РНК-полімераза

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
РНК-полімераза клітини T. aquaticus в процесі реплікації. Деякі елементи ферменту зроблені прозорими, і ланцжки РНК і ДНК видно виразніше. Іон магнію (жовтий) розташований на активній ділянці ферменту.

РНК-полімераза — фермент, що здійснює синтез молекул РНК. У вузькому сенсі, РНК-полімеразою зазвичай назвають ДНК-залежні РНК-полімерази, що здійснюють синтез молекул РНК на матриці ДНК, тобто здійснюють транскрипцію. Ферменти класу РНК-полімераз дуже важливі для функціювання клітини, тому вони є у всіх організмах і в багатьох вірусах. Хімічно РНК-полімерази є нуклеотиділ-трансферазами, що полімеризують рибонуклеотиди на 3'-кінці ланцюжка РНК.

Історія дослідження[ред.ред. код]

РНК-полімераза була відкрита незалежно Семом Вайссом і Джерардом Хурвіцем в 1960 році[1]. До цього моменту Нобелівська премія з фізіології і медицини в 1959 році вже була присуджена Северо Очоа і Артуру Корнбергу за відкриття речовини, яку вважали РНК-полімеразою[2], що згодом виявилася рибонуклеазою.

Нобелівська премія з хімії в 2006 році була присуджена Роджеру Корнбергу за отримання точних зображень молекул РНК-полімерази в різні моменти процесу транскрипції[3].

Керування транскрипцією[ред.ред. код]

Електронна мікрофотографія ланцюжків ДНК, обліплених сотнями молекул РНК-полімерази, дуже маленьких для такої роздільної здатності прилада. Кожна РНК-полімераза транскрибує один ланцюжок РНК, видимий на фотографії як відгалуження від ДНК. Відміткою «Begin» вказаний 5'-кінець ДНК, з якого РНК-полімераза починає транскрипцію; «End» — 3'-кінець, у якого транскрипція довших молекул РНК завершується.

Керування процесом транскрипції генів дозволяє контролювати експресію генів і таким чином дозволяє клітині адаптуватися до змін умов зовнішнього середовища, підтримувати метаболічні процеси на належному рівні, а також виконувати специфічні функції, необхідні для існування організму. Не дивно, що дія РНК-полімерази дуже складна і залежить від безлічі факторів (так, у Escherichia coli ідентифіковано більше 100 факторів, що тим або іншим способом впливають на РНК-полімеразу[4]).

РНК-полімераза починає транскрипцію з особливих ділянок ДНК, які називаються промоторами, і синтезує ланцюжок РНК, комплементарний відповідній частині ланцюга ДНК.

Процес нарощування молекули РНК нуклеотидами називається елонгацією. У еукаріотичних клітинах РНК-полімераза може збирати ланцюжки довжиною більше 2,4 млн елементів (наприклад, таку довжину має повний ген білка дістрофіну).

РНК-полімераза завершує формування ланцюжка РНК, коли зустрічає в ДНК специфічну послідовність, що називається термінатором.

РНК-полімераза синтезує такі типи РНК:

  • Матрична РНК (мРНК) — шаблон для синтезу білків в рибосомах.
  • Некодуюча РНК або «РНК-ген» — великий клас генів, що кодують РНК, на яких не може бути побудовано білок. Найвідоміші представники цього класу — транспортна РНК (тРНК) і рибосомна РНК (рРНК), що самі беруть участь в процесі синтезу білка. Проте, починаючи з пізніх 90-х років 20 століття було виявлено багато інших РНК-генів. Це дало можливість припустити, що РНК-гени відіграють значнішу роль в клітці, ніж вважалось раніше.

РНК-полімераза здійснює синтез з нуля. Це можливо внаслідок того, що взаємодія початкового нуклеотиду гена і РНК-полімерази дозволяє їй закріпитися на ланцюжку і приєднатись до наступних нуклеотидів. Це частково пояснює, чому РНК-полімераза зазвичай починає транксріпцию з аденіну, за яким слідує гуанін, урацил і потім цитозин. На відміну від ДНК-полімерази РНК-полімеразі притаманна також геліказна активність, що не потребує додаткових ферментів для розкручування спіралі ДНК.

