RNA-polymerase - structuur, definitie, typen en functies (2023)

Wat is RNA-polymerase?

• RNA-polymerase is een essentieel enzym dat betrokken is bij het transcriptieproces, waar het de synthese van RNA-moleculen uit een DNA-template katalyseert. Het speelt een cruciale rol bij de overdracht van genetische informatie van DNA naar RNA.
• Tijdens transcriptie bindt RNA-polymerase zich aan een specifiek gebied op het DNA dat de promotor wordt genoemd. Deze interactie veroorzaakt het afwikkelen van de dubbele DNA-helix, waardoor het enzym toegang krijgt tot de sjabloonstreng. De RNA-polymerase begint dan met het synthetiseren van een RNA-molecuul dat complementair is aan de DNA-template.
• Het proces van RNA-synthese vindt plaats in de richting van 5' naar 3', waarbij het RNA-polymerase langs de DNA-templatestreng in de richting van 3' naar 5' beweegt. Naarmate het vordert, voegt het enzym nucleotiden toe aan de groeiende RNA-streng, op basis van de complementaire basenparing met de DNA-template.
• RNA-polymerase functioneert in samenwerking met verschillende eiwitten om transcriptie uit te voeren. Deze eiwitten helpen bij de specifieke binding van RNA-polymerase aan het DNA, vergemakkelijken het afwikkelen van de DNA-strengen, moduleren de enzymatische activiteit van RNA-polymerase en reguleren de snelheid en betrouwbaarheid van transcriptie.
• Verschillende organismen hebben verschillende typen en samenstellingen van RNA-polymerasen. Bacteriën hebben doorgaans één type RNA-polymerase, terwijl eukaryoten, zoals meercellige organismen en gisten, drie verschillende typen bezitten. Ondanks deze verschillen vertonen de algemene transcriptiemechanismen overeenkomsten tussen soorten.
• Regulatie van transcriptie is cruciaal voor het bereiken van ruimtelijke en temporele veranderingen in genexpressie. Verschillende mechanismen regelen de activiteit van RNA-polymerase, waardoor genen selectief kunnen worden getranscribeerd als reactie op verschillende cellulaire signalen en ontwikkelingsstadia.
• Concluderend, RNA-polymerase is een enzym dat verantwoordelijk is voor de synthese van RNA-moleculen uit een DNA-template tijdens transcriptie. Het speelt een vitale rol bij de overdracht van genetische informatie en is betrokken bij complexe interacties met andere eiwitten om nauwkeurige en gecontroleerde genexpressie te garanderen.

Definitie RNA-polymerase

RNA-polymerase is een enzym dat tijdens het transcriptieproces de synthese van RNA-moleculen katalyseert met behulp van een DNA-template.

Kenmerken van RNA-polymerase

RNA-polymerase is een veelzijdig enzym met verschillende belangrijke kenmerken die bijdragen aan zijn essentiële rol bij transcriptie. Hier zijn enkele opvallende kenmerken van RNA-polymerase:

