Každý, kdo studuje molekulární biologii, biochemii, genetické inženýrství a řadu dalších příbuzných věd, si dříve nebo později položí otázku: jaká je funkce RNA polymerázy? Toto je poměrně složité téma, které stále není plně prozkoumáno, ale přesto to, co je známo, bude pokryto v rámci článku.
Obecné informace
Je nutné mít na paměti, že existuje RNA polymeráza eukaryot a prokaryot. První se dále dělí na tři typy, z nichž každý je zodpovědný za transkripci samostatné skupiny genů. Tyto enzymy jsou pro jednoduchost očíslovány jako první, druhá a třetí RNA polymeráza. Prokaryot, jehož struktura je bez jader, při transkripci působí podle zjednodušeného schématu. Proto pro názornost, aby bylo pokryto co nejvíce informací, budou uvažována eukaryota. RNA polymerázy jsou si strukturálně podobné. Předpokládá se, že obsahují alespoň 10 polypeptidových řetězců. RNA polymeráza 1 zároveň syntetizuje (přepisuje) geny, které budou následně translatovány do různých proteinů. Druhým je přepis genů, které jsou následně překládány do proteinů. RNA polymeráza 3 je reprezentována řadou stabilních enzymů s nízkou molekulovou hmotností, které středněcitlivý na alfa amatin. Ale nerozhodli jsme o tom, co je RNA polymeráza! Tak se nazývají enzymy, které se podílejí na syntéze molekul ribonukleové kyseliny. V užším smyslu se to týká DNA-dependentních RNA polymeráz, které působí na bázi templátu deoxyribonukleové kyseliny. Enzymy mají velký význam pro dlouhodobé a úspěšné fungování živých organismů. RNA polymerázy se nacházejí ve všech buňkách a většině virů.
Rozdělení podle funkcí
V závislosti na složení podjednotek se RNA polymerázy dělí do dvou skupin:
- První se zabývá transkripcí malého počtu genů v jednoduchých genomech. Pro fungování v tomto případě nejsou nutná složitá regulační opatření. Proto sem patří všechny enzymy, které se skládají pouze z jedné podjednotky. Příkladem je RNA polymeráza bakteriofágů a mitochondrií.
- Tato skupina zahrnuje všechny RNA polymerázy eukaryot a bakterií, které jsou komplexní. Jsou to složité proteinové komplexy s mnoha podjednotkami, které mohou přepisovat tisíce různých genů. Během svého fungování tyto geny reagují na velké množství regulačních signálů, které pocházejí z proteinových faktorů a nukleotidů.
Takové strukturně-funkční rozdělení je velmi podmíněným a silným zjednodušením skutečného stavu věcí.
Co dělá RNA polymeráza?
Je jim přiřazena funkce primárního tvořenírRNA genové transkripty, to znamená, že jsou nejdůležitější. Posledně jmenované jsou známější pod označením 45S-RNA. Jejich délka je přibližně 13 tisíc nukleotidů. Vzniká z něj 28S-RNA, 18S-RNA a 5,8S-RNA. Vzhledem k tomu, že k jejich vytvoření je použit pouze jeden transkriptor, dostává tělo „záruku“, že molekuly budou tvořeny ve stejném množství. K přímému vytvoření RNA je přitom použito pouze 7 tisíc nukleotidů. Zbytek transkriptu je degradován v jádře. Pokud jde o takto velký zbytek, existuje názor, že je nezbytný pro raná stádia tvorby ribozomů. Počet těchto polymeráz v buňkách vyšších bytostí kolísá kolem značky 40 tisíc jednotek.
Jak je to organizováno?
Takže jsme již dobře zvážili první RNA polymerázu (prokaryotická struktura molekuly). Současně velké podjednotky, stejně jako velké množství dalších vysokomolekulárních polypeptidů, mají dobře definované funkční a strukturální domény. Během klonování genů a určování jejich primární struktury vědci identifikovali evolučně konzervativní úseky řetězců. Pomocí dobré exprese vědci také provedli mutační analýzu, která nám umožňuje mluvit o funkčním významu jednotlivých domén. K tomu byly pomocí místně cílené mutageneze změněny jednotlivé aminokyseliny v polypeptidových řetězcích a takto modifikované podjednotky byly použity při sestavování enzymů s následnou analýzou vlastností, které byly získány v těchto konstruktech. Bylo poznamenáno, že díky své organizaci, první RNA polymeráza napřítomnost alfa-amatinu (vysoce toxická látka pocházející z potápky bledé) vůbec nereaguje.
