Кіріспе
РНК-ны ДНК-дан синтездейтін фермент. Молекулалық биологияда РНК полимераза (қысқаша РНҚП немесе РНҚпол), немесе нақтырақ ДНҚ бағытталған/тәуелді РНК полимераза (ДДРП), – ДНК үлгісінен РНК синтезіне қатысатын химиялық реакцияларды катализдейтін фермент. РНҚП геликаза ферментін пайдаланып, екі тізбекті ДНҚ-ны жергілікті түрде ашады, соның нәтижесінде ашылған нуклеотидтердің біреуі РНК синтезі үшін үлгі ретінде қолданылады, бұл процесс транскрипция деп аталады. РНҚП-ның ДНК-ның ашылуын бастауы үшін транскрипция факторы және оған байланысты транскрипция медиатор кешені ДНК-ның промотор аймағы деп аталатын байланыс орнына қосылуы керек. РНҚП тек РНК транскрипциясын ғана бастамайды, сонымен қатар нуклеотидтерді дұрыс орналастырады, жалғасуын және ұзаруын жеңілдетеді, сондай-ақ ішкі түзету және алмастыру қабілеттерімен қатар, аяқталуын тану қабілетіне ие. Эукариоттарда РНҚП 2,4 миллион нуклеотидке дейін тізбек құрай алады. РНҚП ақуызды кодтауға арналған, яғни хабаршы РНҚ (мРНҚ) немесе кодтамайтын (РНҚ гендері деп аталатын) РНҚ-ны өндіреді. РНК гендерінің төрт функционалдық түріне мысалдар: Трансфер РНҚ (тРНҚ) – трансляция кезінде белок синтезінің рибосомалық орнында өсіп келе жатқан полипептидтік тізбектерге белгілі бір аминқышқылдарын жеткізеді; Рибосомалық РНҚ (рРНҚ) – рибосомалардың құрамына кіреді; Микро РНҚ (миРНҚ) – гендік белсенділікті реттейді; және РНК-ны үнсіздендіретін каталитикалық РНҚ (рибозим) – ферменттік белсенділікпен РНК молекуласы ретінде жұмыс істейді. РНК полимераза тіршілікке өте қажетті және барлық тірі организмдерде және көптеген вирустарда кездеседі. Организміне байланысты РНК полимераза ақуыз кешені (көпбөлімді РНҚП) немесе тек бір бөлімнен (бір бөлімді РНҚП, ssРНҚП) тұруы мүмкін, олардың әрқайсысы тәуелсіз эволюциялық текті білдіреді. Біріншісі бактерияларда, археяларда және эукариоттарда кездеседі, олардың негізгі құрылымы мен механизмі ұқсас. 2006 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы Роджер Д. Корнбергке транскрипция процесінің әртүрлі кезеңдерінде РНК полимеразаның егжей-тегжейлі молекулалық бейнелерін жасағаны үшін берілді. Көптеген прокариоттарда РНК полимеразаның бір түрі РНК-ның барлық түрлерін транскрипциялайды. *E. coli*-дан алынған РНК полимеразаның "ядросы" бес бөлімнен тұрады: 36 кДа екі альфа (α) бөлімі, 150 кДа бета (β) бөлімі, 155 кДа бета-прайм бөлімі (β′) және кішкентай омега (ω) бөлімі. Сигма (σ) факторы ядроға байланысып, голофермент құрайды. Транскрипция басталғаннан кейін фактор ажырасып, негізгі фермент жұмысын жалғастыра алады. Ядролық РНК полимераза кешені "шабақты қысқыш" немесе "жабылатын жақ" құрылымын құрайды, оның ішінде толық ұзындығы бойынша арна өтеді. Эукариотикалық және археялық РНК полимеразалардың ядролық құрылымы ұқсас және олар ұқсас жұмыс істейді, бірақ оларда көптеген қосымша бөлімдер бар.