• Sjabloonafhankelijke synthese: RNA-polymerase katalyseert de synthese van RNA-moleculen met behulp van een DNA-template. Het leest de DNA-template in de richting van 3' naar 5' en synthetiseert het RNA-molecuul in de complementaire richting van 5' naar 3'.
• Promoter erkenning: RNA-polymerase herkent specifieke DNA-sequenties die promoters worden genoemd en die de startpunten voor transcriptie markeren. Promoters bevatten consensussequenties die worden herkend door RNA-polymerase en de bijbehorende factoren.
• DNA-afwikkeling: Eenmaal gebonden aan de promotor, gebruikt RNA-polymerase helicase-activiteit om het dubbelstrengige DNA plaatselijk af te wikkelen. Dit afwikkelen geeft toegang tot de DNA-templatestreng voor RNA-synthese.
• Initiatie en verlenging: Na het afwikkelen van het DNA initieert RNA-polymerase de RNA-synthese door het eerste nucleotide aan de groeiende RNA-keten toe te voegen. Het blijft het RNA-molecuul verlengen door opeenvolgende nucleotiden stapsgewijs toe te voegen, geleid door complementaire basenparing met de DNA-template.
• Proeflezen en redigeren: RNA-polymerase bezit intrinsieke proefleesmogelijkheden. Het kan onjuist toegevoegde nucleotiden tijdens RNA-synthese herkennen en verwijderen via een mechanisme dat bekend staat als backtracking. Deze proefleesactiviteit helpt de nauwkeurigheid van de getranscribeerde RNA-sequentie te behouden.
• Beëindiging erkenning: RNA-polymerase herkent specifieke terminatiesignalen in de DNA-sequentie die het einde van de transcriptie markeren. Deze signalen zorgen ervoor dat het RNA-polymerase dissocieert van de DNA-template en het gesynthetiseerde RNA-molecuul vrijgeeft.
• Transcriptiefactoren en cofactoren: RNA-polymerase interageert vaak met verschillende transcriptiefactoren en co-factoren om de activiteit ervan te reguleren en de transcriptie-efficiëntie te verbeteren. Deze factoren kunnen de binding van RNA-polymerase aan de promoter moduleren, de transcriptiesnelheid beïnvloeden en genexpressie coördineren.
• Diversiteit van RNA-polymerasen: Er zijn verschillende soorten RNA-polymerasen in cellen, elk met verschillende rollen. RNA-polymerase I is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de synthese van ribosomaal RNA (rRNA), RNA-polymerase II transcribeert eiwitcoderende genen en RNA-polymerase III synthetiseert transfer-RNA (tRNA) en andere kleine niet-coderende RNA's.
• Regulering van transcriptie: Transcriptie kan worden gereguleerd door de interactie van RNA-polymerase met regulerende eiwitten en DNA-sequenties. Factoren zoals versterkers, geluiddempers en transcriptionele activatoren of repressoren kunnen de binding en activiteit van RNA-polymerase beïnvloeden, waardoor een nauwkeurige controle van genexpressie mogelijk is.
• Evolutionair behoud: RNA-polymerase is aanwezig in alle domeinen van het leven, inclusief bacteriën, archaea en eukaryoten, wat het fundamentele belang ervan in cellulaire processen onderstreept. Hoewel er verschillen zijn in de samenstelling van de subeenheid en de regulatie van RNA-polymerase tussen verschillende organismen, blijft het belangrijkste enzymatische mechanisme behouden.

Structuur van RNA-polymerase

De structuur van RNA-polymerase (RNAP) is essentieel voor zijn functie bij transcriptie, waar het RNA-moleculen synthetiseert uit DNA-sjablonen. Hier zijn de belangrijkste kenmerken van de RNA-polymerasestructuur:

• Kern-RNA-polymerase: In prokaryoten, zoals Escherichia coli (E. coli), bestaat de kern-RNA-polymerase uit vijf subeenheden. Het omvat twee alfa (α) subeenheden, elk met een gewicht van ongeveer 36 kDa, een bèta (β) subeenheid met een gewicht van ongeveer 150 kDa, een bèta prime (β') subeenheid met een gewicht van ongeveer 155 kDa, en een kleine omega (ω) subeenheid. De kern-RNA-polymerase is verantwoordelijk voor het katalyseren van de synthese van RNA.
• Holoenzymvorming: De kern-RNA-polymerase associeert zich met een sigma (σ)-factor om een ​​holo-enzym te vormen. De sigmafactor speelt een cruciale rol bij de herkenning en binding van specifieke DNA-sequenties die promoters worden genoemd. De binding van de sigmafactor aan het kernenzym vormt het actieve holoenzym, waardoor transcriptie-initiatie op specifieke promotorplaatsen mogelijk wordt. Zodra de transcriptie begint, kan de sigmafactor dissociëren en gaat het kernenzym door met de verlengingsfase.
• Structurele configuratie: Het kern-RNA-polymerasecomplex vertoont een onderscheidende structuur die vanwege zijn vorm vaak een "krabklauw" of "klemkaak" wordt genoemd. Deze structuur omvat een intern kanaal dat langs de lengte van het enzym loopt en een pad biedt voor de DNA-templatestreng en de nieuw gesynthetiseerde RNA-streng tijdens transcriptie. Het kanaal maakt de beweging van nucleotiden voor RNA-synthese mogelijk.
• Aanvullende subeenheden: Eukaryote en archaeale RNA-polymerasen hebben een complexere structuur in vergelijking met prokaryotische RNA-polymerasen. Ze bestaan ​​uit aanvullende subeenheden die bijdragen aan hun functionaliteit en regulering. Deze extra subeenheden zorgen voor stabiliteit, versterken de bindingsaffiniteit met DNA en werken samen met andere transcriptiefactoren en regulatoren.
• Metaalcofactoren: RNA-polymerasen, waaronder zowel prokaryotische als eukaryote vormen, bevatten metalen cofactoren die hun enzymatische activiteit tijdens transcriptie vergemakkelijken. Zink- en magnesiumkationen zijn bijzonder belangrijke metaalcofactoren die helpen bij verschillende stappen van het transcriptieproces. Ze helpen de structuur van het RNA-polymerase te stabiliseren en nemen deel aan katalytische reacties.

