РНК-полимераза — фермент, осуществляющий синтез молекул РНК. В узком смысле, РНК-полимеразы обычно назвають ДНК-зависимые РНК-полимеразы, осуществляющие синтез молекул РНК на матрице ДНК, то есть осуществляют транскрипцию. Ферменты класса РНК-полимеразы очень важны для функционирования клетки, поэтому они у всех организмах и во многих вирусах. Химически РНК-полимеразы является нуклеотидил-трансферазы, что полимеризуют рибонуклеотиды на 3'-конце цепочки РНК.

История исследования

РНК-полимераза была открыта независимо Сэмом Вайссом и Джерардом Хурвиц в 1960 году. К этому моменту Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1959 году уже была присуждена Северо Очоа и Артуру Корнбергу за открытие вещества, которое считали РНК-полимеразы, что впоследствии оказалась рибонуклеазы.

Нобелевская премия по химии в 2006 году была присуждена Роджеру Корнбергу за получение точных изображений молекул РНК-полимеразы в различные моменты процесса транскрипции.

Управление транскрипцией

Управление процессом транскрипции генов позволяет контролировать экспрессию генов и таким образом позволяет клетке адаптироваться к изменениям условий внешней среды, поддерживать метаболические процессы на должном уровне, а также выполнять специфические функции, необходимые для существования организма. Неудивительно, что действие РНК-полимеразы очень сложная и зависит от множества факторов (так, в Escherichia coli идентифицировано более 100 факторов, тем или иным способом влияют на РНК-полимеразы).

РНК-полимераза начинает транскрипцию с особых участков ДНК, называемых промоторами, и синтезирует цепочку РНК, комплементарный соответствующей части цепи ДНК.

Процесс наращивания молекулы РНК нуклеотидами называется элонгацией. В эукариотических клетках РНК-полимераза может собирать цепочки длиной более 2400000 элементов (например, такую ​​длину имеет полный ген белка дистрофину).

РНК-полимераза завершает формирование цепочки РНК, когда встречает в ДНК специфическую последовательность, называется терминатором.

РНК-полимераза синтезирует такие типы РНК:

  • Матричная РНК (мРНК) — шаблон для синтеза белков в рибосомах.
  • Некодирующих РНК или «РНК-ген» — большой класс генов, кодирующих РНК, на которых не может быть построено белок. Самые известные представители этого класса — транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК), что сами участвуют в процессе синтеза белка. Однако, начиная с поздних 90-х годов 20 века было обнаружено много других РНК-генов. Это позволило предположить, что РНК-гены играют более значительную роль в клетке, чем считалось ранее.
    • Транспортная РНК (тРНК), переносящая аминокислоты к белковой цепочки, что растет на рибосоме, во время процесса трансляции.
    • Рибосомная РНК (рРНК), входящая в состав рибосомы;
    • МикроРНК, регулирующего активность генов;
    • Каталитическая РНК, обладает свойствами ферментов.

РНК-полимераза осуществляет синтез с нуля. Это возможно вследствие того, что взаимодействие начального нуклеотида гена и РНК-полимеразы позволяет ей закрепиться на цепочке и присоединиться к следующим нуклеотидов. Это отчасти объясняет, почему РНК-полимераза обычно начинает транксрипцию с аденина, за которым следует гуанин, урацил и затем цитозин. В отличие от ДНК-полимеразы РНК-полимеразы присуща также геликазна активность, не требует дополнительных ферментов для раскручивания спирали ДНК.

Действие РНК-полимеразы

Связывания и инициация транскрипции

В связке РНК-полимеразы участвует α-субъединица, распознающая элемент ДНК, предшествующий гену (-40 … -70 шагов), и σ-фактор, участок, распознает элемент на позициях -10 … -35. Существует большое количество σ-факторов, контролирующих экспрессию генов. Например: σ) завершается, и σ-фактор отделяется от РНК-полимеразы. Это позволяет РНК-полимеразной комплекса начать движение вперед, поскольку σ-фактор удерживал его на месте.