In molecular biology, RNA polymerase (abbreviated RNAP or RNApol), or more specifically DNA directed/dependent RNA polymerase (DdRP), is an enzyme that catalyzes the chemical reactions that synthesize RNA from a DNA template. Using the enzyme helicase, RNAP locally opens the double stranded DNA so that one strand of the exposed nucleotides can be used as a template for the synthesis of RNA, a process called transcription. A transcription factor and its associated transcription mediator complex must be attached to a DNA binding site called a promoter region before RNAP can initiate the DNA unwinding at that position. RNAP not only initiates RNA transcription, it also guides the nucleotides into position, facilitates attachment and elongation, has intrinsic proofreading and replacement capabilities, and termination recognition capability. In eukaryotes, RNAP can build chains as long as 2.4 million nucleotides. RNAP produces RNA that, functionally, is either for protein coding, i. e. messenger RNA (mRNA); or non coding (so called "RNA genes"). Examples of four functional types of RNA genes are:
Transfer RNA (tRNA) Transfers specific amino acids to growing polypeptide chains at the ribosomal site of protein synthesis during translation;
Ribosomal RNA (rRNA) Incorporates into ribosomes;
Micro RNA (miRNA) Regulates gene activity; and, RNA silencing
Catalytic RNA (ribozyme) Functions as an enzymatically active RNA molecule. RNA polymerase is essential to life, and is found in all living organisms and many viruses. Depending on the organism, a RNA polymerase can be a protein complex (multi subunit RNAP) or only consist of one subunit (single subunit RNAP, ssRNAP), each representing an independent lineage. The former is found in bacteria, archaea, and eukaryotes alike, sharing a similar core structure and mechanism. The 2006 Nobel Prize in Chemistry was awarded to Roger D. Kornberg for creating detailed molecular images of RNA polymerase during various stages of the transcription process. In most prokaryotes, a single RNA polymerase species transcribes all types of RNA. RNA polymerase "core" from E. coli consists of five subunits: two alpha (α) subunits of 36 kDa, a beta (β) subunit of 150 kDa, a beta prime subunit (β′) of 155 kDa, and a small omega (ω) subunit. A sigma (σ) factor binds to the core, forming the holoenzyme. After transcription starts, the factor can unbind and let the core enzyme proceed with its work. The core RNA polymerase complex forms a "crab claw" or "clamp jaw" structure with an internal channel running along the full length. Eukaryotic and archaeal RNA polymerases have a similar core structure and work in a similar manner, although they have many extra subunits.
Іске қосу
Бактерияларда РНК полимеразаның байланысуы сигма факторының -35 және -10 элементтерін қамтитын ядролық промотор аймағын тануын (транскрипцияланатын тізбектің басталуынан бұрын орналасқан) және сонымен қатар кейбір промоторларда α-суббөлімшесінің C терминалды доменінің промотордың жоғары жағындағы элементтерін тануын қамтиды. Бір-бірімен алмастырылатын бірнеше сигма факторлары бар, олардың әрқайсысы промоторлардың ерекше жиынтығын таниды. Мысалы, E. coli-де σ70 қалыпты жағдайда экспрессияланады және қалыпты жағдайда қажетті гендердің промоторларын таниды ("тұрмыстық гендер"), ал σ32 жоғары температурада қажетті гендердің промоторларын таниды ("жылу соққы гендері"). Археялар мен эукариоттарда бактериялық жалпы транскрипция факторы сигманың функцияларын бірлесіп жұмыс істейтін бірнеше жалпы транскрипция факторлары орындайды. РНК полимераза промотордың жабық кешені әдетте "транскрипцияны бастауға дайын кешен" деп аталады. ДНК-ға байланысқаннан кейін РНК полимераза жабық кешеннен ашық кешенге өтеді. Бұл өзгеріс ДНК-ның шамамен 13 жұп негіздік бөлігін ажырату арқылы ДНК-ның бұралып ашылған бөлігін – "транскрипция көпіршігін" құруды қамтиды. Суперспиральдеу полимераза белсенділігінде маңызды рөл атқарады, себебі ДНК-ның бұралып ашылуы мен қайта бұралуы орын алады. РНҚП алдындағы ДНК аймақтары ашылғандықтан, оң суперспиральдер пайда болады. РНҚП артындағы аймақтар қайта бұралады және теріс суперспиральдер болады. РНК полимераза промотордан шығу кезеңінде "қу стресіндегі аралық" деп есептеледі. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, стресс ДНК-ның бұралып ашылуы мен жиырылуынан жинақталады. ДНК-РНК гетеродуплексі жеткілікті ұзын болғаннан кейін (~10 жұп негіз), РНК полимераза жоғары жағындағы байланыстарын босатып, ұзарту фазасына өтуге жетеді. Белсенді ортадағы гетеродуплекс ұзарту кешенін тұрақтандырады. Дегенмен, промотордан шығу – жалғыз нәтиже емес. РНК полимераза төменгі байланыстарын босату арқылы стрессті жеңілдете алады, транскрипцияны тоқтатуға алып келеді. Тоқтап тұрған транскрипция кешенінің екі мүмкіндігі бар: 1) жаңадан пайда болған транскриптті босатып, промоторда жаңадан бастау немесе 2) РНК полимеразаның катализдік белсенділігі арқылы белсенді орында жаңа 3′ OH тобын құрып, промотордан шығу үшін ДНК-ны қайтадан жиыруды бастау. Өнімсіз циклдер, РНК полимеразаның промотордан шығуға дейінгі қайталама қозғалыстары, "аборттық транскрипция" деп аталатын процесте шамамен 9 жұп негіздік қысқа РНК фрагменттерін тудырады. Аборттық бастау деңгейі транскрипция факторларының болуына және промотор байланыстарының күшіне байланысты.