Дія РНК-полімерази[ред.ред. код]

Зв'язування і ініціація транскрипції[ред.ред. код]

В зв'язуванні РНК-полімерази бере участь α-субодиниця, що розпізнає елемент ДНК, який передує гену (-40…-70 кроків), і σ-фактор, ділянка, що розпізнає елемент на позиціях −10…-35. Існує велика кількість σ-факторов, які контролюють експресію генів. Наприклад: σ70, який синтезується в нормальних умовах і дозволяє РНК-полімеразі зв'язуватися з генами, що відповідають за метаболічні процеси клітини; або σ32, що блокує зв'язування РНК-полімерази з генами білків теплового шоку.

Після зв'язування з ДНК, структура РНК-полімерази перетворюється із закритої у відкриту. Це перетворення включає розділення моноспіралей ДНК з утворенням розкрученої ділянки довжиною близько 13 нуклеотидів. Рибонуклеотиди потім збираються в ланцюжок відповідно до базового ланцюгу ДНК, яка використовується як шаблон. Суперскрученість молекул ДНК відіграє важливу роль в активності РНК-полімерази: оскільки ділянка ДНК перед РНК-полімеразою розкручена, в ній існують позитивні компенсаційні супервитки. Ділянки ДНК позаду РНК-полімерази знову закручуються і в них присутні негативні супервитки.

Елонгація[ред.ред. код]

Під час елонгаційної фази транскрипції відбувається додавання рибонуклеотидів до ланцюжка і перехід структури РНК-полімеразного комплексу від відкритої до транскрипційної. По мірі збірки молекули РНК, ділянка ДНК перед РНК-полімеразою розкручується далі, і 13-парний відкритий комплекс перетворюється на 17-парний комплекс транскрипції. У цей момент промотор (ділянка ДНК −10…-35 нуклеотидів[Джерело?]) завершується, і σ-фактор відділяється від РНК-полімерази. Це дозволяє РНК-полімеразному комплексу почати рух вперед, оскільки σ-фактор утримував його на місці.

17-парний комплекс транскрипції містить гібрид ДНК і РНК, що містить 8 пар нуклеотидів — 8-крокову ділянку РНК, сполучену з шаблонним ланцюжком ДНК. По мірі виконання транскрипції, рибонуклеотиди додаються до 3'-кінця збираної РНК, і РНК-полімеразний комплекс рухається ланцюжком ДНК. Хоча в РНК-полімеразі не виявлено властивостей, характерних для 3'-екзонуклеази, аналогічних перевірочній діяльності ДНК-полімерази, є свідоцтва того, що деякі РНК-полімерази зупиняються і коректують помилки у випадках помилкового формування пар нуклеотидів ДНК-РНК.

Додавання рибонуклеотидів до РНК має механізм, дуже близький до полімеризації ДНК. Вважається, що ДНК- і РНК-полімерази можуть бути еволюційно пов'язані. Аспарагінові залишки в РНК-полімеразі зв'язуються з іонами Mg2+, які, у свою чергу, здійснюють вирівнювання фосфатних груп рибонуклеотидів: перший Mg2+ утримує α-фосфат нуклеотидтрифосфату, що підлягає додаванню в ланцюжок. Це дозволяє здійснити зв'язування нуклеотида з 3' OH-групою кінця збираного ланцюжка і таким чином додати НТФ в ланцюжок. Другий Mg2+ утримує пірофосфат НТФ. Загальне рівняння реакції таким чином має вигляд:

(НМФ)n + НТФ --> (НМФ)n+1 + ПФi

Термінація[ред.ред. код]

Термінація транскрипції РНК може бути ρ-незалежною або ρ-залежною.

ρ-незалежна термінація здійснюється без допомоги ρ-фактора. Транскрипція паліндромної ділянки ДНК призводить до формування шпильки з РНК, яка зациклена і зв'язана сама на себе. Ця шпилька багата на гуанін і цитозин, що робить її стабільнішою, ніж гібрид ДНК-РНК. В результаті 8-парний гібрид ДНК-РНК в комплексі транскрипції скорочується до 4-парного. У випадку, якщо ці 4 останніх пари нуклеотидів ссформовані слабкими аденіном і урідином, молекула РНК відділяється. [5].

Бактеріальна РНК-полімераза[ред.ред. код]

У бактерій один і той самий фермент каталізує синтез трьох типів РНК: мРНК, рРНК і тРНК.

РНК-полімераза — чимала молекула. Основний фермент містить 5 субодиниць (~400 кДа):

  • α2: дві α-субодиниці зв'язують решту елементів ферменту і розпізнають регулюючі чинники. Кожна субодиниця складається з двох доменів: αСКД (С-кінцевий домен) зв'язує перший елемент промотора, і αNКД (N-кінцевий домен) зв'язується з рештою компонентів полімерази.
  • β: ця субодиниця має власне полімеразну дію, тобто каталізує синтез РНК. Вона здійснює ініціацію процесу і керує елонгацією.
  • β': неспецифічно зв'язується з ДНК.
  • ω: відновлює денатуровану РНК-полімеразу назад в дієздатну форму in vitro. Також виявлено її захисна/шаперонна дія на β'-субодиницю у Mycobacterium smegmatis.

