Όλοι όσοι μελετούν τη μοριακή βιολογία, τη βιοχημεία, τη γενετική μηχανική και μια σειρά από άλλες συναφείς επιστήμες αργά ή γρήγορα ρωτούν: ποια είναι η λειτουργία της RNA πολυμεράσης; Πρόκειται για ένα αρκετά περίπλοκο θέμα, το οποίο δεν έχει ακόμη διερευνηθεί πλήρως, αλλά, ωστόσο, όσα είναι γνωστά θα καλυφθούν στο πλαίσιο του άρθρου.
Γενικές πληροφορίες
Είναι απαραίτητο να θυμόμαστε ότι υπάρχει μια RNA πολυμεράση ευκαρυωτικών και προκαρυωτικών. Το πρώτο χωρίζεται περαιτέρω σε τρεις τύπους, καθένας από τους οποίους είναι υπεύθυνος για τη μεταγραφή μιας ξεχωριστής ομάδας γονιδίων. Αυτά τα ένζυμα αριθμούνται για απλότητα ως η πρώτη, δεύτερη και τρίτη πολυμεράσες RNA. Ο προκαρυώτης, του οποίου η δομή είναι απαλλαγμένη από πυρήνα, κατά τη μεταγραφή δρα σύμφωνα με ένα απλοποιημένο σχήμα. Επομένως, για λόγους σαφήνειας, προκειμένου να καλυφθούν όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες, θα ληφθούν υπόψη οι ευκαρυώτες. Οι RNA πολυμεράσες είναι δομικά παρόμοιες μεταξύ τους. Πιστεύεται ότι περιέχουν τουλάχιστον 10 πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Ταυτόχρονα, η RNA πολυμεράση 1 συνθέτει (μεταγράφει) γονίδια που στη συνέχεια θα μεταφραστούν σε διάφορες πρωτεΐνες. Το δεύτερο είναι τα γονίδια μεταγραφής, τα οποία στη συνέχεια μεταφράζονται σε πρωτεΐνες. Η RNA πολυμεράση 3 αντιπροσωπεύεται από μια ποικιλία σταθερών ενζύμων χαμηλού μοριακού βάρους που μέτριαευαίσθητο στην άλφα αμίνη. Αλλά δεν έχουμε αποφασίσει τι είναι η RNA πολυμεράση! Αυτό είναι το όνομα των ενζύμων που εμπλέκονται στη σύνθεση των μορίων του ριβονουκλεϊκού οξέος. Με στενή έννοια, αυτό αναφέρεται σε εξαρτώμενες από DNA πολυμεράσες RNA που δρουν με βάση ένα εκμαγείο δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος. Τα ένζυμα έχουν μεγάλη σημασία για τη μακροπρόθεσμη και επιτυχή λειτουργία των ζωντανών οργανισμών. Οι RNA πολυμεράσες βρίσκονται σε όλα τα κύτταρα και στους περισσότερους ιούς.
Διαίρεση κατά χαρακτηριστικά
Ανάλογα με τη σύνθεση της υπομονάδας, οι RNA πολυμεράσες χωρίζονται σε δύο ομάδες:
- Το πρώτο ασχολείται με τη μεταγραφή ενός μικρού αριθμού γονιδίων σε απλά γονιδιώματα. Για τη λειτουργία σε αυτήν την περίπτωση, δεν απαιτούνται πολύπλοκες ρυθμιστικές ενέργειες. Επομένως, αυτό περιλαμβάνει όλα τα ένζυμα που αποτελούνται από μία μόνο υπομονάδα. Ένα παράδειγμα είναι η RNA πολυμεράση των βακτηριοφάγων και των μιτοχονδρίων.
- Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει όλες τις RNA πολυμεράσες των ευκαρυωτών και των βακτηρίων, οι οποίες είναι πολύπλοκες. Είναι περίπλοκα πρωτεϊνικά σύμπλοκα πολλαπλών υπομονάδων που μπορούν να μεταγράψουν χιλιάδες διαφορετικά γονίδια. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, αυτά τα γονίδια ανταποκρίνονται σε μεγάλο αριθμό ρυθμιστικών σημάτων που προέρχονται από πρωτεϊνικούς παράγοντες και νουκλεοτίδια.
Μια τέτοια δομική-λειτουργική διαίρεση είναι μια πολύ υπό όρους και ισχυρή απλούστευση της πραγματικής κατάστασης πραγμάτων.
