ARN polimeraza

ARN polimeraza  este o enzimă care sintetizează molecule de ARN . Într-un sens restrâns, ARN polimeraza este de obicei numită ARN polimeraze dependente de ADN care sintetizează molecule de ARN pe un șablon de ADN , adică realizează transcripția . Enzimele din clasa ARN polimerazei sunt foarte importante pentru funcționarea celulei, prin urmare se găsesc în toate organismele și în multe virusuri . Din punct de vedere chimic, ARN polimerazele sunt nucleotidil transferaze care polimerizează ribonucleotidele la capătul 3’ al unui lanț de ARN.

Istoria studiului

ARN polimeraza a fost descoperită independent de Sam Weiss și Gerard Hurwitz (1928-2019) în 1960 . [1] Până atunci, Premiul Nobel pentru Medicină în 1959 fusese deja acordat lui Severo Ojoa și Arthur Kornberg pentru descoperirea a ceea ce se credea a fi ARN polimeraza [2] , care mai târziu s-a dovedit a fi ribonuclează .

Premiul Nobel pentru Chimie în 2006 a fost acordat lui Roger Kornberg pentru obținerea de imagini precise ale moleculelor de ARN polimerază în diferite puncte ale procesului de transcripție. [3]

Gestionarea transcripției

Controlul procesului de transcripție a genelor vă permite să controlați expresia genelor și, astfel, permite celulei să se adapteze la condițiile de mediu în schimbare, să mențină procesele metabolice la nivelul corespunzător și, de asemenea, să îndeplinească funcții specifice necesare existenței organismului. Nu este surprinzător faptul că acțiunea ARN polimerazei este foarte complexă și depinde de mulți factori (de exemplu, la Escherichia coli au fost identificați mai mult de 100 de factori care afectează ARN polimeraza într-un fel sau altul [4] ).

ARN polimeraza începe transcripția din regiuni specifice de ADN numite promotori și produce o catenă de ARN care este complementară cu porțiunea corespunzătoare a catenei de ADN.

Procesul de construire a unei molecule de ARN cu nucleotide se numește alungire. În celulele eucariote, ARN polimeraza poate asambla lanțuri de mai mult de 2,4 milioane de elemente (de exemplu, gena completă a proteinei distrofinei are această lungime ).

ARN polimeraza completează formarea unui lanț de ARN atunci când întâlnește o secvență specifică în ADN numită terminator .

ARN polimeraza produce următoarele tipuri de ARN:

• ARN -ul mesager (ARNm) este un șablon pentru sinteza proteinelor în ribozomi .
• ARN-ul necodificator sau „gena ARN” este o clasă mare de gene care codifică ARN pe care nu poate fi construită o proteină. Cei mai cunoscuți reprezentanți ai acestei clase sunt ARN-ul de transfer (ARNt) și ARN-ul ribozomal (ARNr), care sunt ei înșiși implicați în procesul de sinteză a proteinelor. Cu toate acestea, multe alte gene ARN au fost descoperite de la sfârșitul anilor 1990. Acest lucru a făcut posibil să se sugereze că genele ARN joacă un rol mai semnificativ în celulă decât se credea anterior.
  • Transfer ARN (ARNt) care transportă aminoacizi în lanțul proteic care crește pe ribozom în timpul procesului de translație .
  • ARN ribozomal (ARNr), care face parte din ribozom;
  • microARN care reglează activitatea genelor;
  • ARN catalitic , care are proprietățile enzimelor.

ARN polimeraza realizează sinteza de la zero. Acest lucru este posibil datorită faptului că interacțiunea nucleotidei inițiale a genei și ARN polimerazei îi permite să câștige un punct de sprijin pe lanț și să proceseze următoarele nucleotide. Acest lucru explică parțial de ce ARN polimeraza începe de obicei transcripția cu ATP, urmată de GTP, UTP și apoi CTP. Spre deosebire de ADN polimeraza, ARN polimeraza are și activitate helicazică .

Acțiunea ARN polimerazei

Legarea și inițierea transcripției

Legarea ARN polimerazei implică subunitatea α, care recunoaște elementul ADN care precede gena (-40 ... -70 pași), și factorul σ, care recunoaște regiunea -10 ... -35. Există un număr mare de factori σ care controlează expresia genelor. De exemplu: σ70 , care este sintetizat în condiții normale și permite ARN polimerazei să se lege de genele responsabile de procesele metabolice ale celulei; sau σ 32 blocând legarea ARN polimerazei la genele proteinei de șoc termic .

