La ARN polimerasa IV (o RNAP IV ) es una enzima que sintetiza pequeños ARN interferentes (ARNip) en plantas, que silencian la expresión génica . [1] [2] [3] RNAP IV pertenece a una familia de enzimas que catalizan el proceso de transcripción conocido como ARN polimerasas , que sintetizan ARN a partir de moldes de ADN. [4] Descubiertos a través de estudios filogenéticos de plantas terrestres, se cree que los genes de RNAP IV son el resultado de procesos de evolución de varios pasos que ocurrieron en las filogenias de la RNA polimerasa II . [5]Esta vía evolutiva está respaldada por el hecho de que el RNAP IV está compuesto por 12 subunidades de proteínas que son similares o idénticas a la ARN polimerasa II, y es específico de los genomas vegetales. [6] A través de su síntesis de ARNip, RNAP IV participa en la regulación de la formación de heterocromatina en un proceso conocido como Metilación de ADN dirigida por ARN (RdDM). [1] [2]
Descubrimiento
Estudios filogenéticos
Los estudios filogenéticos de plantas terrestres han llevado al descubrimiento de la ARN polimerasa IV. [5] El análisis de las subunidades más grande ( RPD1 ) y segunda más grande ( RPD2 ) de RNAP IV fue análogo a las búsquedas Blast de genes RNAP II. [5] Se encontraron genes para RPD1 y RPD2 en todas las plantas terrestres, y el gen más grande se encontró en el taxón de algas, Charale . Un análisis más detallado del origen de la proteína indica un evento de duplicación de genes de la subunidad más grande que sugirió que el evento de duplicación ocurrió después de la divergencia de Charales y plantas terrestres y algas. [5] Específicamente, la subunidad más grande en RNAP II formó RPD1 a través de un evento de duplicación y el gen RPD2 surgió debido a una divergencia. La evidencia de estos eventos de duplicación implica que los genes RNAP IV provienen de filogenias RNAP II en un proceso de múltiples pasos. En otras palabras, la divergencia de la primera subunidad es el primer paso de múltiples en la evolución de nuevos RNAP. [5] RNAP IV también comparte múltiples subunidades con RNAP II, además de las subunidades más grandes y segundas más grandes, lo que también fue sugerido por eventos de duplicación continua de linajes particulares. [7]
Distinción entre RNAP IV y RNAP V
Arabidopsis expresa dos formas de RNAP IV, anteriormente denominadas RNAP IVa y RNAP IVb, que difieren en la subunidad más grande y tienen acciones no redundantes. [8] El silenciamiento eficiente de transposones requiere ambas formas de RNAP IV, mientras que solo se requiere RNAP IVa para el silenciamiento basal. Este hallazgo sugirió el requisito de ambas formas para el mecanismo de metilación del transposón. [8] Experimentos posteriores han demostrado que lo que alguna vez se pensó que eran dos formas de RNAP IV son en realidad dos polimerasas estructural y funcionalmente distintas. [9] RNAP IVa se especificó para ser RNAP IV mientras RNAP IVb se hizo conocido como RNAP V . [9]
Estructura
La ARN polimerasa IV se compone de 12 subunidades de proteínas que son similares o idénticas a las 12 subunidades que componen la ARN polimerasa II . Sólo cuatro subunidades distinguen la estructura de RNAP IV de RNAP II y RNAP V. La RNA polimerasa V se diferencia de RNAP II en seis subunidades, lo que indica que tanto RNAP IV como RNAP V evolucionaron a partir de RNAP II en plantas. [6] En Arabidopsis , se encontraron dos genes únicos que codifican subunidades que distinguen RNAP IV de RNAP II. [10] La subunidad más grande está codificada por NRPD1 (anteriormente NRPD1a), mientras que la segunda subunidad más grande está codificada por NRPD2 y se comparte con RNAP V. [1] Estas subunidades contienen dominios carboxilo-terminales (CTD) que son necesarios para la producción del 20-30% de los ARNip producidos por la ARN polimerasa IV, pero no son necesarios para la metilación del ADN . [11]
Función
Existe evidencia de que la ARN polimerasa IV (RNAP IV) es responsable de producir heterocromatina , ya que la disfunción de cualquiera de las subunidades catalíticas de RNAP IV (NRPD1 y NRPD2) interrumpe la formación de heterocromatina. [2] Como la heterocromatina es la porción silenciada del ADN, se forma cuando el RNAP IV amplifica la producción de pequeños ARN interferentes (ARNip) que son responsables de la metilación de las bases de citosina en el ADN; esta metilación silencia segmentos del código genético, que aún se pueden transcribir en ARNm pero no traducir en proteínas. [3] [12] RNAP IV está involucrado en establecer los patrones de metilación en los genes 5S durante la maduración de la planta, lo que resulta en el desarrollo de características adultas en las plantas. [13]
Mecanismo
En el primer paso de la formación de heterocromatina, RNAP IV se acopla con una ARN polimerasa dependiente de ARN conocida como RDR2 para producir un precursor bicatenario del ARNip. [14] A continuación, la proteína tipo DICER 3 (DLP3), una enzima que corta sustratos de ARN bicatenario, escinde el precursor bicatenario en ARNip que tienen cada uno 24 nucleótidos de longitud. [15] Estos ARNip son luego metilados en sus extremos 3 'por una proteína conocida como HUA ENHANCER 1 (HEN1). [16] Finalmente, estos ARNip metilados se completan con una proteína conocida como ARGONAUTE-4 (AGO4) para formar el complejo silenciador que puede realizar la metilación requerida para la producción de heterocromatina. [17] Este proceso se conoce como metilación de ADN dirigida por ARN (RdDM) o silenciamiento mediado por Pol IV, ya que la introducción de estos grupos metilo por ARNip silencia tanto los transposones como las secuencias repetitivas de ADN. [1]
Regulación
SAWADEE HOMEODOMAIN HOMOLOG 1 (SHH1) es una proteína que interactúa con RNAP IV y es fundamental en su regulación a través de la metilación . SHH1 solo puede unirse a la cromatina en segmentos "marcados" especificados, ya que su dominio "SAWADEE" es un dominio de unión a cromatina que busca modificaciones de K4 sin metilar y K9 metilado en la cola de histona 3 (H3) de la cromatina; sus bolsas de unión luego se adhieren a la cromatina en estos sitios y permiten la ocupación de RNAP IV en estos mismos loci. De esta manera, SHH1 funciona para permitir el reclutamiento y la estabilidad de RNAP IV en los loci genómicos dirigidos más activamente en RdDM con el fin de promover la biogénesis de ARNip anteriormente mencionada de ARNsi de 24 nucleótidos de longitud. Además, se une a modificaciones de histonas represivas, y cualquier mutación que interfiera con este proceso se asocia con una reducción en la metilación del ADN y la producción de ARNip. [18] La regulación de la producción de siRNA por RNAP IV a través de este mecanismo da como resultado importantes efectos posteriores, ya que los siRNA producidos de esta manera defienden el genoma contra la proliferación de virus invasores y elementos transponibles endógenos. [19]
Referencias
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