РНК-полимераза

РНК-полимераза — это фермент, катализирующий синтез молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) на матрице дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в процессе транскрипции. РНК-полимеразы являются ключевыми компонентами экспрессии генов, обеспечивая перенос генетической информации от ДНК к РНК, которая затем может быть использована для синтеза белка или выполнять регуляторные функции. Ферменты этого класса присутствуют во всех живых организмах и многих вирусах, однако их структура и механизмы работы различаются у прокариот, эукариот и архей.

История открытия

Первые экспериментальные данные о существовании фермента, синтезирующего РНК, были получены в конце 1950-х годов. В 1959 году американские биохимики Самуэль Вайс и Леон Гладстон впервые продемонстрировали активность РНК-полимеразы в экстрактах клеток печени крыс. Независимо от них, в 1960 году Джером Харви и его коллеги выделили РНК-полимеразу из бактерии Escherichia coli. За открытие механизма синтеза РНК на матрице ДНК в 1969 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена американским учёным Артуру Корнбергу (за открытие ДНК-полимеразы) и Северо Очоа (за открытие РНК-полимеразы). Однако ключевые работы по изучению структуры и функции бактериальной РНК-полимеразы были выполнены в 1960–1970-х годах Роджером Д. Корнбергом (сыном Артура Корнберга), который в 2006 году получил Нобелевскую премию по химии за расшифровку молекулярных механизмов транскрипции у эукариот.

Классификация

РНК-полимеразы классифицируются по типу организма и их функциональному назначению.

По типу организма

• Прокариотические РНК-полимеразы. У бактерий и архей существует один основной тип РНК-полимеразы, который синтезирует все виды РНК: матричную (мРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную (тРНК). У бактерий, например у E. coli, фермент состоит из пяти субъединиц (α₂ββ′ω) и дополнительного σ-фактора, который отвечает за узнавание промотора.
• Эукариотические РНК-полимеразы. У эукариот (растений, грибов, животных) существует три основных типа ядерных РНК-полимераз, а также митохондриальные и хлоропластные формы. Каждый тип специализируется на синтезе определённых классов РНК:
• РНК-полимераза I — синтезирует рибосомальную РНК (18S, 5.8S, 28S) в ядрышке.
• РНК-полимераза II — синтезирует матричную РНК (мРНК) и большинство малых ядерных РНК (мяРНК). Это наиболее изученный тип, играющий центральную роль в экспрессии генов.
• РНК-полимераза III — синтезирует транспортную РНК (тРНК), малую ядерную РНК (мяРНК) и 5S рибосомальную РНК.
• Вирусные РНК-полимеразы. Многие вирусы (например, вирус гриппа, вирус бешенства) кодируют собственные РНК-полимеразы, которые могут быть РНК-зависимыми (используют РНК-матрицу) или ДНК-зависимыми. Некоторые вирусы, такие как ретровирусы (ВИЧ — признан социально значимым заболеванием, не является запрещённой организацией), используют обратную транскриптазу, которая также относится к классу РНК-зависимых ДНК-полимераз, но не является РНК-полимеразой в строгом смысле.

По типу матрицы

• ДНК-зависимые РНК-полимеразы — используют ДНК в качестве матрицы. Это основной тип, характерный для всех клеточных организмов.
• РНК-зависимые РНК-полимеразы — используют РНК в качестве матрицы. Встречаются у РНК-содержащих вирусов, а также у некоторых эукариот (например, в процессе РНК-интерференции у растений и нематод).

Структура и механизм действия

Общая структура

РНК-полимеразы являются крупными белковыми комплексами. Бактериальная РНК-полимераза E. coli имеет молекулярную массу около 400 кДа и состоит из пяти субъединиц: две α-субъединицы (формируют каркас), β- и β′-субъединицы (образуют активный центр), и ω-субъединица (стабилизирует комплекс). Эукариотические РНК-полимеразы значительно сложнее: например, РНК-полимераза II состоит из 12 субъединиц (Rpb1–Rpb12) общей массой около 500 кДа. Активный центр фермента содержит консервативные аминокислотные мотивы, в том числе два иона магния (Mg²⁺), необходимые для катализа.

