Всеки, който изучава молекулярна биология, биохимия, генно инженерство и редица други сродни науки, рано или късно си задава въпроса: каква е функцията на РНК полимеразата? Това е доста сложна тема, която все още не е напълно проучена, но все пак това, което е известно, ще бъде разгледано в рамките на статията.
Обща информация
Необходимо е да се помни, че има РНК полимераза на еукариоти и прокариоти. Първият е допълнително разделен на три типа, всеки от които е отговорен за транскрипцията на отделна група гени. Тези ензими са номерирани за простота като първата, втората и третата РНК полимераза. Прокариотът, чиято структура е безядрена, по време на транскрипцията действа по опростена схема. Следователно, за по-голяма яснота, за да се обхване възможно най-много информация, ще бъдат разгледани еукариотите. РНК полимеразите са структурно сходни една с друга. Смята се, че съдържат най-малко 10 полипептидни вериги. В същото време РНК полимераза 1 синтезира (транскрибира) гени, които впоследствие ще бъдат преведени в различни протеини. Вторият е транскрибиране на гени, които впоследствие се транслират в протеини. РНК полимераза 3 е представена от различни стабилни ензими с ниско молекулно тегло, които умереночувствителен към алфа аматин. Но ние не сме решили какво е РНК полимераза! Това е името на ензимите, които участват в синтеза на молекулите на рибонуклеинова киселина. В тесен смисъл това се отнася до ДНК-зависими РНК полимерази, които действат на базата на матрица на дезоксирибонуклеинова киселина. Ензимите са от голямо значение за дългосрочното и успешно функциониране на живите организми. РНК полимеразите се намират във всички клетки и повечето вируси.
Разделяне по характеристики
В зависимост от състава на субединицата, РНК полимеразите са разделени на две групи:
- Първата се занимава с транскрипцията на малък брой гени в прости геноми. За функционирането в този случай не са необходими сложни регулаторни действия. Следователно това включва всички ензими, които се състоят само от една субединица. Пример е РНК полимеразата на бактериофагите и митохондриите.
- Тази група включва всички РНК полимерази на еукариоти и бактерии, които са сложни. Те са сложни протеинови комплекси от няколко субединици, които могат да транскрибират хиляди различни гени. По време на своето функциониране тези гени реагират на голям брой регулаторни сигнали, които идват от протеинови фактори и нуклеотиди.
Такова структурно-функционално разделение е много условно и силно опростяване на реалното състояние на нещата.
Какво прави РНК полимеразата?
На тях е възложена функцията да формират първичниrRNA генните транскрипти, тоест те са най-важните. Последните са по-известни под обозначението 45S-RNA. Дължината им е приблизително 13 хиляди нуклеотида. От него се образуват 28S-РНК, 18S-РНК и 5,8S-РНК. Поради факта, че за създаването им се използва само един транскриптор, тялото получава „гаранция“, че молекулите ще се образуват в равни количества. В същото време само 7 хиляди нуклеотида се използват за директно създаване на РНК. Останалата част от транскрипта се разгражда в ядрото. По отношение на такъв голям остатък има мнение, че е необходим за ранните етапи на образуване на рибозома. Броят на тези полимерази в клетките на висшите същества се колебае около границата от 40 хиляди единици.
Как е организирано?
И така, ние вече разгледахме добре първата РНК полимераза (прокариотна структура на молекулата). В същото време големите субединици, както и голям брой други полипептиди с високо молекулно тегло, имат добре дефинирани функционални и структурни домени. По време на клонирането на гените и определянето на тяхната първична структура учените идентифицират еволюционно консервативни участъци от веригите. Използвайки добър израз, изследователите проведоха и мутационен анализ, който ни позволява да говорим за функционалното значение на отделните домейни. За да се направи това, като се използва сайт-насочена мутагенеза, отделните аминокиселини се променят в полипептидните вериги и такива модифицирани субединици се използват при сглобяването на ензими с последващ анализ на свойствата, които са получени в тези конструкции. Беше отбелязано, че поради своята организация, първата РНК полимераза наприсъствието на алфа-аматин (силно токсично вещество, извлечено от бледия гмурец) изобщо не реагира.
