RNS polimeráz

Az RNS polimeráz  egy enzim , amely RNS molekulákat szintetizál . Szűk értelemben az RNS-polimerázt általában DNS-függő RNS-polimerázoknak nevezik, amelyek RNS-molekulákat szintetizálnak egy DNS -templáton , azaz transzkripciót hajtanak végre . Az RNS polimeráz osztályba tartozó enzimek nagyon fontosak a sejt működéséhez, ezért minden szervezetben és számos vírusban megtalálhatók . Kémiailag az RNS-polimerázok olyan nukleotidil-transzferázok, amelyek az RNS-lánc 3'-végén ribonukleotidokat polimerizálnak.

Tanulmánytörténet

Az RNS polimerázt egymástól függetlenül Sam Weiss és Gerard Hurwitz (1928-2019) fedezte fel 1960 -ban . [1] Ekkor már 1959 -ben az orvosi Nobel-díjat Severo Ojoa és Arthur Kornberg kapta az RNS-polimeráznak vélt felfedezésért [2] , amelyről később kiderült, hogy a ribonukleáz .

A kémiai Nobel-díjat 2006-ban Roger Kornberg kapta azért, mert pontos képeket készített az RNS-polimeráz molekulákról a transzkripciós folyamat különböző pontjain. [3]

Átíráskezelés

A géntranszkripció folyamatának szabályozása lehetővé teszi a génexpresszió szabályozását , és ezáltal lehetővé teszi a sejt számára, hogy alkalmazkodjon a változó környezeti feltételekhez, megfelelő szinten tartsa az anyagcsere folyamatokat, és ellátja a szervezet létezéséhez szükséges speciális funkciókat. Nem meglepő, hogy az RNS polimeráz hatása nagyon összetett és sok tényezőtől függ (például Escherichia coliban több mint 100 olyan faktort azonosítottak, amelyek valamilyen módon befolyásolják az RNS polimerázt [4] ).

Az RNS-polimeráz a DNS meghatározott régióiból, úgynevezett promoterekből indítja el a transzkripciót, és egy olyan RNS-szálat állít elő, amely komplementer a DNS-szál megfelelő részével.

Az RNS-molekula nukleotidokkal történő felépítésének folyamatát elongációnak nevezik. Az eukarióta sejtekben az RNS-polimeráz több mint 2,4 millió elemből álló láncot képes összeállítani (például a teljes disztrofin fehérje gén ilyen hosszúságú ).

Az RNS polimeráz akkor fejezi be az RNS-lánc kialakulását, amikor találkozik a DNS-ben egy specifikus szekvenciával, amelyet terminátornak neveznek .

Az RNS polimeráz a következő típusú RNS-eket termeli:

• A Messenger RNS (mRNS) a riboszómák fehérjeszintézisének templátja .
• A nem kódoló RNS vagy "RNS-gén" az RNS-t kódoló gének nagy csoportja, amelyre nem lehet fehérjét építeni. Ennek az osztálynak a legismertebb képviselői a transzfer RNS (tRNS) és a riboszomális RNS (rRNS), amelyek maguk is részt vesznek a fehérjeszintézis folyamatában. Az 1990-es évek vége óta azonban számos más RNS-gént is felfedeztek. Ez lehetővé tette annak feltételezését, hogy az RNS gének jelentősebb szerepet játszanak a sejtben, mint azt korábban gondolták.
  • Transzfer RNS -t (tRNS), amely aminosavakat szállít a riboszómán növekvő fehérjelánchoz a transzlációs folyamat során .
  • Riboszomális RNS (rRNS), amely a riboszóma része;
  • mikroRNS , amely szabályozza a génaktivitást;
  • Katalitikus RNS , amely az enzimek tulajdonságaival rendelkezik.

Az RNS-polimeráz szintézisét a semmiből végzi. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a gén kezdeti nukleotidjának és az RNS-polimeráznak a kölcsönhatása lehetővé teszi, hogy megvegye a lábát a láncon, és feldolgozza a következő nukleotidokat. Ez részben megmagyarázza, hogy az RNS-polimeráz általában az ATP-vel kezdi meg a transzkripciót, ezt követi a GTP, az UTP, majd a CTP. A DNS-polimeráztól eltérően az RNS-polimeráznak helikáz aktivitása is van.

