RNA-polymeraasi on entsyymi , joka syntetisoi RNA - molekyylejä . Suppeassa merkityksessä RNA-polymeraasia kutsutaan yleensä DNA-riippuvaisiksi RNA-polymeraaseiksi, jotka syntetisoivat RNA-molekyylejä DNA -templaatissa , eli suorittavat transkription . RNA-polymeraasiluokan entsyymit ovat erittäin tärkeitä solun toiminnalle, joten niitä löytyy kaikista organismeista ja monista viruksista . Kemiallisesti RNA-polymeraasit ovat nukleotidyylitransferaaseja, jotka polymeroivat ribonukleotideja RNA-ketjun 3'-päässä.
Sam Weiss ja Gerard Hurwitz (1928-2019) löysivät RNA-polymeraasin itsenäisesti vuonna 1960 . [1] Tähän mennessä Nobelin lääketieteen palkinto vuonna 1959 oli jo myönnetty Severo Ojoalle ja Arthur Kornbergille RNA-polymeraasin [2] , joka myöhemmin osoittautui ribonukleaasiksi , löytämisestä .
Vuonna 2006 kemian Nobel-palkinto myönnettiin Roger Kornbergille tarkkojen kuvien saamisesta RNA-polymeraasimolekyyleistä transkriptioprosessin eri kohdissa. [3]
Geenin transkriptioprosessin hallinta mahdollistaa geenin ilmentymisen säätelyn ja mahdollistaa siten solun sopeutumisen muuttuviin ympäristöolosuhteisiin, ylläpitää aineenvaihduntaprosesseja oikealla tasolla ja suorittaa myös tiettyjä toimintoja, jotka ovat välttämättömiä organismin olemassaololle. Ei ole yllättävää, että RNA-polymeraasin toiminta on hyvin monimutkaista ja riippuu monista tekijöistä (esimerkiksi Escherichia colissa on tunnistettu yli 100 tekijää, jotka vaikuttavat RNA-polymeraasiin tavalla tai toisella [4] ).
RNA-polymeraasi aloittaa transkription DNA:n tietyiltä alueilta, joita kutsutaan promoottoriksi , ja tuottaa RNA-juosteen, joka on komplementaarinen DNA-juosteen vastaavalle osalle.
Prosessia, jossa RNA-molekyyli muodostuu nukleotideilla , kutsutaan elongaatioksi. Eukaryoottisoluissa RNA-polymeraasi voi koota yli 2,4 miljoonan elementin ketjuja (esimerkiksi täydellisellä dystrofiiniproteiinigeenillä on tämä pituus ).
RNA-polymeraasi saattaa loppuun RNA-ketjun muodostumisen, kun se kohtaa DNA:ssa tietyn sekvenssin, jota kutsutaan terminaattoriksi .
RNA-polymeraasi tuottaa seuraavan tyyppisiä RNA:ta:
RNA-polymeraasi suorittaa synteesin tyhjästä. Tämä on mahdollista johtuen siitä, että geenin alkuperäisen nukleotidin ja RNA-polymeraasin vuorovaikutus antaa sille mahdollisuuden saada jalansijaa ketjussa ja prosessoida seuraavat nukleotidit. Tämä osittain selittää, miksi RNA-polymeraasi aloittaa transkription tyypillisesti ATP:llä, jota seuraa GTP, UTP ja sitten CTP. Toisin kuin DNA-polymeraasi, RNA-polymeraasilla on myös helikaasiaktiivisuutta .
RNA-polymeraasin sitoutuminen käsittää α-alayksikön, joka tunnistaa geeniä edeltävän DNA-elementin (-40 ... -70 askelta), ja σ-tekijän, joka tunnistaa alueen -10 ... -35. On olemassa suuri määrä σ-tekijöitä, jotka säätelevät geenien ilmentymistä. Esimerkiksi: σ70 , joka syntetisoituu normaaleissa olosuhteissa ja sallii RNA-polymeraasin sitoutua geeneihin, jotka vastaavat solun aineenvaihduntaprosesseista; tai σ32 estää RNA-polymeraasin sitoutumisen lämpösokkiproteiinigeeneihin .
DNA:han sitoutumisen jälkeen RNA-polymeraasin rakenne muuttuu suljetusta avoimeksi. Tämä transformaatio käsittää DNA:n monokierteiden erottamisen noin 13 askeleen pituisen kiertymättömän alueen muodostamiseksi. Ribonukleotidit kootaan sitten ketjuksi templaattina käytetyn DNA:n perusjuosteen mukaisesti. DNA-molekyylien superkiertymisellä on merkittävä rooli RNA-polymeraasin aktiivisuudessa: koska RNA-polymeraasia edeltävä DNA-leikkaus on kierretty, siinä on positiivisia kompensoivia superkeloja. RNA-polymeraasin takana olevat DNA-alueet kiertyvät uudelleen ja niissä on negatiivisia superkeloja.
