RNA-polymeras

RNA-polymeras  är ett enzym som syntetiserar RNA- molekyler . I snäv bemärkelse kallas RNA-polymeras vanligtvis för DNA-beroende RNA-polymeraser som syntetiserar RNA-molekyler på en DNA- mall , det vill säga utför transkription . Enzymer av RNA-polymerasklassen är mycket viktiga för cellens funktion, därför finns de i alla organismer och i många virus . Kemiskt är RNA-polymeraser nukleotidyltransferaser som polymeriserar ribonukleotider vid 3'-änden av en RNA-kedja.

Studiens historia

RNA-polymeras upptäcktes oberoende av Sam Weiss och Gerard Hurwitz (1928-2019) 1960 . [1] Vid det här laget hade Nobelpriset i medicin 1959 redan delats ut till Severo Ojoa och Arthur Kornberg för upptäckten av vad man trodde var RNA-polymeras [2] , som senare visade sig vara ribonukleas .

Nobelpriset i kemi 2006 tilldelades Roger Kornberg för att han tagit exakta bilder av RNA-polymerasmolekyler vid olika punkter i transkriptionsprocessen. [3]

Transkriptionshantering

Genom att kontrollera processen för gentranskription kan du kontrollera genuttrycket och gör det möjligt för cellen att anpassa sig till förändrade miljöförhållanden, upprätthålla metaboliska processer på rätt nivå och även utföra specifika funktioner som är nödvändiga för organismens existens. Det är inte förvånande att verkan av RNA-polymeras är mycket komplex och beror på många faktorer (till exempel i Escherichia coli har mer än 100 faktorer identifierats som påverkar RNA-polymeras på ett eller annat sätt [4] ).

RNA-polymeras startar transkription från specifika regioner av DNA som kallas promotorer och producerar en RNA-sträng som är komplementär till motsvarande del av DNA-strängen.

Processen att bygga upp en RNA-molekyl med nukleotider kallas förlängning. I eukaryota celler kan RNA-polymeras sätta ihop kedjor av mer än 2,4 miljoner element (till exempel har den fullständiga dystrofinproteingenen denna längd ).

RNA-polymeras fullbordar bildandet av en RNA-kedja när den möter en specifik sekvens i DNA som kallas en terminator .

RNA-polymeras producerar följande typer av RNA:

• Messenger RNA (mRNA) är en mall för proteinsyntes i ribosomer .
• Icke-kodande RNA eller "RNA-gen" är en stor klass av RNA-kodande gener på vilka ett protein inte kan byggas. De mest kända representanterna för denna klass är överförings-RNA (tRNA) och ribosomalt RNA (rRNA), som själva är involverade i processen för proteinsyntes. Men många andra RNA-gener har upptäckts sedan slutet av 1990-talet. Detta gjorde det möjligt att antyda att RNA-gener spelar en mer betydande roll i cellen än vad man tidigare trott.
  • Överför RNA (tRNA) som bär aminosyror till proteinkedjan som växer på ribosomen under translationsprocessen .
  • Ribosomalt RNA (rRNA), som är en del av ribosomen;
  • mikroRNA som reglerar genaktivitet;
  • Katalytiskt RNA , som har egenskaperna hos enzymer.

RNA-polymeras utför syntes från grunden. Detta är möjligt på grund av det faktum att interaktionen mellan genens initiala nukleotid och RNA-polymeras gör det möjligt för den att få fotfäste på kedjan och bearbeta följande nukleotider. Detta förklarar delvis varför RNA-polymeras vanligtvis startar transkription med ATP, följt av GTP, UTP och sedan CTP. Till skillnad från DNA-polymeras har RNA-polymeras också helikasaktivitet .

Verkan av RNA-polymeras

Bindning och initiering av transkription

Bindningen av RNA-polymeras involverar α-subenheten, som känner igen DNA-elementet som föregår genen (-40 ... -70 steg), och σ-faktorn, som känner igen regionen -10 ... -35. Det finns ett stort antal σ-faktorer som styr genuttryck. Till exempel: σ70 , som syntetiseras under normala förhållanden och tillåter RNA-polymeras att binda till de gener som är ansvariga för cellens metaboliska processer; eller σ 32 blockerar bindningen av RNA-polymeras till värmechockproteingener .

