RNA polymerase

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 3. december 2017; checks kræver 10 redigeringer .

RNA-polymerase  er et enzym , der syntetiserer RNA- molekyler . I snæver forstand kaldes RNA-polymerase normalt for DNA-afhængige RNA-polymeraser, der syntetiserer RNA-molekyler på en DNA- skabelon , det vil sige udfører transkription . Enzymer af RNA-polymerase-klassen er meget vigtige for cellens funktion, derfor findes de i alle organismer og i mange vira . Kemisk er RNA-polymeraser nukleotidyltransferaser, der polymeriserer ribonukleotider i 3'-enden af ​​en RNA-kæde.

Studiehistorie

RNA-polymerase blev opdaget uafhængigt af Sam Weiss og Gerard Hurwitz (1928-2019) i 1960 . [1] På dette tidspunkt var Nobelprisen i medicin i 1959 allerede blevet tildelt Severo Ojoa og Arthur Kornberg for opdagelsen af, hvad man troede var RNA-polymerase [2] , som senere viste sig at være ribonuklease .

Nobelprisen i kemi i 2006 blev tildelt Roger Kornberg for at opnå nøjagtige billeder af RNA-polymerasemolekyler på forskellige punkter i transkriptionsprocessen. [3]

Transskriptionshåndtering

Styring af gentransskriptionsprocessen giver dig mulighed for at kontrollere genekspression og giver således cellen mulighed for at tilpasse sig skiftende miljøforhold, opretholde metaboliske processer på det rette niveau og også udføre specifikke funktioner, der er nødvendige for organismens eksistens. Det er ikke overraskende, at virkningen af ​​RNA-polymerase er meget kompleks og afhænger af mange faktorer (for eksempel er der i Escherichia coli blevet identificeret mere end 100 faktorer, der påvirker RNA-polymerase på den ene eller anden måde [4] ).

RNA-polymerase starter transkription fra specifikke områder af DNA kaldet promotorer og producerer en streng af RNA, der er komplementær til den tilsvarende del af DNA-strengen.

Processen med at opbygge et RNA-molekyle med nukleotider kaldes forlængelse. I eukaryote celler kan RNA-polymerase samle kæder af mere end 2,4 millioner elementer (for eksempel har det komplette dystrofinproteingen denne længde ).

RNA-polymerase fuldender dannelsen af ​​en RNA-kæde, når den støder på en specifik sekvens i DNA kaldet en terminator .

RNA-polymerase producerer følgende typer RNA:

• Messenger RNA (mRNA) er en skabelon til proteinsyntese i ribosomer .
• Ikke-kodende RNA eller "RNA-gen" er en stor klasse af RNA-kodende gener, som et protein ikke kan bygges på. De bedst kendte repræsentanter for denne klasse er transfer-RNA (tRNA) og ribosomalt RNA (rRNA), som selv er involveret i processen med proteinsyntese. Imidlertid er mange andre RNA-gener blevet opdaget siden slutningen af ​​1990'erne. Dette gjorde det muligt at antyde, at RNA-gener spiller en mere væsentlig rolle i cellen end hidtil antaget.
  • Overfør RNA (tRNA), der transporterer aminosyrer til proteinkæden, der vokser på ribosomet under translationsprocessen .
  • Ribosomalt RNA (rRNA), som er en del af ribosomet;
  • mikroRNA , der regulerer genaktivitet;
  • Katalytisk RNA , som har enzymers egenskaber.

RNA-polymerase udfører syntese fra bunden. Dette er muligt på grund af det faktum, at interaktionen mellem genets initiale nukleotid og RNA-polymerase gør det muligt for det at få fodfæste på kæden og behandle de følgende nukleotider. Dette forklarer til dels, hvorfor RNA-polymerase typisk starter transkription med ATP, efterfulgt af GTP, UTP og derefter CTP. I modsætning til DNA-polymerase har RNA-polymerase også helicaseaktivitet .

Handling af RNA-polymerase

Binding og initiering af transskription

Bindingen af ​​RNA-polymerase involverer α-underenheden, som genkender DNA-elementet forud for genet (-40 ... -70 trin), og σ-faktoren, som genkender regionen -10 ... -35. Der er et stort antal σ-faktorer, der styrer genekspression. For eksempel: σ 70 , som syntetiseres under normale forhold og tillader RNA-polymerase at binde til generne, der er ansvarlige for cellens metaboliske processer; eller σ32 blokerer bindingen af ​​RNA-polymerase til varmechokproteingener .

