RNA polimeraz

Tarihçe

RNAP, Sam Weiss ve Jerard Hurwitz tarafından, birbirlerinden bağımsız olarak, 1960'ta keşfedilmiştir. Oysa, 1959 Nobel Tıp veya Fizyoloji Ödülü Severo Ochoa ve Arthur Kornberg'e RNA polimeraz zannettikleri enzimin keşfi için verilmiş, sonrasında bunun ribonükleaz olduğu ortaya çıkmıştır. Bakteriyel RNA polimerazın üç boyutlu yapısı 1999'da , maya RNA polimeraz II enzimininki ise 2000'de çözülmüştür.
2006 Nobel Kimya ödülü Roger Kornberg'e, transkripsiyon sırasında RNA polimerazın ayrıntılı görüntülerini elde etmiş olmasından dolayı verilmiştir.

Transkripsiyon kofaktörleri

RNAP'ye bağlanıp onun davranışı değiştirebilen, transkripsiyon faktörü (veya kofaktörü) olarak adlandırılan çeşitli proteinler vardır. Örneğin E.coli 'de greA ve greB proteinleri, RNA polimerazın büyümekte olan RNA zincirini koparma yeteneğini artırırlar. Bu sayede, hatalı bir baz eklenmesi yüzünden duraklamış olan bir RNA polimeraz kurtarılıp yeniden çalışır hale gelir. Bir diğer kofaktör olan Mfd, transkripsiyon eşlikli tamirde görev alır, bu süreç sırasında RNAP, DNA'daki bozuklukları fark edip DNA tamiri için gerekli olan enzimleri seferber eder. Diğer kofaktörlerin düzenleyici rolleri vardır, yani RNAP'nin bir geni ifade edip etmeyeceğini belirlerler.

Çalışma mekanizmasının ana hatları

Aşağıda ana hatlarıyla verilen bakteri RNA polimerazının çalışma mekanizması genel olarak RNA polimerazların nasıl çalıştığı hakkında fikir vermek amacıyla özetlenmiştir. Diğer RNA polimerazlarda bulunan ek yardımcı proteinler bu mekanizmanın bazı ayrıntılarının farklı olmasına neden olabilir. Dolayısıyla belli bir enzim hakkında spesifik bilgi edinmek için onun maddesine bakınız.

Bağlanma ve uzama

RNA polimerazın DNA'ya bağlanması için α altbiriminin RNA başlama noktasının yukarısında, -40 ila -70 konumları arasında bir DNA dizgesini tanıması, ayrıca sigma (σ) faktörünün de -10 ile -35 arasındaki bölgeye bağlanması gerekmektedir. Gen ifadesini düzenleyen çeşitli σ faktörleri vardır, bunlar belli gen sınıfları için özelleşmişlerdir. Örneğin σ⁷⁰ normal şartlarda bulunur ve hücrenin normal çalışması için gerekli genlere RNA polimerazın bağlanmasını sağlar, buna karşın σ³² ısı şokuyla ilişkili genlere bağlanmayı sağlar.
RNA polimeraz DNA'ya bağlandıktan sonra bu protein-DNA kompleksi "kapalı"dan "açık" hale dönüşür. Bu değişim sonucunda yaklaşık 13 bazlık bir bölümde DNA iplikleri birbirlerinden ayrılırlar. Ribonükleotitler şablon DNA zinciriyle baz çiftleri oluştururlar, Watson-Crick baz eşleşmeleriyle.
Yanlış nükleotidin zincire katılması durumunda RNA polimeraz geri gidip hatalı nükleotit (ve ondan bir evvelkini) çıkarıp uzatmayı yeniden dener