Для зв'язування з промоторними областями ДНК, основний фермент потребує ще одну субодиницю — сігма (σ). Сігма-фактор значно знижує спорідненість РНК-полімерази до неспецифічних областей ДНК, і в той же час підвищує її чутливість до певних промоторів, залежно від своєї структури. З його допомогою транскрипція починається з потрібної ділянки ДНК.

Повний голофермент таким чином складається з 6 субодиниць: α2ββ'σω (~480 кДа).

У структурі РНК-полімерази присутня канавка 55 Å завдовжки (5,5 нм) і 25 Å завширшки (2,5 нм). Саме у цю канавку поміщається подвійна спіраль ДНК, що має ширину 20 Å (2 нм). На довжині канавки укладається 16 нуклеотидів.

Молекули РНК-полімерази не плавають вільно в цитоплазмі. Коли РНК-полімераза не використовується, вона зв'язується з неспецифічними областями ДНК в очікуванні відкриття активного промотора.

Транскрипційні кофактори[ред.ред. код]

Існують білки, що зв'язуються з РНК-полімеразою і впливають на її поведінку. Наприклад greA і greB з E. coli підсилюють здатність РНК-полімерази розщіпляти шаблон РНК з кінця ланцюжка, що росте. Таке розщеплення може «врятувати» застряглу молекулу РНК-полімерази, а також, ймовірно, бере участь в усуненні помилок збірки ланцюга РНК.

Окремий кофактор Mfd задіяний в транскрипційному відновленні ДНК. Під час цього процесу РНК-полімераза виявляє пошкоджені ділянки ДНК і привертає інші ферменти для її відновлення.

Багато інших кофакторів мають регулюючий вплив, примушуючи РНК-полімеразу експресувати або не експресувати певні гени.

РНК-полімераза в еукаріотичних клітинах[ред.ред. код]

Головна субодиниця РНК-полімераз-I, II і III у людини

Еукаріоти мають різні типи РНК-полімераз, що класифікуються за типами РНК, які вони синтезують:

Існують також і інші типи РНК-полімерази, що використовуються в мітохондріях і хлоропластах.

РНК-полімераза у архей[ред.ред. код]

Археї використовують один вид РНК-полімерази, який проте дуже схожий на три основні типи РНК-полімераз у еукаріотів. Деякі вчені припускають, що архейна РНК-полімераза в певному наближенні може бути еволюційним предком спеціалізованих еукаріотичних полімераз[9].

РНК-полімераза у вірусів[ред.ред. код]

РНК-полімераза вірусу Т7, що синтезує мРНК (показана зеленим) з шаблонної ДНК. Білок показаний фіолетовою стрічкою. Зображення взяте з PDB 1MSW.

Багато вірусів містять РНК-полімеразу. Мабуть, найкраще вивчена вірусна РНК-полімераза бактеріофагу Т7. Ця РНК-полімераза, що складається з однієї субодиниці, схожа на мітохондріальну і хлоропластну, а також на ДНК-полімеразу[10].

Вважається, що більшість вірусних полімераз походять від ДНК-полімерази, а не від складних багатокомпонентних РНК-полімераз.

Вірусні полімерази дуже різноманітні. Деякі з них можуть використовувати як шаблон РНК, а не ДНК, як, наприклад, у вірусів з дволанцюжковою РНК або з одноланцюжковою РНК зі зворотною послідовністю. Деякі віруси з одноланцюжковою РНК з прямою послідовністю також містять РНК-залежні РНК-полімерази[11].

Функціональні області[ред.ред. код]

C'-кінцевий домен РНК-полімерази[ред.ред. код]

Ініціювання транскрипції[ред.ред. код]

Домен, розташований на карбоксильному кінці РНК-полімерази II здійснює ініціацію транскрипції ДНК. C'-кінцевий домен зазвичай складається з порядка 52 повторення послідовності Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser[12].

Фактор транскрипції TFIIH, що є кіназою, гіперфосфорилюрує C'-кінцевий домен РНК-полімерази, тим самим примушуючи полімеразний комплекс почати рух від місця ініціації транскрипції.