Efter bindning till DNA ändras strukturen av RNA-polymeras från stängt till öppet. Denna transformation involverar separation av DNA-monospiraler för att bilda en otvinnad region cirka 13 steg lång. Ribonukleotiderna sätts sedan samman till en kedja enligt bassträngen av DNA som används som mall. Supercoiling av DNA-molekyler spelar en betydande roll i aktiviteten av RNA-polymeras: eftersom DNA-sektionen före RNA-polymeras är otvinnad, finns det positiva kompenserande supercoils i den. DNA-regionerna bakom RNA-polymeraset vrids igen och det finns negativa superspolar i dem.

Förlängning

Under förlängningsfasen av transkription tillsätts ribonukleotider till kedjan och övergången från strukturen av RNA-polymeraskomplexet från öppen till transkription sker. När RNA-molekylen sätts ihop lindas DNA-regionen innan RNA-polymeraset ytterligare upp och det 13-par öppna komplexet omvandlas till ett 17-pars transkriptionskomplex. I detta ögonblick är promotorn (DNA-region -10...-35 steg) fullbordad och σ-faktorn separeras från RNA-polymeraset. Detta gör att resten av RNA-polymeraskomplexet kan börja röra sig framåt, eftersom σ-faktorn höll det på plats.

Det 17-pariga transkriptionskomplexet innehåller en hybrid av DNA och RNA innehållande 8 baspar - en 8-stegs RNA-region kopplad till en DNA-mallsträng. När transkriptionen fortskrider tillsätts ribonukleotider till 3'-änden av det sammansatta RNA:t och RNA-polymeraskomplexet rör sig längs DNA-strängen. Även om RNA-polymeras inte uppvisar 3'-exonukleasegenskaper som liknar DNA-polymeras screeningsaktivitet, finns det bevis för att RNA-polymeras stoppar och korrigerar fel i fall av felaktig DNA-RNA-basparning.

Tillägget av ribonukleotider till RNA har en mekanism som mycket liknar DNA-polymerisation. Man tror att DNA- och RNA-polymeraser kan vara evolutionärt besläktade. Asparaginsyrarester i RNA-polymeras binder till Mg2 +-joner , som i sin tur anpassar fosfatgrupperna av ribonukleotider: den första Mg2 + behåller a-fosfatet från nukleotidtrifosfatet som ska läggas till kedjan. Detta tillåter bindningen av nukleotiden till 3' OH-gruppen i kedjans ände som sätts samman och sålunda tillför NTP till kedjan. Den andra Mg 2+ innehåller NTP-pyrofosfat. Den allmänna reaktionsekvationen har alltså formen:

(NMF) n + NTF --> (NMF) n+1 + PF i

Uppsägning

Avslutning av RNA-transkription kan vara ρ-oberoende eller ρ-beroende.

ρ-oberoende avslutning utförs utan hjälp av ρ-faktorn . Transkription av den palindromiska regionen av DNA leder till bildandet av en RNA- hårnål , loopad och associerad med sig själv. Denna hårnål är rik på guanin och cytosin , vilket gör den mer stabil än en DNA-RNA-hybrid. Som ett resultat reduceras den 8-pariga DNA-RNA-hybriden i transkriptionskomplexet till 4-par. Om dessa sista 4 baspar är sammansatta av svagt adenin och uridin separeras RNA-molekylen. [5]

Bakteriellt RNA-polymeras

I bakterier katalyserar samma enzym syntesen av tre typer av RNA: mRNA , rRNA och tRNA .

RNA-polymeras är en ganska stor molekyl. Huvudenzymet innehåller 5 subenheter (~400 kDa):

• a2 : två a-subenheter binder de återstående elementen i enzymet och känner igen regulatoriska faktorer. Varje subenhet består av två domäner: αSKD (C-terminal domän) binder det första elementet av promotorn, och αNKD (N-terminal domän) binder till de återstående komponenterna i polymeraset.
• β : Denna subenhet har en korrekt polymerasverkan, som katalyserar RNA-syntes. Det initierar processen och kontrollerar förlängningen.
• β': binder ospecifikt till DNA.
• ω: Återställer denaturerat RNA-polymeras tillbaka till en livsduglig form in vitro . Det har också visat sig ha en skyddande/ chaperoneffekt på β'-subenheten i Mycobacterium smegmatis .

För att binda till promotorregionerna av DNA behöver huvudenzymet ytterligare en subenhet - sigma (σ). Sigma-faktorn minskar signifikant affiniteten hos RNA-polymeras för icke-specifika regioner av DNA, och ökar samtidigt dess känslighet för vissa promotorer, beroende på dess struktur. Med dess hjälp börjar transkriptionen från den önskade delen av DNA.

