La ARN polimerasa IV ( RNAP IV ) es una enzima que sintetiza ARN interferente pequeño (siRNA) en plantas, que silencia la expresión genética . [1] [2] [3] La ARN polimerasa IV pertenece a una familia de enzimas que catalizan el proceso de transcripción conocido como ARN polimerasas , que sintetizan ARN a partir de plantillas de ADN. [4] Descubiertos a través de estudios filogenéticos de plantas terrestres, se cree que los genes de la ARN polimerasa IV son el resultado de procesos de evolución de múltiples pasos que ocurrieron en filogenias de la ARN polimerasa II . [5] Tal vía evolutiva está respaldada por el hecho de que la ARN polimerasa IV está compuesta por 12 subunidades proteicas que son similares o idénticas a la ARN polimerasa II, y es específica de los genomas de las plantas. [6] A través de su síntesis de siRNA, la ARN polimerasa IV está involucrada en la regulación de la formación de heterocromatina en un proceso conocido como metilación del ADN dirigida por ARN (RdDM). [1] [2]
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 la segunda más grande (RPD2) de la ARN polimerasa IV fue análogo a las búsquedas Blast de los genes de la ARN polimerasa II. [5] Los genes para RPD1 y RPD2 se encontraron en todas las plantas terrestres, y el gen más grande se encontró en el taxón de algas, Charale . Un análisis adicional del origen de la proteína indica un evento de duplicación genética de la subunidad más grande que sugirió que el evento de duplicación ocurrió después de la divergencia de Charales y las plantas terrestres y las algas. [5] Específicamente, la subunidad más grande en la ARN polimerasa 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 de la ARN polimerasa IV provienen de filogenias de la ARN polimerasa II en un proceso de múltiples pasos. En otras palabras, la divergencia de la primera subunidad es el primer paso de la evolución de nuevas ARN polimerasas. [5] La ARN polimerasa IV también comparte múltiples subunidades con la ARN polimerasa II, además de la subunidad más grande y la segunda más grande, lo que también fue sugerido por eventos de duplicación continua de linajes particulares. [7]
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 los 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] La RNAP IVa se especificó como RNAP IV, mientras que la RNAP IVb se conoció como RNAP V. [9 ]
La ARN polimerasa IV se compone de 12 subunidades proteicas que son similares o idénticas a las 12 subunidades que componen la ARN polimerasa II . Solo cuatro subunidades distinguen la estructura de la ARN polimerasa IV de la ARN polimerasa II y la ARN polimerasa V. La ARN polimerasa V se diferencia de la ARN polimerasa II en seis subunidades, lo que indica que tanto la ARN polimerasa IV como la ARN polimerasa V evolucionaron a partir de la ARN polimerasa II en plantas. [6] En Arabidopsis , se encontraron dos genes únicos que codifican subunidades que distinguen a la ARN polimerasa IV de la ARN polimerasa 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 la ARN polimerasa V. [1] Estas subunidades contienen dominios carboxilo-terminales (CTD) que son necesarios para la producción del 20-30% de los ARNi producidos por la ARN polimerasa IV, pero no son necesarios para la metilación del ADN . [11]
Hay 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 la ARNP IV (NRPD1 y NRPD2) interrumpe la formación de heterocromatina. [2] Como la heterocromatina es la porción silenciada del ADN, se forma cuando la ARNP IV amplifica la producción de pequeños ARN interferentes (siRNA) que son responsables de metilar las bases de citosina en el ADN; esta metilación silencia segmentos del código genético, que aún pueden transcribirse en ARNm pero no traducirse en proteínas. [3] [12] La ARNP IV está involucrada en el establecimiento de 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]
En el primer paso de la formación de la heterocromatina, la ARN polimerasa IV se acopla con una ARN polimerasa dependiente de ARN conocida como RDR2 para formar un precursor bicatenario del ARNi. [14] A continuación, la proteína similar a DICER 3 (DLP3), una enzima que corta los sustratos de ARN bicatenario, corta el precursor bicatenario en ARNi de 24 nucleótidos de longitud cada uno. [15] Estos ARNi son luego metilados en sus extremos 3' por una proteína conocida como HUA ENHANCER 1 (HEN1). [16] Finalmente, estos ARNi metilados forman un complejo con una proteína conocida como ARGONAUTE-4 (AGO4) para formar el complejo silenciador que puede realizar la metilación necesaria para la producción de heterocromatina. [17] Este proceso se conoce como metilación del ADN dirigida por ARN (RdDM) o silenciamiento mediado por Pol IV, ya que la introducción de estos grupos metilo por ARNi silencia tanto los transposones como las secuencias repetitivas de ADN. [1]
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" específicos, ya que su dominio "SAWADEE" es un dominio de unión a la cromatina que busca modificaciones K4 no metiladas y K9 metiladas en la cola de la histona 3 (H3) de la cromatina; sus bolsillos de unión luego se unen 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 más activamente seleccionados en RdDM para promover la biogénesis de siRNA mencionada anteriormente de siRNA de 24 nucleótidos de longitud. Además, se une a modificaciones represivas de histonas, y cualquier mutación que interfiera con este proceso se asocia con una reducción en la metilación del ADN y la producción de siRNA. [18] La regulación de la producción de ARNi por la ARN polimerasa IV a través de este mecanismo produce importantes efectos posteriores, ya que los ARNi producidos de esta manera defienden al genoma contra la proliferación de virus invasores y elementos transponibles endógenos. [19]
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