RNA-POLYMERASE: STRUCTUUR, FUNCTIES, PROKARYOTEN, EUKARYOTEN - BIOLOGIE - 2026

Het RNA-polymerase is een enzymcomplex dat verantwoordelijk is voor het mediëren van de polymerisatie van een RNA-molecuul, van een DNA-sequentie die als sjabloon wordt gebruikt. Dit proces is de eerste stap in genexpressie en wordt transcriptie genoemd. RNA-polymerase bindt zich aan DNA in een heel bepaalde regio, bekend als de promotor.

Dit enzym - en het transcriptieproces in het algemeen - is bij eukaryoten complexer dan bij prokaryoten. Eukaryoten bezitten meerdere RNA-polymerasen die gespecialiseerd zijn in bepaalde typen genen, in tegenstelling tot prokaryoten waarbij alle genen worden getranscribeerd door een enkele klasse polymerase.

Structuur van RNA-polymerase in actie.
Bron: I, Splette

De toegenomen complexiteit binnen de eukaryotische afstamming in elementen die verband houden met transcriptie houdt vermoedelijk verband met een meer geavanceerd genregulatiesysteem, typisch voor meercellige organismen.

In archaea is transcriptie vergelijkbaar met het proces dat plaatsvindt in eukaryoten, ondanks het feit dat ze maar één polymerase hebben.

Polymerasen werken niet alleen. Om het transcriptieproces correct te laten beginnen, is de aanwezigheid van eiwitcomplexen, transcriptiefactoren genaamd, noodzakelijk.

Structuur

De best gekarakteriseerde RNA-polymerase zijn de polymerasen van bacteriën. Het bestaat uit meerdere polypeptideketens. Het enzym heeft verschillende subeenheden, gecatalogiseerd als α, β, β ′ en σ. Het is aangetoond dat deze laatste subeenheid niet direct deelneemt aan katalyse, maar betrokken is bij specifieke binding aan DNA.

In feite, als we de σ-subeenheid verwijderen, kan het polymerase nog steeds de bijbehorende reactie katalyseren, maar het doet dit in de verkeerde regio's.

De α-subeenheid heeft een massa van 40.000 dalton en er zijn er twee. Van de β- en β ′-subeenheden is er slechts 1, en ze hebben een massa van respectievelijk 155.000 en 160.000 dalton.

Deze drie structuren bevinden zich in de kern van het enzym, terwijl de σ-subeenheid verder weg is, en wordt de sigmafactor genoemd. Het complete enzym - of holoenzym - heeft een totaal gewicht van bijna 480.000 dalton.

De structuur van RNA-polymerase is sterk variabel en hangt af van de bestudeerde groep. In alle organische wezens is het echter een complex enzym dat uit verschillende eenheden bestaat.

Kenmerken

De functie van RNA-polymerase is de polymerisatie van nucleotiden in een RNA-keten, opgebouwd uit een DNA-sjabloon.

Alle informatie die nodig is voor de constructie en ontwikkeling van een organisme, staat in zijn DNA. De informatie wordt echter niet direct vertaald in eiwitten. De tussenstap naar een boodschapper-RNA-molecuul is noodzakelijk.

Deze transformatie van de taal van DNA naar RNA wordt gemedieerd door RNA-polymerase en het fenomeen wordt transcriptie genoemd. Dit proces is vergelijkbaar met DNA-replicatie.

In prokaryoten

Prokaryoten zijn eencellige organismen, zonder een gedefinieerde kern. Van alle prokaryoten was het meest bestudeerde organisme Escherichia coli. Deze bacterie is een normale inwoner van onze microbiota en is het ideale model geweest voor genetici.

RNA-polymerase werd voor het eerst geïsoleerd uit dit organisme en de meeste transcriptiestudies zijn uitgevoerd in E. coli. In een enkele cel van deze bacterie kunnen we tot 7000 polymerasemoleculen vinden.

In tegenstelling tot eukaryoten die drie soorten RNA-polymerasen hebben, worden in prokaryoten alle genen verwerkt door een enkel type polymerase.

In eukaryoten

Wat is een gen?

Eukaryoten zijn organismen met een kern die wordt begrensd door een membraan en die verschillende organellen hebben. Eukaryote cellen worden gekenmerkt door drie soorten nucleaire RNA-polymerasen, en elk type is verantwoordelijk voor de transcriptie van bepaalde genen.

Een "gen" is geen gemakkelijke term om te definiëren. Meestal zijn we gewend om elke DNA-sequentie die uiteindelijk in een eiwit wordt vertaald, 'gen' te noemen. Hoewel de vorige bewering waar is, zijn er ook genen waarvan het eindproduct een RNA is (en geen eiwit), of het zijn genen die betrokken zijn bij de regulatie van expressie.

Er zijn drie soorten polymerasen, aangeduid als I, II en III. We zullen de functies hieronder beschrijven:

RNA-polymerase II

De genen die coderen voor eiwitten - en waarbij een boodschapper-RNA betrokken is - worden getranscribeerd door RNA-polymerase II. Vanwege zijn relevantie bij de eiwitsynthese, is het het polymerase dat het meest door onderzoekers is bestudeerd.

Transcriptiefactoren

Deze enzymen kunnen het transcriptieproces zelf niet sturen, ze hebben de aanwezigheid nodig van eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd. Er kunnen twee soorten transcriptiefactoren worden onderscheiden: algemeen en aanvullend.

De eerste groep omvat eiwitten die betrokken zijn bij de transcriptie van alle promotors van polymerasen II. Deze vormen de basismachine van transcriptie.