Efter binding til DNA ændres strukturen af ​​RNA-polymerase fra lukket til åben. Denne transformation involverer adskillelse af DNA monocoils til dannelse af en ikke-snoet region på omkring 13 trin lang. Ribonukleotiderne samles derefter til en kæde i henhold til basisstrengen af ​​DNA, der anvendes som skabelon. Supercoiling af DNA-molekyler spiller en væsentlig rolle i aktiviteten af ​​RNA-polymerase: da DNA-sektionen før RNA-polymerase er un-snoet, er der positive kompenserende supercoils i den. DNA-regionerne bag RNA-polymerasen snos igen, og der er negative supercoils i dem.

Forlængelse

Under forlængelsesfasen af ​​transkription tilsættes ribonukleotider til kæden, og overgangen fra strukturen af ​​RNA-polymerasekomplekset fra åben til transkription finder sted. Efterhånden som RNA-molekylet samles, afvikles DNA-området før RNA-polymerasen yderligere, og det 13-par åbne kompleks omdannes til et 17-par transkriptionskompleks. I dette øjeblik er promotoren (DNA-region -10...-35 trin) fuldført, og σ-faktoren separeres fra RNA-polymerasen. Dette gør det muligt for resten af ​​RNA-polymerasekomplekset at begynde at bevæge sig fremad, da σ-faktoren holdt det på plads.

Det 17-pars transkriptionskompleks indeholder en hybrid af DNA og RNA indeholdende 8 basepar - en 8-trins RNA-region forbundet til en DNA-templatestreng. Efterhånden som transkriptionen skrider frem, tilføjes ribonukleotider til 3'-enden af ​​det samlede RNA, og RNA-polymerasekomplekset bevæger sig langs DNA-strengen. Selvom RNA-polymerase ikke udviser 3'-exonukleaseegenskaber svarende til DNA-polymerases screeningsaktivitet, er der bevis for, at RNA-polymerase stopper og korrigerer fejl i tilfælde af mismatchet DNA-RNA-baseparring.

Tilføjelsen af ​​ribonukleotider til RNA har en mekanisme, der ligner DNA-polymerisering. Det antages, at DNA- og RNA-polymeraser kan være evolutionært beslægtede. Asparagin -rester i RNA-polymerase binder til Mg 2+ ioner , som igen justerer phosphatgrupperne i ribonukleotider: den første Mg 2+ bevarer α-phosphaten fra nukleotidtrifosfatet, der skal tilføjes til kæden. Dette tillader bindingen af ​​nukleotidet til 3' OH-gruppen i den ende af kæden, der samles og således tilføjer NTP til kæden. Den anden Mg 2+ indeholder NTP-pyrophosphat. Den generelle reaktionsligning har således formen:

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

Opsigelse

Afslutning af RNA-transkription kan være ρ-uafhængig eller ρ-afhængig.

ρ-uafhængig afslutning udføres uden hjælp fra ρ-faktoren . Transskription af den palindromiske region af DNA fører til dannelsen af ​​en RNA- hårnål , der er sløjfet og forbundet med sig selv. Denne hårnål er rig på guanin og cytosin , hvilket gør den mere stabil end en DNA-RNA-hybrid. Som følge heraf reduceres 8-par DNA-RNA hybrid i transkriptionskomplekset til 4 par. Hvis disse sidste 4 basepar er sammensat af svagt adenin og uridin , adskilles RNA-molekylet. [5]

Bakteriel RNA-polymerase

I bakterier katalyserer det samme enzym syntesen af ​​tre typer RNA: mRNA , rRNA og tRNA .

RNA-polymerase er et ret stort molekyle. Hovedenzymet indeholder 5 underenheder (~400 kDa):

• α 2 : to α-underenheder binder de resterende elementer af enzymet og genkender regulatoriske faktorer. Hver underenhed består af to domæner: αSKD (C-terminalt domæne) binder det første element af promotoren, og αNKD (N-terminalt domæne) binder til de resterende komponenter af polymerasen.
• β : Denne underenhed har en korrekt polymerasevirkning, der katalyserer RNA-syntese. Det sætter processen i gang og styrer forlængelsen.
• β': binder uspecifikt til DNA.
• ω: Gendanner denatureret RNA-polymerase tilbage til en levedygtig form in vitro . Det har også vist sig at have en beskyttende/ chaperoneffekt på β'-underenheden i Mycobacterium smegmatis .

