.
5. Pol I se une al complejo UBF/SL1 vía RRN3/TIF-IA y comienza la transcripción.

Tenga en cuenta que este proceso es variable en diferentes organismos.

Alargamiento

A medida que Pol I escapa y elimina el promotor, UBF y SL1 permanecen unidos al promotor, listos para reclutar otro Pol I. De hecho, cada gen de ADNr activo puede transcribirse varias veces simultáneamente, a diferencia de los genes transcritos por Pol II, que asociarse con un solo complejo a la vez. Si bien el alargamiento se produce sin obstáculos in vitro, en este momento no está claro si este proceso ocurre en una célula, dada la presencia de nucleosomas. Pol I parece transcribir a través de nucleosomas, ya sea evitándolos o alterándolos, quizás con la ayuda de actividades de remodelación de la cromatina. Además, UBF también podría actuar como retroalimentación positiva, mejorando el alargamiento de Pol I a través de una función antirepresora. Un factor adicional, TIF-IC, también puede estimular la tasa general de transcripción y suprimir la pausa de Pol I. A medida que Pol I avanza a lo largo del ADNr, se forman superenrollamientos delante y detrás del complejo. Estos son desenrollados por la topoisomerasa I o II a intervalos regulares, similar a lo que se observa en la transcripción mediada por Pol II.

Es probable que el alargamiento se interrumpa en los sitios de daño del ADN. La reparación acoplada a la transcripción ocurre de manera similar a los genes transcritos con Pol II y requiere la presencia de varias proteínas reparadoras del ADN, como TFIIH, CSB y XPG.

Terminación

En eucariotas superiores, TTF-I se une y dobla el sitio de terminación en el extremo 3' final de la región transcrita. Esto obligará a Pol I a hacer una pausa. TTF-I, con la ayuda del factor de liberación de transcripción PTRF y una región rica en T, inducirá a Pol I a terminar la transcripción y disociarse del ADN y la nueva transcripción. La evidencia sugiere que la terminación podría limitar la velocidad en casos de alta producción de ARNr. TTF-I y PTRF estimularán indirectamente el reinicio de la transcripción por Pol I en el mismo gen de ADNr. En organismos como las levaduras en ciernes, el proceso parece mucho más complicado y aún no está completamente aclarado.

Punto de acceso de recombinación

Los puntos críticos de recombinación son secuencias de ADN que aumentan la recombinación local. La secuencia HOT1 en levadura es uno de los puntos críticos de recombinación mitótica mejor estudiados. La secuencia HOT1 incluye un promotor de transcripción de ARN polimerasa I. En una cepa mutante de levadura defectuosa en la ARN polimerasa I, se suprime la actividad HOT1 para promover la recombinación. El nivel de actividad de transcripción de la ARN polimerasa I que depende del promotor en la secuencia HOT1 parece determinar el nivel de recombinación mitótica cercana.