Операция
И първата, и втората РНК полимераза могат да съществуват в две форми. Един от тях може да действа за иницииране на специфична транскрипция. Втората е ДНК-зависима РНК полимераза. Тази връзка се проявява в величината на дейността на функциониране. Темата все още се изследва, но вече е известно, че зависи от два транскрипционни фактора, които са обозначени като SL1 и UBF. Особеността на последния е, че може директно да се свърже с промотора, докато SL1 изисква присъствието на UBF. Въпреки че експериментално беше установено, че ДНК-зависимата РНК полимераза може да участва в транскрипцията на минимално ниво и без присъствието на последната. Но за нормалното функциониране на този механизъм все още е необходим UBF. Защо точно? Досега не е възможно да се установи причината за това поведение. Едно от най-популярните обяснения предполага, че UBF действа като вид стимулатор на rDNA транскрипция, докато расте и се развива. Когато настъпи фазата на покой, се поддържа минималното необходимо ниво на функциониране. И за него участието на транскрипционните фактори не е критично. Ето как работи РНК полимеразата. Функциите на този ензим ни позволяват да поддържаме процеса на възпроизвеждане на малките „градивни елементи“на нашето тяло, благодарение на което той непрекъснато се актуализира в продължение на десетилетия.
Втора група ензими
Техното функциониране се регулира от сглобяването на мултипротеинов преинициационен комплекс от промотори от втори клас. Най-често това се изразява в работа със специални протеини - активатори. Пример е TVR. Това са свързаните фактори, които са част от TFIID. Те са мишени за p53, NF kappa B и така нататък. Протеините, които се наричат коактиватори, също оказват своето влияние в процеса на регулация. Пример е GCN5. Защо са необходими тези протеини? Те действат като адаптери, които регулират взаимодействието на активатори и фактори, които са включени в комплекса преди иницииране. За да се осъществи правилно транскрипцията, е необходимо наличието на необходимите иницииращи фактори. Въпреки факта, че има шест от тях, само един може да взаимодейства директно с промотора. За други случаи е необходим предварително образуван втори РНК полимеразен комплекс. Освен това по време на тези процеси проксималните елементи са наблизо - само на 50-200 двойки от мястото, където е започнала транскрипцията. Те съдържат индикация за свързването на протеини-активатори.
Специални функции
Влияе ли структурата на субединиците на ензими от различен произход върху тяхната функционална роля в транскрипцията? Няма точен отговор на този въпрос, но се смята, че най-вероятно е положителен. Как РНК полимеразата зависи от това? Функциите на ензимите с проста структура са транскрипцията на ограничен набор от гени (или дори на техните малки части). Пример е синтезът на РНК праймери на фрагменти на Оказаки. Промоторната специфичност на РНК полимеразата на бактериите и фагите е, че ензимите имат проста структура и не се различават по разнообразие. Това може да се види в процеса на репликация на ДНК в бактериите. Въпреки че може да се има предвид и това: когато беше изследвана сложната структура на генома на черен Т-фаг, по време на чието разработване беше отбелязано множествено превключване на транскрипция между различни групи гени, беше разкрито, че е използвана сложна РНК-полимераза гостоприемник за това. Тоест в такива случаи не се индуцира обикновен ензим. От това следват редица последствия:
- Еукариотната и бактериалната РНК полимераза трябва да може да разпознава различни промотори.
- Необходимо е ензимите да имат определен отговор към различни регулаторни протеини.
- РНК полимеразата също трябва да може да промени специфичността на разпознаване на нуклеотидната последователност на матрицата ДНК. За това се използват различни протеинови ефектори.
Оттук следва нуждата на тялото от допълнителни "изграждащи" елементи. Протеините на транскрипционния комплекс помагат на РНК полимеразата да изпълнява пълноценно своите функции. Това се отнася в най-голяма степен за ензимите със сложна структура, при възможностите на които е реализирана обширна програма за внедряване на генетична информация. Благодарение на различни задачи можем да наблюдаваме един вид йерархия в структурата на РНК полимеразите.
Как работи процесът на транскрипция?
