Все, кто изучает молекулярную биологию, биохимию, генетическую инженерию и ряд других родственных им наук, рано или поздно задаёт вопрос: какую функцию выполняет РНК-полимераза? Это довольно сложная тема, которая полностью всё ещё не исследована, но, тем не менее, что известно, то будет освещено в рамках статьи.
Общая информация
Необходимо запомнить, что есть РНК-полимераза эукариот и прокариот. Первая дополнительно делится на три типа, каждый из которых отвечает за проведение транскрипции отдельной группы генов. Эти ферменты для простоты пронумерованы как первая, вторая и третья РНК-полимераза.
Прокариот, строение которого безъядерное, при транскрипции действует по упрощенной схеме. Поэтому для наглядности, чтобы охватить как можно больше информации, будут рассматриваться эукариоты. РНК-полимеразы структурно схожи между собой. Полагают, что они содержат не меньше 10 полипептидных цепей. При этом РНК-полимераза 1 синтезирует (транскрибирует) гены, которые в последующем будут транслированы в различные белки. Вторая занимается транскрибированием генов, которые в последующем транслируются в белки. РНК-полимеразы 3 представлены разнообразными низкомолекулярными стабильными ферментами, которые умеренно чувствительные к альфа-аматину. Но мы же не определились с тем, что же такое РНК-полимераза! Так называют ферменты, которые занимаются синтезом молекул
рибонуклеиновой кислоты. В узком значении под этим понимают ДНК-зависимые РНК-полимеразы, которые действуют на основании матрицы
дезоксирибонуклеиновой кислоты. Ферменты имеют огромнейшее значение для длительного и успешного функционирования живых организмов. РНК-полимеразы можно встретить во всех клетках и большинстве вирусов.
Деление по особенностям
В зависимости от субъединичного состава РНК-полимеразы делятся на две группы:
- Первая занимается транскрибированием небольшого числа генов в простых геномах. Для функционирования в данном случае не требуются сложные регуляторные воздействия. Поэтому сюда относят все ферменты, которые состоят всего лишь из одной субъединицы. В качестве примера можно навести РНК-полимеразы бактериофагов и митохондрий.
- К этой группе относят все РНК-полимеразы эукариот и бактерий, которые являются сложно устроенными. Они представляют собой запутанные многосубъединичные белковые комплексы, что могут транскрибировать тысячи разных генов. Во время функционирования эти гены реагируют на большое количество регуляторных сигналов, что поступают от белковых факторов и нуклеотидов.
Подобное структурно-функциональное разделение является весьма условным и сильным упрощением реального положения дел.
Чем занимается РНК-полимераза I?
За ними закреплена функция образования первичных транскриптов генов рРНК, то есть они являются наиболее важными. Последние более известны под обозначением 45S-РНК. Их длина составляет примерно 13 тысяч нуклеотидов. Из неё формируются 28S-РНК, 18S-РНК и 5,8S-РНК. Благодаря тому, что для их создания используется только один транскриптор, организм получает «гарантию», что молекулы будут образовываться в равных количествах. При этом на создание непосредственно РНК идёт только 7 тысяч нуклеотидов. Остальная часть транскрипта деградирует в ядре. Относительно такого большого остатка существует мнение, что он необходим для ранних этапов формирования рибосом. Количество этих полимераз в клетках высших существ колеблется около отметки в 40 тысяч единиц.
Как она организована?
Итак, нами уже неплохо рассмотрена первая РНК-полимераза (прокариот-строение молекулы). При этом большие субъединицы, как, впрочем, и большое количество иных высокомолекулярных полипептидов, здесь имеются хорошо различимые функциональные и структурные домены. Во время клонирования генов и определения их первичной структуры учеными были выявлены эволюционно консервативные участки цепей. Пользуясь хорошей выраженностью, исследователями был также проведён мутационный анализ, что позволяет нам говорить про функциональную значимость отдельных доменов. Для этого с помощью направленного мутагенеза в полипептидных цепях меняли отдельные аминокислоты и такие изменённые субъединицы применяли в сборке ферментов с последующим анализом свойств, что получались в данных конструкциях. Было отмечено, что благодаря своей организации первая РНК-полимераза на наличие альфа-аматина (высокотоксичного вещества, которое получают из бледной поганки) никак не реагирует.