După legarea de ADN, structura ARN polimerazei se schimbă de la închis la deschis. Această transformare implică separarea monobobinelor de ADN pentru a forma o regiune nerăsucită de aproximativ 13 pași lungime. Ribonucleotidele sunt apoi asamblate într-un lanț conform lanțului de bază a ADN-ului utilizat ca șablon. Superbobinarea moleculelor de ADN joacă un rol semnificativ în activitatea ARN polimerazei: deoarece secțiunea ADN dinaintea ARN polimerazei nu este răsucită, există superbobine compensatorii pozitive în ea. Regiunile ADN din spatele ARN polimerazei sunt din nou răsucite și există superbobine negative în ele.

Alungire

În timpul fazei de alungire a transcripției, ribonucleotidele sunt adăugate în lanț și are loc trecerea de la structura complexului ARN polimerază de la deschis la transcripțional. Pe măsură ce molecula de ARN este asamblată, regiunea ADN dinaintea ARN polimerazei se desfășoară în continuare, iar complexul deschis de 13 perechi este transformat într-un complex de transcripție de 17 perechi. În acest moment, promotorul (regiunea ADN -10...-35 pași) este finalizat, iar factorul σ este separat de ARN polimerază. Acest lucru permite ca restul complexului de ARN polimerază să înceapă să se miște înainte, deoarece factorul σ îl menține pe loc.

Complexul de transcripție de 17 perechi conține un hibrid de ADN și ARN care conține 8 perechi de baze - o regiune de ARN în 8 pași conectată la o catenă șablon de ADN. Pe măsură ce transcripția progresează, ribonucleotidele sunt adăugate la capătul 3’ al ARN-ului asamblat, iar complexul de ARN polimerază se mișcă de-a lungul catenei de ADN. Deși ARN polimeraza nu prezintă proprietăți de 3'-exonuclează similare cu activitatea de screening a ADN polimerazei, există dovezi că ARN polimeraza oprește și corectează erorile în cazurile de pereche nepotrivită de baze ADN-ARN.

Adăugarea de ribonucleotide la ARN are un mecanism foarte asemănător cu polimerizarea ADN-ului. Se crede că polimerazele ADN și ARN pot fi legate evolutiv. Reziduurile aspartice din ARN polimerază se leagă de ionii Mg2+ , care, la rândul lor, aliniază grupările fosfat ale ribonucleotidelor: primul Mg2 + reține α-fosfatul nucleotidului trifosfat care urmează să fie adăugat în lanț. Acest lucru permite legarea nucleotidei la gruparea 3' OH a capătului lanțului care este asamblat și adăugând astfel NTP la lanț. Al doilea Mg2 + conține pirofosfatul NTP. Ecuația generală a reacției are astfel forma:

(NMF) n + NTF --> (NMF) n+1 + PF i

Încetarea

Terminarea transcripției ARN poate fi ρ-independentă sau ρ-dependentă.

Terminarea ρ-independentă se realizează fără ajutorul factorului ρ . Transcrierea regiunii palindromice a ADN-ului duce la formarea unui ac de păr ARN , buclat și asociat cu el însuși. Acest ac de păr este bogat în guanină și citozină , ceea ce îl face mai stabil decât un hibrid ADN-ARN. Ca rezultat, hibridul ADN-ARN cu 8 perechi din complexul de transcripție este redus la 4 perechi. Dacă aceste ultime 4 perechi de baze sunt compuse din adenină și uridină slabă , molecula de ARN este separată. [5]

ARN polimeraza bacteriană

În bacterii , aceeași enzimă catalizează sinteza a trei tipuri de ARN: ARNm , ARNr și ARNt .

ARN polimeraza este o moleculă destul de mare. Enzima principală conține 5 subunități (~400 kDa):

• α 2 : două subunități α leagă elementele rămase ale enzimei și recunosc factorii de reglare. Fiecare subunitate constă din două domenii: αSKD (domeniul C-terminal) leagă primul element al promotorului și αNKD (domeniul N-terminal) se leagă de componentele rămase ale polimerazei.
• β : Această subunitate are o acțiune adecvată a polimerazei, catalizand sinteza ARN. Inițiază procesul și controlează alungirea.
• β': se leagă nespecific de ADN.
• ω: restabilește ARN polimeraza denaturată la o formă viabilă in vitro . De asemenea, s-a descoperit că are un efect protector/ însoțitor asupra subunității β’ din Mycobacterium smegmatis .

Pentru a se lega de regiunile promotoare ale ADN-ului, enzima principală are nevoie de încă o subunitate - sigma (σ). Factorul sigma reduce semnificativ afinitatea ARN polimerazei pentru regiunile nespecifice ale ADN-ului și, în același timp, crește sensibilitatea acestuia la anumiți promotori, în funcție de structura sa. Cu ajutorul lui, transcripția începe din secțiunea dorită a ADN-ului.