5'-кеппінг[ред.ред. код]

Домен карбоксильного кінця також є місцем зв'язування з комплексом кеп-синтезу і кеп-зв'язування. У еукаріотів після збірки 5'-кінця РНК, кеп-синтезуючий комлекс відщеплює гамма-фосфат від 5'-фосфата і приєднує до нього гуанозинмонофосфат з утворенням 5',5'-трифосфатного зв'язку. Синтезуючий комплекс потім відділяється і шапочка з ГТФ зв'язується з кеп-зв'язуючим комплексом, який у свою чергу зв'язаний з C'-кінцевим доменом РНК-полімерази. Шапочка на 5'-кінці еукаріотичних РНК важлива для зв'язування молекул РНК з рибосомами або з РНК-полімеразою, а також запобігає руйнуванню РНК.

Сплайсосома[ред.ред. код]

Вуглекисло-кінцевий домен РНК-полімерази також є областю зв'язування з сплайсосомними факторами, що беруть участь в процесі сплайсингу РНК. Ці фактори сприяють здійсненню сплайсинга і видалення інтронів в процесі транскрипції РНК.

Мутація в C'-кінцевому домені[ред.ред. код]

Проведено ряд досліджень поведінки РНК-полімерази при видаленні визначених амінокислот з її C'-кінцевого домену. Показано, що мутації усікання C'-кінцевого домену РНК-полімерази II впливають на її здатність починати транскрипцію набору генів in vivo, знижуючи чутливість до активаційних послідовностей цих генів.

Очищення РНК-полімерази[ред.ред. код]

РНК-полімераза може бути виділена такими способами:

А також комбінаціями вищезгаданих методів.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Jerard Hurwitz (Dec 2005). «The Discovery of RNA Polymerase». Journal of Biological Chemistry 280 (52). с. 42477–85. doi:10.1074/jbc.X500006200. PMID 16230341. 
  2. Nobel Prize 1959
  3. Nobel Prize in Chemistry 2006
  4. Akira Ishihama (2000). «Functional modulation of Escherichia coli RNA polymerase» 54. с. 499–518. PMID 11018136. 
  5. Farnham PJ; Platt T. (Feb 1981). «Rho-independent termination: dyad symmetry in DNA causes RNA polymerase to pause during transcription in vitro». Nucleic Acids Res. 9 (3). с. 563–77. PMID 7012794. 
  6. Grummt I. (1999). «Regulation of mammalian ribosomal gene transcription by RNA polymerase I.». Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. 62. с. 109–54. PMID 9932453. 
  7. Lee Y; Kim M; Han J; Yeom KH; Lee S; Baek SH; Kim VN. (Oct 2004). «MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II». EMBO J. 23 (20). с. 4051–60. PMID 15372072. 
  8. Willis IM. (Feb 1993). «RNA polymerase III. Genes, factors and transcriptional specificity». Eur J Biochem. 212 (1). с. 1–11. PMID 8444147. 
  9. D Langer, J Hain, P Thuriaux and W Zillig (1995) Transcription in Archaea: Similarity to that in Eucarya PNAS 92 5768-5772
  10. Hedtke et al. (1997) Mitochondrial and chloroplast phage-type RNA polymerases in Arabidopsis. Science 227 809—811
  11. Paul Ahlquist (2002) RNA-Dependent RNA Polymerases, Viruses, and RNA Silencing. Science 296 1270—1273
  12. Anton Meinhart1; Patrick Cramer (Jul 2004). «Recognition of RNA polymerase II carboxy-terminal domain by 3-RNA-processing factors». Nature 430 (6996). с. 223–226. doi:10.1038/nature02679. PMID 15241417. 
  13. Kelly JL; Lehman IR. (Aug 1986). «Yeast mitochondrial RNA polymerase. Purification and properties of the catalytic subunit.». J Biol Chem. 261 (22). с. 10340–7. PMID 3525543. 
  14. Honda A et al (Apr 1990). «Purification and molecular structure of RNA polymerase from influenza virus A/PR8.». J Biochem (Tokyo) 107 (4). с. 624–8. PMID 2358436. 
  15. Hager et al. (1990) Use of Mono Q High-Resolution Ion-Exchange Chromatography To Obtain Highly Pure and Active Escherichia coli RNA Polymerase Biochemistry 29 7890-7894
  • Lehninger Principles of Biochemistry, 4th edition, David L. Nelson & Michael M. Cox

Посилання[ред.ред. код]

  • DNAi — DNA Interactive: інформація и Flash-роліки про РНК-полімеразу.