Het gedetailleerde begrip van de RNA-polymerasestructuur, zoals opgehelderd door studies zoals het werk van Roger D. Kornberg, heeft waardevolle inzichten opgeleverd in de mechanismen van transcriptie en de regulatie van genexpressie. De diverse subeenheden en metalen cofactoren dragen bij aan de efficiëntie, nauwkeurigheid en regulerende controle van RNA-synthese door RNA-polymerase.

Soorten RNA-polymerase

Prokaryote (bacteriën, archaea, virussen) organismen bezitten één soort RNA-polymerase dat alle subtypen van het RNA synthetiseert. Eukaryoten (meercellige organismen) bevatten vijf verschillende soorten RNA-polymerasen die verschillende rollen vervullen bij de synthese van verschillende RNA-moleculen.

Prokaryote RNA-polymerase

Prokaryote RNA-polymerase is een enkel type RNA-polymerase dat wordt aangetroffen in prokaryoten en het speelt een centrale rol bij de transcriptie van alle klassen van RNA, inclusief mRNA, tRNA, rRNA en sRNA.

Het RNA-polymerasemolecuul bestaat uit twee hoofddomeinen: de kern en het holo-enzym. Het is samengesteld uit vijf subeenheden: β, β', α (αI en αII) en ω.

De β- en β'-subeenheden vormen samen het katalytische centrum van het RNA-polymerase, verantwoordelijk voor de synthese van RNA-moleculen.

De α-subeenheid bestaat uit twee verschillende domeinen: het N-terminale domein (α-NTD) en het C-terminale domein. Het N-terminale domein is betrokken bij dimerisatie, het vormen van a2 en het vergemakkelijken van de assemblage van het RNA-polymerase. Het C-terminale domein speelt een rol bij de binding aan de Upstream Promoter (UP) DNA-sequentie bij promoters voor rRNA- en tRNA-genen en interageert met verschillende transcriptionele activatoren.

Elke subeenheid van prokaryotisch RNA-polymerase heeft specifieke functies:

• β-subeenheid: Het heeft een grootte van 150.4 kDa en vormt samen met de β'-subeenheid het katalytische centrum dat verantwoordelijk is voor de RNA-synthese.
• β'-subeenheid: Met een grootte van 155.0 kDa draagt ​​het ook bij aan het katalytische centrum en neemt het deel aan RNA-synthese.
• α-subeenheid (αI en αII): Met een grootte van 36.5 kDa is de α-subeenheid betrokken bij de assemblage van het RNA-polymerasecomplex. Het bindt ook aan de UP-sequentie in het promotorgebied.
• ω-subeenheid: Het heeft een grootte van 155.0 kDa en verleent specificiteit voor promoters. De ω-subeenheid bindt aan de -10- en -35-plaatsen in het promotorgebied.

Het promotorgebied is een specifieke DNA-sequentie die essentieel is voor de nauwkeurige en specifieke initiatie van transcriptie. Het is aan de promotor dat de RNA-polymerase nauwkeurig bindt om het transcriptieproces te initiëren.

Het prokaryotische RNA-polymerase, met zijn subeenheidsamenstelling en verschillende domeinen, maakt de efficiënte synthese van verschillende klassen van RNA in prokaryote organismen mogelijk. De specificiteit voor promoters en interacties met andere regulerende factoren zorgen voor nauwkeurige transcriptie-initiatie en genexpressie.