For at binde til promotorregionerne af DNA har hovedenzymet brug for en underenhed mere - sigma (σ). Sigma-faktoren reducerer signifikant affiniteten af ​​RNA-polymerase til ikke-specifikke områder af DNA og øger samtidig dens følsomhed over for visse promotorer, afhængigt af dens struktur. Med dens hjælp begynder transkriptionen fra den ønskede del af DNA.

Det komplette holoenzym består således af 6 underenheder: α 2 ββ'σω (~480 kDa). En rille på 55 Å (5,5 nm ) lang og 25 Å (2,5 nm) bred er til stede i strukturen af ​​RNA-polymerase. Det er i denne rille, at den dobbelte helix af DNA er placeret, med en bredde på 20 Å (2 nm). Længden af ​​rillen er 16 nukleotider lang .

RNA-polymerasemolekyler er ikke opløst i cytoplasmaet. Når den ikke er i brug, binder RNA-polymerase til ikke-specifikke områder af DNA i forventning om at åbne en aktiv promotor.

Transskriptionskofaktorer

Der er proteiner, der binder til RNA-polymerase og påvirker dets adfærd. For eksempel øger greA og greB fra E. coli RNA-polymerases evne til at spalte RNA-skabelonen i den voksende ende af kæden. En sådan spaltning kan "redde" et fastlåst RNA-polymerasemolekyle og er sandsynligvis også involveret i at eliminere fejl i samlingen af ​​RNA-strengen.

En separat cofaktor , Mfd , er involveret i transkriptionel DNA-reparation . Under denne proces opdager RNA-polymerase beskadigede dele af DNA og rekrutterer andre enzymer til at reparere det.

Mange andre cofaktorer har en regulerende effekt, hvilket får RNA-polymerase til at udtrykke eller ikke udtrykke bestemte gener.

RNA-polymerase i eukaryote celler

Eukaryoter har forskellige typer RNA-polymeraser, klassificeret efter de typer RNA, de producerer:

• RNA-polymerase I , som syntetiserer 45S rRNA -precursoren , som derefter bliver til 28S, 18S og 5.8S rRNA, som allerede danner de vigtigste RNA-sektioner af ribosomet . [otte]
• RNA-polymerase II , som producerer forstadier til mRNA , såvel som for de fleste snRNA'er og miRNA'er . [9] Dette er den mest velundersøgte type RNA-polymerase. Fordi transkription skal kontrolleres stramt, kræver RNA-polymerase II en række transkriptionsfaktorer for at binde til promotorer.
• RNA polymerase III , som syntetiserer tRNA , 5S rRNA og andre små RNA'er , der findes i kernen og cytosolen . [ti]

Der er også andre typer RNA-polymerase, der anvendes i mitokondrier og kloroplaster . Molekylvægten af ​​disse enzymer er i størrelsesordenen 500.000. De adskiller sig i deres følsomhed over for alfa-amanitin . RNA-polymerase I er ufølsom over for det, RNA-polymerase III er moderat følsom, og RNA-polymerase II hæmmes kraftigt af det. [elleve]

RNA-polymerase i archaea

Archaea bruger én type RNA-polymerase, som ikke desto mindre minder meget om de tre hovedtyper af RNA-polymeraser i eukaryoter. Nogle videnskabsmænd foreslår, at arkæal RNA-polymerase til en vis grad kan være den evolutionære forfader til specialiserede eukaryote polymeraser. [12]

RNA-polymerase i vira

Mange vira indeholder RNA-polymerase. Måske den mest velundersøgte virale RNA-polymerase findes i bakteriofag T7. Denne enkelt underenhed RNA-polymerase ligner mitokondrie- og chloroplast såvel som DNA-polymerase. [14] De fleste virale polymeraser menes at stamme fra DNA-polymeraser snarere end komplekse multikomponent-RNA-polymeraser.

Virale polymeraser er meget talrige. Mange af dem kan bruge RNA frem for DNA som skabelon, som for eksempel i vira med dobbeltstrenget RNA eller negativt enkeltstrenget RNA. Nogle enkeltstrengede RNA-vira med positiv polaritet indeholder også RNA-afhængige RNA-polymeraser . [femten]

Funktionelle områder

C-terminalt domæne af RNA-polymerase

Transkriptionsinitiering

Domænet lokaliseret ved den kulsyreholdige ende af RNA-polymerase II initierer DNA-transkription. Det C-terminale domæne består normalt af omkring 52 gentagelser af Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser-sekvensen [16] . Transkriptionsfaktoren TFIIH, som er en kinase, hyperphosphorylerer det C-terminale domæne af RNA-polymerase og får derved polymerasekomplekset til at begynde at bevæge sig fra stedet for transkriptionsinitiering.