Функционирование
И первая, и вторая РНК-полимеразы могут существовать в двух формах. Одна из них может выступать для инициации специфической транскрипции. Вторая – это ДНК зависимая
РНК-полимераза. Это отношение проявляется в величине активности функционирования. Тема ещё исследуется, но уже сейчас известно, что это зависит от двух факторов транскрипции, которые обозначаются как SL1 и UBF. Особенность последнего - в том, что он может непосредственно связываться с промотором, тогда как SL1 требует присутствия UBF. Хотя экспериментально было установлено, что ДНК-зависимая РНК-полимераза может принимать участия в транскрипции на минимальном уровне и без наличия последнего. Но для нормального функционирования этого механизма UBF всё же нужен. Почему именно так? Достоверно пока что установить причину такого поведения не удалось. Одно из самых популярных объяснений предполагает, что UBF выступает своеобразным стимулятором транскрипции рДНК когда она растёт и развивается. Когда же наступает фаза покоя, то поддерживается минимальный необходимый уровень функционирования. А для него участие транскрипционных факторов не является критически важным. Вот так работает
РНК-полимераза. Функции этого фермента позволяют поддерживать процесс воспроизведения небольших «строительных блоков» нашего организма, благодаря которому он постоянно на протяжении десятилетий обновляется.
Вторая группа ферментов
Их функционирование регулируется сборкой мультибелкового преинициаторного комплекса промоторов второго класса. Чаще всего это выражается в работе со специальными белками – активаторами. В качестве примера можно привести ТВР. Это ассоциированные факторы, которые входят в состав TFIID. Они – мишень для p53, NF kappa B и так далее. Своё влияние в процессе регуляции оказывают и белки, которые называются коактиваторами. Как пример можно привести GCN5. Зачем же нужны эти белки? Они выступают в качестве адаптеров, которые настраивают взаимодействие активаторов и факторов, что входят в преинициаторный комплекс. Чтобы правильно происходила транскрипция, необходимо наличие нужных инициаторных факторов. Несмотря на то, что их шесть, напрямую взаимодействовать с промотором может только один. Для других случаев необходим преформированный комплекс второй РНК-полимеразы. Причем во время этих процессов проксимальные элементы находятся рядом – всего лишь в 50-200 парах от участка, где началась транскрипция. Они содержат в себе указание на связывание белков-активаторов.
Специфические особенности
Влияет ли субъединичное строение ферментов разного происхождения на их функциональную роль при транскрипции? Точного ответа на этот вопрос нет, но считается, что он, скорее всего, позитивный. Как же от этого зависит РНК-полимераза? Функции ферментов простого строения – это транскрибирование ограниченного круга генов (или даже их небольших частей). Как пример можно привести синтез РНК-затравок фрагментов Оказаки. Промоторная специфичность РНК-полимеразы бактерий и фагов заключается в том, что ферменты являются обладателями простой структуры и не отличаются разнообразием. Это можно наблюдать на примере процесса репликации ДНК у бактерий. Хотя можно рассмотреть и такое: когда исследовалось сложное строение генома четного Т-фага, во время развития которого было отмечено многократное переключение транскрипции между разными группами генов, то было выявлено, что для этого использовалась сложная РНК-полимераза хозяина. То есть, простой фермент в таких случаях не индуцируется. Из этого вытекает целый ряд следствий:
- РНК-полимераза эукариот и бактерий должны уметь распознавать разные промоторы.
- Необходимо, чтобы ферменты обладали определённой реакцией на разные белки-регуляторы.
- РНК-полимераза также должна уметь менять специфику распознавания последовательности нуклеотидов матричной ДНК. Для этого используются разнообразные белковые эффекторы.
Отсюда следует потребность организма в дополнительных «строительных» элементов. Белки транскрибирующего комплекса помогают РНК-полимеразе полноценно выполнять свои функции. Это относится, наибольшим образом, к ферментам сложной структуры, в возможностях которых осуществление обширной программы реализации генетической информации. Благодаря различным задачам, мы и можем наблюдать своеобразную иерархию строения РНК-полимераз.
Как же происходит процесс транскрипции?