Holoenzima completă este astfel formată din 6 subunităţi: α 2 ββ'σω (~480 kDa). Un șanț de 55 Å (5,5 nm ) lungime și 25 Å (2,5 nm) lățime este prezent în structura ARN polimerazei. În acest șanț este plasat dublu helix al ADN-ului, având o lățime de 20 Å (2 nm). Lungimea șanțului este de 16 nucleotide .

Moleculele de ARN polimerază nu sunt dizolvate în citoplasmă. Când nu este utilizată, ARN polimeraza se leagă de regiuni nespecifice ale ADN-ului în așteptarea deschiderii unui promotor activ.

Cofactori de transcriere

Există proteine ​​care se leagă de ARN polimeraza și influențează comportamentul acesteia. De exemplu , greA și greB din E. coli sporesc capacitatea ARN polimerazei de a scinda matrița de ARN la capătul în creștere al lanțului. O astfel de scindare poate „salva” o moleculă de ARN polimerază blocată și este, de asemenea, probabil implicată în eliminarea erorilor în asamblarea catenei de ARN.

Un cofactor separat , Mfd , este implicat în repararea ADN-ului transcripțional . În timpul acestui proces, ARN polimeraza detectează secțiunile deteriorate ale ADN-ului și recrutează alte enzime pentru a o repara.

Mulți alți cofactori au un efect de reglare, determinând ARN polimeraza să exprime sau să nu exprime anumite gene.

ARN polimeraza în celule eucariote

Eucariotele posedă diferite tipuri de ARN polimeraze, clasificate după tipurile de ARN pe care le produc:

• ARN polimeraza I , care sintetizează precursorul ARNr 45S , care apoi se transformă în ARNr 28S, 18S și 5.8S, care formează deja principalele secțiuni de ARN ale ribozomului . [opt]
• ARN polimeraza II , care produce precursori pentru ARNm , precum și pentru majoritatea snRNA și miARN . [9] Acesta este cel mai bine studiat tip de ARN polimerază. Deoarece transcripția trebuie să fie strict controlată, ARN polimeraza II necesită o serie de factori de transcripție pentru a se lega de promotori.
• ARN polimeraza III , care sintetizează ARNt , ARNr 5S și alte ARN mici , prezente în nucleu și citosol . [zece]

Există și alte tipuri de ARN polimerază utilizate în mitocondrii și cloroplaste . Greutatea moleculară a acestor enzime este de ordinul a 500 000. Ele diferă prin sensibilitatea lor la alfa-amanitin . ARN polimeraza I este insensibilă la aceasta, ARN polimeraza III este moderat sensibilă, iar ARN polimeraza II este puternic inhibată de aceasta. [unsprezece]

ARN polimerază în arhee

Archaea utilizează un tip de ARN polimerază, care este totuși foarte asemănătoare cu cele trei tipuri principale de ARN polimeraze la eucariote. Unii oameni de știință sugerează că ARN polimeraza arheală poate fi, într-o oarecare măsură, strămoșul evolutiv al polimerazelor eucariote specializate. [12]

ARN polimeraza în virusuri

Mulți virusuri conțin ARN polimerază. Poate cea mai bine studiată ARN polimerază virală se găsește în bacteriofagul T7. Această singură subunitate ARN polimerază este similară cu mitocondria și cloroplastul, precum și cu ADN polimeraza. [14] Se crede că majoritatea polimerazelor virale provin din ADN polimeraze, mai degrabă decât din ARN polimeraze complexe multicomponente.

Polimerazele virale sunt foarte numeroase. Mulți dintre ei pot folosi ARN mai degrabă decât ADN-ul ca șablon, ca, de exemplu, în virusurile cu ARN dublu catenar sau ARN monocatenar negativ. Unii virusuri ARN monocatenar cu polaritate pozitivă conțin și ARN polimeraze dependente de ARN . [cincisprezece]

Domenii funcționale

Domeniul C-terminal al ARN polimerazei

Inițierea transcripției

Domeniul situat la capătul carbonic al ARN polimerazei II inițiază transcripția ADN-ului. Domeniul C-terminal constă de obicei din aproximativ 52 de repetări ale secvenței Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser [16] . Factorul de transcripție TFIIH, care este o kinază, hiperfosforilează domeniul C-terminal al ARN polimerazei, determinând astfel complexul polimerazei să înceapă să se miște de la locul inițierii transcripției.

