Interested Article - РНК-полимераза

breeze
  • 2021-11-15
  • 1

РНК-полимераза из клетки T. aquaticus в процессе репликации. Некоторые элементы фермента сделаны прозрачными, и цепи РНК и ДНК видны более отчётливо. Ион магния (жёлтый) располагается на активном участке фермента.
Транскрипция ДНК в РНК используя фермент РНК полимеразу II .

РНК-полимераза — фермент , осуществляющий синтез молекул РНК . В узком смысле, РНК-полимеразой обычно называют ДНК-зависимые РНК-полимеразы, осуществляющие синтез молекул РНК на матрице ДНК , то есть осуществляющие транскрипцию . Ферменты класса РНК-полимераз очень важны для функционирования клетки, поэтому они имеются во всех организмах и во многих вирусах . Химически РНК-полимеразы являются нуклеотидил-трансферазами, полимеризующими рибонуклеотиды на 3'-конце цепи РНК.

История изучения

РНК-полимераза была открыта независимо и (1928-2019) в 1960 . К этому моменту Нобелевская премия по медицине в 1959 году уже была присуждена Северо Охоа и Артуру Корнбергу за открытие вещества, которое считали РНК-полимеразой , впоследствии оказавшегося рибонуклеазой .

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

нитей ДНК , обвешанных сотнями молекул РНК-полимеразы, слишком маленьких для такого разрешения. Каждая РНК-полимераза транскрибирует нить РНК, которая видна на фотографии как ответвление от ДНК. Отметкой «Begin» указан ДНК, с которого РНК-полимераза начинает транскрипцию; «End» — , у которого транскрипция более длинных молекул РНК завершается.

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

РНК-полимераза начинает транскрипцию с особых участков ДНК, называемых промоторами и производит цепочку РНК, комплементарную соответствующей части нити ДНК.

Процесс наращивания молекулы РНК нуклеотидами называется элонгацией. В эукариотических клетках РНК-полимераза может собирать цепочки из более 2,4 млн элементов (например, такую длину имеет полный ген белка дистрофина ).

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

РНК-полимераза производит следующие разновидности РНК:

  • Матричная РНК (мРНК) — шаблон для синтеза белков в рибосомах .
  • Некодирующая РНК или «РНК-ген» — большой класс генов, кодирующих РНК, на которых не может быть построено белка. Самые известные представители этого класса — транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК), сами участвующие в процессе синтеза белка. Однако начиная с поздних 90-х годов XX столетия было обнаружено много других РНК-генов. Это дало возможность предположить, что РНК-гены играют более значительную роль в клетке, чем было принято считать раньше.

РНК-полимераза осуществляет синтез с нуля. Это возможно вследствие того, что взаимодействие начального нуклеотида гена и РНК-полимеразы позволяет ей закрепиться на цепочке и обрабатывать следующие нуклеотиды. Это отчасти объясняет, почему РНК-полимераза обычно начинает транксрипцию с АТФ, за которым следует ГТФ, УТФ и затем ЦТФ. В отличие от ДНК-полимеразы РНК-полимераза обладает также геликазным действием.

Действие РНК-полимеразы

Связывание и инициирование транскрипции

Схема инициализации транскрипции

В связывании РНК-полимеразы участвует α-субъединица, распознающая элемент ДНК, предшествующий гену (-40…-70 шагов), и σ-фактор, распознающий участок −10…-35. Существует большое количество σ-факторов, контролирующих экспрессию генов. Например: σ 70 , который синтезируется в нормальных условиях и позволяет РНК-полимеразе связываться с генами, отвечающими за метаболические процессы клетки; или σ 32 , блокирующий связывание РНК-полимеразы с генами белков теплового шока .

После связывания с ДНК структура РНК-полимеразы превращается из закрытой в открытую. Это превращение включает в себя разделение моноспиралей ДНК с образованием раскрученного участка длиной около 13 шагов. Рибонуклеотиды затем собираются в цепочку в соответствии с базовой нитью ДНК, используемой в качестве шаблона. Суперскрученность молекул ДНК играет существенную роль в деятельности РНК-полимеразы: поскольку участок ДНК перед РНК-полимеразой раскручен, в нем существуют положительные компенсационные супервитки. Участки ДНК позади РНК-полимеразы снова закручиваются и в них присутствуют отрицательные супервитки.

