РНК-полимераза

РНК-полимеразата (полимераза на рибонуклеинска киселина, скратено РНКП или РНКПол), чие официјално име е ДНК-насочена РНК-полимераза) — ензим кој е од суштинско значење за животот, а се наоѓа во сите организми и во многу вируси. РНКП ја отвора двоверижната ДНК на одредено место (обично на околу четири вртења на двојната завојница), при што едната од ДНК веригите се користи како образец за синтеза на РНК, во процес наречен транскрипција. Покрај РНКП, потребно е врзување на уште неколку белковински комплекси, како што се транскрипциониот фактор и соодветен транскрипционен медијаторски комплекс (медијатор), за посебно место на ДНК наречено промотерски регион, пред РНКП да започне со отвoрање на ДНК-завојницата на таа позиција. РНКП поседува и хеликазна активност, па затоа не е потребен посебен ензим за да се одмота ДНК-завојницата (за разлика од ДНК-полимеразата). РНКП има повеќе способности: ја иницира транскрипцијата на РНК, ги води нуклеотидите на одредена позиција, го олеснува поврзувањето и елоганцијата, има вградена коректорска способност и способност за замена и за препознавање на терминација. Во еукариотите, РНКП може да изгради долги вериги составени дури и од 2,4 милиони нуклеотиди.
РНКП-синтетизира две групи на РНК-молекули: кодирачки РНК-молекули, кои кодираат белковини (информациска РНК, иРНК) и некодирачки РНК-молекули, кои не кодираат белковини, а чии гени се нарекуваат „РНК-гени“. Постојат најмалку четири функционални типови на РНК-гени: транспортна РНК (тРНК) – РНК-молекула која при процесот на транслација пренесува специфични аминокиселини за градење на полипептидната низа на одредено место во рибозомот; рибозомна РНК (рРНК) — која е главен составен и функционален дел на рибозомите; микроРНК (миРНК) — која ја регулира генската активност; и каталитичка РНК (рибозим) — која е каталитички активна РНК-молекула.
Еукариотите имаат повеќе типови на јадрена РНКП, секоја од нив е одговорна за синтеза на различна подгрупа на РНК-молекули. Сите овие типови на јадрена РНКП се структурно и функционално сродни меѓусебе, а сродни се и со бактериските РНКП. Ензимот РНК-полимераза I ја синтетизира 45S пре-рРНК (35S кај квасците), која е претходник на рибозомната РНК. РНК-полимеразата II ги синтетизира претходниците на информациските РНК-молекули и поголемиот број на мали јадрени РНК молекули (мјРНК) и микроРНК молекулите. РНК-полимеразата III ги синтетизира тРНК молекулите, 5S рРНК и другите мали РНК кои се наоѓаат во јадрото и цитозолот. РНК-полимеразата IV ги синтетизира малите интерферирачки РНК-молекули во растенијата. РНК-полимеразата V ги синтетизира РНК-молекулите инволвирани во создавањето на хетерохроматин кај растенијата, кое е управувано од малите интерферирачки РНК-молекули. Еукариотските хлоропласти содржат РНКП со сложена структура и функција, која е кодирана од самиот геном на хлоропластот, а е многу слична на бактериската РНКП. Хлоропластите, исто така, содржат друга структурно и функционално несродна РНКП која е кодирана од јадрото на еукариотската клетка. Еукариотските митохондрии содржат структурно и функционално несродна РНКП (член на фамилијата на белковини наречена „РНКП од една подединица“).
Бидејќи и ДНК- и РНК-полимеразите вршат шаблонска полимеризација на нуклеотиди, би се очекувало овие два ензима да се структурно сродни меѓусебе, но тие не се. Се смета дека тие се појавиле независно една од друга, во различни периоди од раната еволуција на клетките: едната линија водела до денешните ДНК-полимерази и реверзните транскриптази, како и до некои вирусни РНК-полимерази изградени од една подединица; а другата линија водела до сите денешни клеточни РНК-полимерази.
1 Структура
Во 2006 година, му била доделена Нобеловата награда за хемија на Роџер Д. Корнберг за создавање на детални молекуларни слики на РНК-полимеразата во различни фази на процесот на транскрипција. Кај повеќето прокариоти, еден вид на РНК-полимераза ги транскрибира сите видови на РНК. РНК-полимеразата на ''E. coli'' се состои од пет различни подединици. Бета (β) подединицата има молекуларна тежина од 150.000, бета прим (β') подединицата има молекуларна тежина од 160.000, алфа (α) подединицата 40.000 и сигма (σ) подединицата 70.000. Сигма подединицата може да дисоцира од остатокот на комплексот, одвојувајќи се од основниот ензим. Комплетниот ензим, заедно со σ подединицата, се нарекува РНК-полимераза холоензим и е неопходен за правилна иницијација на транскрипција.