Eukaryote RNA-polymerase

Eukaryote RNA-polymerase is een groep enzymen die verantwoordelijk zijn voor de synthese van verschillende soorten RNA-moleculen in eukaryote organismen. Er zijn vijf bekende typen eukaryote RNA-polymerasen, elk met specifieke functies:

1. RNA-polymerase I: Gelegen in de nucleolus, synthetiseert RNA-polymerase I een voorloper van ribosomaal RNA (pre-rRNA) genaamd 45S (of 35S in gist). Dit pre-rRNA rijpt en vormt de belangrijkste RNA-componenten van ribosomen, die essentieel zijn voor eiwitsynthese.
2. RNA-polymerase II: RNA-polymerase II, gevonden in de kern, is een complex enzym dat uit ongeveer 12 subeenheden bestaat. Het is verantwoordelijk voor het transcriberen van de voorlopers van boodschapper-RNA (pre-mRNA), die verdere verwerking ondergaan om volwassen mRNA-moleculen te worden. RNA-polymerase II speelt een cruciale rol bij de transcriptie van de meeste eukaryote genen.
3. RNA-polymerase III: RNA-polymerase III bevindt zich ook in de kern en transcribeert verschillende soorten kleine RNA-moleculen, waaronder transfer-RNA (tRNA), 5S ribosomaal RNA (rRNA) en andere kleine niet-coderende RNA's. Deze moleculen zijn betrokken bij verschillende cellulaire processen en zijn essentieel voor normaal cellulair functioneren.
4. RNA-polymerase IV en V: Deze twee RNA-polymerasen zijn uniek voor planten. Hun precieze functies zijn nog niet volledig begrepen, maar ze zijn betrokken bij de synthese van klein interfererend RNA (siRNA) en de vorming van heterochromatine in de celkern. RNA-polymerase IV en V worden voornamelijk in de kern aangetroffen en vertonen overeenkomsten met bacteriële RNA-polymerasen.

Eukaryote RNA-polymerasen zijn grote eiwitcomplexen met meerdere subeenheden. Ze variëren van 8 tot 14 subeenheden en hun molecuulgewicht kan ongeveer 500,000 zijn voor elke polymerase. De subeenheden, zoals α, β en β', spelen een cruciale rol bij katalyse en eiwitassemblage.

Elke RNA-polymerase in eukaryoten heeft een specifieke cellulaire lokalisatie en verschillende doelen voor transcriptie. Ze zijn betrokken bij het transcriberen van verschillende soorten RNA-moleculen die nodig zijn voor verschillende cellulaire processen, waaronder eiwitsynthese, ribosoomassemblage en regulatie van genexpressie.

Functies van RNA-polymerase

RNA-polymerase (RNAP) is een cruciaal enzym dat betrokken is bij het proces van gentranscriptie, waar het RNA-moleculen synthetiseert uit DNA-templates. Hier zijn de belangrijkste functies van RNA-polymerase:

1. Initiatie van transcriptie: RNA-polymerase herkent en bindt zich aan specifieke DNA-sequenties die promoters worden genoemd en die de startpunten voor transcriptie markeren. Het initieert de synthese van een RNA-keten door het eerste nucleotide toe te voegen aan de groeiende RNA-streng.
2. Verlenging van RNA-bundel: Zodra de transcriptie is gestart, beweegt RNA-polymerase langs de DNA-templatestreng en synthetiseert een RNA-molecuul dat complementair is aan de DNA-sequentie. Dit proces wordt verlenging genoemd. RNA-polymerase kan nucleotiden aan de groeiende RNA-keten toevoegen en deze in een richting van 5 'naar 3' verlengen.
3. Beëindiging van transcriptie: RNA-polymerase herkent specifieke DNA-sequenties aan het einde van genen, ook wel terminators genoemd. Deze sequenties signaleren de beëindiging van transcriptie en RNA-polymerase geeft het nieuw gesynthetiseerde RNA-molecuul vrij en maakt los van de DNA-template.
4. Productie van mRNA: Een van de belangrijkste producten van RNA-polymerase is messenger-RNA (mRNA). mRNA draagt ​​de genetische informatie van het DNA naar de ribosomen, waar het dient als sjabloon voor eiwitsynthese tijdens translatie.
5. Niet-coderende RNA-genen: RNA-polymerase transcribeert verschillende niet-coderende RNA-genen, die functionele RNA-moleculen produceren die niet in eiwitten worden vertaald. Voorbeelden zijn onder meer transfer-RNA (tRNA) dat helpt bij het opnemen van specifieke aminozuren in groeiende polypeptideketens tijdens translatie, en ribosomaal RNA (rRNA) dat een structurele component vormt van ribosomen die betrokken zijn bij eiwitsynthese. Andere niet-coderende RNA-genen, zoals microRNA, spelen een belangrijke rol bij het reguleren van genactiviteit.
6. Katalytisch RNA: RNA-polymerase kan ook katalytische RNA-moleculen transcriberen die bekend staan ​​als ribozymen. Deze RNA-moleculen vertonen enzymatische activiteit en kunnen specifieke biochemische reacties katalyseren.