Элонгация

Во время элонгационной фазы транскрипции происходит добавление рибонуклеотидов к цепи и переход от структуры РНК-полимеразного комплекса от открытой к транскрипционной. По мере сборки молекулы РНК участок ДНК перед РНК-полимеразой раскручивается далее, и 13-парный открытый комплекс превращается в 17-парный транскрипционный комплекс. В этот момент промотор (участок ДНК −10…-35 шагов) завершается, и σ-фактор отделяется от РНК-полимеразы. Это позволяет остальному РНК-полимеразному комплексу начать движение вперед, так как σ-фактор удерживал его на месте.

17-парный транскрипционный комплекс содержит гибрид ДНК и РНК, содержащий 8 пар оснований — 8-шаговый участок РНК, соединенный с шаблонной цепью ДНК. По мере выполнения транскрипции рибонуклеотиды добавляются к 3'-концу собираемой РНК, и РНК-полимеразный комплекс движется по цепи ДНК. Хотя в РНК-полимеразе не обнаружено свойств, характерных для 3'-экзонуклеазы, аналогичных проверочной деятельности ДНК-полимеразы, есть свидетельства того, что РНК-полимераза останавливается и корректирует ошибки в случаях ошибочного формирования пар оснований ДНК-РНК.

Добавление рибонуклеотидов к РНК обладает механизмом, очень близким к полимеризации ДНК. Считается, что ДНК- и РНК-полимеразы могут быть эволюционно связаны. Аспарагиновые остатки в РНК-полимеразе связываются с ионами Mg 2+ , которые, в свою очередь, осуществляют выравнивание фосфатных групп рибонуклеотидов: первый Mg 2+ удерживает α-фосфат нуклеотидтрифосфата, подлежащего добавлению в цепочку. Это позволяет осуществить связывание нуклеотида с 3' OH-группой конца собираемой 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 либо ρ-зависимой.

ρ-независимая терминация осуществляется без помощи ρ-фактора . Транскрипция палиндромного участка ДНК приводит к формированию шпильки из РНК, зацикленной и связанной с самой собой. Эта шпилька богата гуанином и цитозином , что делает её более стабильной, нежели гибрид ДНК-РНК. В результате 8-парный гибрид ДНК-РНК в транскрипционном комплексе сокращается до 4-парного. В случае если эти 4 последние пары оснований составлены слабыми аденином и уридином , молекула РНК отделяется.

Бактериальная РНК-полимераза

Структура бактериальной РНК-полимеразы из Thermus aquaticus, PDB ID . Покрашены субъединицы: α1 – оранжевый , α2 – желтый , β – бежевый , β' – красный , ω – розовый .

У бактерий один и тот же фермент катализирует синтез трёх 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 обладает собственно полимеразным действием, катализируя синтез РНК. Она осуществляет инициацию процесса и управляет элонгацией.
  • β': неспецифически связывается с ДНК.
  • ω: восстанавливает денатурированную РНК-полимеразу обратно в дееспособную форму in vitro . Также обнаружено её защитное/ шаперонное действие на β'-субъединицу у Mycobacterium smegmatis .

Для связывания с промоторными областями ДНК, основной фермент нуждается в еще одной субъединице — сигма (σ). Сигма-фактор значительно снижает сродство РНК-полимеразы к неспецифичным областям ДНК, и в то же время повышает её чувствительность к определенным промоторам, в зависимости от своей структуры. С его помощью транскрипция начинается с нужного участка ДНК.

Полный таким образом состоит из 6 субъединиц: α 2 ββ'σω (~480 кДа). В структуре РНК-полимеразы присутствует канавка длиной 55 Å (5,5 нм ) и шириной 25 Å (2,5 нм). Именно в эту канавку помещается двойная спираль ДНК, имеющая ширину 20 Å (2 нм). На длине канавки укладывается 16 нуклеотидов .

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

Транскрипционные кофакторы

Существуют белки, связывающиеся с РНК-полимеразой и влияющие на её поведение. Например greA и greB из E. coli усиливают способность РНК-полимеразы расщеплять шаблон РНК у растущего конца цепи. Такое расщепление может «спасти» застрявшую молекулу РНК-полимеразы, а также, вероятно, участвует в устранении ошибок сборки цепи РНК.