5'-capping

Det C-terminale domæne er også bindingsstedet for capping-komplekset. I eukaryoter, efter syntesen af ​​5'-enden af ​​mRNA-phosphatase, tilføjer det terminale fosfat fra 5'-enden af ​​polyribonukleotidet, enzymet guanosintransferase, guanosinmonophosphat til det. Dette danner en 5',5'-triphosphatbinding. Cap-komplekset dissocieres derefter fra mRNA'et, 5'-hætten fra GTP binder til cap-bindingskomplekset, det C-terminale domæne af RNA-polymerasen. 5'-hætten i den eukaryote mRNA-struktur er af stor betydning for bindingen af ​​mRNA-molekyler til ribosomer og forhindrer også RNA-nedbrydning.

Spliceosom

Det C-terminale domæne af RNA-polymerase er også området for binding til spliceosomfaktorer involveret i processen med RNA- splejsning . Disse faktorer fremmer splejsning og fjernelse af introner under RNA-transkription.

Mutation i det C-terminale domæne

En række undersøgelser er blevet udført af RNA-polymerases opførsel, når visse aminosyrer fjernes fra dets C-terminale domæne. Det er blevet vist, at trunkeringsmutationer i det C-terminale domæne af RNA-polymerase II påvirker dets evne til at starte transkription af et sæt gener in vivo , hvilket reducerer følsomheden over for disse geners aktiveringssekvenser.

Oprensning af RNA-polymerase

RNA-polymerase kan isoleres på følgende måder:

• På en phosphocellulosesøjle . [17]
• ved anvendelse af glycerolgradientcentrifugering . [atten]
• Brug af en DNA-søjle .
• på en ionbyttersøjle . [19]

Samt kombinationer af ovenstående metoder.