5'-capping

Domeniul C-terminal este, de asemenea, locul de legare pentru complexul de acoperire. La eucariote, după sinteza capătului 5’ al ARNm fosfatazei, fosfatul terminal de la capătul 5’ al poliribonucleotidei, enzima guanozin transferaza, îi adaugă guanozin monofosfat. Aceasta formează o legătură 5',5'-trifosfat. Complexul cap se disociază apoi de ARNm, capacul 5' de la GTP se leagă de complexul de legare la cap, domeniul C-terminal al ARN polimerazei. Capacul 5’ din structura ARNm eucariote este de mare importanță pentru legarea moleculelor de ARNm de ribozomi și, de asemenea, previne degradarea ARN-ului.

Spliceosome

Domeniul C-terminal al ARN polimerazei este, de asemenea, regiunea de legare la factorii spliceosomi implicați în procesul de splicing ARN . Acești factori promovează îmbinarea și îndepărtarea intronilor în timpul transcripției ARN.

Mutație în domeniul C-terminal

Au fost efectuate o serie de studii asupra comportamentului ARN polimerazei atunci când anumiți aminoacizi sunt îndepărtați din domeniul său C-terminal. S-a demonstrat că mutațiile de trunchiere în domeniul C-terminal al ARN polimerazei II afectează capacitatea acesteia de a începe transcripția unui set de gene in vivo , reducând sensibilitatea la secvențele de activare ale acestor gene.

Purificarea ARN polimerazei

ARN polimeraza poate fi izolată în următoarele moduri:

• Pe o coloană de fosfoceluloză . [17]
• folosind centrifugare cu gradient de glicerol . [optsprezece]
• Folosind o coloană ADN .
• pe o coloană schimbătoare de ioni . [19]

Precum și combinații ale metodelor de mai sus.