Τι κάνει η RNA πολυμεράση;
Τους ανατίθεται η λειτουργία σχηματισμού πρωτοβάθμιουΤα μεταγραφήματα γονιδίων rRNA, δηλαδή, είναι τα πιο σημαντικά. Τα τελευταία είναι πιο γνωστά με την ονομασία 45S-RNA. Το μήκος τους είναι περίπου 13 χιλιάδες νουκλεοτίδια. Από αυτό σχηματίζονται 28S-RNA, 18S-RNA και 5,8S-RNA. Λόγω του γεγονότος ότι μόνο ένας μεταγραφέας χρησιμοποιείται για τη δημιουργία τους, το σώμα λαμβάνει μια «εγγύηση» ότι τα μόρια θα σχηματιστούν σε ίσες ποσότητες. Ταυτόχρονα, μόνο 7 χιλιάδες νουκλεοτίδια χρησιμοποιούνται για την απευθείας δημιουργία RNA. Το υπόλοιπο της μεταγραφής υποβαθμίζεται στον πυρήνα. Όσον αφορά ένα τόσο μεγάλο υπόλειμμα, υπάρχει η άποψη ότι είναι απαραίτητο για τα πρώιμα στάδια σχηματισμού ριβοσώματος. Ο αριθμός αυτών των πολυμερασών στα κύτταρα των ανώτερων όντων κυμαίνεται γύρω από το σημάδι των 40 χιλιάδων μονάδων.
Πώς είναι οργανωμένο;
Έτσι, έχουμε ήδη εξετάσει καλά την πρώτη RNA πολυμεράση (προκαρυωτική δομή του μορίου). Ταυτόχρονα, μεγάλες υπομονάδες, καθώς και ένας μεγάλος αριθμός άλλων πολυπεπτιδίων υψηλού μοριακού βάρους, έχουν καλά καθορισμένους λειτουργικούς και δομικούς τομείς. Κατά τη διάρκεια της κλωνοποίησης των γονιδίων και του προσδιορισμού της πρωτογενούς δομής τους, οι επιστήμονες εντόπισαν εξελικτικά συντηρητικά τμήματα των αλυσίδων. Χρησιμοποιώντας καλή έκφραση, οι ερευνητές πραγματοποίησαν επίσης μεταλλακτική ανάλυση, η οποία μας επιτρέπει να μιλήσουμε για τη λειτουργική σημασία μεμονωμένων τομέων. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιώντας τοποκατευθυνόμενη μεταλλαξογένεση, άλλαξαν μεμονωμένα αμινοξέα σε πολυπεπτιδικές αλυσίδες και τέτοιες τροποποιημένες υπομονάδες χρησιμοποιήθηκαν στη συναρμολόγηση ενζύμων με επακόλουθη ανάλυση των ιδιοτήτων που ελήφθησαν σε αυτά τα κατασκευάσματα. Σημειώθηκε ότι λόγω της οργάνωσής του, η πρώτη RNA πολυμεράση σεη παρουσία της άλφα-αμίνης (μια εξαιρετικά τοξική ουσία που προέρχεται από την ωχρή γρίλια) δεν αντιδρά καθόλου.
Λειτουργία
Τόσο η πρώτη όσο και η δεύτερη RNA πολυμεράσες μπορούν να υπάρχουν σε δύο μορφές. Ένας από αυτούς μπορεί να ενεργήσει για να ξεκινήσει συγκεκριμένη μεταγραφή. Το δεύτερο είναι η εξαρτώμενη από το DNA RNA πολυμεράση. Αυτή η σχέση εκδηλώνεται στο μέγεθος της δραστηριότητας της λειτουργίας. Το θέμα είναι ακόμα υπό διερεύνηση, αλλά είναι ήδη γνωστό ότι εξαρτάται από δύο μεταγραφικούς παράγοντες, οι οποίοι ορίζονται ως SL1 και UBF. Η ιδιαιτερότητα του τελευταίου είναι ότι μπορεί να συνδεθεί απευθείας με τον υποκινητή, ενώ το SL1 απαιτεί την παρουσία UBF. Αν και πειραματικά βρέθηκε ότι η εξαρτώμενη από το DNA RNA πολυμεράση μπορεί να λάβει μέρος στη μεταγραφή σε ελάχιστο επίπεδο και χωρίς την παρουσία της τελευταίας. Αλλά για την κανονική λειτουργία αυτού του μηχανισμού, το UBF εξακολουθεί να χρειάζεται. Γιατί ακριβώς; Μέχρι στιγμής, δεν έχει καταστεί δυνατό να εξακριβωθεί ο λόγος αυτής της συμπεριφοράς. Μια από τις πιο δημοφιλείς εξηγήσεις υποδηλώνει ότι το UBF δρα ως ένα είδος διεγέρτη μεταγραφής rDNA καθώς μεγαλώνει και αναπτύσσεται. Όταν συμβαίνει η φάση ηρεμίας, διατηρείται το ελάχιστο απαιτούμενο επίπεδο λειτουργίας. Και για αυτόν, η συμμετοχή των μεταγραφικών παραγόντων δεν είναι κρίσιμη. Έτσι λειτουργεί η RNA πολυμεράση. Οι λειτουργίες αυτού του ενζύμου μας επιτρέπουν να υποστηρίξουμε τη διαδικασία αναπαραγωγής των μικρών «δομικών στοιχείων» του σώματός μας, χάρη στα οποία ενημερώνεται συνεχώς εδώ και δεκαετίες.
