15.4 RNA polymerase II core promoter core promotor 지역은전사개시부위에서위로 40bp 아래로 40bp 에해당한다. TATA box TATAXAX consensus sequence located 25-30 bp upstream of the transcription start site initiator element (Inr) overlaps the transcription initiation site downstream promoter element (DPE) extends from about +28 to +34 TFIIB recognition element (BRE) Figure 15.17 1
15.5 General transcription factors; basal transcription RNA polymerase II 는 core promoter 에결합하여전사를시작하기위하여 protein factor 의도움을필요로하며이들을 general transcription factors (GTFs) 라하고 TFIIA, TFIIB, TFIID TFIIE, TFIIF,TFIIH 가있다. TF 는 transcription factor 를의미하며 II 는 RNA polymerase II 를의미함. yeast 에서 human 에이르기까지모두이들 general transcription factor 를갖고있으며 archaea 도유사한것을갖고있다. 2
General transcription factors form the pre-initiation complex RNA polymerase II 는 transcription factor 와함께 core promoter 에서정확한전사의개시가일어나게끔하는데필요한 minimum transcription machinery 를구성한다. 또한이때의전사의수준은세포에서관찰되는것보다훨씬적어 basal transcription 이라고한다. transcription site 에 RNA polymerase II 와 transcription factor 가모여서 pre-initiation complex (PIC) 를만든다. 그림에서보는것처럼다양한과정을거쳐서만든다. PIC 를만드는과정에대하여세부적으로다음페이지부터배운다 Figure 15.18 3
Pre-initiation complex assembly 1. TFIID 혹은 TATA binding protein (TBP) 가 core promoter 에먼저결합한다. TFIID 는다른 factor 의도움없이 core promoter 에결합을한다. 이는 PIC 를만드는가장처음단계이다. 그러나 TFIID 의 subunit 중어느것이 TATA box 에결합하는지는밝혀지지않았었다. 그러나효모에서 TATA-binding protein (TBP) 이 TATA box 에결합하는것을밝힘. TBP 는 TFIID 의하나의 subunit 임 Figure 15.19: TBP structure. Figure 15.20 그림 15. 19; 장대식물의 TBP model. saddle 모양이며 c-terminal 지역이전사에중요하고 highly-conserved 되어있다. 그림 15.20; Human TBP DNA complex로 TBP가 TATA box의 minor groove에결합함을보여준다. 이때 TBP, TATA box 모두에약간의변형이일어난다. 4
2. TFIID 는 TATA box 가없는 core promoter 에도결합한다 TBP 는 TFIID 의 subunit 임이밝혀지고 TATA box 가없는곳에결합하기위하여 TFIID 내의다른 subunit 인 TBP-associated factor (TAFs) 가필요함이밝혀짐. 효모에서사람에이르기까지 TFIID 는필수적인 13 개의 TAF 를갖고있으며말발굽모양으로 TBP-subunit 는중앙부위에존재한다. ( 그림 15.21) Figure 15.21: Mapping of TBP on TFIID. Figure 15.22; TBP-associated factors (TAFs) bind promoter elements other than TATA 그림 15.22; TBP (yellow) 는 TATA box 가존재시 TATA box 에결합을하고그렇지않을경우 TAF2 (blue) 는 initiator (inr) 에결합하고 TAF15 (orange) TAF9 (orange) 이 down stream promoter element (DPE) 에결합함을보여준다. 5
3. TFIIA 혹은 TFIIB 는 TBP TATA box complex 에결합을한다 일단 TBP 가 TATA box 에결합한다는것이밝혀진다음에는다른 transcription factor 가어떠한순서로 core promoter 에붙느냐를연구함, 이를위하여 gel mobility shift assay 를이용함. Gel mobility assay; DNA 에단백질이결합하면 free DNA 보다전기영동상에서느리게이동한다는원리를이용함. ( 그림 15.23) Figure 15.23 Figure 15.24 Figure 15.25 실험결과 TBP DNA complex 다음에 TFIIA나 TFIIB가결합하는것이밝혀짐그림 15.24; TFIIA TBP TFIIB DNA complex를보여줌. TFIIB는 TATA box의바로위쪽에존재하는 TFIIB recognition element (BRE) 에결합하는것이밝혀졌으며 TFIIB는 TATA box가 RNA polymerase II의 active site에서 110Å 되는부위에위치하게한다. 이부위의길이는 30bp정도라 TATA box와전사개시부위간의간격이된다. 그림 15.25; RNA polymerase II와 TFIIB complex. TFIIB는노란색으로표시되며 N-terminal 지역을 B finger라고하고 RNA polymerase II의 active site 까지연결됨. 전사개시시점에 6 짧은 RNA 전사체가 RNA polymerase에안정되게결합하게함.