RNA-polymerase versus DNA-polymerase

DNA-polymerase creëert dubbelstrengige moleculen door DNA-strengen te scheiden van hun afgewikkelde vorm wanneer deze repliceert. Hoewel de eindproducten van transcriptie en replicatie verschillend zijn, werken ze elk op DNA door nucleotiden in dezelfde 5'-3 richting te introduceren. In tegenstelling tot RNA-polymerase, is DNA-polymerase een semi-geconserveerd proces dat gebruik maakt van beide strengen van het dubbelstrengige DNA-molecuul om te dienen als sjabloon om te repliceren.

RNA-polymerase in Archaea

• Archaea, een van de drie domeinen van het leven, bezit een enkel type RNA-polymerase (RNAP) dat verantwoordelijk is voor het transcriberen van alle soorten RNA-moleculen. De structuur en het mechanisme van archaeale RNA-polymerase lijken sterk op die van bacteriële RNA-polymerase en eukaryote nucleaire RNA-polymerasen IV. In het bijzonder deelt archaeaal RNA-polymerase significante structurele en mechanistische overeenkomsten met eukaryotisch nucleair RNA-polymerase II.
• De ontdekking van archaeale RNA-polymerase is relatief recent. De eerste analyse van een archaeale RNAP werd uitgevoerd in 1971, waarbij de nadruk lag op de RNAP van de extreem halofiele Halobacterium cutirubrum. Kristalstructuren van RNA-polymerasen van Sulfolobus solfataricus en Sulfolobus shibatae hebben inzicht gegeven in de architectuur van archaeale RNA-polymerase. Deze onderzoeken hebben in totaal dertien subeenheden in archaeaal RNA-polymerase geïdentificeerd.
• In archaea wordt de subeenheid die overeenkomt met de eukaryote Rpb1 (de grootste subeenheid van RNA-polymerase II) gesplitst in twee subeenheden. Er is echter geen homoloog aan de eukaryote Rpb9-subeenheid (POLR2I) in het Sulfolobus Shibatae-complex. In plaats daarvan is een subeenheid genaamd TFS (transcriptiefactor S), die gelijkenis vertoont met TFIIS, voorgesteld als een potentieel functioneel equivalent. Een andere aanvullende subeenheid, aangeduid als Rpo13, is aanwezig in archaeale RNA-polymerase. Rpo13 neemt samen met Rpo5 een ruimte in die overeenkomt met een insertie die wordt gevonden in bacteriële β'-subeenheden. Met name Rpo3 in archaeale RNA-polymerase is een ijzer-zwavel-eiwit, waardoor het zich onderscheidt van zijn tegenhangers in andere domeinen van het leven. Er is ook een gedeelde sequentie-overeenkomst tussen de archaeale RNAP I/III-subeenheid AC40 en bepaalde eukaryote RNAP-subeenheden, hoewel de ijzerbindende functie afwezig is in AC40.
• In het verleden werden archaeale RNAP-subeenheden aangeduid met behulp van een "RpoX"-nomenclatuur, waarbij elke subeenheid een letter kreeg toegewezen onafhankelijk van andere systemen. In 2009 werd echter een nieuwe nomenclatuur voorgesteld op basis van het nummeringssysteem van eukaryote RNA-polymerase II-subeenheden, waarbij het voorvoegsel "Rpb" werd gebruikt.
• De studie van archaeale RNA-polymerase heeft waardevolle inzichten opgeleverd in het transcriptieproces in archaea en heeft ons begrip van de structurele en functionele relaties tussen RNA-polymerasen in verschillende domeinen van het leven verdiept.

