Polimeraza RNA: struktura, funkcje u prokariotów, eukariotów i archeonów

Polimeraza RNA jest kompleksem enzymatycznym, który jest odpowiedzialny za pośredniczenie w polimeryzacji cząsteczki RNA, począwszy od sekwencji DNA stosowanej jako matryca. Ten proces jest pierwszym etapem ekspresji genów i nazywany jest transkrypcją. Polimeraza RNA wiąże się z DNA w bardzo szczególnym regionie, znanym jako promotor.

Enzym ten - i ogólnie proces transkrypcji - jest bardziej złożony u eukariotów niż u prokariotów. Eukarionty posiadają wiele polimeraz RNA, które specjalizują się w pewnych rodzajach genów, w przeciwieństwie do prokariotów, w których wszystkie geny są transkrybowane przez pojedynczą klasę polimerazy.

Wzrost złożoności linii eukariontów w elementach związanych z transkrypcją jest prawdopodobnie związany z bardziej zaawansowanym systemem regulacji genów, typowym dla organizmów wielokomórkowych.

W archeonach transkrypcja jest podobna do procesu zachodzącego u eukariontów, chociaż mają tylko jedną polimerazę.

Polimerazy nie działają same. Aby proces transkrypcji rozpoczął się prawidłowo, konieczna jest obecność kompleksów białkowych zwanych czynnikami transkrypcyjnymi.

Struktura

Najlepiej scharakteryzowanymi polimerazami RNA są polimerazy bakterii. Składa się z wielu łańcuchów polipeptydowych. Enzym ma kilka podjednostek, skatalogowanych jako α, β, β 'i σ. Wykazano, że ta ostatnia podjednostka nie uczestniczy bezpośrednio w katalizie, ale bierze udział w specyficznym wiązaniu z DNA.

W rzeczywistości, jeśli wyeliminujemy podjednostkę σ, polimeraza może nadal katalizować związaną z nią reakcję, ale dzieje się to w niewłaściwych regionach.

Podjednostka α ma masę 40 000 daltonów i są dwie. Z podjednostek β i β jest tylko 1, a ich masa wynosi odpowiednio 155 000 i 160 000 Daltonów.

Te trzy struktury znajdują się w jądrze enzymu, podczas gdy podjednostka σ znajduje się dalej i nazywana jest czynnikiem sigma. Kompletny enzym - lub holoenzym - ma całkowitą masę bliską 480 000 daltonów.

Struktura polimerazy RNA jest bardzo zmienna i zależy od badanej grupy. Jednak we wszystkich istotach organicznych występuje złożony enzym składający się z kilku jednostek.

Funkcje

Funkcją polimerazy RNA jest polimeryzacja nukleotydów łańcucha RNA zbudowanego z matrycy DNA.

Wszystkie informacje niezbędne do budowy i rozwoju organizmu są zapisane w jego DNA. Jednak informacje nie przekładają się bezpośrednio na białka. Konieczny jest etap pośredni do cząsteczki informacyjnego RNA.

Ta transformacja języka z DNA na RNA odbywa się za pośrednictwem polimerazy RNA i zjawisko to nazywa się transkrypcją. Proces ten jest podobny do replikacji DNA.

W prokariotach

Prokarionty są organizmami jednokomórkowymi, bez określonego jądra. Spośród wszystkich prokariotów najbardziej badanym organizmem był Escherichia coli . Ta bakteria jest normalnym mieszkańcem naszej mikroflory i była idealnym modelem dla genetyków.

Najpierw wyizolowano polimerazę RNA w tym organizmie, a większość badań transkrypcji przeprowadzono w E. coli. W pojedynczej komórce tej bakterii możemy znaleźć do 7000 cząsteczek polimeraz.

W przeciwieństwie do eukariotów, które mają trzy typy polimeraz RNA, u prokariotów wszystkie geny są przetwarzane przez pojedynczy typ polimerazy.

W eukariontach

Co to jest gen?

Eukarioty są organizmami, które mają jądro ograniczone przez błonę i mają różne organelle. Komórki eukariotyczne charakteryzują się trzema typami jądrowych polimeraz RNA, a każdy typ jest odpowiedzialny za transkrypcję określonych genów.

„Gen” nie jest łatwym określeniem. Zazwyczaj jesteśmy przyzwyczajeni do nazywania dowolnej sekwencji DNA „genem”, która ostatecznie przekłada się na białko. Chociaż powyższe stwierdzenie jest prawdziwe, istnieją również geny, których końcowym produktem jest RNA (a nie białko) lub są genami zaangażowanymi w regulację ekspresji.

Istnieją trzy typy polimeraz, nazwane I, II i III. Poniżej opiszemy jego funkcje:

Polimeraza RNA II

Geny kodujące białka - i angażujące informacyjny RNA - są transkrybowane przez polimerazę II RNA. Ze względu na jego znaczenie w syntezie białek, jest najbardziej badaną polimerazą przez badaczy.

Czynniki transkrypcyjne

Enzymy te nie mogą same kierować procesem transkrypcji, potrzebują obecności białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi. Można wyróżnić dwa typy czynników transkrypcyjnych: ogólny i dodatkowy.

