Iedereen die moleculaire biologie, biochemie, genetische manipulatie en een aantal andere verwante wetenschappen bestudeert, stelt vroeg of laat de vraag: wat is de functie van RNA-polymerase? Dit is een nogal complex onderwerp, dat nog steeds niet volledig is onderzocht, maar desalniettemin zal wat bekend is binnen het kader van het artikel worden behandeld.
Algemene informatie
Het is noodzakelijk om te onthouden dat er een RNA-polymerase is van eukaryoten en prokaryoten. De eerste is verder onderverdeeld in drie typen, die elk verantwoordelijk zijn voor de transcriptie van een afzonderlijke groep genen. Deze enzymen zijn voor de eenvoud genummerd als de eerste, tweede en derde RNA-polymerasen. De prokaryoot, waarvan de structuur kernvrij is, werkt tijdens transcriptie volgens een vereenvoudigd schema. Daarom zullen, voor de duidelijkheid, om zoveel mogelijk informatie te dekken, eukaryoten worden overwogen. RNA-polymerasen zijn structureel vergelijkbaar met elkaar. Aangenomen wordt dat ze ten minste 10 polypeptideketens bevatten. Tegelijkertijd synthetiseert (transcribeert) RNA-polymerase 1 genen die vervolgens worden vertaald in verschillende eiwitten. De tweede is het transcriberen van genen, die vervolgens worden vertaald in eiwitten. RNA-polymerase 3 wordt vertegenwoordigd door een verscheidenheid aan stabiele enzymen met een laag molecuulgewicht die matiggevoelig voor alfa-amatine. Maar we hebben nog niet besloten wat RNA-polymerase is! Dit is de naam van de enzymen die betrokken zijn bij de synthese van ribonucleïnezuurmoleculen. In enge zin verwijst dit naar DNA-afhankelijke RNA-polymerasen die werken op basis van een deoxyribonucleïnezuurtemplate. Enzymen zijn van groot belang voor het langdurig en succesvol functioneren van levende organismen. RNA-polymerasen worden in alle cellen en in de meeste virussen aangetroffen.
Deling op kenmerken
Afhankelijk van de samenstelling van de subeenheid worden RNA-polymerasen in twee groepen verdeeld:
- De eerste behandelt de transcriptie van een klein aantal genen in eenvoudige genomen. Om in dit geval te functioneren, zijn complexe regelgevende acties niet vereist. Daarom omvat dit alle enzymen die uit slechts één subeenheid bestaan. Een voorbeeld is de RNA-polymerase van bacteriofagen en mitochondriën.
- Deze groep omvat alle RNA-polymerasen van eukaryoten en bacteriën, die complex zijn. Het zijn ingewikkelde eiwitcomplexen met meerdere subeenheden die duizenden verschillende genen kunnen transcriberen. Tijdens hun werking reageren deze genen op een groot aantal regulerende signalen die afkomstig zijn van eiwitfactoren en nucleotiden.
Zo'n structureel-functionele indeling is een zeer voorwaardelijke en sterke vereenvoudiging van de werkelijke stand van zaken.
Wat doet RNA-polymerase ik doe?
Ze krijgen de functie van primair vormen toegewezenrRNA-gentranscripten, dat wil zeggen, ze zijn de belangrijkste. Deze laatste zijn beter bekend onder de aanduiding 45S-RNA. Hun lengte is ongeveer 13 duizend nucleotiden. Hieruit worden 28S-RNA, 18S-RNA en 5,8S-RNA gevormd. Omdat er maar één transcriptor wordt gebruikt om ze te maken, krijgt het lichaam een "garantie" dat de moleculen in gelijke hoeveelheden zullen worden gevormd. Tegelijkertijd worden er slechts 7000 nucleotiden gebruikt om RNA rechtstreeks te maken. De rest van het transcript wordt afgebroken in de kern. Met betrekking tot zo'n groot residu is er een mening dat het noodzakelijk is voor de vroege stadia van ribosoomvorming. Het aantal van deze polymerasen in de cellen van hogere wezens schommelt rond de 40 duizend eenheden.
Hoe is het georganiseerd?
Dus, we hebben al goed nagedacht over de eerste RNA-polymerase (prokaryote structuur van het molecuul). Tegelijkertijd hebben grote subeenheden, evenals een groot aantal andere polypeptiden met een hoog molecuulgewicht, goed gedefinieerde functionele en structurele domeinen. Tijdens het klonen van genen en het bepalen van hun primaire structuur, identificeerden wetenschappers evolutionair conservatieve delen van de ketens. Met behulp van goede expressie hebben de onderzoekers ook mutatie-analyse uitgevoerd, waardoor we kunnen praten over de functionele betekenis van individuele domeinen. Om dit te doen, werden met behulp van plaatsgerichte mutagenese individuele aminozuren veranderd in polypeptideketens en dergelijke gemodificeerde subeenheden werden gebruikt bij de assemblage van enzymen met daaropvolgende analyse van de eigenschappen die in deze constructen werden verkregen. Er werd opgemerkt dat vanwege zijn organisatie de eerste RNA-polymerase opde aanwezigheid van alfa-amatine (een zeer giftige stof afgeleid van de bleke fuut) reageert helemaal niet.