17-парный комплекс транскрипции содержит гибрид ДНК и РНК, содержащий 8 пар нуклеотидов — 8-шаговую участок РНК, соединенную с шаблонным цепочкой ДНК. По мере выполнения транскрипции, рибонуклеотиды добавляются к 3'-конца собираемой РНК, и РНК-полимеразной комплекс движется цепочкой ДНК. Хотя в РНК-полимеразы не обнаружено свойств, характерных для 3'-экзонуклеаза, аналогичных проверочной деятельности ДНК-полимеразы, имеются свидетельства того, что некоторые РНК-полимеразы останавливаются и корректируют ошибки в случаях ошибочного формирования пар нуклеотидов ДНК-РНК.

Добавление рибонуклеотидов к РНК имеет механизм, очень близок к полимеризации ДНК. Считается, что ДНК и РНК-полимеразы могут быть эволюционно связаны. Аспарагин остатки в РНК-полимеразы связываются с ионами Mg 2+, которые, в свою очередь, осуществляют выравнивание фосфатных групп рибонуклеотидов: первый Mg 2+ удерживает α-фосфат нуклеотидтрифосфату, подлежащего добавлению в цепочку. Это позволяет осуществить связывание нуклеотида с 3 'OH-группой конца снятого цепочки и таким образом добавить НТФ в цепочку. Второй Mg 2+ удерживает пирофосфат НТФ. Общее уравнение реакции таким образом имеет вид:

(НМФ) n + НТФ -> (НМФ) n + 1 + ПФ i

Терминация

Терминация транскрипции РНК может быть ρ-независимой или ρ-зависимой.

ρ-независимая терминация осуществляется без помощи ρ-фактора. Транскрипция палиндромный участка ДНК приводит к формированию шпильки из РНК, которая зациклена и связана сама на себя. Эта шпилька богата гуанин и цитозин, что делает ее более стабильной, чем гибрид ДНК-РНК. В результате 8-парный гибрид ДНК-РНК в комплексе транскрипции сокращается до 4-парного. В случае, если эти 4 последних пары нуклеотидов ссформовани слабыми аденином и жидкостях, молекула РНК отделяется ..

Бактериальная РНК-полимераза

У бактерий один и тот же фермент катализирует синтез трех типов РНК: мРНК, рРНК и тРНК.

РНК-полимераза — достаточно большая молекула. Основной фермент содержит 5 субъединиц (~ 400 кДа):

  • α 2: две α-субъединицы связывают остальные элементы фермента и распознают регулирующие факторы. Каждая субъединица состоит из двух доменов: αСКД (С-концевой домен) связывает первый элемент промотора, и αNКД (N-концевой домен) связывается с остальными компонентами полимеразы.
  • β: эта субъединица имеет собственное полимеразной действие, то есть катализирует синтез РНК. Она осуществляет инициацию процесса и управляет элонгацией.
  • β ': неспецифически связывается с ДНК.
  • ω: восстанавливает денатурированную РНК-полимеразы назад в дееспособную форму in vitro. Также обнаружено ее защитная / шаперонна воздействие на β'-субъединицы в Mycobacterium smegmatis.

Для связывания с промоторной областями ДНК, основной фермент нуждается еще одну субъединицу — сигма (σ). Сигма-фактор значительно снижает сродство РНК-полимеразы к неспецифическим областей ДНК, и в то же время повышает ее чувствительность к определенным промоторов, в зависимости от своей структуры. С его помощью транскрипция начинается с нужного участка ДНК.

Полный голофермент таким образом состоит из 6 субъединиц: α 2 ββ'σω (~ 480 кДа).

В структуре РНК-полимеразы присутствует канавка 55 Å длиной (5,5 нм) и 25 Å шириной (2,5 нм). Именно в эту канавку помещается двойная спираль ДНК, имеет ширину 20 Å (2 нм). На длине канавки заключается 16 нуклеотидов.

Молекулы РНК-полимеразы не плавают свободно в цитоплазме. Когда РНК-полимераза не используется, она связывается с неспецифическими областями ДНК в ожидании открытия активного промотора.

Транскрипционные кофакторы

Существуют белки, связывающиеся с РНК-полимеразы и влияют на его поведение. Например greA и greB с E. coli усиливают способность РНК-полимеразы розщипляты шаблон РНК с конца цепочки, растет. Такое расщепление может «спасти» застрявшую молекулу РНК-полимеразы, а также, вероятно, участвует в устранении ошибок сборки цепи РНК.

Отдельный кофактор Mfd задействован в транскрипционном восстановлении ДНК. Во время этого процесса РНК-полимераза обнаруживает поврежденные участки ДНК и привлекает другие ферменты для ее восстановления.