Uzama

Transkripsiyon uzaması sırasında açık kompleks bir transkripsiyon kompleksine dönüşür ve yeni ribonükleotitler eklenir. RNA transkript oluşurken polimerazın önündeki DNA daha çok açılır ve 13 çift bazlık açık kompleks 17 çift bazlık bir transkripsiyon kompleksine dönüşür. Bu aşamada promotörün -10 ile -35 arasındaki bölgesinin şekli bozulur, ve σ faktör RNA polimerazdan ayrışır. Bu sayede RNAP'nin kalan kısmı DNA üzerinde ilerleyebilir, çünkü daha evvel σ faktör polimerazı yerinde tutmaktaydı.
17 çb'lik transkripsiyon kompleksinin içinde 8 çb'lik bir DNA-RNA hibridi vardır, yani RNA transkriptinin 8 bazı DNA ipliğindeki bazlarlar eşlenmiştir. Transkripsiyon devam ettikçe RNA transkriptinin 3' ucuna ribonükleotitler eklenir ve RNAP kompleksi DNA üzerinde ilerler.
RNA'ya ribonükleotitlerin eklenme mekanziması DNA polimerizasyon mekanizmasına çok benzer, bu yüzden DNA ve RNA polimeraz enzimlerinin evrimsel olarak birbiriyle ilişkili olduğu tahmin edilir. RNAP'de aspartik asit kalıntıları Mg²⁺ iyonlarına bağlanırlar, bunlar da ribonükleotitlerin fosfatlarını koordine ederler. İlk Mg²⁺, eklenecek NTP'nin α-fosfatına bağlanır. Bu sayede RNA zincirindeki 3' OH grubundan nükleofilik bir saldırı mümkün olur ve zincire bir NTP daha eklenir. İkinci Mg²⁺ NTP'nin pirofosfatına bağlanır. Toplam reaksiyon denklemi şöyledir:
(NMP)ₙ + NTP --> (NMP)ₙ₊₁ + PPᵢ

Sonlanma

E. coli RNA polimerazında transkripsiyonun sonlanması rho'ya bağımlı veya rho'dan bağımsız olmak üzere iki türlü olabilir. Rho'dan bağımsız sonlanmada DNA'daki palindromik bir bölgenin okunması sonucunda oluşan RNA kendi kendisiyle baz eşlemesi yaparak firkete gibi bir şekil alır. Bu firkete yapı G-C zenginidir, DNA-RNA hibridinden daha kararlıdır. Bunun sonucundan Transkripsiyon kompleksi içinde yer alan 8 çb'lık DNA-RNA hibridi 4 bazlık bir hibride dönüşür. Bu 4 baz-çift de zayıf bağlı A-U baz çiftleridir ve bu yüzden tüm RNA transkripti polimerazdan kopar.

Arkelerde RNA polimeraz

Arkelerde tek bir RNAP vardır, ökaryotlardaki üç polimeraza çok benzer. Bu yüzden arke polimerazının ökaryotlardaki özelleşmiş polimerazların atasına benzediği öne sürülmüştür.

Virüslerde RNA polimeraz

Çoğu virüs kendi RNA polimearazını kodlar. En çok çalışılmış viral RNAP, bakteriofaj T7'de bulunan T7 RNA polimerazdır. Çoğu viral polimerazın DNA polimerazdan evrimleşmiş olduğu ve yukarıda tarif edilen çok alt birimli ökaryotik polimerazlarla doğrudan ilişkilerinin olmadığı düşünülmektedir. Buna rağmen RNA zincirinin oluşmasının mekanizmasını ayrıntıları temelde yukarıda anlatılan çok altbirimli RNA polimerazlarınki gibidir.

Tek altbirimli RNA polimerazlar

Tek altbirimli RNA polimerazları DNA polimerazlarina ve ters trasnkriptaz enzimlerine benzerler. Tek altbirimli RNA polimerazların mekanizmaları faklılık gösterir. Başlama kompleksinde RNA-DNA hibiridinin uzunluğu sadece iki-üç nükleotittir, bu çok altbirimli RNA polimerazlardan oldukça farklıdır. Ancak uzama aşamasındaRNA-DNA hibridinin boyu E. coli polimerazındaki gibi 8-9 nükleotit uzunluktadır. Mitokondri RNA polimeraz, T3 ve T7 RNA polimerazdan farklı olarak, bakteriyel sigma faktörüne benzer bir yardımcı proteinle kompleksleşip sonra DNA'ya bağlanır.
Tek protein birimli RNA polimerazlar DNA polimeraz ile aynı yapısal özelliklere sahip oldukları için "DNA/RNA polimerazları" adlı protein familyasında yer alırlar. Bu familyadaki diğer proteinler 1) DNA polimeraz I, 2) hata baypas DNA polimeraz katalitik bölgesi, 3) ters transkriptaz, 4) T7 RNA polimeraz, 5) RNA-bağımlı RNA polimeraz ve 6) çift iplikli RNA faj RNA-bağımlı RNA polimeraz.
Mitokondri ve kloroplastların RNA polimerazları da bu familyaya aittir.