Az RNS polimeráz hatása

Kötés és a transzkripció iniciálása

Az RNS polimeráz kötődése magában foglalja az α-alegységet, amely felismeri a gént megelőző DNS elemet (-40 ... -70 lépés), és a σ-faktort, amely a -10 ... -35 régiót ismeri fel. A génexpressziót számos σ-faktor szabályozza. Például: σ 70 , amely normál körülmények között szintetizálódik, és lehetővé teszi, hogy az RNS polimeráz kötődjön a sejt metabolikus folyamataiért felelős génekhez; vagy σ32 blokkolja az RNS polimeráz hősokkfehérje génekhez való kötődését .

A DNS-hez való kötődés után az RNS-polimeráz szerkezete zártról nyitottra változik. Ez a transzformáció magában foglalja a DNS-monospirálok szétválasztását, hogy egy körülbelül 13 lépés hosszúságú, csavaratlan régiót képezzenek. A ribonukleotidokat ezután a templátként használt DNS alapszálának megfelelően láncba állítják össze. Az RNS-polimeráz aktivitásában jelentős szerepet játszik a DNS-molekulák szuperspirálozása : mivel az RNS-polimeráz előtti DNS-szakasz felcsavarodott, pozitív kompenzációs szupertekercsek vannak benne. Az RNS-polimeráz mögötti DNS-régiók ismét csavarodnak, és negatív szuperspirálok vannak bennük.

Megnyúlás

A transzkripció elongációs fázisa során ribonukleotidok adódnak a lánchoz, és megtörténik az átmenet az RNS polimeráz komplex szerkezetéből a nyitottból a transzkripciósba. Ahogy az RNS-molekula összeáll, az RNS-polimeráz előtti DNS-régió tovább kitekerődik, és a 13 párból álló nyitott komplex 17 páros transzkripciós komplexsé alakul. Ebben a pillanatban a promoter (DNS régió -10...-35 lépés) elkészül, és a σ-faktor elválik az RNS polimeráztól. Ez lehetővé teszi, hogy az RNS polimeráz komplex többi része elinduljon előre, mivel a σ-faktor a helyén tartotta.

A 17 páros transzkripciós komplex DNS és RNS hibridjét tartalmazza, amely 8 bázispárt tartalmaz - egy 8 lépésből álló RNS-régiót, amely egy DNS-templát szálhoz kapcsolódik. A transzkripció előrehaladtával ribonukleotidokat adnak az összeállított RNS 3' végéhez, és az RNS-polimeráz komplex a DNS-szál mentén mozog. Bár az RNS-polimeráz nem mutat a DNS-polimeráz szűrőaktivitásához hasonló 3'-exonukleáz-tulajdonságokat, bizonyíték van arra, hogy az RNS-polimeráz megállítja és kijavítja a hibákat nem megfelelő DNS-RNS bázispárosítás esetén.

A ribonukleotidok RNS-hez való hozzáadása a DNS-polimerizációhoz nagyon hasonló mechanizmussal jár. Úgy gondolják, hogy a DNS- és RNS-polimerázok evolúciósan rokonok lehetnek. Az RNS-polimerázban lévő aszparaginsav -maradékok Mg 2+ ionokhoz kötődnek , amelyek viszont a ribonukleotidok foszfátcsoportjait rendezik: az első Mg 2+ megtartja a lánchoz adandó nukleotid-trifoszfát α-foszfátját. Ez lehetővé teszi a nukleotid kötődését az összeállítandó lánc végének 3' OH-csoportjához, és így NTP-t ad a lánchoz. A második Mg 2+ NTP-pirofoszfátot tartalmaz. Az általános reakcióegyenlet így a következőképpen alakul:

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

Felmondás

Az RNS-transzkripció befejeződése lehet ρ-független vagy ρ-függő.