Механизм транскрипции

Процесс транскрипции, катализируемый РНК-полимеразой, включает три основных этапа:

1. Инициация. РНК-полимераза связывается с промотором — специфической последовательностью ДНК перед геном. У бактерий для этого необходим σ-фактор, который распознаёт консенсусные последовательности (боксы Прибнова и -35). У эукариот для инициации транскрипции РНК-полимеразой II необходимы дополнительные факторы транскрипции (TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH), которые собираются в преинициаторный комплекс. После связывания фермент локально расплетает двойную спираль ДНК, образуя транскрипционный пузырёк из 12–14 нуклеотидов.
2. Элонгация. РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи ДНК в направлении 3'→5', последовательно добавляя рибонуклеотиды к 3'-концу растущей цепи РНК. Нуклеотиды подбираются по принципу комплементарности (аденин — урацил, тимин — аденин, гуанин — цитозин). Скорость элонгации у бактерий составляет около 40–60 нуклеотидов в секунду, у эукариот — 20–30 нуклеотидов в секунду. Фермент обладает также активностью коррекции ошибок: при неправильном включении нуклеотида он может отщеплять его с помощью нуклеазной активности.
3. Терминация. Синтез РНК прекращается, когда РНК-полимераза достигает терминаторной последовательности. У бактерий терминация может быть Rho-зависимой (требуется белок Rho) или Rho-независимой (за счёт образования шпильки в РНК). У эукариот терминация РНК-полимеразы II связана с полиаденилированием и расщеплением РНК.

Ингибиторы РНК-полимеразы

РНК-полимеразы являются мишенью для ряда природных и синтетических ингибиторов, используемых в качестве антибиотиков и противоопухолевых препаратов.

• Рифампицин — антибиотик, ингибирующий бактериальную РНК-полимеразу. Связывается с β-субъединицей, блокируя инициацию транскрипции. Применяется для лечения туберкулёза.
• α-Аманитин — токсин, содержащийся в бледной поганке (Amanita phalloides). Является мощным ингибитором эукариотической РНК-полимеразы II и, в меньшей степени, РНК-полимеразы III. Вызывает гепатотоксичность и нефротоксичность.
• Актиномицин D — антибиотик, интеркалирующий в ДНК и блокирующий движение РНК-полимеразы. Используется в химиотерапии некоторых видов рака.
• Тиострептон — ингибитор бактериальной РНК-полимеразы, действующий на α-субъединицу.

Роль в биологии и медицине

РНК-полимеразы являются центральными ферментами экспрессии генов. Нарушение их работы приводит к серьёзным патологиям. Мутации в генах, кодирующих субъединицы РНК-полимеразы II, могут вызывать наследственные заболевания, такие как синдром Тричера-Коллинза (связан с мутациями в гене POLR1C). Ингибиторы РНК-полимеразы используются в терапии бактериальных инфекций (рифампицин) и рака (актиномицин D). В последние годы разрабатываются ингибиторы РНК-полимеразы вируса SARS-CoV-2 (например, ремдесивир) для лечения COVID-19.

Интересные факты

• РНК-полимераза II эукариот имеет уникальную структуру — C-концевой домен (CTD) её большой субъединицы Rpb1 содержит многократные повторы аминокислотной последовательности YSPTSPS. Фосфорилирование этих повторов регулирует переход от инициации к элонгации и связывание факторов процессинга РНК.
• У бактерий РНК-полимераза может быть «приостановлена» на ДНК в ответ на повреждения или недостаток нуклеотидов — это явление называется транскрипционным арестом.
• Некоторые вирусы, например, бактериофаг Т7, кодируют собственную односубъединичную РНК-полимеразу, которая работает значительно быстрее клеточных ферментов и не требует дополнительных факторов.

Источники

• Alberts B., Johnson A., Lewis J. et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. — Garland Science, 2014.
• Lodish H., Berk A., Kaiser C.A. et al. Molecular Cell Biology. 8th ed. — W.H. Freeman, 2016.
• Kornberg R.D. The molecular basis of eukaryotic transcription // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2007. — Vol. 104, No. 32. — P. 12955–12961.
• Cramer P. Organization and regulation of gene transcription // Nature. — 2019. — Vol. 573, No. 7772. — P. 45–54.
• Darst S.A. Bacterial RNA polymerase // Current Opinion in Structural Biology. — 2001. — Vol. 11, No. 2. — P. 155–162.