Адалдық
ДНК полимеразаның корректуралау механизмдерінен өзгеше, РНҚ полимеразаның механизмдері тек қана жақында зерттелді. Корректуралау ДНК матрицасынан қате енген нуклеотидті бөліп алудан басталады. Бұл транскрипцияны тоқтатады. Полимераза бір позицияға кері жылжып, қате нуклеотидті қамтитын динуклеотидті кесіп тастайды. РНҚ полимеразада бұл полимеризацияға қолданылатын белсенді орында жүзеге асады, сондықтан ДНК полимеразадан мүлдем өзгеше, онда корректуралау жеке нуклеазалық белсенді орында болады. Жалпы қателік деңгейі шамамен 10−4-тен 10−6-ға дейін құрайды.
Аяқтау
Бактерияларда РНК транскрипциясының аяқталуы ро-тәуелді немесе ро-тәуелсіз болуы мүмкін. Алғашқысы, ро-факторына сүйенеді, ол ДНК-РНК гетеродуплексін тұрақсыздандырып, РНК-ның босатылуына себеп болады. Екіншісі, ішкі тоқтату деп те аталады, ДНК-ның палиндромдық аймағына негізделген. Аймақты транскрипциялау РНК транскрипциясының орамаланып, өзімен байланысуынан "шашқалақ" құрылымын қалыптастырады. Бұл шашқалақ құрылымы көбінесе G-C негіз жұптарына бай, бұл оны ДНК-РНК гибридінен де тұрақты етеді. Нәтижесінде, транскрипциялық кешендегі 8 негіз жұптық ДНК-РНК гибриді 4 негіз жұптық гибридке ауысады. Соңғы 4 негіз жұбы әлсіз А-U негіз жұптары болып табылады, және барлық РНК транскрипті ДНК-дан ажырап түседі. Эукариоттарда транскрипцияның аяқталуы бактериялардағыдан нашар түсінілген, бірақ жаңа транскрипттің бөлінуін және одан кейін оның жаңа 3'-ұшына үлгіге тәуелсіз аденин қосылуын қамтиды, бұл процесс полиаденилизация деп аталады.