A ρ-független lezárást a ρ-tényező nélkül hajtjuk végre . A DNS palindrom régiójának transzkripciója egy RNS hajtű képződéséhez vezet, amely hurkolt és önmagához kapcsolódik. Ez a hajtű guaninban és citozinban gazdag , így stabilabb, mint egy DNS-RNS hibrid. Ennek eredményeként a 8 páros DNS-RNS hibrid a transzkripciós komplexben 4 párosra csökken. Ha ez az utolsó 4 bázispár gyenge adeninből és uridinből áll , az RNS-molekula elválik. [5]

Bakteriális RNS polimeráz

Baktériumokban ugyanaz az enzim katalizálja háromféle RNS szintézisét: mRNS , rRNS és tRNS .

Az RNS polimeráz meglehetősen nagy molekula. A fő enzim 5 alegységet tartalmaz (~400 kDa):

• α 2 : két α-alegység köti meg az enzim többi elemét és ismeri fel a szabályozó tényezőket. Mindegyik alegység két doménből áll: az αSKD (C-terminális domén) köti a promoter első elemét, az αNKD (N-terminális domén) pedig a polimeráz többi komponenséhez kötődik.
• β : Ennek az alegységnek megfelelő polimerázhatása van, katalizálja az RNS szintézist. Beindítja a folyamatot és szabályozza a nyúlást.
• β': nem specifikusan kötődik a DNS-hez.
• ω: Visszaállítja a denaturált RNS-polimerázt életképes formává in vitro . Azt is megállapították, hogy védő/ chaperon hatása van a Mycobacterium smegmatis β'-alegységére .

A DNS promoter régióihoz való kötődéshez a fő enzimnek még egy alegységre van szüksége - a szigmára (σ). A szigma faktor jelentősen csökkenti az RNS polimeráz affinitását a DNS nem specifikus régióihoz, ugyanakkor szerkezetétől függően növeli bizonyos promóterekkel szembeni érzékenységét. Segítségével a transzkripció a DNS kívánt szakaszától kezdődik.

A teljes holoenzim tehát 6 alegységből áll: α 2 ββ'σω (~480 kDa). Az RNS polimeráz szerkezetében egy 55 Å (5,5 nm ) hosszú és 25 Å (2,5 nm) széles horony található. Ebben a barázdában helyezkedik el a DNS kettős hélix, amelynek szélessége 20 Å (2 nm). A barázda hossza 16 nukleotid hosszú .

Az RNS polimeráz molekulák nem oldódnak fel a citoplazmában. Használaton kívül az RNS-polimeráz a DNS nem specifikus régióihoz kötődik az aktív promóter megnyitására várva.

Transzkripciós kofaktorok

Vannak olyan fehérjék, amelyek kötődnek az RNS-polimerázhoz, és befolyásolják annak viselkedését. Például az E. coli -ból származó greA és greB fokozza az RNS-polimeráz azon képességét, hogy lehasítsa az RNS-templátot a lánc növekvő végén. Egy ilyen hasítás "megmentheti" az elakadt RNS-polimeráz molekulát, és valószínűleg részt vesz az RNS-szál összeállításának hibáinak kiküszöbölésében is.

Egy külön kofaktor , az Mfd , részt vesz a transzkripciós DNS-javításban . A folyamat során az RNS-polimeráz észleli a DNS sérült szakaszait, és más enzimeket toboroz a javításra.

Sok más kofaktornak van szabályozó hatása, ami miatt az RNS-polimeráz bizonyos géneket expresszál vagy nem fejez ki.