Det fullständiga holoenzymet består således av 6 subenheter: α2 ββ'σω (~480 kDa). Ett spår 55 Å (5,5 nm ) långt och 25 Å (2,5 nm) brett finns i strukturen av RNA-polymeras. Det är i detta spår som den dubbla helixen av DNA placeras, med en bredd på 20 Å (2 nm). Spårets längd är 16 nukleotider lång .

RNA-polymerasmolekyler löses inte i cytoplasman. När det inte används binder RNA-polymeras till icke-specifika regioner av DNA i väntan på att öppna en aktiv promotor.

Transkriptionskofaktorer

Det finns proteiner som binder till RNA-polymeras och påverkar dess beteende. Till exempel ökar greA och greB från E. coli förmågan hos RNA-polymeras att klyva RNA-mallen i den växande änden av kedjan. En sådan klyvning kan "rädda" en fast RNA-polymerasmolekyl och är sannolikt också involverad i att eliminera fel i sammansättningen av RNA-strängen.

En separat kofaktor , Mfd , är involverad i transkriptionell DNA-reparation . Under denna process upptäcker RNA-polymeras skadade delar av DNA och rekryterar andra enzymer för att reparera det.

Många andra kofaktorer har en reglerande effekt, vilket gör att RNA-polymeras uttrycker eller inte uttrycker vissa gener.

RNA-polymeras i eukaryota celler

Eukaryoter har olika typer av RNA-polymeraser, klassificerade efter de typer av RNA de producerar:

• RNA-polymeras I , som syntetiserar 45S rRNA- prekursorn , som sedan förvandlas till 28S, 18S och 5.8S rRNA, som redan bildar de huvudsakliga RNA-sektionerna av ribosomen . [åtta]
• RNA-polymeras II , som producerar prekursorer för mRNA , såväl som för de flesta snRNA och miRNA . [9] Detta är den mest välstuderade typen av RNA-polymeras. Eftersom transkription måste kontrolleras noggrant, kräver RNA-polymeras II en rad transkriptionsfaktorer för att binda till promotorer.
• RNA-polymeras III , som syntetiserar tRNA , 5S -rRNA och andra små RNA , som finns i kärnan och cytosolen . [tio]

Det finns även andra typer av RNA-polymeras som används i mitokondrier och kloroplaster . Molekylvikten för dessa enzymer är i storleksordningen 500 000. De skiljer sig i sin känslighet för alfa-amanitin . RNA-polymeras I är okänsligt för det, RNA-polymeras III är måttligt känsligt och RNA-polymeras II hämmas starkt av det. [elva]

RNA-polymeras i archaea

Archaea använder en typ av RNA-polymeras, som ändå är mycket lik de tre huvudtyperna av RNA-polymeraser i eukaryoter. Vissa forskare föreslår att arkealt RNA-polymeras i viss mån kan vara den evolutionära förfadern till specialiserade eukaryota polymeraser. [12]

RNA-polymeras i virus

Många virus innehåller RNA-polymeras. Det kanske mest väl studerade virala RNA-polymeraset finns i bakteriofag T7. Detta enda subenhet RNA-polymeras liknar mitokondrie och kloroplast samt DNA-polymeras. [14] De flesta virala polymeraser tros ha sitt ursprung från DNA-polymeraser snarare än komplexa multikomponent-RNA-polymeraser.

Virala polymeraser är väldigt många. Många av dem kan använda RNA snarare än DNA som mall, som till exempel i virus med dubbelsträngat RNA eller negativt enkelsträngat RNA. Vissa enkelsträngade RNA-virus med positiv polaritet innehåller också RNA-beroende RNA-polymeraser . [femton]

Funktionsområden

C-terminal domän av RNA-polymeras

Transkriptionsinitiering

Domänen belägen vid koländen av RNA-polymeras II initierar DNA-transkription. Den C-terminala domänen består vanligtvis av cirka 52 upprepningar av Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser-sekvensen [16] . Transkriptionsfaktorn TFIIH, som är ett kinas, hyperfosforylerar den C-terminala domänen av RNA-polymeras, vilket får polymeraskomplexet att börja röra sig från platsen för transkriptionsinitiering.