Pierwsza grupa obejmuje białka biorące udział w transkrypcji wszystkich promotorów polimeraz II. Stanowią one podstawowy mechanizm transkrypcji.

W układach in vitro scharakteryzowano pięć ogólnych czynników niezbędnych do inicjacji transkrypcji przez polimerazę II RNA. Promotory te posiadają sekwencję konsensusową zwaną „skrzynką TATA”.

Pierwszy etap transkrypcji wiąże się z wiązaniem czynnika zwanego TFIID do skrzynki TATA. To białko jest kompleksem z wieloma podjednostkami - między innymi specyficznym dla pudełka. Składa się również z kilkunastu peptydów zwanych TAF (z angielskich czynników związanych z TBP ).

Trzecim czynnikiem jest TFIIF. Po rekrutacji polimerazy II czynniki TFIIE i TFIIH są niezbędne do rozpoczęcia transkrypcji.

Polimeraza RNA I i III

Rybosomalne RNA są elementami strukturalnymi rybosomów. Oprócz rybosomalnego RNA, rybosomy składają się z białek i są odpowiedzialne za translację cząsteczki informacyjnego RNA do białka.

Przenoszone RNA również uczestniczą w tym procesie translacji, prowadząc do aminokwasu, który zostanie włączony do łańcucha polipeptydowego podczas tworzenia.

Te RNA (rybosomalny i transferowy) są transkrybowane przez polimerazy RNA I i III. Polimeraza RNA I jest specyficzna dla transkrypcji większych rybosomalnych RNA, znanych jako 28S, 28S i 5, 8S. S odnosi się do współczynnika sedymentacji, czyli szybkości sedymentacji podczas procesu wirowania.

Polimeraza RNA III jest odpowiedzialna za transkrypcję genów kodujących mniejsze rybosomalne RNA (5S).

Ponadto seria małych RNA (pamiętaj, że istnieje wiele typów RNA, nie tylko najbardziej znanego przekaźnika, rybosomalnego i transferowego RNA) jako małego jądrowego RNA, jest transkrybowana przez polimerazę RNA III.

Czynniki transkrypcyjne

Polimeraza RNA I, zarezerwowana wyłącznie do transkrypcji genów rybosomalnych, wymaga kilku czynników transkrypcji dla swojej aktywności. Geny kodujące rybosomalny RNA mają zlokalizowany promotor około 150 par zasad „powyżej” miejsca startu transkrypcji.

Promotor jest rozpoznawany przez dwa czynniki transkrypcyjne: UBF i SL1. Te wiążą się wspólnie z promotorem i rekrutują polimerazę I, tworząc kompleks inicjacyjny.

Czynniki te są tworzone przez wiele podjednostek białkowych. Podobnie, TBP wydaje się być wspólnym czynnikiem transkrypcyjnym dla trzech polimeraz u eukariontów.

W przypadku polimerazy RNA III zidentyfikowano czynnik transkrypcyjny TFIIIA, TFIIIB i TFIIIC. Są one połączone sekwencyjnie z kompleksem transkrypcyjnym.

Polimeraza RNA w organellach

Subkomórkowe przedziały zwane organellami są jedną z wyróżniających cech eukariontów. Mitochondria i chloroplasty mają oddzielną polimerazę RNA, która przypomina ten enzym w bakteriach. Te polimerazy są aktywne i transkrybują DNA znalezione w tych organellach.

Zgodnie z teorią endosymbiotyczną eukarioty pochodzą z symbiozy, w której jedna bakteria połknęła mniejszą. Ten istotny fakt ewolucyjny wyjaśnia podobieństwo między polimerazami mitochondriów a polimerazą bakterii.

W archeach

Podobnie jak w bakteriach, u archeonów istnieje tylko jeden typ polimerazy odpowiedzialny za transkrypcję wszystkich genów organizmu jednokomórkowego.

Jednak polimeraza RNA w archeonach jest bardzo podobna do struktury polimerazy u eukariotów. Przedstawiają one pudełko TATA i czynniki transkrypcyjne, w szczególności TBP i TFIIB.

Ogólnie rzecz biorąc, proces transkrypcji u eukariontów jest dość podobny do procesu występującego w archeach.

Różnice z polimerazą DNA

Replikacja DNA jest koordynowana przez kompleks enzymatyczny zwany polimerazą DNA. Chociaż enzym ten jest zwykle porównywany z polimerazą RNA - obie katalizują polimeryzację łańcucha nukleotydowego w kierunku 5 'do 3' - różnią się na kilka sposobów.

Polimeraza DNA potrzebuje krótkiego fragmentu nukleotydów, aby móc zainicjować replikację cząsteczki, zwanej starterem lub starterem. Polimeraza RNA może rozpocząć syntezę de novo i nie potrzebuje pierwszej do swojej aktywności.

Polimeraza DNA jest w stanie wiązać się z kilkoma miejscami wzdłuż jednego chromosomu, podczas gdy polimeraza wiąże się tylko z promotorami genów.

Jeśli chodzi o mechanizmy korekcji enzymów, te polimerazy DNA są znacznie lepiej znane, ponieważ są w stanie poprawić błędne nukleotydy, które zostały przez pomyłkę spolimeryzowane.