RNS polimeráz eukarióta sejtekben

Az eukarióták különböző típusú RNS polimerázokkal rendelkeznek, amelyeket az általuk termelt RNS típusai szerint osztályoznak:

• RNS-polimeráz I , amely a 45S rRNS prekurzort szintetizálja , amely aztán 28S, 18S és 5,8S rRNS-vé alakul, amelyek már a riboszóma fő RNS szakaszait alkotják . [nyolc]
• RNS polimeráz II , amely az mRNS -hez , valamint a legtöbb snRNS -hez és miRNS -hez prekurzorokat állít elő . [9] Ez az RNS-polimeráz leginkább tanulmányozott típusa. Mivel a transzkripciót szigorúan ellenőrizni kell, az RNS-polimeráz II-nek számos transzkripciós faktorra van szüksége ahhoz, hogy a promoterekhez kötődjön.
• RNS polimeráz III , amely a tRNS -t , az 5S rRNS -t és más kis RNS - eket szintetizálja a sejtmagban és a citoszolban . [tíz]

A mitokondriumokban és a kloroplasztiszokban más RNS-polimeráz típusokat is használnak . Ezen enzimek molekulatömege 500 000 nagyságrendű. Az alfa-amanitinnel szembeni érzékenységükben különböznek egymástól . Az RNS polimeráz I érzéketlen rá, az RNS polimeráz III közepesen érzékeny, és az RNS polimeráz II erősen gátolt . [tizenegy]

RNS polimeráz az archaeában

Az archaeák egyfajta RNS-polimerázt használnak, amely mindazonáltal nagyon hasonlít az eukarióták RNS-polimerázainak három fő típusához. Egyes tudósok azt sugallják, hogy az archaeális RNS-polimeráz bizonyos mértékig a speciális eukarióta polimerázok evolúciós őse lehet. [12]

RNS polimeráz vírusokban

Sok vírus tartalmaz RNS-polimerázt. Talán a legjobban tanulmányozott vírus RNS polimeráz a T7 bakteriofágban található. Ez az egyetlen alegység RNS-polimeráz hasonló a mitokondriális és a kloroplasztiszhoz, valamint a DNS-polimerázhoz. [14] A legtöbb víruspolimerázról azt gondolják, hogy inkább DNS-polimerázokból, semmint komplex többkomponensű RNS-polimerázokból származik.

A víruspolimerázok nagyon sokfélék. Sokan közülük DNS helyett RNS-t használhatnak templátként, mint például a kettős szálú RNS-t vagy negatív egyszálú RNS-t tartalmazó vírusok esetében. Egyes pozitív polaritású egyszálú RNS-vírusok RNS-függő RNS-polimerázokat is tartalmaznak . [tizenöt]

Funkcionális területek

Az RNS polimeráz C-terminális doménje

Átírás kezdeményezése

Az RNS-polimeráz II szénsav végén található domén elindítja a DNS-transzkripciót. A C-terminális domén általában a Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser szekvencia körülbelül 52 ismétlődéséből áll [16] . A TFIIH transzkripciós faktor, amely egy kináz, hiperfoszforilálja az RNS-polimeráz C-terminális doménjét, ezáltal a polimerázkomplex elkezd mozogni a transzkripció iniciációs helyéről.

5'-cap

A C-terminális domén egyben a capping komplex kötőhelye is. Az eukariótákban az mRNS-foszfatáz 5'-végének szintézise után a poliribonukleotid 5'-végéről származó terminális foszfát, a guanozin-transzferáz enzim guanozin-monofoszfátot ad hozzá. Ez 5',5'-trifoszfát kötést képez. A cap komplex ezután disszociál az mRNS-ről, a GTP-ből származó 5' cap kötődik a cap kötő komplexhez, az RNS polimeráz C-terminális doménjéhez. Az eukarióta mRNS szerkezetében lévő 5'-sapka nagy jelentőséggel bír az mRNS-molekulák riboszómákhoz való kötődésében, és megakadályozza az RNS lebomlását is.

Spliceosome

Az RNS polimeráz C-terminális doménje egyben az RNS splicing folyamatában részt vevő spliceoszóma faktorokhoz való kötődés régiója is. Ezek a tényezők elősegítik az illesztést és az intronok eltávolítását az RNS-transzkripció során.

Mutáció a C-terminális tartományban

Számos tanulmányt végeztek az RNS polimeráz viselkedésével kapcsolatban, amikor bizonyos aminosavakat eltávolítanak a C-terminális doménjéből. Kimutatták, hogy az RNS-polimeráz II C-terminális doménjének csonkolt mutációi befolyásolják azt a képességét, hogy elindítsa egy génkészlet in vivo transzkripcióját , csökkentve az érzékenységet ezen gének aktiválási szekvenciáival szemben.