Δεύτερη ομάδα ενζύμων
Η λειτουργία τους ρυθμίζεται από τη συναρμολόγηση ενός πολυπρωτεϊνικού συμπλέγματος προεκκίνησης προαγωγέων δεύτερης κατηγορίας. Τις περισσότερες φορές αυτό εκφράζεται σε εργασία με ειδικές πρωτεΐνες - ενεργοποιητές. Ένα παράδειγμα είναι το TVR. Αυτοί είναι οι σχετικοί παράγοντες που αποτελούν μέρος του TFIID. Είναι στόχοι για p53, NF kappa B και ούτω καθεξής. Οι πρωτεΐνες, που ονομάζονται συνενεργοποιητές, ασκούν επίσης την επιρροή τους στη διαδικασία ρύθμισης. Ένα παράδειγμα είναι το GCN5. Γιατί χρειάζονται αυτές οι πρωτεΐνες; Λειτουργούν ως προσαρμογείς που προσαρμόζουν την αλληλεπίδραση ενεργοποιητών και παραγόντων που περιλαμβάνονται στο σύμπλεγμα προεκκίνησης. Για να γίνει σωστά η μεταγραφή, είναι απαραίτητη η παρουσία των απαραίτητων παραγόντων έναρξης. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν έξι από αυτά, μόνο ένας μπορεί να αλληλεπιδράσει άμεσα με τον υποκινητή. Για άλλες περιπτώσεις, χρειάζεται ένα προσχηματισμένο δεύτερο σύμπλοκο πολυμεράσης RNA. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών, τα εγγύς στοιχεία βρίσκονται κοντά - μόνο 50-200 ζεύγη από την τοποθεσία όπου ξεκίνησε η μεταγραφή. Περιέχουν ένδειξη της δέσμευσης των πρωτεϊνών ενεργοποιητών.
Ειδικές δυνατότητες
Επηρεάζει η δομή της υπομονάδας των ενζύμων διαφορετικής προέλευσης τον λειτουργικό τους ρόλο στη μεταγραφή; Δεν υπάρχει ακριβής απάντηση σε αυτή την ερώτηση, αλλά πιστεύεται ότι είναι πιθανότατα θετική. Πώς εξαρτάται η RNA πολυμεράση από αυτό; Οι λειτουργίες των ενζύμων απλής δομής είναι η μεταγραφή ενός περιορισμένου εύρους γονιδίων (ή ακόμα και μικρών τμημάτων τους). Ένα παράδειγμα είναι η σύνθεση εκκινητών RNA των θραυσμάτων Okazaki. Η εξειδίκευση του προαγωγέα της RNA πολυμεράσης των βακτηρίων και των φάγων είναι ότι τα ένζυμα έχουν απλή δομή και δεν διαφέρουν σε ποικιλομορφία. Αυτό μπορεί να φανεί στη διαδικασία αντιγραφής του DNA στα βακτήρια. Αν και μπορεί κανείς να εξετάσει και αυτό: όταν μελετήθηκε η πολύπλοκη δομή του γονιδιώματος ενός άρτιου Τ-φάγου, κατά την ανάπτυξη του οποίου παρατηρήθηκε πολλαπλή εναλλαγή μεταγραφής μεταξύ διαφορετικών ομάδων γονιδίων, αποκαλύφθηκε ότι χρησιμοποιήθηκε μια σύνθετη πολυμεράση RNA ξενιστή για αυτό. Δηλαδή δεν προκαλείται απλό ένζυμο σε τέτοιες περιπτώσεις. Από αυτό προκύπτει μια σειρά από συνέπειες:
- Η ευκαρυωτική και η βακτηριακή RNA πολυμεράση θα πρέπει να είναι σε θέση να αναγνωρίζουν διαφορετικούς προαγωγείς.