Operatie
Zowel de eerste als de tweede RNA-polymerasen kunnen in twee vormen voorkomen. Een van hen kan optreden om specifieke transcriptie te initiëren. De tweede is DNA-afhankelijke RNA-polymerase. Deze relatie komt tot uiting in de omvang van de activiteit van het functioneren. Het onderwerp wordt nog onderzocht, maar het is al bekend dat het afhangt van twee transcriptiefactoren, die worden aangeduid als SL1 en UBF. De eigenaardigheid van de laatste is dat het direct aan de promotor kan binden, terwijl SL1 de aanwezigheid van UBF vereist. Hoewel experimenteel werd gevonden dat DNA-afhankelijke RNA-polymerase op een minimaal niveau en zonder de aanwezigheid van de laatste kan deelnemen aan transcriptie. Maar voor de normale werking van dit mechanisme is UBF nog steeds nodig. Waarom precies? Tot nu toe is het niet mogelijk geweest om de reden voor dit gedrag vast te stellen. Een van de meest populaire verklaringen suggereert dat UBF werkt als een soort rDNA-transcriptiestimulator terwijl het groeit en zich ontwikkelt. Wanneer de rustfase optreedt, wordt het minimaal vereiste niveau van functioneren gehandhaafd. En voor hem is de deelname van transcriptiefactoren niet van cruciaal belang. Dit is hoe RNA-polymerase werkt. De functies van dit enzym stellen ons in staat om het proces van het reproduceren van de kleine "bouwstenen" van ons lichaam te ondersteunen, waardoor het decennialang voortdurend wordt bijgewerkt.
Tweede groep enzymen
Hun werking wordt gereguleerd door de assemblage van een multiproteïne pre-initiatiecomplex van promoters van de tweede klasse. Meestal wordt dit uitgedrukt in werk met speciale eiwitten - activatoren. Een voorbeeld is TVR. Dit zijn de bijbehorende factoren die deel uitmaken van TFIID. Ze zijn doelwitten voor p53, NF kappa B enzovoort. Eiwitten, die co-activatoren worden genoemd, oefenen ook hun invloed uit in het regulatieproces. Een voorbeeld is GCN5. Waarom zijn deze eiwitten nodig? Ze fungeren als adapters die de interactie van activatoren en factoren die zijn opgenomen in het pre-initiatiecomplex aanpassen. Om transcriptie correct te laten plaatsvinden, is de aanwezigheid van de nodige initiërende factoren noodzakelijk. Ondanks het feit dat het er zes zijn, kan er maar één rechtstreeks communiceren met de promotor. Voor andere gevallen is een voorgevormd tweede RNA-polymerasecomplex nodig. Bovendien zijn tijdens deze processen de proximale elementen dichtbij - slechts 50-200 paren van de plaats waar de transcriptie begon. Ze bevatten een indicatie van de binding van activator-eiwitten.
Speciale kenmerken
Beïnvloedt de subeenheidstructuur van enzymen van verschillende oorsprong hun functionele rol bij transcriptie? Er is geen exact antwoord op deze vraag, maar er wordt aangenomen dat het hoogstwaarschijnlijk positief is. Hoe hangt RNA-polymerase hiervan af? De functies van enzymen met een eenvoudige structuur zijn de transcriptie van een beperkt aantal genen (of zelfs hun kleine delen). Een voorbeeld is de synthese van RNA-primers van Okazaki-fragmenten. De promotorspecificiteit van het RNA-polymerase van bacteriën en fagen is dat de enzymen een eenvoudige structuur hebben en niet verschillen in diversiteit. Dit is te zien aan het proces van DNA-replicatie in bacteriën. Hoewel men dit ook kan overwegen: toen de complexe structuur van het genoom van een even T-faag werd bestudeerd, tijdens de ontwikkeling waarvan meerdere transcriptiewisselingen tussen verschillende groepen genen werden opgemerkt, bleek dat een complexe gastheer-RNA-polymerase werd gebruikt voor deze. Dat wil zeggen dat in dergelijke gevallen geen eenvoudig enzym wordt geïnduceerd. Hieruit volgen een aantal consequenties:
- Eukaryote en bacteriële RNA-polymerase zouden verschillende promotors moeten kunnen herkennen.
- Het is noodzakelijk dat enzymen een bepaalde respons hebben op verschillende regulerende eiwitten.
- RNA-polymerase zou ook in staat moeten zijn om de specificiteit van herkenning van de nucleotidesequentie van template-DNA te veranderen. Hiervoor worden verschillende eiwit-effectoren gebruikt.
Van hieruit volgt de behoefte van het lichaam aan aanvullende "bouw"-elementen. De eiwitten van het transcriptiecomplex helpen het RNA-polymerase om zijn functies volledig uit te voeren. Dit geldt in de grootste mate voor enzymen met een complexe structuur, in de mogelijkheden waarvan de implementatie van een uitgebreid programma voor de implementatie van genetische informatie. Dankzij verschillende taken kunnen we een soort hiërarchie waarnemen in de structuur van RNA-polymerasen.