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

Многие другие кофакторы обладают регулирующим влиянием, заставляя РНК-полимеразу экспрессировать или не экспрессировать определенные гены.

РНК-полимераза в эукариотических клетках

Структура эукариотической РНК-полимеразы II из Saccharomyces cerevisiae , PDB ID . Покрашены субъединицы, гомологичные субъединицам бактериальной полимеразы: RPB3 – оранжевый , RPB11 – желтый , RPB2 – бежевый , RPB1 – красный , RPB6 – розовый , остальные 7 субъединиц покрашены серым.

Эукариоты обладают различными типами РНК-полимераз, классифицируемыми по типам РНК, которые они производят:

  • , синтезирующая 45S-предшественника рРНК , превращающуюся затем в рРНК 28S, 18S и 5,8S, которые уже образуют главные РНК-секции рибосомы .
  • РНК-полимераза II , производящая предшественников для мРНК , а также для большинства мяРНК и миРНК . Это наиболее хорошо изученный тип РНК-полимеразы. Ввиду того, что транскрипция должна происходить под строгим контролем, РНК-полимеразе II для связывания с промоторами требуется целый набор факторов транскрипции.
  • РНК-полимераза III , синтезирующая тРНК , 5S рРНК и другие малые РНК , присутствующее в ядре и цитозоле .

Существуют также и другие типы РНК-полимеразы, используемые в митохондриях и хлоропластах . Молекулярная масса этих ферментов составляет величину порядка 500 000. Они различаются по чувствительности к альфа-аманитину . РНК-полимераза I нечувствительна к нему, РНК-полимераза III умеренно чувствительна, а РНК-полимераза II сильно ингибируется им.

РНК-полимераза у архей

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

РНК-полимераза у вирусов

Структура РНК-полимеразы бактериофага T7 с фрагментами ДНК и РНК , PDB ID . Белок покрашен серым, ДНК синим, РНК персиковым.

Многие вирусы содержат РНК-полимеразу. Пожалуй, наиболее хорошо изученная вирусная РНК-полимераза имеется у бактериофага Т7. Эта РНК-полимераза, состоящая из одной субъединицы, похожа на митохондриальную и хлоропластную, а также на ДНК-полимеразу. Считается, что большинство вирусных полимераз произошли от ДНК-полимеразы, а не от сложных многокомпонентных РНК-полимераз.

Вирусные полимеразы очень многочисленны. Многие из них могут использовать в качестве шаблона РНК, а не ДНК, как, например, у вирусов с двуцепочечной РНК или с одноцепочечной РНК негативной полярности. Некоторые вирусы с одноцепочечной РНК позитивной полярности также содержат РНК-зависимые РНК-полимеразы .

Функциональные области

C-концевой домен РНК-полимеразы

Инициирование транскрипции

Домен, расположенный на углекислом конце РНК-полимеразы II осуществляет инициирование транскрипции ДНК. C-концевой домен обычно состоит из порядка 52 повторений последовательности Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser . Фактор транскрипции TFIIH, являющийся киназой, гиперфосфорилирует C-концевой домен РНК-полимеразы, тем самым заставляя полимеразный комплекс начать движение от места инициирования транскрипции.

5'-кэпирование

С-концевой домен также является местом связывания комплекса кэпирования. У эукариот после синтеза 5'-конца мРНК фосфатаза концевой фосфат с 5'-конца полирибонуклеотида фермент гуанозинтрансфераза присоединяет к нему гуанозинмонофосфат. При этом образуется 5',5'-трифосфатная связь. Кэпирующий комплекс затем диссоциирует от мРНК, 5'-кэп из ГТФ связывается с кэп-связывающим комплексом, C-концевого домена РНК-полимеразы. 5'-кэп в структуре мРНК эукариот имеет большое значение для связывания молекул мРНК с рибосомами, а также предотвращает деградацию РНК.

Сплайсосома

С-концевой домен РНК-полимеразы также является областью связывания со сплайсосомными факторами, участвующими в процессе сплайсинга РНК. Эти факторы способствуют осуществлению сплайсинга и удалению интронов в процессе транскрипции РНК.

Мутация в C-концевом домене

Был проведен ряд исследований поведения РНК-полимеразы при удалении определенных аминокислот из её C-концевого домена. Показано, что мутации усечения C-концевого домена РНК-полимеразы II влияют на её способность начинать транскрипцию набора генов in vivo , снижая чувствительность к активационным последовательностям этих генов.