RNA-polymerase in virussen

• Virussen gebruiken verschillende strategieën voor RNA-synthese en hun RNA-polymerasen (RNAP's) vertonen diverse structuren en mechanismen. Orthopoxvirussen en bepaalde andere nucleocytoplasmatische grote DNA-virussen coderen voor hun eigen multi-subunit RNAP's, die gelijkenis vertonen met eukaryote RNAP's. Deze virale RNAP's hebben echter vaak verkleinde of ontbrekende subeenheden in vergelijking met hun eukaryote tegenhangers. De specifieke eukaryote RNAP waarop ze het meest lijken, is een onderwerp van discussie binnen de wetenschappelijke gemeenschap. Aan de andere kant gebruiken veel andere virussen single-subunit DNA-dependent RNAPs (ssRNAPs) voor RNA-synthese. Deze ssRNAP's delen structurele en mechanistische overeenkomsten met de single-subunit RNAP's die worden aangetroffen in eukaryotische chloroplasten (RpoT) en mitochondriën (POLRMT). Voorbeelden van algemeen bestudeerde RNAP's met een enkele subeenheid zijn de bacteriofaag T7 RNA-polymerase. Met name missen ssRNAP's proefleesmogelijkheden.
• In het geval van B. subtilis profaag SPβ wordt een afzonderlijke monomere RNAP gevormd met behulp van YonO, een homoloog van de β- en β'-subeenheden die worden aangetroffen in RNAP's met meerdere subeenheden. Deze unieke RNAP-structuur week aanzienlijk af van de canonieke vijf-eenheid multi-subeenheid RNAP, mogelijk ouder dan de laatste universele gemeenschappelijke voorouder.
• Naast DNA-afhankelijke RNAP's gebruiken sommige virussen RNA-afhankelijke RNAP's, die RNA gebruiken als een sjabloon voor RNA-synthese in plaats van DNA. Dit mechanisme wordt waargenomen bij RNA-virussen met een negatieve streng en dsRNA-virussen, die een deel van hun levenscyclus doorbrengen als dubbelstrengs RNA. Interessant is dat bepaalde RNA-virussen met een positieve streng, zoals poliovirus, ook RNA-afhankelijke RNAP's bezitten.
• De diversiteit van RNA-polymerasen in virussen weerspiegelt hun aanpassing aan verschillende genetische en replicatieve strategieën. De studie van virale RNA-polymerasen verbetert ons begrip van virale replicatiemechanismen en biedt potentiële doelen voor antivirale interventies.

FAQ

Referenties

• Cramer, P. (2019). Organisatie en regulatie van gentranscriptie. Natuur, 573(7772), 45-54.
• Ebright, RH, & Ebright, YW (2017). Transcriptieactivering door structureel diverse activatoren: de voordelen van promiscuïteit. Trends in biochemische wetenschappen, 42(7), 502-513.
• Fazal, FM, Meng, CA, Murakami, KS, & Kornberg, RD (2017). Blokkering van RNA-polymerase II-transcriptie door vastgelopen RNA-polymerase I. Science, 358(6366), 1283-1291.
• Nudler, E. (2012). RNA-polymerase backtracking in genregulatie en instabiliteit van het genoom. Cel, 149(7), 1438-1445.
• Svetlov, V., & Nudler, E. (2013). Basismechanisme van transcriptie door RNA-polymerase II. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene regulerende mechanismen, 1829(1), 20-28.
• Werner, F., & Grohmann, D. (2011). Evolutie van multisubunit RNA-polymerasen in de drie domeinen van het leven. Nature Reviews Microbiologie, 9(2), 85-98.
• Zhang, G., Campbell, EA, Minakhin, L., Richter, C., Severinov, K., & Darst, SA (1999). Kristalstructuur van Thermus aquaticus kern-RNA-polymerase met een resolutie van 3.3 Å. Cel, 98(6), 811-824.
• Zhang, J., Landick, R., & Gelles, J. (2019). Mechanismen van beëindiging van bacteriële transcriptie: aan alle goede dingen moet een einde komen. Jaaroverzicht van de biochemie, 88, 319-347.