Есть ли ген, отвечающий за связь с РНК-полимеразой? Для начала о транскрипции: у эукариотов процесс происходит в ядре. В прокариотах он протекает внутри самого микроорганизма. В основе взаимодействия полимеразы лежит основополагающий структурный принцип комплиментарного спаривания отдельных молекул. Относительно вопросов взаимодействия можно сказать, что ДНК выступает исключительно в роли матрицы и во время транскрипции не меняется. Поскольку ДНК является целостным ферментом, то сказать определённо, что какой-то конкретный ген отвечает за эту полимеру можно, но это будет очень долго. Следует не забывать, что ДНК содержит в себе 3,1 миллиарда нуклеотидных остатков. Поэтому более подходяще будет сказать, что за каждый тип РНК отвечает своя ДНК. Для протекания же полимеразной реакции нужны источники энергии и рибонукле-озидтрифосфато субстраты. При их наличии образовываются 3',5'-фосфодиэфирные связи между рибонуклеозидмонофосфатами. Молекула РНК начинает синтезироваться в определённых последовательностях ДНК (промоторы). Этот процесс оканчивается на терминирующих участках (терминации). Участок, который здесь задействуется, называется транскриптоном. У эукариотов здесь имеется, как правило, только один ген, тогда как прокариоты могут обладать и несколькими участками кода. Каждый транскриптон обладает неинформативной зоной. В них расположены специфические последовательности нуклеотидов, взаимодействующие с регуляторными транскрипционными факторами, упомянутыми ранее.
Бактериальные РНК-полимеразы
У этих микроорганизмов один фермент отвечает за синтез мРНК, рРНК и тРНК. Среднестатистическая молекула полимеразы имеет в себе примерно 5 субъединиц. Две из них выступают в качестве связывающих элементов фермента. Ещё одна субъединица занимается инициацией синтеза. Также есть составляющая фермента для неспецифической связи с ДНК. И последняя субъединица занимается приведением РНК-полимеразы в рабочую форму. Следует отметить, что молекулы фермента не находятся в «свободном» плавании в цитоплазме бактерии. Когда РНК-полимеразы не используются, то они связываются неспецифическими областями ДНК и ожидают, пока будет открыт активный промотор. Немного отвлекаясь от темы, следует сказать, что на бактериях очень удобно изучать белки и их влияние на рибонуклеиновые кислотные полимеразы. Особенно удобно на них ставить эксперименты по стимуляции или угнетении отдельных элементов. Благодаря их высокой скорости размножения можно относительно быстро получать желаемый результат. Увы, исследование человека не может проводится такими быстрыми темпами благодаря нашему структурному разнообразию.
Как РНК-полимераза «прижилась» в различных формах?
Вот и подходит статья к логическому завершению. Основное внимание было уделено эукариотам. Но есть ещё археи и вирусы. Поэтому хочется уделить немного внимания и этим формам жизни. В жизнедеятельности археев есть только одна группа РНК-полимераз. Но она чрезвычайно схожа по своим свойствам с тремя объединениями эукариотов. Многими учеными высказываются предположения, что то, что мы можем наблюдать у археев, на самом деле является эволюционным предком специализированных полимераз. Интересно также и строение вирусов. Как ранее писалось, не все такие микроорганизмы обладают своей полимеразой. А там, где она есть, она представляет собой одну субъединицу. Считается, что вирусные ферменты происходят от ДНК-полимераз, а не от сложных конструкций РНК. Хотя благодаря разнообразию этой группы микроорганизмов встречается различная реализация рассматриваемого биологического механизма.
Заключение
Увы, сейчас человечество пока что не располагает всёй необходимой информацией, нужной для понимания генома. А что бы только можно было бы сделать! Практически все заболевания в своей основе имеют именно генетическую основу – это относится в первую очередь к вирусам, которые постоянно доставляю нам проблемы, к инфекциям и так далее. Самые сложные и неизлечимые болезни – они тоже, по сути, прямо или косвенно зависят от генома человека. Когда мы научимся разбираться сами в себе и будет применять эти знания на пользу, большое количество проблем и болезней просто перестанут существовать. Уже сейчас отошли в прошлое многие ранее страшные заболевания, такие как оспа, чума. Готовятся туда отправиться свинка, коклюш. Но не следует расслабляться, ведь перед нами стоит ещё большое количество различных вызовов, на которые нужно найти ответ. И он будет найден, ибо всё идёт к этому.