Има ли ген, отговорен за комуникацията сРНК полимераза? Първо, за транскрипцията: при еукариотите процесът се случва в ядрото. При прокариотите се извършва в самия микроорганизъм. Полимеразното взаимодействие се основава на основния структурен принцип на комплементарно сдвояване на отделни молекули. По отношение на проблемите на взаимодействието, можем да кажем, че ДНК действа изключително като шаблон и не се променя по време на транскрипция. Тъй като ДНК е интегрален ензим, може да се каже със сигурност, че определен ген е отговорен за този полимер, но това ще бъде много дълго. Не бива да се забравя, че ДНК съдържа 3,1 милиарда нуклеотидни остатъци. Следователно би било по-подходящо да се каже, че всеки тип РНК е отговорен за собствената си ДНК. За да протече полимеразната реакция, са необходими енергийни източници и рибонуклеозид трифосфатни субстрати. В тяхно присъствие се образуват 3', 5'-фосфодиестерни връзки между рибонуклеозидни монофосфати. Молекулата на РНК започва да се синтезира в определени ДНК последователности (промотори). Този процес завършва в крайните секции (терминация). Сайтът, който участва тук, се нарича транскрипция. При еукариотите, като правило, тук има само един ген, докато прокариотите могат да имат няколко секции от кода. Всеки транскриптон има неинформативна зона. Те съдържат специфични нуклеотидни последователности, които взаимодействат с регулаторните транскрипционни фактори, споменати по-рано.
Бактериални РНК полимерази
Тезимикроорганизми един ензим е отговорен за синтеза на иРНК, рРНК и тРНК. Средната полимеразна молекула има приблизително 5 субединици. Два от тях действат като свързващи елементи на ензима. Друга субединица участва в инициирането на синтеза. Съществува и ензимен компонент за неспецифично свързване с ДНК. И последната субединица участва в привеждането на РНК полимеразата в работна форма. Трябва да се отбележи, че ензимните молекули не са "свободно" плаващи в бактериалната цитоплазма. Когато не се използват, РНК полимеразите се свързват с неспецифични участъци на ДНК и чакат да се отвори активен промотор. Леко се отклонявайки от темата, трябва да се каже, че е много удобно да се изследват протеините и техния ефект върху полимеразите на рибонуклеинова киселина върху бактериите. Особено удобно е да експериментирате върху тях, за да стимулирате или потискате отделни елементи. Поради високата им скорост на умножение, желаният резултат може да се получи сравнително бързо. Уви, човешките изследвания не могат да продължат с толкова бързи темпове поради нашето структурно разнообразие.
Как РНК полимеразата се "вкорени" в различни форми?
Тази статия идва към логичното си заключение. Фокусът беше върху еукариотите. Но има и археи и вируси. Затова бих искал да обърна малко внимание на тези форми на живот. В живота на археите има само една група РНК полимерази. Но той е изключително подобен по своите свойства с трите асоциации на еукариоти. Много учени предполагат, че това, което можем да наблюдаваме в археите, е всъщностеволюционен предшественик на специализираните полимерази. Интересна е и структурата на вирусите. Както беше споменато по-рано, не всички такива микроорганизми имат своя собствена полимераза. И където е, това е една субединица. Смята се, че вирусните ензими са получени от ДНК полимерази, а не от сложни РНК конструкции. Въпреки че поради разнообразието на тази група микроорганизми има различни реализации на разглеждания биологичен механизъм.
Заключение
Уви, точно сега човечеството все още не разполага с цялата необходима информация, необходима за разбиране на генома. И какво може да се направи! Почти всички болести основно имат генетична основа – това се отнася преди всичко за вирусите, които постоянно ни създават проблеми, за инфекции и т.н. Най-сложните и нелечими болести всъщност са пряко или косвено зависими от човешкия геном. Когато се научим да разбираме себе си и да прилагаме това знание в своя полза, голям брой проблеми и болести просто ще престанат да съществуват. Много ужасни преди това болести, като едра шарка и чума, вече са останали в миналото. Подготвям се да отида там паротит, магарешка кашлица. Но не бива да се отпускаме, защото все още сме изправени пред голям брой различни предизвикателства, на които трябва да се отговори. И той ще бъде намерен, защото всичко върви към това.