Очистка РНК-полимеразы

РНК-полимераза может быть выделена следующими способами:

А также комбинациями вышеуказанных методов.

См. также

Примечания

  1. Jerard Hurwitz. The Discovery of RNA Polymerase (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2005. — December ( vol. 280 , no. 52 ). — P. 42477—42485 . — doi : . — .
  2. . Дата обращения: 20 июня 2007. 2 февраля 2007 года.
  3. . Дата обращения: 20 июня 2007. 26 декабря 2018 года.
  4. Akira Ishihama. Functional modulation of Escherichia coli RNA polymerase (англ.) : journal. — 2000. — Vol. 54 . — P. 499—518 . — .
  5. Farnham PJ; Platt T. Rho-independent termination: dyad symmetry in DNA causes RNA polymerase to pause during transcription in vitro (англ.) // (англ.) ( : journal. — 1981. — February ( vol. 9 , no. 3 ). — P. 563—577 . — .
  6. Minakhin L., Bhagat S., Brunning A., Campbell E. A., Darst S. A., Ebright R. H., Severinov K. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2001. — 30 January ( vol. 98 , no. 3 ). — P. 892—897 . — doi : . — . — PMC . 24 марта 2019 года.
  7. Armache K. J., Mitterweger S., Meinhart A., Cramer P. (англ.) // J Biol Chem : journal. — 2005. — 25 February ( vol. 280 , no. 8 ). — P. 7131—7134 . — doi : . — . 23 марта 2019 года.
  8. Grummt I. Regulation of mammalian ribosomal gene transcription by RNA polymerase I (англ.) // Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. : journal. — 1999. — Vol. 62 . — P. 109—154 . — .
  9. Lee Y; Kim M; Han J; Yeom KH; Lee S; Baek SH; Kim VN. Гены микроРНК, транскрибируемые РНК-полимеразой II (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2004. — October ( vol. 23 , no. 20 ). — P. 4051—4060 . — .
  10. Willis IM. RNA polymerase III. Genes, factors and transcriptional specificity (англ.) // Eur J Biochem. : journal. — 1993. — February ( vol. 212 , no. 1 ). — P. 1—11 . — .
  11. . Дата обращения: 20 февраля 2011. 6 января 2012 года.
  12. Langer D. , Hain J. , Thuriaux P. , Zillig W. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 1995. — Vol. 92, no. 13 . — P. 5768–5772. — . [ ]
  13. Yin Y. W., Steitz T. A. (англ.) // Science : journal. — 2002. — 15 October ( vol. 298 , no. 5597 ). — P. 1387—1395 . — doi : . — . 23 марта 2019 года.
  14. Hedtke B. , Börner T. , Weihe A. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 1997. — Vol. 277, no. 5327 . — P. 809—811. — . [ ]
  15. Ahlquist P. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2002. — Vol. 296, no. 5571 . — P. 1270—1273. — doi : . — . [ ]
  16. Anton Meinhart1; Patrick Cramer. (англ.) // Nature : journal. — 2004. — July ( vol. 430 , no. 6996 ). — P. 223—226 . — doi : . — . 29 сентября 2007 года.
  17. Kelly JL; Lehman IR. Yeast mitochondrial RNA polymerase. Purification and properties of the catalytic subunit (англ.) // J Biol Chem. : journal. — 1986. — August ( vol. 261 , no. 22 ). — P. 10340—10347 . — .
  18. Honda A et al. Purification and molecular structure of RNA polymerase from influenza virus A/PR8 (англ.) // (англ.) ( : journal. — 1990. — April ( vol. 107 , no. 4 ). — P. 624—628 . — .
  19. Hager D. A. , Jin D. J. , Burgess R. R. (англ.) // Biochemistry. — 1990. — Vol. 29, no. 34 . — P. 7890—7894. — . [ ]

Литература

  • Lehninger Principles of Biochemistry, 4th edition, David L. Nelson & Michael M. Cox

Ссылки

  • — DNA Interactive: информация и Flash-ролики об РНК-полимеразе.
  • - анимация РНК-полимераза в действии
Источник —

breeze
  • 2021-11-15
  • 1
  • Tags:

Same as РНК-полимераза

The title for the last searches