Operace
Jak první, tak druhá RNA polymeráza mohou existovat ve dvou formách. Jeden z nich může iniciovat specifickou transkripci. Druhým je DNA dependentní RNA polymeráza. Tento vztah se projevuje ve velikosti aktivity fungování. Téma je stále předmětem zkoumání, ale už se ví, že závisí na dvou transkripčních faktorech, které jsou označeny jako SL1 a UBF. Zvláštností posledně jmenovaného je, že se může přímo vázat na promotor, zatímco SL1 vyžaduje přítomnost UBF. I když bylo experimentálně zjištěno, že DNA-dependentní RNA polymeráza se může účastnit transkripce na minimální úrovni a bez její přítomnosti. Ale pro normální fungování tohoto mechanismu je UBF stále potřeba. proč přesně? Doposud se nepodařilo zjistit důvod tohoto chování. Jedno z nejpopulárnějších vysvětlení naznačuje, že UBF působí jako druh stimulátoru transkripce rDNA, jak roste a vyvíjí se. Když nastane klidová fáze, je zachována minimální požadovaná úroveň fungování. A pro něj není kritická účast transkripčních faktorů. Takto funguje RNA polymeráza. Funkce tohoto enzymu nám umožňují podporovat proces reprodukce malých „stavebních kamenů“našeho těla, díky čemuž je neustále aktualizován po celá desetiletí.
Druhá skupina enzymů
Jejich fungování je regulováno sestavením multiproteinového pre-iniciačního komplexu promotorů druhé třídy. Nejčastěji se to projevuje v práci se speciálními proteiny - aktivátory. Příkladem je TVR. Toto jsou související faktory, které jsou součástí TFIID. Jsou to cíle pro p53, NF kappa B a tak dále. Svůj vliv v procesu regulace uplatňují i proteiny, které se nazývají koaktivátory. Příkladem je GCN5. Proč jsou tyto proteiny potřebné? Fungují jako adaptéry, které upravují interakci aktivátorů a faktorů, které jsou zahrnuty v preiniciačním komplexu. Aby transkripce proběhla správně, je nutná přítomnost nezbytných iniciačních faktorů. Navzdory skutečnosti, že je jich šest, pouze jeden může přímo komunikovat s promotérem. V jiných případech je zapotřebí předem vytvořený druhý komplex RNA polymerázy. Navíc během těchto procesů jsou proximální elementy poblíž – pouze 50-200 párů od místa, kde transkripce začala. Obsahují označení vazby aktivátorových proteinů.
Speciální funkce
Ovlivňuje struktura podjednotek enzymů různého původu jejich funkční roli v transkripci? Na tuto otázku neexistuje přesná odpověď, ale má se za to, že je s největší pravděpodobností kladná. Jak na tom závisí RNA polymeráza? Funkcí enzymů jednoduché struktury je přepis omezeného okruhu genů (nebo i jejich malých částí). Příkladem je syntéza RNA primerů Okazakiho fragmentů. Specifita promotoru RNA polymerázy bakterií a fágů spočívá v tom, že enzymy mají jednoduchou strukturu a neliší se v diverzitě. To lze vidět v procesu replikace DNA v bakteriích. I když lze uvažovat i o tom: když byla studována komplexní struktura genomu sudého T-fága, při jehož vývoji bylo zaznamenáno mnohonásobné přepínání transkripce mezi různými skupinami genů, ukázalo se, že byla použita komplexní hostitelská RNA polymeráza pro tohle. To znamená, že v takových případech není indukován jednoduchý enzym. Z toho vyplývá řada důsledků:
- Eukaryotická a bakteriální RNA polymeráza by měla být schopna rozpoznat různé promotory.
- Je nutné, aby enzymy měly určitou odezvu na různé regulační proteiny.
- RNA polymeráza by také měla být schopna změnit specifičnost rozpoznávání nukleotidové sekvence templátové DNA. K tomu se používají různé proteinové efektory.
Odtud vyplývá, že tělo potřebuje další „stavební“prvky. Proteiny transkripčního komplexu pomáhají RNA polymeráze plně plnit její funkce. To se v největší míře týká enzymů složité struktury, v jejichž možnostech je implementace rozsáhlého programu pro realizaci genetické informace. Díky různým úlohám můžeme pozorovat jakousi hierarchii ve struktuře RNA polymeráz.
Jak funguje proces přepisu?