Многие другие кофакторов имеют регулирующее воздействие, заставляя РНК-полимеразы экспрессировать либо не экспрессировать определенные гены.

РНК-полимераза в эукариотических клетках

Эукариоты имеют различные типы РНК-полимеразы, которые классифицируются по типам РНК, которые они синтезируют:

  • РНК-полимераза I, синтезирует 45S-предшественника рРНК, что превращается затем в рРНК 28S, 18S и 5,8S, которые создают главные РНК-секции рибосомы.
  • РНК-полимераза II, синтезирует предшественников для мРНК, а также для большинства мяРНК и миРНК. Это лучше изученный тип РНК-полимеразы. Учитывая то, что транскрипция должна происходить под строгим контролем, РНК-полимеразы II для связывания с промоторами требуется целый набор факторов транскрипции.
  • РНК-полимераза III, синтезирует тРНК, 5S рРНК и другие малые РНК, присутствует в ядре и цитозоле.

Существуют также и другие типы РНК-полимеразы, используемые в митохондриях и хлоропластах.

РНК-полимераза у архей

Археи используют один вид РНК-полимеразы, который тем не менее очень похож на три основных типа РНК-полимеразы у эукариот. Некоторые ученые предполагают, что архейна РНК-полимераза в определенном приближении может быть эволюционным предком специализированных эукариотических полимераз.

РНК-полимераза у вирусов

Многие вирусы содержат РНК полимеразы. Пожалуй, лучше всего изучена вирусная РНК-полимераза бактериофага Т7. Эта РНК-полимераза, состоящая из одной субъединицы, похожа на митохондриальную и хлоропластная, а также на ДНК-полимеразы.

Считается, что большинство вирусных полимераз произошли от ДНК-полимеразы, а не от сложных многокомпонентных РНК-полимеразы.

Вирусные полимеразы очень разнообразны. Некоторые из них могут использовать как шаблон РНК, а не ДНК, как, например, у вирусов с двухцепочечной РНК или одноцепочечной РНК с обратной последовательностью. Некоторые вирусы с одноцепочечной РНК с прямой последовательностью также содержат РНК-зависимые РНК-полимеразы.

Функциональные области

C'-концевой домен РНК-полимеразы

Инициирование транскрипции

Домен, расположенный на карбоксильных конце РНК-полимеразы II осуществляет инициацию транскрипции ДНК. C'-концевой домен обычно состоит из порядка 52 повторения последовательности Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser.

Фактор транскрипции TFIIH, что является киназы, гиперфосфорилюруе C'-концевой домен РНК-полимеразы, тем самым заставляя полимеразной комплекс начать движение от места инициации транскрипции.

5'-кеппинг

Домен карбоксильного конца также является местом связывания с комплексом кэп-синтеза и кэп-связывания. У эукариот после сборки 5'-конца РНК, кэп-синтезирующий комлекс отщепляет гамма-фосфат от 5'-фосфата и присоединяет к нему гуанозинмонофосфат с образованием 5 ', 5'-трифосфатных связи. Синтезирующий комплекс затем отделяется и шапочка с ГТФ связывается с кэп-связывающим комплексом, который в свою очередь связан с C'-конечным доменом РНК-полимеразы. Шапочка на 5'-конце эукариотических РНК важна для связывания молекул РНК с рибосомами или РНК-полимеразы, а также предотвращает разрушение РНК.

Сплайсосома

Углекисло-концевой домен РНК-полимеразы также является областью связывания с сплайсосомнимы факторами, участвующих в процессе сплайсинга РНК. Эти факторы способствуют осуществлению сплайсинга и удаление интронов в процессе транскрипции РНК.

Мутация в C'-конечном домене

Проведен ряд исследований поведения РНК-полимеразы при удалении определенных аминокислот с ее C'-концевого домена. Показано, что мутации усечения C'-концевого домена РНК-полимеразы II влияют на ее способность начинать транскрипцию набора генов in vivo, снижая чувствительность к активационных последовательностей этих генов.

Очистка РНК-полимеразы

РНК-полимераза может быть выделена следующими способами:

  • На фосфоцелюлозний колонке.
  • С помощью глицеринового градиентного центрифугирования.
  • С использованием колонки ДНК.
  • На ионообменной колонке.

А также комбинациями вышеуказанных методов.

Изображения по теме

  • РНК полимераза