Se også

• DNA polymerase
• T7 virus RNA polymerase
• Alfa amanitin

Noter

1. ↑ Gerard Hurwitz. The Discovery of RNA Polymerase  (engelsk)  // Journal of Biological Chemistry  : tidsskrift. - 2005. - December ( bind 280 , nr. 52 ). - P. 42477-42485 . doi : 10.1074 / jbc.X500006200 . — PMID 16230341 .
2. ↑ Nobelprisen 1959 . Hentet 20. juni 2007. Arkiveret fra originalen 2. februar 2007. (ubestemt)
3. ↑ Nobelprisen i kemi 2006 . Hentet 20. juni 2007. Arkiveret fra originalen 26. december 2018. (ubestemt)
4. ↑ Akira Ishihama. Funktionel modulering af Escherichia coli RNA-polymerase  (engelsk)  : tidsskrift. - 2000. - Vol. 54 . - S. 499-518 . — PMID 11018136 .
5. ↑ Farnham PJ; Platt T. Rho-uafhængig terminering: dyadesymmetri i DNA får RNA-polymerase til at holde pause under transkription in vitro  // Nucleic Acids Res  . : journal. - 1981. - Februar ( bind 9 , nr. 3 ). - S. 563-577 . — PMID 7012794 .
6. ↑ Minakhin L., Bhagat S., Brunning A., Campbell EA, Darst SA, Ebright RH, Severinov K. Bakteriel RNA polymerase underenhed omega og eukaryotisk RNA polymerase underenhed RPB6 er sekvens, strukturelle og funktionelle homologer og fremmer RNA polymerase samling ( Engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2001. - 30. januar ( bind 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. februar ( bind 280 , nr. 8 ). - s. 7131-7134 . - doi : 10.1074/jbc.M413038200 . — PMID 15591044 .  
8. ↑ Grummt I. Regulering af pattedyrs ribosomale gentransskription ved RNA-polymerase I  //  Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. : journal. - 1999. - Bd. 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 transskriberet af RNA-polymerase II  // EMBO  J. : journal. - 2004. - Oktober ( bind 23 , nr. 20 ). - S. 4051-4060 . — PMID 15372072 .
10. ↑ Willis IM. RNA-polymerase III. Gener, faktorer og transkriptionel specificitet  //  Eur J Biochem. : journal. - 1993. - Februar ( bd. 212 , nr. 1 ). - S. 1-11 . — PMID 8444147 .
11. ↑ RNA-polymeraser: en oversigt . Hentet 20. februar 2011. Arkiveret fra originalen 6. januar 2012. (ubestemt)
12. ↑ Langer D. , Hain J. , Thuriaux P. , Zillig W. Transcription in archaea: lighed med den i eucarya.  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 1995. - Bd. 92, nr. 13 . - P. 5768-5772. — PMID 7597027 .
13. ↑ Yin YW, Steitz TA Strukturelt grundlag for overgangen fra initiering til forlængelsestransskription i T7 RNA-polymerase //  Science : journal. - 2002. - 15. oktober ( bd. 298 , nr. 5597 ). - S. 1387-1395 . - doi : 10.1126/science.1077464 . — PMID 12242451 .  
14. ↑ Hedtke B. , Börner T. , Weihe A. Mitochondrial and chloroplast phage-type RNA polymerases in Arabidopsis.  (engelsk)  // Science (New York, NY). - 1997. - Vol. 277, nr. 5327 . - s. 809-811. — PMID 9242608 .
15. ↑ Ahlquist P. RNA-afhængige RNA-polymeraser, vira og RNA-silencing.  (engelsk)  // Science (New York, NY). - 2002. - Bd. 296, nr. 5571 . - S. 1270-1273. - doi : 10.1126/science.1069132 . — PMID 12016304 .
16. ↑ Anton Meinhart1; Patrick Cramer. Genkendelse af RNA-polymerase II-carboxyterminalt domæne af 3'-RNA-processerende faktorer  (engelsk)  // Nature : journal. - 2004. - Juli ( bd. 430 , nr. 6996 ). - S. 223-226 . - doi : 10.1038/nature02679 . — PMID 15241417 .
17. ↑ Kelly JL; Lehman IR. Gær mitokondriel RNA-polymerase. Oprensning og egenskaber af den katalytiske underenhed  // J Biol Chem  .  : journal. - 1986. - August ( bd. 261 , nr. 22 ). - S. 10340-10347 . — PMID 3525543 .
18. ↑ Honda A et al. Oprensning og molekylær struktur af RNA-polymerase fra influenzavirus A/PR8  (engelsk)  // J Biochem (Tokyo) : journal. - 1990. - April ( bd. 107 , nr. 4 ). - s. 624-628 . — PMID 2358436 .
19. ↑ Hager DA , Jin DJ , Burgess RR Anvendelse af Mono Q højopløsnings-ionbytterkromatografi til opnåelse af meget ren og aktiv Escherichia coli RNA-polymerase.  (engelsk)  // Biokemi. - 1990. - Bd. 29, nr. 34 . - P. 7890-7894. — PMID 2261443 .

Litteratur

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

Links

• DNAi  - DNA Interactive: Information og Flash-videoer om RNA-polymerase.
• animation af RNA polymerase transkription - animation af RNA polymerase i aktion

Ordbøger og encyklopædier	Fantastisk catalansk Fantastisk norsk Stor russer kroatisk Britannica (online) Brockhaus
I bibliografiske kataloger	J9U : 987007541391605171 LCCN : sh87001690 NDL : 00575477

Transskription (biologi)
Transskriptionsregulering _	prokaryoter operon ( laktose operon tryptofan operon GABA operon arabinose operon galaktoseoperon ) repressor ( laktose repressor tryptofan repressor ) eukaryoter Histonmodifikationsenzymer ( histoner / nukleosom ) _ _ Polycomb gruppe proteiner , histon methyltransferase EZH2 Histon demethylase Acetylering og deacetylering af histoner ( Histone deacetylase HDAC1 Histonacetyltransferase ) DNA-methylering DNA methyltransferase Chromatin ombygning CHD7 Fælles for pro- og eukaryoter Transcription coregulators ( Coactivator corepressor induktor ) Transskriptionsfaktorer
Aktivering	Promoter ( Pribnov-boks TATA boks BRE CAAT boks Gensidige elementer ) Enhancer ( E-boks Gensidige elementer ) Isolator Lyddæmper
Indvielse	Startside for transskription
Forlængelse	bakteriel RNA-polymerase : rpoB eukaryotisk RNA-polymerase: RNA-polymerase II , RNA-polymerase III
Afslutning	Terminator Ro uafhængig opsigelse Ro faktor