Existuje gen zodpovědný za komunikaci s?RNA polymeráza? Nejprve o transkripci: u eukaryot se proces vyskytuje v jádře. U prokaryot se odehrává uvnitř samotného mikroorganismu. Polymerázová interakce je založena na základním strukturním principu komplementárního párování jednotlivých molekul. Pokud jde o otázky interakcí, můžeme říci, že DNA funguje výhradně jako templát a během transkripce se nemění. Protože DNA je integrální enzym, lze s jistotou říci, že za tento polymer je zodpovědný konkrétní gen, ale bude to velmi dlouhé. Nemělo by se zapomínat, že DNA obsahuje 3,1 miliardy nukleotidových zbytků. Proto by bylo vhodnější říci, že každý typ RNA je zodpovědný za svou vlastní DNA. Aby polymerázová reakce mohla pokračovat, jsou zapotřebí zdroje energie a ribonukleosidtrifosfátové substráty. V jejich přítomnosti se mezi ribonukleosidmonofosfáty tvoří 3', 5'-fosfodiesterové vazby. Molekula RNA se začíná syntetizovat v určitých sekvencích DNA (promotory). Tento proces končí na koncových úsecích (ukončení). Místo, které je zde zahrnuto, se nazývá přepis. U eukaryot je zde zpravidla pouze jeden gen, zatímco prokaryota mohou mít několik částí kódu. Každý přepis má neinformativní zónu. Obsahují specifické nukleotidové sekvence, které interagují s regulačními transkripčními faktory zmíněnými dříve.
Bakteriální RNA polymerázy
Tytomikroorganismy jeden enzym je zodpovědný za syntézu mRNA, rRNA a tRNA. Průměrná molekula polymerázy má přibližně 5 podjednotek. Dva z nich působí jako vazebné prvky enzymu. Další podjednotka se podílí na zahájení syntézy. Existuje také enzymová složka pro nespecifickou vazbu na DNA. A poslední podjednotka se podílí na převedení RNA polymerázy do funkční formy. Je třeba poznamenat, že molekuly enzymu nejsou "volně" plovoucí v bakteriální cytoplazmě. Když se RNA polymerázy nepoužívají, vážou se na nespecifické oblasti DNA a čekají, až se otevře aktivní promotor. Lehce odbočíme od tématu a je třeba říci, že je velmi vhodné studovat proteiny a jejich vliv na polymerázy ribonukleové kyseliny na bakterie. Zvláště vhodné je na nich experimentovat, aby se stimulovaly nebo potlačovaly jednotlivé prvky. Díky jejich vysoké míře násobení lze dosáhnout požadovaného výsledku poměrně rychle. Bohužel, lidský výzkum nemůže pokračovat tak rychle kvůli naší strukturální rozmanitosti.
Jak se RNA polymeráza „zakořenila“v různých formách?
Tento článek se chýlí ke svému logickému závěru. Důraz byl kladen na eukaryota. Existují ale také archaea a viry. Proto bych se chtěl těmto formám života trochu věnovat. V životě archaea existuje pouze jedna skupina RNA polymeráz. Ale svými vlastnostmi je extrémně podobný třem asociacím eukaryot. Mnoho vědců navrhlo, že to, co můžeme pozorovat v archaea, je ve skutečnostievoluční předchůdce specializovaných polymeráz. Zajímavá je i struktura virů. Jak již bylo zmíněno, ne všechny takové mikroorganismy mají svou vlastní polymerázu. A kde je, je to jedna podjednotka. Předpokládá se, že virové enzymy pocházejí spíše z DNA polymeráz než z komplexních RNA konstruktů. Ačkoli kvůli rozmanitosti této skupiny mikroorganismů existují různé implementace uvažovaného biologického mechanismu.
Závěr
Bohužel, právě teď lidstvo ještě nemá všechny potřebné informace potřebné k pochopení genomu. A co se dalo dělat! Téměř všechny nemoci mají v zásadě genetický základ – to se týká především virů, které nám neustále způsobují problémy, infekcí a tak dále. Nejsložitější a nevyléčitelné nemoci jsou také ve skutečnosti přímo či nepřímo závislé na lidském genomu. Když se naučíme rozumět sami sobě a uplatňovat tyto znalosti ve svůj prospěch, velké množství problémů a nemocí prostě přestane existovat. Mnoho dříve hrozných nemocí, jako jsou neštovice a mor, se již stalo minulostí. Příprava na cestu tam příušnice, černý kašel. Ale neměli bychom polevit, protože stále čelíme velkému množství různých výzev, na které je potřeba odpovědět. A bude nalezen, protože vše směřuje k tomuto.