2 Функција
Контролата на процесот на генската транскрипција влијае врз генската експресија и, на тој начин, ѝ овозможува на клетката да се прилагоди на промените на околината, да извршува специјализирани улоги во организмот и да ги одржува основните метаболни процеси неопходни за опстанок. Поради ова, не е изненадувачки што активностите на РНКП се бројни, сложени и јако регулирани. Во ''Escherichia coli'', идентификувани се повеќе од 100 транскрипциони фактори, кои ја модифицираат активноста на РНКП.
РНКП може да иницира транскрипција на специфични ДНК-низи познати како промотери. Потоа таа синтетизира РНК-верига кој е комплементарна на ДНК-веригата која ја чита. Процесот на додавање нуклеотиди на РНК-веригата е познат како елонгација; кај еукариотите, РНКП може да синтетизира РНК-вериги долги и до 2,4 милиони нуклеотиди. РНКП завршува со процесот на транскрипција на специфични ДНК-низи, кои се наоѓаат на крајот од генот, и се познати како терминатори.
Производи на РНКП се:
*Информациска РНК (иРНК) — носител на кодоните за синтеза на белковини во рибозомите.
*Некодирачки РНК или „РНК-гени“ — широка класа на гени кои кодираат РНК-молекули кои не се транслатираат во белковини. Најпознати примери на РНК-гени се: транспортна РНК (тРНК) и рибозомна РНК (рРНК), и двете неопходни за процесот на транслација. Од крајот на 1990-тите години, пронајдени се многу нови РНК-гени, кои вршат разни функции од суштинско значење за клетката.
**Транспортна РНК (тРНК) — носи специфични аминокиселини во рибозомот во текот на транслацијата
**Рибозомна РНК (рРНК) — основната компонента на рибозомите
**МикроРНК (миРНК) — ја регулира генската активност
** Каталитичка РНК (рибозим) — каталитички активни РНК-молекули
РНКП врши ''de novo'' синтеза. Таа е во состојба да го врши ова, бидејќи специфичните интеракции со иницирачкиот нуклеотид ја држат РНКП цврсто за нејзиното место на врзување, олеснувајќи го хемиското врзување на пристигнувачкиот слободен нуклеотид. Таквите специфични интеракции објаснуваат зошто РНКП претпочита да ја започне транскрипцијата со ATP (по што следат GTP, UTP, а потоа CTP). За разлика од ДНК-полимеразата, РНАП има хеликазна активност, па затоа не ѝ е потребен посебен ензим за одмотување на ДНК-завојницата.
3 Активност
Кај бактериите, РНК-полимеразата најпрво се врзува за сигма факторот, кој има функција да го препознае главниот промотерски регион, кој ги содржи -35 и -10 елементите (сместени пред почетокот на низата што треба да се транскрибира), а исто така, на некои промотери и C-терминалниот домен на α-подединицата, кој препознава нагорни елементи на промотерот. Постојат повеќе сигма фактори, од кои секој препознава посебна група на промотери. На пример, кај ''E. coli'', σ<sup>70</sup> се јавува во нормални услови и ги препознава промотерите на гените кои се потребни во нормални услови, за нормално одвивање на клеточните функции, додека σ<sup>32</sup> ги препознава промотерите на гените кои се активираат при високи температури („гени на топлински шок“).
По врзувањето за ДНК, РНК-полимеразата се менува од затворен комплекс во отворен комплекс. Во текот на оваа промена ДНК-веригите се раздвојуваат за да формираат одмотан ДНК-сегмент, долг околу 13 bp (базни парови), кој се нарекува транскрипциски меур. Потоа се врши базно спарување, според Вотсон-Крик моделот за спарување на бази, на рибонуклеотидите за ДНК-веригата која се чита (транскрибира). Додатното намотување на ДНК (супернамотување; англ. ''supercoiling'') игра важна улога во активноста на полимеразата, бидејќи во процесот на транскрипција на ДНК, таа треба да се одмотува и повторно замотува. Бидејќи регионите на ДНК непосредно пред РНКП се одмотуваат, постојат компензаторни позитивни додатни намотувања (супернавои), додека регионите зад РНКП се замотуваат и како резултат се јавуваат негативни супернавои.
3.1 Елонгација
Транскрипциската елонгација вклучува понатамошно додавање на рибонуклеотиди и промена на отворениот комплекс во транскрипционен комплекс. РНКП не може да започне со формирање на транскрипти со целосна должина поради нејзиното силно врзување за промотерот. Транскрипцијата во оваа фаза првенствено резултира со кратки РНК-фрагменти од околу 9 bp во процес познат како недовршена (абортивна) транскрипција. Откако РНКП започнува со формирање на подолги транскрипти, го ослободува промотерот. Во тој момент, контактите со -10 и -35 елементи се нарушени, а σ подединицата се одвојува од РНКП. Ова овозможува остатокот од комплексот на РНКП да се движи напред, бидејќи σ подединицата го држи РНКП-комплексот во место.