Az RNS polimeráz tisztítása

Az RNS polimeráz a következő módokon izolálható:

• Foszfocellulóz oszlopon . [17]
• glicerin gradiens centrifugálással . [tizennyolc]
• DNS oszlop használata .
• ioncserélő oszlopon . [19]

Valamint a fenti módszerek kombinációi.

Lásd még

• DNS polimeráz
• T7 vírus RNS polimeráz
• Alfa amanitin

Jegyzetek

1. ↑ Gerard Hurwitz. The Discovery of RNA Polymerase  (angol)  // Journal of Biological Chemistry  : folyóirat. - 2005. - December ( 280. évf. , 52. sz.). - P. 42477-42485 . doi : 10.1074 / jbc.X500006200 . — PMID 16230341 .
2. ↑ Nobel-díj 1959 . Letöltve: 2007. június 20. Az eredetiből archiválva : 2007. február 2.. (határozatlan)
3. ↑ Kémiai Nobel-díj 2006 . Letöltve: 2007. június 20. Az eredetiből archiválva : 2018. december 26.. (határozatlan)
4. ↑ Akira Ishihama. Az Escherichia coli RNS polimeráz funkcionális modulációja  (angol)  : folyóirat. - 2000. - Vol. 54 . - P. 499-518 . — PMID 11018136 .
5. ↑ Farnham PJ; Platt T. Rho-független termináció: a DNS-ben lévő diádszimmetria miatt az RNS-polimeráz szünetel a transzkripció során in vitro  // Nucleic Acids Res  . : folyóirat. - 1981. - február ( 9. köt . 3. sz .). - P. 563-577 . — PMID 7012794 .
6. ↑ Minakhin L., Bhagat S., Brunning A., Campbell EA, Darst SA, Ebright RH, Severinov K. A bakteriális RNS polimeráz omega alegység és az eukarióta RNS polimeráz alegység RPB6 szekvencia, szerkezeti és funkcionális homológok, és elősegítik az RNS polimeráz összeállítását ( angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : folyóirat. - 2001. - január 30. ( 98. évf. , 3. sz.). - P. 892-897 . - doi : 10.1073/pnas.98.3.892 . — PMID 11158566 .  
7. ↑ Armache KJ, Mitterweger S., Meinhart A., Cramer P. A teljes RNS polimeráz II és annak szubkomplex szerkezetei, Rpb4/7  // J Biol Chem  : folyóirat. - 2005. - február 25. ( 280. évf. , 8. sz.). - P. 7131-7134 . - doi : 10.1074/jbc.M413038200 . — PMID 15591044 .  
8. ↑ Grummt I. Emlősök riboszomális géntranszkripciójának szabályozása RNS polimeráz I által  //  Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 62 . - 109-154 . o . — PMID 9932453 .
9. ↑ Lee Y; Kim M; Han J; Yeom KH; Lee S; Baek S.H.; Kim V.N. RNS polimeráz II által átírt mikroRNS gének  // EMBO  J. : folyóirat. - 2004. - október ( 23. évf. , 20. sz.). - P. 4051-4060 . — PMID 15372072 .
10. ↑ Willis IM. RNS polimeráz III. Gének, faktorok és transzkripciós specificitás  //  Eur J Biochem. : folyóirat. - 1993. - február ( 212. évf. , 1. sz.). - P. 1-11 . — PMID 8444147 .
11. ↑ RNS polimerázok: áttekintés . Letöltve: 2011. február 20. Az eredetiből archiválva : 2012. január 6.. (határozatlan)
12. ↑ Langer D. , Hain J. , Thuriaux P. , Zillig W. Transscription in archaea: hasonlóság az eucaryához.  (angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 1995. - 1. évf. 92. sz. 13 . - P. 5768-5772. — PMID 7597027 .
13. ↑ Yin YW, Steitz TA Strukturális alapok az iniciációról az elongációs transzkripcióra való átmenethez a T7 RNS polimerázban //  Science : Journal. - 2002. - október 15. ( 298. köt. , 5597. sz.). - P. 1387-1395 . - doi : 10.1126/tudomány.1077464 . — PMID 12242451 .  
14. ↑ Hedtke B. , Börner T. , Weihe A. Mitokondriális és kloroplasztisz fág típusú RNS polimerázok Arabidopsisban.  (angol)  // Tudomány (New York, NY). - 1997. - 1. évf. 277. sz. 5327 . - P. 809-811. — PMID 9242608 .
15. ↑ Ahlquist P. RNS-függő RNS polimerázok, vírusok és RNS-csendesítés.  (angol)  // Tudomány (New York, NY). - 2002. - 20. évf. 296. sz. 5571 . - P. 1270-1273. - doi : 10.1126/tudomány.1069132 . — PMID 12016304 .
16. ↑ Anton Meinhart1; Patrick Cramer. Az RNS polimeráz II karboxi-terminális doménjének felismerése 3'-RNS-feldolgozó faktorok által  (angol)  // Nature : Journal. - 2004. - július ( 430. évf. , 6996. sz.). - P. 223-226 . - doi : 10.1038/nature02679 . — PMID 15241417 .
17. ↑ Kelly JL; Lehman IR. Élesztő mitokondriális RNS polimeráz. A katalitikus alegység tisztítása és tulajdonságai  // J Biol Chem  .  : folyóirat. - 1986. - augusztus ( 261. évf . , 22. sz.). - P. 10340-10347 . — PMID 3525543 .
18. ↑ Honda A et al. Az A/PR8 influenzavírusból származó RNS-polimeráz tisztítása és molekuláris szerkezete  (angol)  // J Biochem (Tokió) : folyóirat. - 1990. - április ( 107. évf. , 4. sz.). - P. 624-628 . — PMID 2358436 .
19. ↑ Hager DA , Jin DJ , Burgess RR Mono Q nagy felbontású ioncserélő kromatográfia alkalmazása nagy tisztaságú és aktív Escherichia coli RNS polimeráz előállítására.  (angol)  // Biokémia. - 1990. - 1. évf. 29. sz. 34 . - P. 7890-7894. — PMID 2261443 .