Vezi și

• ADN polimeraza
• ARN polimeraza virusului T7
• Alfa amanitin

Note

1. ↑ Gerard Hurwitz. Descoperirea ARN-polimerazei  (engleză)  // Journal of Biological Chemistry  : jurnal. - 2005. - Decembrie ( vol. 280 , nr. 52 ). - P. 42477-42485 . doi : 10.1074 / jbc.X500006200 . — PMID 16230341 .
2. ↑ Premiul Nobel 1959 . Consultat la 20 iunie 2007. Arhivat din original pe 2 februarie 2007. (nedefinit)
3. ↑ Premiul Nobel pentru Chimie 2006 . Consultat la 20 iunie 2007. Arhivat din original la 26 decembrie 2018. (nedefinit)
4. ↑ Akira Ishihama. Modularea funcțională a ARN polimerazei Escherichia coli  (engleză)  : jurnal. - 2000. - Vol. 54 . - P. 499-518 . — PMID 11018136 .
5. ↑ Farnham PJ; Platt T. Terminare Rho-independentă: simetria diadei în ADN face ca ARN polimeraza să intre în pauză în timpul transcripției in vitro  // Nucleic Acids Res  . : jurnal. - 1981. - Februarie ( vol. 9 , nr. 3 ). - P. 563-577 . — PMID 7012794 .
6. ↑ Minakhin L., Bhagat S., Brunning A., Campbell EA, Darst SA, Ebright RH, Severinov K. Subunitatea ARN polimerazei bacteriene omega și subunitatea ARN polimerazei eucariote RPB6 sunt omologi de secvență, structurali și funcționali și promovează asamblarea ARN polimerazei ( engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2001. - 30 ianuarie ( vol. 98 , nr. 3 ). - P. 892-897 . - doi : 10.1073/pnas.98.3.892 . — PMID 11158566 .  
7. ^ Armache KJ, Mitterweger S., Meinhart A., Cramer P. Structures of complete ARN polymerase II and its subcomplex, Rpb4/7  // J Biol Chem  : journal. - 2005. - 25 februarie ( vol. 280 , nr. 8 ). - P. 7131-7134 . - doi : 10.1074/jbc.M413038200 . — PMID 15591044 .  
8. ↑ Grummt I. Reglarea transcripției genelor ribozomale de mamifere prin ARN polimeraza I  //  Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. : jurnal. - 1999. - Vol. 62 . - P. 109-154 . — PMID 9932453 .
9. ↑ Lee Y; Kim M; Han J; Yeom KH; Lee S; Baek S.H.; Kim V.N. Genele microARN transcrise prin ARN polimeraza II  // EMBO  J. : jurnal. - 2004. - octombrie ( vol. 23 , nr. 20 ). - P. 4051-4060 . — PMID 15372072 .
10. ↑ Willis IM. ARN polimeraza III. Gene, factori și specificitate transcripțională  //  Eur J Biochem. : jurnal. - 1993. - Februarie ( vol. 212 , nr. 1 ). - P. 1-11 . — PMID 8444147 .
11. ↑ ARN polimeraze: o prezentare generală . Consultat la 20 februarie 2011. Arhivat din original pe 6 ianuarie 2012. (nedefinit)
12. ↑ Langer D. , Hain J. , Thuriaux P. , Zillig W. Transcription in archaea: similarity to that in eucarya.  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 1995. - Vol. 92, nr. 13 . - P. 5768-5772. — PMID 7597027 .
13. ↑ Yin YW, Steitz TA Baza structurală pentru tranziția de la transcrierea de inițiere la alungire în ARN polimeraza T7 //  Science : journal. - 2002. - 15 octombrie ( vol. 298 , nr. 5597 ). - P. 1387-1395 . - doi : 10.1126/science.1077464 . — PMID 12242451 .  
14. ↑ Hedtke B. , Börner T. , Weihe A. ARN polimeraze de tip fagi mitocondrial și cloroplast în Arabidopsis.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 1997. - Vol. 277, nr. 5327 . - P. 809-811. — PMID 9242608 .
15. ↑ Ahlquist P. ARN polimeraze dependente de ARN, virusuri și tăcere ARN.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 2002. - Vol. 296, nr. 5571 . - P. 1270-1273. - doi : 10.1126/science.1069132 . — PMID 12016304 .
16. ↑ Anton Meinhart1; Patrick Cramer. Recunoașterea domeniului carboxi-terminal ARN polimerazei II de către factorii de procesare a ARN-ului 3'  (engleză)  // Nature : journal. - 2004. - iulie ( vol. 430 , nr. 6996 ). - P. 223-226 . - doi : 10.1038/nature02679 . — PMID 15241417 .
17. ↑ Kelly JL; Lehman IR. ARN polimeraza mitocondrială de drojdie. Purificarea și proprietățile subunității catalitice  // J Biol Chem  .  : jurnal. - 1986. - August ( vol. 261 , nr. 22 ). - P. 10340-10347 . — PMID 3525543 .
18. ↑ Honda A și colab. Purificarea și structura moleculară a ARN polimerazei din virusul gripal A/PR8  (engleză)  // J Biochem (Tokyo) : jurnal. - 1990. - Aprilie ( vol. 107 , nr. 4 ). - P. 624-628 . — PMID 2358436 .
19. ↑ Hager DA , Jin DJ , Burgess RR Utilizarea cromatografiei cu schimb de ioni de înaltă rezoluție Mono Q pentru a obține ARN polimerază de Escherichia coli foarte pură și activă.  (engleză)  // Biochimie. - 1990. - Vol. 29, nr. 34 . - P. 7890-7894. — PMID 2261443 .

Literatură

• Lehninger Principles of Biochemistry, ediția a 4-a, David L. Nelson și Michael M. Cox

Link -uri

• DNAi  - DNA Interactive: Informații și videoclipuri Flash despre ARN polimerază.
• animație a transcripției ARN polimerazei - animație a ARN polimerazei în acțiune

Dicționare și enciclopedii	Mare catalană Mare norvegian Rusă mare croat Britannica (online) Brockhaus
În cataloagele bibliografice	J9U : 987007541391605171 LCCN : sh87001690 NDL : 00575477

Transcriere (biologie)
Reglementarea transcripției	procariote operon ( operon de lactoză operonul triptofan operonul GABA operon arabinoză operon de galactoză ) represor ( represor de lactoză represor al triptofanului ) eucariote Enzime de modificare a histonelor ( histone / nucleozom ) Proteine ​​din grupul Polycomb , histon metiltransferaza EZH2 Histone demetilază Acetilarea și deacetilarea histonelor ( Histone deacetilază HDAC1 histona acetiltransferaza ) Metilarea ADN-ului ADN metiltransferaza Remodelarea cromatinei CHD7 Comun pentru pro- și eucariote Coregulatori de transcripție ( Coactivator corepresor inductor ) Factori de transcripție
Activare	Promotor ( Pribnov-box cutie TATA BRE cutie CAAT Elemente reciproce ) Amplificator ( E-box Elemente reciproce ) Izolator Amortizor
Iniţiere	Site de începere a transcripției
Elongaţie	ARN polimeraza bacteriană : rpoB ARN polimeraza eucariotă: ARN polimeraza II , ARN polimeraza III
Încetarea	Terminator Ro terminare independentă factor Ro