Transkription elongaatiovaiheen aikana ketjuun lisätään ribonukleotideja ja tapahtuu siirtymä RNA-polymeraasikompleksin rakenteesta avoimesta transkriptionaaliseen. Kun RNA-molekyyli kootaan, DNA-alue ennen RNA-polymeraasia kiertyy edelleen, ja 13 parin avoin kompleksi muunnetaan 17 parin transkriptiokompleksiksi. Tällä hetkellä promoottori (DNA-alue -10...-35 vaihetta) on valmis ja σ-tekijä erotetaan RNA-polymeraasista. Tämä mahdollistaa muun RNA-polymeraasikompleksin siirtymisen eteenpäin, kun σ-tekijä piti sen paikallaan.
17 parin transkriptiokompleksi sisältää DNA:n ja RNA:n hybridin, joka sisältää 8 emäsparia - 8-vaiheisen RNA-alueen, joka on yhdistetty DNA-templaattijuosteeseen. Transkription edetessä ribonukleotideja lisätään kootun RNA:n 3'-päähän ja RNA-polymeraasikompleksi liikkuu DNA-juostetta pitkin. Vaikka RNA-polymeraasilla ei ole DNA-polymeraasin seulontaaktiivisuuden kaltaisia 3'-eksonukleaasiominaisuuksia, on näyttöä siitä, että RNA-polymeraasi pysäyttää ja korjaa virheet epäyhteensopivien DNA-RNA-emäsparien tapauksissa.
Ribonukleotidien lisäämisellä RNA:han on mekanismi, joka on hyvin samanlainen kuin DNA:n polymerisaatiossa. Uskotaan, että DNA- ja RNA-polymeraasit voivat olla evoluutionaalisesti sukua. RNA-polymeraasin asparagiinitähteet sitoutuvat Mg 2+ -ioneihin , jotka puolestaan asettavat ribonukleotidien fosfaattiryhmät kohdakkain: ensimmäinen Mg 2+ säilyttää ketjuun lisättävän nukleotiditrifosfaatin a-fosfaatin. Tämä mahdollistaa nukleotidin sitoutumisen koottavan ketjun pään 3'-OH-ryhmään ja siten NTP:n lisäämisen ketjuun. Toinen Mg 2+ sisältää NTP-pyrofosfaattia. Yleisellä reaktioyhtälöllä on siis muoto:
(NMF) n + NTF --> (NMF) n+1 + PF i
RNA-transkription lopetus voi olla ρ-riippumaton tai ρ-riippuvainen.
ρ-riippumaton päättäminen suoritetaan ilman ρ-tekijän apua . DNA:n palindromisen alueen transkriptio johtaa RNA- hiusneulan muodostumiseen, joka on silmukka ja liittyy itseensä. Tämä hiusneula sisältää runsaasti guaniinia ja sytosiinia , mikä tekee siitä vakaamman kuin DNA-RNA-hybridi. Tämän seurauksena 8-parin DNA-RNA-hybridi transkriptiokompleksissa pelkistyy 4-pariksi. Jos nämä viimeiset 4 emäsparia koostuvat heikosta adeniinista ja uridiinista , RNA-molekyyli erotetaan. [5]
Bakteereissa sama entsyymi katalysoi kolmen tyypin RNA:n synteesiä: mRNA :n , rRNA :n ja tRNA :n .
RNA-polymeraasi on melko suuri molekyyli. Pääentsyymi sisältää 5 alayksikköä (~400 kDa):
Sitoutuakseen DNA:n promoottorialueisiin pääentsyymi tarvitsee vielä yhden alayksikön - sigman (σ). Sigmatekijä vähentää merkittävästi RNA-polymeraasin affiniteettia DNA:n epäspesifisiin alueisiin ja samalla lisää sen herkkyyttä tietyille promoottoreille sen rakenteesta riippuen. Sen avulla transkriptio alkaa halutusta DNA-osasta.
Täydellinen holoentsyymi koostuu siis 6 alayksiköstä: α 2 ββ'σω (~ 480 kDa). RNA-polymeraasin rakenteessa on 55 Å (5,5 nm ) pitkä ja 25 Å (2,5 nm) leveä ura. Juuri tähän uraan sijoitetaan DNA:n kaksoiskierre, jonka leveys on 20 Å (2 nm). Uran pituus on 16 nukleotidia .
RNA-polymeraasimolekyylit eivät liukene sytoplasmaan. Kun RNA-polymeraasi ei ole käytössä, se sitoutuu epäspesifisiin DNA-alueisiin ennakoiden aktiivisen promoottorin avaamista.
On proteiineja, jotka sitoutuvat RNA-polymeraasiin ja vaikuttavat sen käyttäytymiseen. Esimerkiksi greA ja greB E. colista parantavat RNA-polymeraasin kykyä katkaista RNA-templaatti ketjun kasvavassa päässä. Tällainen katkaisu voi "pelastaa" jumiutuneen RNA-polymeraasimolekyylin, ja se on myös todennäköisesti mukana RNA-juosteen kokoonpanossa olevien virheiden eliminoinnissa.