Басқа организмдер
ДНК және РНК полимеразалары екеуі де шаблонға тәуелді нуклеотидтік полимерлеуді жүзеге асыратындықтан, осы ферменттердің екі түрінің құрылымдық тұрғыдан байланысты болуы мүмкін еді. Дегенмен, екі типті ферменттердің рентгендік кристаллографиялық зерттеулері каталитикалық орындағы Mg2+ ионын қамтитыннан басқа, олардың бір-бірімен дерлік байланысы жоқ екенін көрсетті; шындығында, шаблонға тәуелді нуклеотидтік полимерлеу ферменттері жасушалардың ерте эволюциясы кезінде екі рет тәуелсіз пайда болған секілді. Бір тармақ заманауи ДНК полимеразалары мен кері транскриптазаларға, сондай-ақ фагтар мен органеллалардан алынған бірнеше бір түлімді РНК полимеразаларына (ssRNAP) әкелді. β′ β′ - ең ірі кіші бірлік, ол rpoC генімен кодталады. β′ кіші бірлігі РНК синтезіне жауапты белсенді орталықтың бөлігін қамтиды және ДНК мен жаңа РНК-мен тізбекке қатыспайтын өзара әрекеттесудің кейбір детерминанттарын қамтиды. Ол цианобактериялар мен хлоропластарда екі кіші бірлікке бөлінеді. β β кіші бірлігі екінші ірі кіші бірлік болып табылады және rpoB генімен кодталады. β кіші бірлігі РНК синтезіне жауапты белсенді орталықтың қалған бөлігін және ДНК мен жаңа пайда болған РНК-мен тізбекке қатыспайтын өзара әрекеттесудің қалған детерминанттарын қамтиды. α (αI және αII) РНП молекуласында α кіші бірлігінің екі көшірмесі бар, ол үшінші ірі кіші бірлік: αI және αII (бір және екі). Әр α кіші бірлігі екі доменді қамтиды: αNTD (N-терминалды домен) және αCTD (C-терминалды домен). αNTD РНП құрастыру детерминанттарын қамтиды. αCTD (C-терминалды домен) промоторлық ДНК-мен өзара әрекеттесу детерминанттарын қамтиды, көптеген промоторларда тізбексіз ерекше емес өзара әрекеттесулерді және жоғары ағымдық элементтерді қамтитын промоторларда тізбектік ерекше өзара әрекеттесулерді жасайды, сондай-ақ реттеуші факторлармен өзара әрекеттесу детерминанттарын қамтиды. ω ω кіші бірлігі ең кішкентай кіші бірлік болып табылады. ω кіші бірлігі РНП құрастырылуын жеңілдетеді және құрастырылған РНП-ны тұрақтандырады. РНП ядросы промоторлармен байланысу үшін транскрипцияны бастау факторы сигмамен (σ) бірігіп, РНК полимеразасының голоферментін құрайды. Сигма РНП-ның спецификалық емес ДНК-ға қосылуын азайтады, сонымен бірге промоторларға қатысты спецификалықты арттырады, бұл транскрипцияның дұрыс орында басталуына мүмкіндік береді. Сондықтан толық голофермент 6 кіші бірліктен тұрады: β′βαI және αIIωσ (~450 кДа).
Эукариоттар
Эукариоттарда ядролық РНҚП-ның бірнеше түрі бар, олардың әрқайсысы РНҚ-ның ерекше кіші жиынтығын синтездеуге жауапты. Олардың барлығы бір-бірімен және бактериялық РНҚП-мен құрылымдық және механикалық тұрғыдан байланысты: эукариоттық хлоропластарда бактериялық РНҚП-ға өте ұқсас РНҚП бар ("пластидтік кодталған полимераза, PEP"). Олар ядролық геномға кодталған сигма факторларын пайдаланады. Хлоропластарда құрылымдық және механикалық жағынан байланысты емес, екінші, бір ғана кіші бірлікті РНҚП ("ядролық кодталған полимераза, NEP") бар. Эукариоттық митохондриялар ядрода кодталған бір ғана кіші бірлікті РНҚП POLRMT (адам) қолданады. Мұндай фаг тәрізді полимеразалар өсімдіктерде RpoT деп аталады. Археялық РНҚ полимеразаның ашылу тарихы өте жақында ғана болды. Археон РНҚП-сы алғаш рет 1971 жылы, аллофильді Halobacterium cutirubrum-нан РНҚП-ны оқшаулап, тазарту кезінде талданды. Sulfolobus solfataricus және Sulfolobus shibatae-ден алынған РНҚП-ның кристалдық құрылымдары археялық кіші бірліктердің анықталған жалпы санын он үшке жеткізді. Археяда эукариотикалық Rpb1-ге сәйкес келетін кіші бірлік екіге бөлінген. S. shibatae кешенінде эукариотикалық Rpb9 (POLR2I) гомологы жоқ, бірақ ұқсастыққа негізделген TFS (TFIIS гомологы) ұсынылған. Rpo13 деп аталатын қосымша кіші бірлік бар; ол Rpo5-пен бірге бактериялық β′ кіші