Hoe werkt het transcriptieproces?
Is er een gen dat verantwoordelijk is voor communicatie metRNA-polymerase? Ten eerste over transcriptie: bij eukaryoten vindt het proces plaats in de kern. Bij prokaryoten vindt het plaats in het micro-organisme zelf. De polymerase-interactie is gebaseerd op het fundamentele structurele principe van complementaire koppeling van individuele moleculen. Met betrekking tot interactiekwesties kunnen we zeggen dat DNA uitsluitend als sjabloon fungeert en niet verandert tijdens transcriptie. Omdat DNA een integraal enzym is, is het mogelijk om met zekerheid te zeggen dat een bepaald gen verantwoordelijk is voor dit polymeer, maar het zal erg lang duren. Men mag niet vergeten dat DNA 3,1 miljard nucleotideresiduen bevat. Daarom zou het passender zijn om te zeggen dat elk type RNA verantwoordelijk is voor zijn eigen DNA. Om de polymerasereactie te laten verlopen, zijn energiebronnen en ribonucleosidetrifosfaatsubstraten nodig. In hun aanwezigheid worden 3', 5'-fosfodiesterbindingen gevormd tussen ribonucleosidemonofosfaten. Het RNA-molecuul begint te worden gesynthetiseerd in bepaalde DNA-sequenties (promotors). Dit proces eindigt bij de afsluitende secties (beëindiging). De site die hier bij betrokken is, wordt het transcripton genoemd. In eukaryoten is hier in de regel slechts één gen, terwijl prokaryoten meerdere delen van de code kunnen hebben. Elk transcripton heeft een niet-informatieve zone. Ze bevatten specifieke nucleotidesequenties die interageren met de eerder genoemde regulerende transcriptiefactoren.
Bacteriële RNA-polymerasen
Dezemicro-organismen één enzym is verantwoordelijk voor de synthese van mRNA, rRNA en tRNA. Het gemiddelde polymerasemolecuul heeft ongeveer 5 subeenheden. Twee ervan fungeren als bindende elementen van het enzym. Een andere subeenheid is betrokken bij de initiatie van de synthese. Er is ook een enzymcomponent voor niet-specifieke binding aan DNA. En de laatste subeenheid is betrokken bij het in een werkende vorm brengen van het RNA-polymerase. Opgemerkt moet worden dat de enzymmoleculen niet "vrij" in het bacteriële cytoplasma drijven. Wanneer niet in gebruik, binden RNA-polymerasen aan niet-specifieke DNA-gebieden en wachten tot een actieve promotor wordt geopend. Iets afwijkend van het onderwerp, moet worden gezegd dat het erg handig is om eiwitten en hun effect op ribonucleïnezuurpolymerasen op bacteriën te bestuderen. Het is vooral handig om ermee te experimenteren om individuele elementen te stimuleren of te onderdrukken. Door hun hoge vermenigvuldigingssnelheid kan relatief snel het gewenste resultaat worden verkregen. Helaas kan menselijk onderzoek niet zo snel doorgaan vanwege onze structurele diversiteit.
Hoe 'wortelde' RNA-polymerase in verschillende vormen?
Dit artikel komt tot zijn logische conclusie. De focus lag op eukaryoten. Maar er zijn ook archaea en virussen. Daarom wil ik graag wat aandacht besteden aan deze levensvormen. In het leven van archaea is er slechts één groep RNA-polymerasen. Maar het is zeer vergelijkbaar in zijn eigenschappen met de drie verenigingen van eukaryoten. Veel wetenschappers hebben gesuggereerd dat wat we in archaea kunnen waarnemen eigenlijk is:evolutionaire voorouder van gespecialiseerde polymerasen. De structuur van virussen is ook interessant. Zoals eerder vermeld, hebben niet al dergelijke micro-organismen hun eigen polymerase. En waar het is, is het een enkele subeenheid. Aangenomen wordt dat virale enzymen zijn afgeleid van DNA-polymerasen in plaats van complexe RNA-constructen. Hoewel, vanwege de diversiteit van deze groep micro-organismen, er verschillende implementaties zijn van het beschouwde biologische mechanisme.
Conclusie
Helaas, op dit moment beschikt de mensheid nog niet over alle benodigde informatie om het genoom te begrijpen. En wat zou er gedaan kunnen worden! Bijna alle ziekten hebben in principe een genetische basis - dit geldt vooral voor virussen die ons voortdurend problemen bezorgen, voor infecties, enzovoort. De meest complexe en ongeneeslijke ziekten zijn namelijk ook direct of indirect afhankelijk van het menselijk genoom. Wanneer we onszelf leren begrijpen en deze kennis in ons voordeel toepassen, zullen een groot aantal problemen en ziekten simpelweg ophouden te bestaan. Veel voorheen verschrikkelijke ziekten, zoals pokken en pest, behoren al tot het verleden. Voorbereiding om daar te gaan bof, kinkhoest. Maar we moeten niet stilzitten, want we staan nog steeds voor een groot aantal verschillende uitdagingen die moeten worden beantwoord. En hij zal gevonden worden, want alles gaat hierheen.
