Transcription in Eukaryotic Cells

Transcription in Eukaryotes

Atif Hassan KhirelsiedAtif Hassan Khirelsied, , B.Sc., M.Sc., Ph.DB.Sc., M.Sc., Ph.D. . 

Department of BiochemistryDepartment of Biochemistry

Faculty of Faculty of MedicineMedicine

International University of International University of Africa,Africa, KhartoumKhartoum, Sudan., Sudan.

Eukaryotic gene transcription

E k ti i iti ti i lEukaryotic initiation is more complex.

About 50 different proteins (transcription factors) bind to promoter .

RNA polymerases bind several transcription factorsRNA polymerases bind several transcription factors. 

The Eukaryotic Transcription Factors

Th th l t ( l t )• The are many other regulatory sequences (elements) in eukaryotic genes .

• The number and type of these elements varies with each gene.

The Eukaryotic Transcription Factors

• Eukaryotes have three types of RNA polymerases, I, II,Eukaryotes have three types of RNA polymerases, I, II, and III, and prokaryotes only have one type.

• Eukaryotes contain many different promoter elements: TATA b i iti t l t d tTATA box, initiator elements, downstream core promoter element, CAAT box, and the GC box

The basal promoter elements

Th b l t l t th CCAAT b ( t)The basal promoter elements are the  CCAAT‐boxes (cat) 

and TATA‐boxes . 

The TATA‐box resides 20 to 30 bases upstream of the 

l d l h ktranscriptional start site and is similar to the prokaryotic 

Pribnow‐box .

Eukaryotic Transcription UnitEukaryotic Transcription Unit

The Eukaryotic PromoterThe Eukaryotic Promoter

The Eukaryotic RNA Polymerases

Eukaryotic cells have three distinct, RNA polymerases (pol) I, II and III.

Each polymerase synthesize a different class of RNA.Each polymerase synthesize a different class of RNA.

Classes of RNA pol merases ere identified b theirClasses of RNA polymerases were identified by their sensitivity to α‐amanitin.

The Eukaryotic RNA Polymerases

Diff t t f RNA th i d b diff t RNA P lDifferent types of RNA are synthesized by different RNA‐Polymerases.

The Eukaryotic RNA Polymerases

α‐amanitin inhibits RNA polymerases

The inhibitor of transcription

i h ll idAmanita phalloides

The Eukaryotic Transcription Factors

• Numerous Transcription Factors interact with the TATA• Numerous Transcription Factors interact with the TATA‐

box.

• TF interacting with are RNA polymerase II include:

– TFIIA 

– TFIIB 

– TFIID  

– TFIIEReview their structural and functional features at the end of this presentationTFIIE 

– TFIIF 

– TFIIH

features at the end of this presentation

– TFIIH 

Generalized scheme of binding of transcription factors to the promoter regions of eukaryotic cells.p g y

Following the binding of the transcription factors IID, IIA, IIB, IIE and IIF a pre‐initiation complex is formed RNA polymerase II then binds to thisa pre‐initiation complex is formed. RNA polymerase II then binds to this complex and begins transcription from the start point 1.

The Eukaryotic Transcription Factors

The basal transcription factors (BTF)

BTF th t i f t• BTFs are the proteins necessary for accurate 

transcription.p

• They are distinct from the regulatory transcription 

factors, which bind to sequences far away from the 

start and serve tomodulate levels of transcriptionstart and serve to modulate levels of transcription., 

Eukaryotic transcription factors

• The protein C/EBP (for CCAAT‐box/ Enhancer BindingThe protein C/EBP (for CCAAT box/ Enhancer Binding 

Protein) binds to the CCAAT‐box. 

• Other transcrpition factors include:

1. CTF (CAAT Transcrition Factor). 

2 Sp1 (specificity protein 1)2. Sp1 (specificity protein 1). 

Eukaryotic transcription factors

Eukaryotic transcription factors

Diff t bi ti f t i ti f t t• Different combinations of transcription factors  exert 

differential regulatory effects upon transcriptional 

initiation. 

ll d ff b f• Various cells express different combinations of 

transcription factors leading to tissue specific regulation of p g p g

gene expression.

Eukaryotic transcription factors

Eukaryotic transcription regulatory elements

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

The helix‐turn‐helixThe helix turn helix

I t i th h li t h li (HTH) i j• In proteins, the helix‐turn‐helix (HTH) is a major structural motif capable of binding DNA. 

• It is composed of two α helices joined by a short strand of amino acids

• It is found in many proteins that regulate gene expressionexpression.

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

Th L i ZiThe Leucine Zipper

• A leucine zipper, leucine scissors, is a super‐secondary structural motif with two parallel α ‐helices.p

• It is a common dimerization domain found in some proteins involved in regulating gene expression

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

The Zinc Finger

• Zinc fingers are small protein structural motifs that can coordinate one or more zinc ions to stabilize theircan coordinate one or more zinc ions to stabilize their folds. 

• They function as interaction modecules that bind DNA RNA iDNA, RNA, proteins. 

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

The helix‐loop‐helixThe helix‐loop‐helix

• This motif is characterized by two α‐helicesconnected by a loop. 

• In general, transcription factors including this domain In general, transcription factors including this domainare dimeric, each with one helix containing basic amino acid residues that facilitate DNA binding.a o ac d g

Structural Motifs in DNA Binding Proteins

TFIIA

• Consists of three protein subunits in humans and 

drosophila 

• TFIIA binds directly to TBP (TATA binding protein) and 

stabilizes its binding to DNA,

• TFIIA acts as an anti‐repressor, stabilizing TFIID binding byTFIIA acts as an anti repressor, stabilizing TFIID binding by 

blocking repressors of transcription

TFIIBTFIIB

• Binds directly to TBP, recruits RNA polymerase II, through an interaction with the small subunit of TFIIF. 

• Stabilizes TBP binding to TATA element• Stabilizes TBP binding to TATA element. 

• Required for association of RNA polymerase II to the initiation complex. 

TFIID = (TBP + TAFs)TFIID = (TBP + TAFs)

• Is multimeric (>5 subunits) transcription factor that• Is multimeric (>5 subunits) transcription factor that recognizes and binds to the promoter DNA. 

• Consists of TATA‐binding protein (TBP), and several TBP‐i t d f t (TAF )associated factors (TAFs). 

• It initiates transcription and recruits other transcription factors through a direct interaction with TFIIB.

TBPTBP

• The TBP protein resembles a saddle, with the inner 

f t ti DNA d th t f ksurface contacting DNA and the outer surface make 

protein‐protein contacts.p p

TFIIE

• Two subunits. Forming a tetramer of two molecules of 

h b i h l b i h i fieach subunit,  the large subunit has a zinc finger 

domain.domain. 

• Recruits TFIIH to the initiation complex and modulates 

TFIIH kinase and helicase activities. 

TFIIFTFIIF

TFIIF i f RNA l II t t bl• TFIIF is necessary for RNA polymerase II to stably 

associate with the TFIIF‐TFIIB‐promoter complex.p p

• Helps recruit RNA polymerase II to the initiation 

complex in collaboration with TFIIB. 

TFIIHTFIIH

• TFIIHs have at least six subunits. 

• The two largest TFIIH subunits are ATP‐dependent helicases.

• TFIIH is essential for promoter melting.