РНК-полимераза II (POL II) отвечает за транскрипцию матричных РНК (mRNA) и ряда длинных некодирующих РНК (lncRNA), включая антисмысловую РНК (asRNA). Известные в настоящее время экзоны mRNA, кодирующие белки, составляют менее 3% всех транскриптов. Остальные 97% транскриптов, присутствующие в клетке, не кодируют белки, являясь предшественниками некодирующих РНК. Значительная их часть – это транскрипты POL II, используемый аппарат которой одинаков при транскрипции mRNA и lncRNA. Стадия инициации транскрипции происходит на базальных промоторах, имеющих длину около 100 н.п., последовательности которых чрезвычайно разнообразны. Эти регуляторные фрагменты могут отличаться друг от друга мотивами коротких элементов, от присутствия и сочетания которых зависит уровень экспрессии генов. Однако общая схема инициации транскрипции всегда одинакова. Ее началом служит распознавание ТАТА-связывающим белком (TBP) октануклеотидного фрагмента базального промотора, расположенного на расстоянии ~-28 н.п от позиции старта транскрипции.

В этой работе мы сравнили текстовые и структурные характеристики базальных промоторов H.sapiens, влияющих на процессы инициации транскрипции мРНК и lncRNA. Использованы представительные выборки нуклеотидных последовательностей промоторов, выровненные относительно старта транскрипции, содержащиеся в базе EPD New (http://epd.vital-it.ch). Для mRNA выборка представлена 29597 промоторами, а для lncRNA 2339 промоторами. Построены профили частот встречаемости нуклеотидов на фрагментах длиной 80 н.п. (-50 ― +30), их лого-представления, а также профили параметров, характеризующих изменения локальной пространственной структуры двойной спирали ДНК и ее динамику. Текстовые и структурные характеристики промоторов мРНК были получены ранее [1]. Все характеристики промоторов lncRNA будут подробно описаны в работе, которая готовится к печати.

Изменения структуры ДНК и ее динамики на профилях промоторов lncRNA оказался полностью аналогичным их изменениям на профилях промоторов мРНК. А именно, архитектура базального промотора также включает в себя две сингулярные области ― гексануклеотид в окрестности позиции старта транскрипции (TSS), где равновесные параметры динуклеотидов двойной спирали резко меняются с каждым шагом, и октануклеотид (ТАТА-бокс), расположенный на расстоянии ~ -28 н.п. от него, для которого характерно расширение малого желоба и снижение интенсивности конформационной динамики.

Однако, лого-представления нуклеотидных последовательностей базальных промоторов mRNA и lncRNA выявляют существенные отличия. Эти отличия касаются энтропийной составляющей их нуклеотидных текстов. Исключение составляет ТАТА-бокс, где для обоих типов промоторов характерна предельно высокая энтропийная составляющая. Другой сингулярный участок промоторов − гексануклеотид в окрестности TSS, у промоторов lncRNA имеет более низкую энтропийную составляющую, чем у промоторов mRNA. В остальных же участках текста, напротив, более низкая энтропийная составляющая у промоторов mRNA. Возможно, именно поэтому короткие мотивы в промоторах mRNA могут играть роль регуляторов уровня генной экспрессии. Они могут взаимодействовать с белками транскрипционного аппарата POLII по механизму прямого узнавания, что для промоторов lncRNA представляется нам маловероятным.

Более высокий процент PyPu в положении TSS у базальных промоторов lncRNA указывает на то, что образование открытого комплекса в этих промоторах должно происходить легче (в среднем), чем в базальных промоторах mRNA. И это может обеспечивать им достаточно высокий уровень экспрессии.

Исследование частично выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 22-24-00936) (Рук. Туманян В.Г.)

[1] Melikhova, A.V.; Anashkina, A.A.; Il’icheva, I.A. Evolutionary Invariant of the Structure of DNA Double Helix in RNAP II Core Promoters. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 10873.https://doi.org/10.3390/ijms231810873

RNA polymerase II (POL II) is responsible for the transcription of messenger RNAs (mRNA) and a number of long non-coding RNAs (lncRNA), including antisense RNA (asRNA). Currently known mRNA exons encoding proteins account for less than 3% of all transcripts. The remaining 97% of the transcripts present in cells do not encode proteins, being precursors of non-coding RNAs. A significant part of them are POL II transcripts. The apparatus used POL II is the same for mRNA and lncRNA transcription. The transcription initiation step occurs at core promoters that are about 100 bp in length and whose sequences are extremely diverse. These regulatory fragments may differ from each other in motifs of short elements, the presence and combination of which determine the level of gene expression. However, the general pattern of transcription initiation is always the same. Its beginning is the recognition by the TATA-binding protein (TBP) of the octanucleotide fragment of the core promoter located at a distance of ~-28 bp from the transcription start position.

In this work, we compared the textual and structural characteristics of H. sapiens core promoters that affect the processes of mRNA and lncRNA transcription initiation. We used representative samples of nucleotide sequences aligned at transcription start site (TSS) from EPD New database (http://epd.vital-it.ch). Sets contain 29597 promoters for mRNA, and 2339 promoters for lncRNA. Profiles of different textual and structural characteristics were constructed on 80 bp fragments, in positions (-50 - +30). We analyzed the frequencies of occurrence of nucleotides in every position, logo representation of the nucleotide sequences, and changes of different parameters characterizing the local 3D structure of the DNA double helix as well as local changes of conformational dynamics. Textual and structural characteristics of mRNA promoters have been described earlier [1]. All characteristics of lncRNA promoters will be described in detail in a forthcoming paper.

Changes of the indexes, characterizing the structure of DNA and its dynamics on the profiles of lncRNA promoters turned out to be completely similar to their changes on the profiles of mRNA promoters. Namely, the architecture of the core promoter also includes two singular regions -- a hexanucleotide surrounding the transcription site start (TSS), where the equilibrium parameters of the double helix dinucleotides change sharply with each step, and an octanucleotide (TATA box) disposed at ~ -28 n.p., which is characterized by minor groove widening and a decrease in the intensity of conformational dynamics.

However, the logo representations of the nucleotide sequences of mRNA and lncRNA core promoters reveal significant differences. These differences concern the entropy component of the nucleotide texts. The exception is the TATA box, where both types of promoters are characterized by an extremely high entropy component. Another singular region of the promoters, the hexanucleotide surrounding the TSS, in the lncRNA promoters has a lower entropy component than in the mRNA promoters. In the other parts of the text, on the contrary, the mRNA promoters have a lower entropy component. Perhaps this is why short motifs in mRNA promoters can play the role of gene expression level regulators. They can interact with proteins of the POLII transcription apparatus by the mechanism of direct recognition, which seems unlikely to us for lncRNA promoters.

The higher percentage of PyPu in the TSS position in lncRNA core promoters points, that the open complex formation should be easier (on average) than in mRNA core promoters. And this may provide them with a sufficiently high level of expression.

The study was partly funded by a grant from the Russian Science Foundation (Project No. 22-24-00936) (Head Tumanyan V.G.)

[1] Melikhova, A.V.; Anashkina, A.A.; Il’icheva, I.A. Evolutionary Invariant of the Structure of DNA Double Helix in RNAP II Core Promoters. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 10873.https://doi.org/10.3390/ijms231810873