Транскрипциониот 17-bp комплекс има 8-bp ДНК-РНК хибрид, односно 8 бази од РНК-транскриптот се спарени со ДНК-веригата која се чита. Како што транскрипцијата напредува, рибонуклеотидите се додаваат на 3 'крајот на РНК-транскриптот и РНКП-комплексот се движи долж ДНК.
Аспартил (asp) остатоците од РНКП врзуваат Mg<sup>2+</sup> јони, кои, пак, ги координираат фосфатите на рибонуклеотидите. Првиот Mg<sup>2+</sup> го координира α-фосфатот на наредниот нуклеотид трифосфат (NTP) кој се додава на низата. Ова овозможува нуклеофилен напад на 3'OH од транскриптот на РНК, со што се додава уште еден NTP на низата. Вториот Mg<sup>2+</sup> го координира пирофосфатот на NTP. Целокупната реакција е:
(NMP)<sub>n</sub> + NTP --> (NMP)<sub>n+1</sub> + PP<sub>i</sub>
3.2 Верност
Механизмите за исправка на грешки на РНКП неодамна биле проучени. Исправката (англ. ''proofreading'') започнува со одвојување на неточно инкорпорираниот нуклеотид од ДНК-веригата, со што привремено се прекинува транскрипцијата. Потоа, полимеразата се враќа една позиција назад и го откинува динуклеотидот кој го содржи неусогласениот нуклеотид. Кај РНК-полимеразата ова се случува на истото активно место кое се користи за полимеризација, па затоа механизмот на исправка кај РНКП е сосема поинаков од тој кај ДНК-полимеразата, каде исправката се случува на посебно место со нуклеазна активност.
3.3 Терминација
Кај прокариотите, терминацијата на РНК транскрипцијата може да биде Rho-независна или Rho-зависна.
Rho-независна терминација е онаа која се одвива без помош на ро-белковината (наречен и Rho-фактор). Транскрипцијата на палиндромски регион на ДНК предизвикува формирање на структура „шнола“ (англ. ''hairpin''). Шнолата е богата со G-C базни парови, што ја прави постабилна од ДНК-РНК хибридот. Како резултат на тоа, 8 bp ДНК-РНК хибридот на транскрипциониот комплекс се претвора во 4 bp хибрид. Овие последни 4 базни парови се слаби A-U базни парови, па затоа целиот РНК-транскрипт се одвојува од ДНК.
4 Други организми
4.1 Бактерии
Кај бактериите, истиот ензим ја катализира синтезата на иРНК и некодирачките РНК молекули.
Бактериската РНКП е голема молекула, која е изградена од пет подединици (~ 400 kDa):* β': Таа е најголемата подединица, и е кодирана од rpoC генот. β ' подединицата содржи дел од активниот центар одговорен за синтезата на РНК и содржи некои од детерминантите одговорни за ненизно-специфични интеракции со ДНК и насцентата РНК.
* β: Оваа подединица е втора по големина и е кодирана од rpoB генот. β подединицата го содржи остатокот од активниот центар одговорен за синтезата на РНК, а ги содржи и останатите детерминанти за ненизно-специфичните интеракции со ДНК и насцентата РНК.
* αI и αII: Таа е трета по големина подединица, која е присутна во две копии во молекула на РНКП - αI и αII. Секоја α подединица содржи два домени: αNTD (N-терминален домен) и αCTD (C-терминален домен). αNTD содржи детерминанти за интеграција на РНКП. αCTD содржи детерминанти за интеракција со промотери и детерминанти за интеракции со регулаторни фактори.
* ω: Таа е најмалата подединица, која ја олеснува интеграцијата на РНКП и ја стабилизира интегрираната структура.
За да се врзе за промотерите, РНКП се поврзува со факторот за иницијација на транскрипцијата, сигма (σ), формирајќи го на тој начин РНКП холоензимот. Сигма факторот го намалува афинитетот на РНКП за неспецифичната ДНК, а ја зголемува специфичноста за промотерите, овозможувајќи транскрипција да отпочне на точно одредено место. Значи, целосниот холоензим има 6 подединици: β'βαI и αIIωσ (~ 450 kDa).