бірліктерінде кездесетін (1377–1420 Taq) енгізілген орынды иеленеді. Бұл домен, екі жағдайда да, құрылымдық функция атқарады. Археялық РНҚП кіші бірліктері бұрын "RpoX" номенклатурасын қолданған, онда әрбір кіші бірлікке басқа жүйелерге қатысы жоқ әріп тағайындалған. Олардың қай РНҚП-ға ең ұқсас екені талқылауда. РНҚ синтездейтін көптеген вирустар өзара байланысты емес механизмдерді пайдаланады. Көптеген вирустар ДНҚ-ға тәуелді бір кіші бірлікті РНҚП (ssRNAP) қолданады, ол эукариоттық хлоропласттардың (RpoT) және митохондриялардың (POLRMT) бір кіші бірлікті РНҚП-сымен, сондай-ақ ДНҚ полимеразаларымен және кері транскриптазалармен құрылымдық және механикалық тұрғыдан байланысты. Бәлкім, ең көп зерттелген осындай бір кіші бірлікті РНҚП бактериофагтың T7 РНҚ полимеразасы болып табылады. ssRNAP түзетуді жүзеге асыра алмайды. Басқа вирустар РНҚ-ға тәуелді РНҚП-ны (РНҚП, ДНҚ орнына РНҚ-ны матрица ретінде пайдаланады) қолданады. Бұл теріс таспалы РНҚ вирустарында және қос таспалы РНҚ вирустарында кездеседі, екеуі де өмірлік циклінің бір бөлігінде қос таспалы РНҚ ретінде өмір сүреді. Алайда, кейбір оң таспалы РНҚ вирустары, мысалы полиомиелит вирусы, РНҚ-ға тәуелді РНҚП-ны да қамтиды.
Eukaryotic chloroplasts contain an RNAP very highly similar to bacterial RNAP ("plastid encoded polymerase, PEP"). They use sigma factors encoded in the nuclear genome. Chloroplast also contain a second, structurally and mechanistically unrelated, single subunit RNAP ("nucleus encoded polymerase, NEP"). Eukaryotic mitochondria use POLRMT (human), a nucleus encoded single subunit RNAP. Such phage like polymerases are referred to as RpoT in plants. The history of the discovery of the archaeal RNA polymerase is quite recent. The first analysis of the RNAP of an archaeon was performed in 1971, when the RNAP from the extreme halophile Halobacterium cutirubrum was isolated and purified. Crystal structures of RNAPs from Sulfolobus solfataricus and Sulfolobus shibatae set the total number of identified archaeal subunits at thirteen. Archaea has the subunit corresponding to Eukaryotic Rpb1 split into two. There is no homolog to eukaryotic Rpb9 (POLR2I) in the S. shibatae complex, although TFS (TFIIS homolog) has been proposed as one based on similarity. There is an additional subunit dubbed Rpo13; together with Rpo5 it occupies a space filled by an insertion found in bacterial β′ subunits (1,377–1,420 in Taq). This domain, in either case, serves a structural function. Archaeal RNAP subunit previously used an "RpoX" nomenclature where each subunit is assigned a letter in a way unrelated to any other systems. Exactly which RNAP they are most similar to is a topic of debate. Most other viruses that synthesize RNA use unrelated mechanics. Many viruses use a single subunit DNA dependent RNAP (ssRNAP) that is structurally and mechanistically related to the single subunit RNAP of eukaryotic chloroplasts (RpoT) and mitochondria (POLRMT) and, more distantly, to DNA polymerases and reverse transcriptases. Perhaps the most widely studied such single subunit RNAP is bacteriophage T7 RNA polymerase. ssRNAPs cannot proofread. Other viruses use an RNA dependent RNAP (an RNAP that employs RNA as a template instead of DNA). This occurs in negative strand RNA viruses and dsRNA viruses, both of which exist for a portion of their life cycle as double stranded RNA. However, some positive strand RNA viruses, such as poliovirus, also contain RNA dependent RNAP.
Тарих
РНҚ полимеразасы 1960 жылы Чарльз Лоу, Одри Стивенс және Джерард Хурвиц дербес түрде ашқан. Осы кезде 1959 жылғы медицина саласындағы Нобель сыйлығының жартысы Северо Очоаға РНҚ полимеразасы деп есептелген, бірақ шындығында полинуклеотид фосфорилаза екенін анықтағаны үшін берілді.