Każdy, kto studiuje biologię molekularną, biochemię, inżynierię genetyczną i szereg innych pokrewnych nauk, prędzej czy później zadaje pytanie: jaka jest funkcja polimerazy RNA? Jest to dość złożony temat, który wciąż nie jest w pełni zbadany, niemniej jednak to, co wiadomo, zostanie omówione w ramach artykułu.
Informacje ogólne
Należy pamiętać, że istnieje polimeraza RNA eukariontów i prokariontów. Pierwszy dzieli się dalej na trzy typy, z których każdy odpowiada za transkrypcję odrębnej grupy genów. Enzymy te są ponumerowane dla uproszczenia jako pierwsza, druga i trzecia polimeraza RNA. Prokariota, którego struktura jest pozbawiona jądra, podczas transkrypcji działa według uproszczonego schematu. Dlatego dla jasności, aby objąć jak najwięcej informacji, rozważone zostaną eukarionty. Polimerazy RNA są strukturalnie podobne do siebie. Uważa się, że zawierają co najmniej 10 łańcuchów polipeptydowych. W tym samym czasie polimeraza RNA 1 syntetyzuje (transkrybuje) geny, które następnie będą tłumaczone na różne białka. Drugi to transkrypcja genów, które są następnie tłumaczone na białka. Polimeraza RNA 3 jest reprezentowana przez różne stabilne enzymy o niskiej masie cząsteczkowej, które umiarkowaniewrażliwe na alfa amatynę. Ale nie zdecydowaliśmy, czym jest polimeraza RNA! To nazwa enzymów biorących udział w syntezie cząsteczek kwasu rybonukleinowego. W wąskim sensie odnosi się to do polimeraz RNA zależnych od DNA, które działają na podstawie matrycy kwasu dezoksyrybonukleinowego. Enzymy mają ogromne znaczenie dla długotrwałego i pomyślnego funkcjonowania organizmów żywych. Polimerazy RNA znajdują się we wszystkich komórkach i większości wirusów.
Podział według funkcji
W zależności od składu podjednostek polimerazy RNA dzielą się na dwie grupy:
- Pierwsza dotyczy transkrypcji niewielkiej liczby genów w prostych genomach. Do funkcjonowania w tym przypadku nie są wymagane złożone działania regulacyjne. Dlatego obejmuje to wszystkie enzymy składające się tylko z jednej podjednostki. Przykładem jest polimeraza RNA bakteriofagów i mitochondriów.
- Ta grupa obejmuje wszystkie polimerazy RNA eukariontów i bakterii, które są złożone. Są to skomplikowane, wielopodjednostkowe kompleksy białkowe, które mogą dokonać transkrypcji tysięcy różnych genów. Podczas swojego funkcjonowania geny te odpowiadają na dużą liczbę sygnałów regulatorowych, które pochodzą z czynników białkowych i nukleotydów.
Taki podział strukturalno-funkcjonalny jest bardzo warunkowym i silnym uproszczeniem rzeczywistego stanu rzeczy.
Co robi polimeraza RNA?
Przypisuje się im funkcję formowania podstawowegoTranskrypty genów rRNA, czyli one są najważniejsze. Te ostatnie są lepiej znane pod oznaczeniem 45S-RNA. Ich długość to około 13 tysięcy nukleotydów. Powstają z niego 28S-RNA, 18S-RNA i 5,8S-RNA. Dzięki temu, że do ich tworzenia wykorzystywany jest tylko jeden transkryptor, organizm otrzymuje „gwarancję”, że molekuły powstaną w równych ilościach. Jednocześnie do bezpośredniego tworzenia RNA wykorzystuje się zaledwie 7 tysięcy nukleotydów. Reszta transkryptu ulega degradacji w jądrze. W odniesieniu do tak dużej pozostałości istnieje opinia, że jest ona niezbędna we wczesnych stadiach tworzenia rybosomów. Liczba tych polimeraz w komórkach istot wyższych oscyluje w okolicach 40 tysięcy jednostek.
Jak to jest zorganizowane?
Więc już dobrze rozważyliśmy pierwszą polimerazę RNA (prokariotyczna struktura cząsteczki). Jednocześnie duże podjednostki, jak również duża liczba innych polipeptydów o dużej masie cząsteczkowej, mają dobrze zdefiniowane domeny funkcjonalne i strukturalne. Podczas klonowania genów i określania ich pierwotnej struktury naukowcy zidentyfikowali ewolucyjnie konserwatywne odcinki łańcuchów. Wykorzystując dobrą ekspresję, naukowcy przeprowadzili również analizę mutacyjną, która pozwala mówić o funkcjonalnym znaczeniu poszczególnych domen. W tym celu, stosując ukierunkowaną mutagenezę, zmieniono poszczególne aminokwasy w łańcuchach polipeptydowych, a tak zmodyfikowane podjednostki zastosowano w zestawieniu enzymów, a następnie analizie właściwości, które uzyskano w tych konstruktach. Zauważono, że ze względu na swoją organizację pierwsza polimeraza RNA naobecność alfa-amatyny (wysoce toksycznej substancji pochodzącej z perkoza bladego) w ogóle nie reaguje.