5'-capping

Den C-terminala domänen är också bindningsstället för kapslingskomplexet. I eukaryoter, efter syntesen av 5'-änden av mRNA-fosfatas, tillsätter det terminala fosfatet från 5'-änden av polyribonukleotiden, enzymet guanosintransferas, guanosinmonofosfat till den. Detta bildar en 5',5'-trifosfatbindning. Cap-komplexet dissocierar sedan från mRNA, 5'-kapseln från GTP binder till cap-bindningskomplexet, den C-terminala domänen av RNA-polymeraset. 5'-kapseln i den eukaryota mRNA-strukturen är av stor betydelse för bindningen av mRNA-molekyler till ribosomer och förhindrar även RNA-nedbrytning.

Spliceosom

Den C-terminala domänen av RNA-polymeras är också regionen för bindning till spliceosomfaktorer som är involverade i processen för RNA- splitsning . Dessa faktorer främjar splitsning och avlägsnande av introner under RNA-transkription.

Mutation i den C-terminala domänen

Ett antal studier har utförts på beteendet hos RNA-polymeras när vissa aminosyror avlägsnas från dess C-terminala domän. Det har visats att trunkeringsmutationer i den C-terminala domänen av RNA-polymeras II påverkar dess förmåga att starta transkription av en uppsättning gener in vivo , vilket minskar känsligheten för aktiveringssekvenserna för dessa gener.

Rening av RNA-polymeras

RNA-polymeras kan isoleras på följande sätt:

• På en fosfocellulosakolonn . [17]
• med användning av glycerolgradientcentrifugering . [arton]
• Använda en DNA-kolonn .
• på en jonbytarkolonn . [19]

Samt kombinationer av ovanstående metoder.

Se även

• DNA-polymeras
• T7-virus RNA-polymeras
• Alfa amanitin

Anteckningar

1. ↑ Gerard Hurwitz. The Discovery of RNA Polymerase  (engelska)  // Journal of Biological Chemistry  : tidskrift. - 2005. - December ( vol. 280 , nr 52 ). - P. 42477-42485 . doi : 10.1074 / jbc.X500006200 . — PMID 16230341 .
2. ↑ Nobelpriset 1959 . Hämtad 20 juni 2007. Arkiverad från originalet 2 februari 2007. (obestämd)
3. ↑ Nobelpriset i kemi 2006 . Hämtad 20 juni 2007. Arkiverad från originalet 26 december 2018. (obestämd)
4. ↑ Akira Ishihama. Funktionell modulering av Escherichia coli RNA-polymeras  (engelska)  : tidskrift. - 2000. - Vol. 54 . - S. 499-518 . — PMID 11018136 .
5. ↑ Farnham PJ; Platt T. Rho-oberoende terminering: dyadsymmetri i DNA får RNA-polymeras att pausa under transkription in vitro  // Nucleic Acids Res  . : journal. - 1981. - Februari ( vol. 9 , nr 3 ). - s. 563-577 . — PMID 7012794 .
6. ↑ Minakhin L., Bhagat S., Brunning A., Campbell EA, Darst SA, Ebright RH, Severinov K. Bakteriell RNA-polymerassubenhet omega och eukaryotisk RNA-polymerassubenhet RPB6 är sekvens-, strukturella och funktionella homologer och främjar RNA-polymerassammansättning ( Engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2001. - 30 januari ( vol. 98 , nr 3 ). - s. 892-897 . - doi : 10.1073/pnas.98.3.892 . — PMID 11158566 .  
7. ↑ Armache KJ, Mitterweger S., Meinhart A., Cramer P. Structures of complete RNA polymerase II and its subcomplex, Rpb4/7  // J Biol Chem  : journal. - 2005. - 25 februari ( vol. 280 , nr 8 ). - P. 7131-7134 . - doi : 10.1074/jbc.M413038200 . — PMID 15591044 .  
8. ↑ Grummt I. Reglering av däggdjurs ribosomal gentranskription genom RNA-polymeras I  //  Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. : journal. - 1999. - Vol. 62 . - S. 109-154 . — PMID 9932453 .
9. ↑ Lee Y; Kim M; Han J; Yeom KH; Lee S; Baek S.H.; Kim V.N. MikroRNA-gener transkriberade av RNA-polymeras II  // EMBO  J. : journal. - 2004. - Oktober ( vol. 23 , nr 20 ). - P. 4051-4060 . — PMID 15372072 .
10. ↑ Willis IM. RNA-polymeras III. Gener, faktorer och transkriptionell specificitet  //  Eur J Biochem. : journal. - 1993. - Februari ( vol. 212 , nr 1 ). - S. 1-11 . — PMID 8444147 .
11. ↑ RNA-polymeraser: en översikt . Hämtad 20 februari 2011. Arkiverad från originalet 6 januari 2012. (obestämd)
12. ↑ Langer D. , Hain J. , Thuriaux P. , Zillig W. Transcription in archaea: likhet med den i eucarya.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 1995. - Vol. 92, nr. 13 . - P. 5768-5772. — PMID 7597027 .
13. ↑ Yin YW, Steitz TA Strukturell grund för övergången från initiering till förlängningstranskription i T7 RNA-polymeras //  Science : journal. - 2002. - 15 oktober ( vol. 298 , nr 5597 ). - P. 1387-1395 . - doi : 10.1126/science.1077464 . — PMID 12242451 .  
14. ↑ Hedtke B. , Börner T. , Weihe A. Mitokondriella och kloroplastfag-typ RNA-polymeraser i Arabidopsis.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 1997. - Vol. 277, nr. 5327 . - P. 809-811. — PMID 9242608 .
15. ↑ Ahlquist P. RNA-beroende RNA-polymeraser, virus och RNA-tystnad.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 2002. - Vol. 296, nr. 5571 . - P. 1270-1273. - doi : 10.1126/science.1069132 . — PMID 12016304 .
16. ↑ Anton Meinhart1; Patrick Cramer. Igenkänning av RNA-polymeras II karboxiterminal domän av 3'-RNA-bearbetningsfaktorer  (engelska)  // Nature : journal. - 2004. - Juli ( vol. 430 , nr 6996 ). - S. 223-226 . - doi : 10.1038/nature02679 . — PMID 15241417 .
17. ↑ Kelly JL; Lehman IR. Jäst mitokondriellt RNA-polymeras. Rening och egenskaper hos den katalytiska subenheten  // J Biol Chem  .  : journal. - 1986. - August ( vol. 261 , nr 22 ). - P. 10340-10347 . — PMID 3525543 .
18. ↑ Honda A et al. Rening och molekylär struktur av RNA-polymeras från influensavirus A/PR8  (engelska)  // J Biochem (Tokyo) : journal. - 1990. - April ( vol. 107 , nr 4 ). - s. 624-628 . — PMID 2358436 .
19. ↑ Hager DA , Jin DJ , Burgess RR Användning av Mono Q högupplöst jonbyteskromatografi för att erhålla mycket rent och aktivt Escherichia coli RNA-polymeras.  (engelska)  // Biokemi. - 1990. - Vol. 29, nr. 34 . - P. 7890-7894. — PMID 2261443 .