Irodalom

• Lehninger Principles of Biochemistry, 4. kiadás, David L. Nelson és Michael M. Cox

Linkek

• DNAi  - DNS Interactive: Információk és Flash videók az RNS polimerázról.
• RNS-polimeráz animációja Transzkripció - RNS-polimeráz animációja működés közben

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Nagy norvég Nagy orosz horvát Britannica (online) Brockhaus
Bibliográfiai katalógusokban	J9U : 987007541391605171 LCCN : sh87001690 NDL : 00575477

Átírás (biológia)
Az átírás szabályozása	prokarióták operon ( laktóz operon triptofán operon GABA operon arabinóz operon galaktóz operon ) represszor ( laktóz represszor triptofán represszor ) eukarióták Hiszton módosító enzimek ( hisztonok / nukleoszóma ) Polycomb csoport fehérjék , hiszton metiltranszferáz EZH2 Hiszton-demetiláz Hisztonok acetilezése és dezacetilezése ( Histone deacetiláz HDAC1 hiszton acetiltranszferáz ) DNS-metiláció DNS-metiltranszferáz Kromatin átalakítás CHD7 Gyakori a pro- és eukariótákban Transzkripciós koregulátorok ( Coactivator corepressor induktor ) Transzkripciós faktorok
Aktiválás	Promoter ( Pribnov-box TATA doboz BRE CAAT doboz Kölcsönös elemek ) Enhancer ( E-box Kölcsönös elemek ) Szigetelő Hangtompító
Megindítás, inicializálás	Az átírás kezdőoldala
Megnyúlás	bakteriális RNS polimeráz : rpoB eukarióta RNS polimeráz: RNS polimeráz II , RNS polimeráz III
Felmondás	Végrehajtó Ro független lezárás Ro faktor