- Είναι απαραίτητο τα ένζυμα να έχουν μια ορισμένη απόκριση σε διαφορετικές ρυθμιστικές πρωτεΐνες.
- RNA πολυμεράση θα πρέπει επίσης να μπορεί να αλλάξει την ειδικότητα της αναγνώρισης της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας του προτύπου DNA. Για αυτό, χρησιμοποιούνται διάφοροι τελεστές πρωτεΐνης.
Η
Από εδώ ακολουθεί η ανάγκη του οργανισμού για επιπλέον «δομικά» στοιχεία. Οι πρωτεΐνες του συμπλέγματος μεταγραφής βοηθούν την RNA πολυμεράση να εκτελέσει πλήρως τις λειτουργίες της. Αυτό ισχύει, στο μέγιστο βαθμό, για ένζυμα πολύπλοκης δομής, στις δυνατότητες των οποίων η εφαρμογή ενός εκτεταμένου προγράμματος για την εφαρμογή γενετικής πληροφορίας. Χάρη σε διάφορες εργασίες, μπορούμε να παρατηρήσουμε ένα είδος ιεραρχίας στη δομή των RNA πολυμερασών.
Πώς λειτουργεί η διαδικασία μεταγραφής;
Υπάρχει κάποιο γονίδιο υπεύθυνο για την επικοινωνία μεRNA πολυμεράση; Πρώτον, σχετικά με τη μεταγραφή: στους ευκαρυώτες, η διαδικασία συμβαίνει στον πυρήνα. Στα προκαρυωτικά, λαμβάνει χώρα μέσα στον ίδιο τον μικροοργανισμό. Η αλληλεπίδραση πολυμεράσης βασίζεται στη θεμελιώδη δομική αρχή του συμπληρωματικού ζευγαρώματος μεμονωμένων μορίων. Όσον αφορά τα θέματα αλληλεπίδρασης, μπορούμε να πούμε ότι το DNA λειτουργεί αποκλειστικά ως πρότυπο και δεν αλλάζει κατά τη μεταγραφή. Δεδομένου ότι το DNA είναι ένα αναπόσπαστο ένζυμο, είναι δυνατόν να πούμε με βεβαιότητα ότι ένα συγκεκριμένο γονίδιο είναι υπεύθυνο για αυτό το πολυμερές, αλλά θα είναι πολύ μεγάλο. Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι το DNA περιέχει 3,1 δισεκατομμύρια υπολείμματα νουκλεοτιδίων. Επομένως, θα ήταν πιο σωστό να πούμε ότι κάθε τύπος RNA είναι υπεύθυνος για το δικό του DNA. Για να προχωρήσει η αντίδραση πολυμεράσης, χρειάζονται πηγές ενέργειας και υποστρώματα τριφωσφορικού ριβονουκλεοζίτη. Παρουσία τους, σχηματίζονται δεσμοί 3', 5'-φωσφοδιεστέρα μεταξύ μονοφωσφορικών ριβονουκλεοζιτών. Το μόριο RNA αρχίζει να συντίθεται σε ορισμένες αλληλουχίες DNA (προαγωγείς). Αυτή η διαδικασία τελειώνει στα τερματικά τμήματα (τερματισμός). Η τοποθεσία που εμπλέκεται εδώ ονομάζεται μεταγραφή. Στους ευκαρυώτες, κατά κανόνα, υπάρχει μόνο ένα γονίδιο εδώ, ενώ οι προκαρυώτες μπορούν να έχουν πολλά τμήματα του κώδικα. Κάθε μεταγραφή έχει μια μη πληροφοριακή ζώνη. Περιέχουν συγκεκριμένες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων που αλληλεπιδρούν με τους ρυθμιστικούς μεταγραφικούς παράγοντες που αναφέρθηκαν προηγουμένως.