Operacja
Zarówno pierwsza, jak i druga polimeraza RNA mogą występować w dwóch formach. Jeden z nich może działać w celu zainicjowania określonej transkrypcji. Drugi to polimeraza RNA zależna od DNA. Związek ten przejawia się w ogromie aktywności funkcjonowania. Temat jest wciąż badany, ale już wiadomo, że zależy on od dwóch czynników transkrypcyjnych, które określane są jako SL1 i UBF. Osobliwością tego ostatniego jest to, że może bezpośrednio wiązać się z promotorem, podczas gdy SL1 wymaga obecności UBF. Chociaż eksperymentalnie stwierdzono, że polimeraza RNA zależna od DNA może brać udział w transkrypcji na minimalnym poziomie i bez jej obecności. Ale do normalnego funkcjonowania tego mechanizmu nadal potrzebny jest UBF. Dlaczego dokładnie? Do tej pory nie udało się ustalić przyczyny tego zachowania. Jedno z najpopularniejszych wyjaśnień sugeruje, że UBF działa jak rodzaj stymulatora transkrypcji rDNA w miarę wzrostu i rozwoju. W fazie spoczynku utrzymywany jest minimalny wymagany poziom funkcjonowania. A dla niego udział czynników transkrypcyjnych nie jest krytyczny. Tak działa polimeraza RNA. Funkcje tego enzymu pozwalają nam wspomagać proces reprodukcji małych „cegiełek” naszego organizmu, dzięki czemu jest on stale aktualizowany przez dziesięciolecia.
Druga grupa enzymów
Ich funkcjonowanie jest regulowane przez złożenie wielobiałkowego kompleksu preinicjacyjnego promotorów drugiej klasy. Najczęściej wyraża się to w pracy ze specjalnymi białkami - aktywatorami. Przykładem jest TVR. Są to powiązane czynniki, które są częścią TFIID. Są celami dla p53, NF kappa B i tak dalej. W procesie regulacji swój wpływ mają również białka zwane koaktywatorami. Przykładem jest GCN5. Dlaczego te białka są potrzebne? Działają jako adaptery, które dostosowują interakcję aktywatorów i czynników wchodzących w skład kompleksu przedinicjacyjnego. Aby transkrypcja przebiegła prawidłowo, konieczna jest obecność niezbędnych czynników inicjujących. Pomimo tego, że jest ich sześć, tylko jeden może bezpośrednio wchodzić w interakcję z promotorem. W innych przypadkach potrzebny jest wstępnie utworzony drugi kompleks polimerazy RNA. Co więcej, podczas tych procesów proksymalne elementy znajdują się w pobliżu - tylko 50-200 par od miejsca, w którym rozpoczęła się transkrypcja. Zawierają informację o wiązaniu białek aktywujących.
Funkcje specjalne
Czy struktura podjednostkowa enzymów różnego pochodzenia wpływa na ich funkcjonalną rolę w transkrypcji? Nie ma dokładnej odpowiedzi na to pytanie, ale uważa się, że najprawdopodobniej jest ona pozytywna. Jak zależy od tego polimeraza RNA? Funkcje enzymów o prostej strukturze to transkrypcja ograniczonego zakresu genów (lub nawet ich małych części). Przykładem jest synteza starterów RNA fragmentów Okazaki. Specyficzność promotora polimerazy RNA bakterii i fagów polega na tym, że enzymy mają prostą strukturę i nie różnią się różnorodnością. Widać to w procesie replikacji DNA w bakteriach. Chociaż można to również rozważyć: gdy badano złożoną strukturę genomu parzystego faga T, podczas którego rozwoju odnotowano wielokrotne przełączanie transkrypcji między różnymi grupami genów, okazało się, że zastosowano złożoną polimerazę RNA gospodarza dla tego. Oznacza to, że w takich przypadkach nie jest indukowany prosty enzym. Wynika z tego szereg konsekwencji:
- Eukariotyczna i bakteryjna polimeraza RNA powinna być w stanie rozpoznawać różne promotory.
- Konieczne jest, aby enzymy wykazywały określoną reakcję na różne białka regulatorowe.
- polimeraza RNA powinna również być w stanie zmienić specyficzność rozpoznawania sekwencji nukleotydowej matrycy DNA. W tym celu wykorzystywane są różne efektory białkowe.
Z tego wynika zapotrzebowanie organizmu na dodatkowe elementy „budowlane”. Białka kompleksu transkrypcyjnego pomagają polimerazie RNA w pełni wykonywać swoje funkcje. W największym stopniu dotyczy to enzymów o złożonej budowie, w możliwościach których realizacja rozbudowanego programu implementacji informacji genetycznej. Dzięki różnym zadaniom możemy zaobserwować swoistą hierarchię w strukturze polimeraz RNA.
Jak działa proces transkrypcji?