Litteratur

• Lehninger Principles of Biochemistry, 4:e upplagan, David L. Nelson & Michael M. Cox

Länkar

• DNAi  - DNA Interactive: Information och Flash-videor om RNA-polymeras.
• animering av RNA-polymeras transkription - animering av RNA-polymeras i aktion

Ordböcker och uppslagsverk	Stor katalanska Stor norsk Stor ryss Kroatisk Britannica (online) Brockhaus
I bibliografiska kataloger	J9U : 987007541391605171 LCCN : sh87001690 NDL : 00575477

Transkription (biologi)
Transkriptionsreglering _	prokaryoter operon ( laktosoperon tryptofanoperon GABA operon arabinosoperon galaktosoperon ) repressor ( laktosrepressor tryptofanrepressor ) eukaryoter Histonmodifieringsenzymer ( histoner / nukleosom ) _ _ Polycomb-gruppproteiner , histonmetyltransferas EZH2 Histondemetylas Acetylering och deacetylering av histoner ( Histone deacetylase HDAC1 Histonacetyltransferas ) DNA-metylering DNA-metyltransferas Kromatin ombyggnad CHD7 Gemensamt för pro- och eukaryoter Transcription coregulators ( Coactivator corepressor induktor ) Transkriptionsfaktorer
Aktivering	Promoter ( Pribnov-box TATA box BRE CAAT box Ömsesidiga element ) Enhancer ( E-box Ömsesidiga element ) Isolator Ljuddämpare
Initiering	Startsida för transkription
Förlängning	bakteriellt RNA-polymeras : rpoB eukaryot RNA-polymeras: RNA-polymeras II , RNA-polymeras III
Uppsägning	Terminator Ro oberoende uppsägning Ro faktor