Βακτηριακές RNA πολυμεράσες
Αυτάμικροοργανισμοί ένα ένζυμο είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση mRNA, rRNA και tRNA. Το μέσο μόριο πολυμεράσης έχει περίπου 5 υπομονάδες. Δύο από αυτά δρουν ως συνδετικά στοιχεία του ενζύμου. Μια άλλη υπομονάδα εμπλέκεται στην έναρξη της σύνθεσης. Υπάρχει επίσης ένα ενζυμικό συστατικό για μη ειδική σύνδεση με το DNA. Και η τελευταία υπομονάδα εμπλέκεται στο να φέρει την RNA πολυμεράση σε λειτουργική μορφή. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα μόρια του ενζύμου δεν επιπλέουν «ελεύθερα» στο βακτηριακό κυτταρόπλασμα. Όταν δεν χρησιμοποιούνται, οι RNA πολυμεράσες συνδέονται με μη ειδικές περιοχές του DNA και περιμένουν να ανοίξει ένας ενεργός υποκινητής. Ξεφεύγοντας ελαφρώς από το θέμα, θα πρέπει να ειπωθεί ότι είναι πολύ βολικό να μελετηθούν οι πρωτεΐνες και η επίδρασή τους στις πολυμεράσες του ριβονουκλεϊκού οξέος στα βακτήρια. Είναι ιδιαίτερα βολικό να πειραματιστείτε πάνω τους για να τονώσετε ή να καταστείλετε μεμονωμένα στοιχεία. Λόγω του υψηλού ποσοστού πολλαπλασιασμού τους, το επιθυμητό αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί σχετικά γρήγορα. Δυστυχώς, η ανθρώπινη έρευνα δεν μπορεί να προχωρήσει με τόσο γρήγορο ρυθμό λόγω της δομικής μας ποικιλομορφίας.
Πώς «ριζώθηκε» η RNA πολυμεράση σε διαφορετικές μορφές;
Αυτό το άρθρο φτάνει στο λογικό του συμπέρασμα. Η εστίαση ήταν στους ευκαρυώτες. Υπάρχουν όμως και αρχαία και ιοί. Επομένως, θα ήθελα να δώσω λίγη προσοχή σε αυτές τις μορφές ζωής. Στη ζωή των αρχαίων, υπάρχει μόνο μία ομάδα RNA πολυμερασών. Αλλά είναι εξαιρετικά παρόμοιο στις ιδιότητές του με τις τρεις ενώσεις των ευκαρυωτών. Πολλοί επιστήμονες έχουν προτείνει ότι αυτό που μπορούμε να παρατηρήσουμε στα αρχαία είναι στην πραγματικότηταεξελικτικός πρόγονος εξειδικευμένων πολυμερασών. Η δομή των ιών είναι επίσης ενδιαφέρουσα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, δεν έχουν όλοι αυτοί οι μικροοργανισμοί τη δική τους πολυμεράση. Και όπου είναι, είναι μια ενιαία υπομονάδα. Τα ιικά ένζυμα πιστεύεται ότι προέρχονται από πολυμεράσες DNA και όχι από σύνθετα κατασκευάσματα RNA. Αν και, λόγω της ποικιλομορφίας αυτής της ομάδας μικροοργανισμών, υπάρχουν διαφορετικές εφαρμογές του θεωρούμενου βιολογικού μηχανισμού.
Συμπέρασμα
Δυστυχώς, αυτή τη στιγμή η ανθρωπότητα δεν έχει ακόμη όλες τις απαραίτητες πληροφορίες που απαιτούνται για την κατανόηση του γονιδιώματος. Και τι θα μπορούσε να γίνει! Σχεδόν όλες οι ασθένειες έχουν βασικά μια γενετική βάση - αυτό ισχύει κυρίως για ιούς που μας προκαλούν συνεχώς προβλήματα, για λοιμώξεις κ.λπ. Οι πιο περίπλοκες και ανίατες ασθένειες εξαρτώνται επίσης, στην πραγματικότητα, άμεσα ή έμμεσα από το ανθρώπινο γονιδίωμα. Όταν μάθουμε να κατανοούμε τον εαυτό μας και να εφαρμόζουμε αυτή τη γνώση προς όφελός μας, ένας μεγάλος αριθμός προβλημάτων και ασθενειών θα πάψει απλώς να υφίσταται. Πολλές προηγουμένως τρομερές ασθένειες, όπως η ευλογιά και η πανώλη, έχουν ήδη γίνει παρελθόν. Προετοιμασία να πάω εκεί παρωτίτιδα, κοκκύτης. Αλλά δεν πρέπει να χαλαρώνουμε, γιατί εξακολουθούμε να αντιμετωπίζουμε έναν μεγάλο αριθμό διαφορετικών προκλήσεων που πρέπει να απαντηθούν. Και θα βρεθεί, γιατί όλα οδεύουν προς αυτό.