4.2 Еукариоти
Еукариотите имаат повеќе типови на јадрена РНКП, секој одговорен за синтеза на посебна подгрупа на РНК молекули. Сите тие се структурно и функционално сродни меѓусебе, а и со бактериската РНКП:
*РНК-полимеразата I ги синтетизира претходниците на рибозомната РНК (рРНК): 45S пре-рРНК (35S кај квасци), кои созреваат во 28S, 18S и 5.8S рРНК молекули.*РНК-полимеразата II ги синтетизира претходниците на информациската РНК (иРНК) и повеќето мали јадрени РНК молекули (мјРНК) и микроРНК молекули. Ова е најпроучуваниот тип на РНК-полимераза, а поради високиот степен на контрола кој е потребен за овие транскрипции, потребни се бројни транскрипциони фактори за нејзиното врзување за промотерите.
*РНК-полимеразата III ги синтетизира транспортните РНК (тРНК), 5Ѕ рРНК и другите мали РНК молекули пронајдени во јадрото и цитозолот.*РНК-полимеразата IV синтетизира малите интерферирачки РНК молекули кај растенијата.*РНК-полимеразата V ги синтетизира РНК молекулите инволвирани во создавањето на хетерохроматин кај растенијата, кое е управувано од малите интерферирачки РНК молекули.
Еукариотските хлоропласти содржат РНКП која е структурно и функционално слична на бактериската РНКП („пластидно-кодирана полимераза“).
Еукариотските хлоропласти, содржат и втора РНКП, структурно и функционално несродна со бактериската („јадрено-кодирана полимераза“, член на фамилијата на белковини наречена „РНКП од една подединица“).
Еукариотските митохондрии содржат структурно и функционално несродна РНКП (член на фамилијата на белковини наречена „РНКП од една подединица“).
Со оглед на тоа што и ДНК и РНК-полимеразата вршат полимеризација на нуклеотиди со читање на нуклеотидната низа на ДНК, се очекува тие да бидат и структурно сродни. Сепак, рендгентската кристалографија на двата типа ензими открила дека тие, освен што содржат Mg<sup>2+</sup> катјон во каталитички-активното место, во ништо друго не се слични. Се верува дека шаблонската полимеризација на нуклеотиди се јавила независно двапати во раната еволуција на клетката; едната линија на потекло ги дала денешните ДНК-полимерази и реверзните транскриптази, како и некои вирусни РНК-полимерази изградени од една подединица, а другата линија на потекло ги дала сите денешни клеточни РНК-полимерази.
4.3 Археи
Археите имаат еден тип на РНКП, одговорен за синтеза на сите типови на РНК молекули. Архејската РНКП е структурно и функционално слична на бактериската РНКП и еукариотските јадрени РНКП I-V, а посебно со еукариотската јадрена РНК-полимераза II. Откривањето на архејската РНК-полимераза е скорешно. Првата анализа на архејска РНКП била направена во 1971 година, кога РНКП од екстремниот халофил ''Halobacterium cutirubrum'' била изолирана и прочистена. Кристалните структури на РНКП од ''Sulfolobus solfataricus'' и ''Sulfolobus shibatae'' покажале дека бројот на подединици на полимеразата кај археите е 13.
4.4 Вируси
Ортопоксвирусите ја синтетизираат РНК користејќи вирусно кодирана РНКП, која е структурно и функционално слична со бактериската РНКП, архејската РНКП и еукариотската јадрена РНКП I-V. Повеќето други вируси кои синтетизираат РНК користејќи вирусно кодирана РНК-полимераза, користат РНКП која не е структурно и функционално слична со бактериската РНКП, архејската РНКП и еукариотската јадрена РНКП I-V. Многу вируси користат ДНК-зависна РНКП од една подединица, која е структурно и функционално сродна со РНКП од една подединица на хлоропластите и митохондриите, а подалечно сродна со ДНК-полимеразите и реверзните транскриптази. Веројатно најчесто проучуваната РНКП од една подединица е Т7 РНК-полимеразата на бактериофагот Т7. Други вируси користат РНК-зависна РНК-полимераза (РНКП која користи РНК како шаблон наместо ДНК). Таа се среќава кај едноверижните РНК вируси со негативна поларност и кај двоверижните РНК вируси, кои во дел од нивниот животен циклус постојат како двоверижни РНК молекули. Сепак, некои едноверижните РНК вируси со позитивна поларност, како што е полиовирусот, исто така содржат РНК-зависна РНКП.
5 Историја
РНКП беше независно откриена од Чарлс Ло, Одри Стивенс и Џерард Хервиц во 1960 година. Во тоа време, половина од Нобеловата награда за медицина, од 1959 година, му била доделена на Северо Очоа за откритие за што се верувало дека е РНКП, но, наместо тоа, се покажало дека е полинуклеотид фосфорилаза.
6 Прочистување
РНК-полимеразата може да биде изолирана на следните начини:
* Со фосфоцелулозна колона.* Со центрифугирање со глицеролен градиент.* Со ДНК-колона.
* Со јоноизменувачка колона.
Изолацијата може да се изврши и со комбинација на горенаведените техники.
7 Поврзано
*Алфа-аманитин