Erillinen kofaktori , Mfd , osallistuu transkription DNA:n korjaukseen . Tämän prosessin aikana RNA-polymeraasi havaitsee vaurioituneet DNA-osat ja värvää muita entsyymejä korjaamaan sen.
Monilla muilla kofaktoreilla on säätelevä vaikutus, mikä saa RNA-polymeraasin ilmentämään tai olematta ilmentämään tiettyjä geenejä.
Eukaryooteilla on erilaisia RNA-polymeraaseja, jotka luokitellaan niiden tuottamien RNA-tyyppien mukaan:
Mitokondrioissa ja kloroplasteissa käytetään myös muita RNA-polymeraasityyppejä . Näiden entsyymien molekyylipaino on luokkaa 500 000. Ne eroavat herkkyydestään alfa-amanitiinille . RNA-polymeraasi I on epäherkkä sille, RNA-polymeraasi III on kohtalaisen herkkä ja se estää voimakkaasti RNA-polymeraasi II:ta . [yksitoista]
Archaea käyttää yhden tyyppistä RNA-polymeraasia, joka on kuitenkin hyvin samanlainen kuin eukaryoottien kolme päätyyppiä RNA-polymeraasia. Jotkut tutkijat ehdottavat, että arkeaalinen RNA-polymeraasi voi jossain määrin olla erikoistuneiden eukaryoottisten polymeraasien evolutionaarinen esi-isä. [12]
Monet virukset sisältävät RNA-polymeraasia. Ehkä parhaiten tutkittu viruksen RNA-polymeraasi löytyy bakteriofagi T7:stä. Tämä yhden alayksikön RNA-polymeraasi on samanlainen kuin mitokondrio- ja kloroplasti sekä DNA-polymeraasi. [14] Useimpien viruspolymeraasien uskotaan olevan peräisin DNA-polymeraaseista eikä monimutkaisista monikomponentti-RNA-polymeraaseista.
Viruspolymeraasit ovat hyvin lukuisia. Monet heistä voivat käyttää templaattina RNA:ta DNA:n sijaan, kuten esimerkiksi viruksissa, joissa on kaksijuosteinen RNA tai negatiivinen yksijuosteinen RNA. Jotkut positiivisen polariteetin yksijuosteiset RNA-virukset sisältävät myös RNA-riippuvaisia RNA-polymeraaseja . [viisitoista]
RNA-polymeraasi II:n hiilipäässä sijaitseva domeeni aloittaa DNA:n transkription. C-terminaalinen domeeni koostuu tavallisesti noin 52 toistosta Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser-sekvenssistä [16] . Transkriptiotekijä TFIIH, joka on kinaasi, hyperfosforyloi RNA-polymeraasin C-terminaalisen domeenin, jolloin polymeraasikompleksi alkaa liikkua transkription aloituskohdasta.
5'-päällinenC-terminaalinen domeeni on myös sitoutumiskohta capping-kompleksille. Eukaryooteissa mRNA-fosfataasin 5'-pään synteesin jälkeen polyribonukleotidin 5'-pään terminaalinen fosfaatti, guanosiinitransferaasientsyymi, lisää siihen guanosiinimonofosfaattia. Tämä muodostaa 5',5'-trifosfaattisidoksen. Sitten cap-kompleksi dissosioituu mRNA:sta, GTP:n 5'-cap sitoutuu cap-sitoutumiskompleksiin, RNA-polymeraasin C-terminaaliseen domeeniin. Eukaryoottisen mRNA-rakenteen 5'-suojus on erittäin tärkeä mRNA-molekyylien sitoutumiselle ribosomeihin ja se myös estää RNA:n hajoamisen.
SpliceosomeRNA-polymeraasin C-terminaalinen domeeni on myös alue, jossa sitoutuminen RNA:n silmukointiprosessiin osallistuviin silmukointitekijöihin . Nämä tekijät edistävät silmukointia ja intronien poistumista RNA-transkription aikana.
Mutaatio C-terminaalialueellaOn tehty useita tutkimuksia RNA-polymeraasin käyttäytymisestä, kun tietyt aminohapot poistetaan sen C-terminaalisesta domeenista. On osoitettu, että katkaisumutaatiot RNA-polymeraasi II:n C-terminaalisessa domeenissa vaikuttavat sen kykyyn aloittaa geenisarjan transkriptio in vivo , mikä vähentää herkkyyttä näiden geenien aktivaatiosekvensseille.
RNA-polymeraasi voidaan eristää seuraavilla tavoilla:
Sekä yllä olevien menetelmien yhdistelmät.
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
Transkriptio (biologia) | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Transkription säätely |
| ||||||||||||
Aktivointi | |||||||||||||
Initiaatio | Transkription aloitussivusto | ||||||||||||
Pidentymä |
| ||||||||||||
Irtisanominen |