4. TFIIF-RNA polymerase II complex 와 TFIIE, TFIIH 등이결합하여 PIC 형성을완성 pre-formed RNA polymerase II TFIIF complex 는 TBP 와 TFIIB 의결합다음으로결합을한다. TFIIF 는 heterotetramer (α 2 β 2 ) 로되었으며원래 RNA polymerase associated protein 으로밝혀졌었음. TFIIα 는 protein kinase 로서전사의조절에중요한역할을하고 TFIIβ 는박테리아의 σ factor 와유사한역할을한다. 다음으로 TFIIE 는 TFIIB 에결합을하고 TFIIH 를불러드려 PIC 를완성하게된다. TFIIE 는두개 α unit 와두개의 β unit 로되었으며 dumbbell 모양으로 TFIIH 를 RNA polymerase complex 에불러드리는것이주된역할이며 TFIIH 의 helicase 와 kinase 활성을조절한다. Human TFIIH 는 10 개의 subunit 로되었으며약 500 kda 임. XPB 와 XPD 라불리는 subunit 은 helicase activity 를갖고있다. 이곳에이상이생기면 xeroderma pigmentosum 이라는병에걸려이상이있는 DNA 의수선을하지못하게된다. TFIIH 는 cyclin-dependent protein kinase (CDK) 로서 cell cycle 에서중요한작용을한다. Figure 15.26 Model of TFIIH Figure 15.27 RNA polymerase II transcription initiation complex 7
The transcription initiation process 1. TBP bends the TATA box around the C-terminal domain of TFIIB 2. The N-terminal domain of TFIIB brings the complex to RNA polymerase II and 3. positions the transcription initiation site in the active site of RNA polymerase 4. The RNA polymerase II-TFIIB- promoter complex recruits TFIIE, which then recruits TFIIH 5. The helicase activity of TFIIH unwinds DNA in the vicinity of the initiation site 6. TFIIF captures the non-template strand after unwinding 7. The template strand descends to the active site The major transitions from transcription initiation to elongation 1. The nascent transcript begins to push against the B finger of TFIIB 2. RNA chain growth forces the B finger out of the active site cleft space, leading to TFIIB dissociation 3. The 5'-end of the ten residue transcript is no longer part of the DNA:RNA hybrid and begins to thread into the exit tunnel 4. The transcription complex escapes from the promoter 5. TFIIB and TFIID remain bound to the promoter to facilitate subsequent rounds of transcription 8
15.6 Transcription Elongation RNA polymerase II 의가장큰 subunit 인 Rpb1 의 c-terminal domain (CTD) 이 initiation complex 에서 elongation complex 로전이되는데중요한역할을한다. 이부위는 heptapeptide Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser 이반복된부위로 human 에서는 53 번반복되고효모는 26 번반복된다. 이부위가 protein kinase 에의하여 phosphorylation 되는부위로전사기간동안에인산화의정도가틀려진다. 즉 pre-initiation complex 내로조립될경우에는 RNA polymerase 가 dephosphorylation 되어야하며 elongation 시작용하기위해서는다시 phosphorylation 되어야한다. 전사가끝난후에는다시 dephosphorylation 된다. TFIIH 의 CDK 영역이 phosphorylation 시중요한역할을한다. The transcription elongation complex more stable than the initiation complex approximately 14 bp are melted to form the transcription bubble first eight nucleotides within bubble are paired with the RNA chain double stranded DNA opens up in front of the bubble and closes up behind the bubble as RNA polymerase moves along the transcription bubble extends from -12 to +2 9
Elongation factor TFIIS reactivates arrested RNA polymerase RNA polymerase II 는 template DNA strand 를따라서일정하게이동하는것이아니라약간의앞뒤운동을하기도한다. 중합효소의 reverse movement 를 backtracking 이라고하며이때 transcriptional pausing 과 arrest 가일어난다. 그림 15.28 은잘못된염기가삽입되었을때에 (blue circle) backtracking 이일어나며 TFIIS 의도움으로잘못된것이잘리고신장이계속되는것을보여줌. 교재그림 15.29 에는 RNA polymerase TFIIS RNA complex 의구조를보여준다. Figure 15.28 10
The transcription elongation complex is regulated crude nuclear extract 에서 nucleotide analog 인 DRB (5,6-dichro-1-β-D-ribofuranosyl Benzimidazole) 가전사의신장을막는것을발견하여 elongation 을조절하는 transcription elongation factor 를조사. 세가지 factor 를발견하였으며 DRB sensitivity-inducing factor (DSIF) 와 the negative elongation factor (NELF) 가 RNA polymerase 에결합하여전사의신장을막는것을발견 세번째 factor 인 positive transcription elongation factor b (P-TEFb) 는 cyclin-dependent protein kinase 로 Rpb 1 의 CTD 를인산화시켜서전사반응을진행시킨다. ( 그림 15.31 참조 ) DRB 는 P-TEFb 의 kinase activity 를막아서전사의신장을막는다. 마지막은전사의종결단계이나이는 processing 과같이일어나는복잡한과정으로다음장에서배운다. Figure 15.31 11