Czy istnieje gen odpowiedzialny za komunikację zPolimeraza RNA? Po pierwsze, o transkrypcji: u eukariontów proces zachodzi w jądrze. U prokariontów odbywa się w samym mikroorganizmie. Oddziaływanie polimerazy opiera się na fundamentalnej strukturalnej zasadzie komplementarnego parowania poszczególnych cząsteczek. W odniesieniu do kwestii interakcji możemy powiedzieć, że DNA działa wyłącznie jako szablon i nie zmienia się podczas transkrypcji. Ponieważ DNA jest integralnym enzymem, można z całą pewnością stwierdzić, że za ten polimer odpowiada konkretny gen, ale będzie to bardzo długie. Nie należy zapominać, że DNA zawiera 3,1 miliarda reszt nukleotydowych. Dlatego bardziej stosowne byłoby stwierdzenie, że każdy rodzaj RNA odpowiada za własne DNA. Aby reakcja polimerazy przebiegała, potrzebne są źródła energii i substraty trifosforanu rybonukleozydu. W ich obecności między monofosforanami rybonukleozydów powstają wiązania 3',5'-fosfodiestrowe. Cząsteczka RNA zaczyna być syntetyzowana w określonych sekwencjach DNA (promotorach). Proces ten kończy się na sekcjach końcowych (terminacja). Witryna, która jest tutaj zaangażowana, nazywa się transkrypcją. U eukariontów z reguły występuje tu tylko jeden gen, podczas gdy prokariota mogą mieć kilka sekcji kodu. Każda transkrypcja ma strefę nieinformacyjną. Zawierają specyficzne sekwencje nukleotydowe, które oddziałują ze wspomnianymi wcześniej regulatorowymi czynnikami transkrypcyjnymi.
Bakteryjne polimerazy RNA
Temikroorganizmy jeden enzym odpowiada za syntezę mRNA, rRNA i tRNA. Średnia cząsteczka polimerazy ma około 5 podjednostek. Dwa z nich działają jako elementy wiążące enzymu. Inna podjednostka bierze udział w inicjacji syntezy. Istnieje również składnik enzymatyczny do niespecyficznego wiązania z DNA. A ostatnia podjednostka bierze udział w doprowadzeniu polimerazy RNA do postaci roboczej. Należy zauważyć, że cząsteczki enzymu nie pływają „wolno” w cytoplazmie bakteryjnej. Gdy nie są używane, polimerazy RNA wiążą się z nieswoistymi regionami DNA i czekają na otwarcie aktywnego promotora. Odchodząc nieco od tematu, należy stwierdzić, że bardzo wygodne jest badanie białek i ich wpływu na polimerazy kwasu rybonukleinowego na bakterie. Szczególnie wygodnie jest na nich eksperymentować, aby stymulować lub tłumić poszczególne elementy. Ze względu na ich dużą szybkość namnażania, pożądany efekt można uzyskać stosunkowo szybko. Niestety, badania na ludziach nie mogą przebiegać w tak szybkim tempie ze względu na naszą różnorodność strukturalną.
Jak polimeraza RNA „zakorzeniła się” w różnych formach?
Ten artykuł zbliża się do logicznego zakończenia. Skupiono się na eukariontach. Ale są też archeony i wirusy. Dlatego chciałbym poświęcić trochę uwagi tym formom życia. W życiu archeonów istnieje tylko jedna grupa polimeraz RNA. Ale jest niezwykle podobny w swoich właściwościach do trzech skojarzeń eukariontów. Wielu naukowców zasugerowało, że to, co możemy zaobserwować w archeonach, jest w rzeczywistościewolucyjny przodek wyspecjalizowanych polimeraz. Interesująca jest również struktura wirusów. Jak wspomniano wcześniej, nie wszystkie takie mikroorganizmy mają własną polimerazę. A tam, gdzie jest, jest to pojedyncza podjednostka. Uważa się, że enzymy wirusowe pochodzą raczej z polimeraz DNA niż z złożonych konstruktów RNA. Chociaż ze względu na różnorodność tej grupy drobnoustrojów istnieją różne implementacje rozważanego mechanizmu biologicznego.
Wniosek
Niestety, w tej chwili ludzkość nie posiada jeszcze wszystkich niezbędnych informacji potrzebnych do zrozumienia genomu. A co można było zrobić! Prawie wszystkie choroby mają w zasadzie podłoże genetyczne – dotyczy to przede wszystkim wirusów, które nieustannie powodują nam problemy, infekcji i tak dalej. Najbardziej złożone i nieuleczalne choroby są również w rzeczywistości bezpośrednio lub pośrednio zależne od ludzkiego genomu. Kiedy nauczymy się rozumieć siebie i zastosować tę wiedzę na swoją korzyść, wiele problemów i chorób po prostu przestanie istnieć. Wiele wcześniej strasznych chorób, takich jak ospa i dżuma, już odeszło w przeszłość. Przygotowania do wyjazdu świnka, krztusiec. Ale nie powinniśmy się relaksować, ponieważ wciąż stoimy przed wieloma różnymi wyzwaniami, na które trzeba odpowiedzieć. I zostanie odnaleziony, bo wszystko zmierza w tym kierunku.