In in vitro systemen zijn vijf algemene factoren gekarakteriseerd die onmisbaar zijn voor de initiatie van transcriptie door RNA-polymerase II. Deze promotors hebben een consensussequentie die de "TATA-box" wordt genoemd.

De eerste stap in transcriptie omvat de binding van een factor genaamd TFIID aan de TATA-box. Dit eiwit is een complex met meerdere subeenheden - inclusief een specifieke bindingsbox. Het bestaat ook uit een tiental peptiden die TAF's (TBP-geassocieerde factoren) worden genoemd.

Een derde betrokken factor is TFIIF. Nadat polymerase II is gerekruteerd, zijn de factoren TFIIE en TFIIH nodig voor het starten van transcriptie.

RNA-polymerase I en III

Ribosomale RNA's zijn structurele elementen van ribosomen. Naast ribosomaal RNA bestaan ​​ribosomen uit eiwitten en zijn ze verantwoordelijk voor het vertalen van een boodschapper-RNA-molecuul in eiwit.

Transfer-RNA's nemen ook deel aan dit translatieproces, wat leidt tot het aminozuur dat zal worden opgenomen in de vormende polypeptideketen.

Deze RNA's (ribosomaal en transfer) worden getranscribeerd door RNA-polymerasen I en III. RNA-polymerase I is specifiek voor de transcriptie van de grootste ribosomale RNA's, bekend als 28S, 28S en 5.8S. De S verwijst naar de sedimentatiecoëfficiënt, dat wil zeggen de sedimentatiesnelheden tijdens het centrifugatieproces.

RNA-polymerase III is verantwoordelijk voor de transcriptie van de genen die coderen voor de kleinste ribosomale RNA's (5S).

Bovendien wordt een reeks kleine RNA's (onthoud dat er meerdere soorten RNA zijn, niet alleen de bekendste boodschapper-, ribosomale en transfer-RNA's), zoals kleine nucleaire RNA's, getranscribeerd door RNA-polymerase III.

Transcriptiefactoren

RNA-polymerase I, exclusief gereserveerd voor de transcriptie van ribosomale genen, vereist verschillende transcriptiefactoren voor zijn activiteit. Genen die voor ribosomaal RNA coderen, hebben een promotor die ongeveer 150 basenparen "stroomopwaarts" van de transcriptiestartplaats is gelokaliseerd.

De promotor wordt herkend door twee transcriptiefactoren: UBF en SL1. Deze binden samen aan de promotor en rekruteren polymerase I, waardoor het initiatiecomplex wordt gevormd.

Deze factoren zijn opgebouwd uit meerdere eiwitsubeenheden. Evenzo lijkt TBP een gedeelde transcriptiefactor te zijn voor alle drie de polymerasen in eukaryoten.

Voor RNA-polymerase III is de transcriptiefactor TFIIIA, TFIIIB en TFIIIC geïdentificeerd. Deze binden opeenvolgend aan het transcriptiecomplex.

RNA-polymerase in organellen

Een van de onderscheidende kenmerken van eukaryoten zijn de subcellulaire compartimenten die organellen worden genoemd. Mitochondriën en chloroplasten hebben een aparte RNA-polymerase die doet denken aan dit enzym in bacteriën. Deze polymerasen zijn actief en transcriberen het DNA dat in deze organellen wordt aangetroffen.

Volgens de endosymbiotische theorie komen eukaryoten voort uit een symbiose, waarbij een bacterie een kleinere heeft overspoeld. Dit relevante evolutionaire feit verklaart de gelijkenis tussen de polymerasen van mitochondriën met de polymerase van bacteriën.

In archaea

Net als bij bacteriën is er bij archaea maar één type polymerase dat verantwoordelijk is voor de transcriptie van alle genen van het eencellige organisme.

Het RNA-polymerase van archaea lijkt echter sterk op de structuur van polymerase in eukaryoten. Ze presenteren een TATA-box en transcriptiefactoren, TBP en TFIIB, specifiek.

Over het algemeen is het transcriptieproces in eukaryoten vrij gelijkaardig aan dat in archaea.

Verschillen met DNA-polymerase

DNA-replicatie wordt georkestreerd door een enzymcomplex genaamd DNA-polymerase. Hoewel dit enzym vaak wordt vergeleken met RNA-polymerase - beide katalyseren de polymerisatie van een nucleotideketen in de 5 ′ tot 3 ′ -richting - verschillen ze in verschillende opzichten.

DNA-polymerase heeft een kort nucleotidefragment nodig om de replicatie van het molecuul te starten, een zogenaamde primer of primer. RNA-polymerase kan de novo synthese starten en heeft de primer niet nodig voor zijn activiteit.

DNA-polymerase kan binden aan verschillende plaatsen langs een chromosoom, terwijl polymerase alleen bindt aan genpromotors.

Wat betreft de proefleesmechanismen van enzymen, die van DNA-polymerase zijn veel beter bekend, omdat ze in staat zijn om de verkeerde nucleotiden te corrigeren die per ongeluk zijn gepolymeriseerd.

Referenties

1. Cooper, GM, Hausman, RE en Hausman, RE (2000). De cel: een moleculaire benadering (Deel 2). Washington, DC: ASM-pers.
2. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
3. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science
4. Pierce, BA (2009). Genetica: een conceptuele benadering. Panamerican Medical Ed.
5. Lewin, B. (1975). Genexpressie. UMI Books on Demand.