כל מי שלומד ביולוגיה מולקולרית, ביוכימיה, הנדסה גנטית ועוד מספר מדעים קשורים אחרים שואל במוקדם או במאוחר את השאלה: מה תפקידו של RNA פולימראז? זהו נושא מורכב למדי, שעדיין לא נחקר במלואו, אך עם זאת, מה שידוע יטופל במסגרת המאמר.
מידע כללי
יש צורך לזכור שקיים RNA פולימראז של איקריוטים ופרוקריוטים. הראשון מתחלק עוד יותר לשלושה סוגים, שכל אחד מהם אחראי לשעתוק של קבוצת גנים נפרדת. אנזימים אלו ממוספרים לשם הפשטות כפולימראזות ה-RNA הראשון, השני והשלישי. הפרוקריוטה, שהמבנה שלו נטול גרעיניים, במהלך התמלול פועל על פי תכנית פשוטה. לכן, לשם הבהירות, על מנת לכסות מידע רב ככל האפשר, ייחשבו איקריוטים. פולימראזות RNA דומות מבחינה מבנית זה לזה. מאמינים שהם מכילים לפחות 10 שרשראות פוליפפטידים. במקביל, RNA פולימראז 1 מסנתז (מתמלל) גנים שיתורגמו לאחר מכן לחלבונים שונים. השני הוא שעתוק גנים, שמתורגמים לאחר מכן לחלבונים. RNA פולימראז 3 מיוצג על ידי מגוון של אנזימים יציבים במשקל מולקולרי נמוך המתוןרגיש לאלפא אמטין. אבל לא החלטנו מה זה RNA פולימראז! זהו שמם של האנזימים המעורבים בסינתזה של מולקולות חומצה ריבונוקלאית. במובן הצר, הכוונה היא לפולימראזות RNA תלויות DNA הפועלות על בסיס תבנית חומצה דאוקסיריבונוקלאית. לאנזימים יש חשיבות רבה לתפקוד ארוך טווח ומוצלח של אורגניזמים חיים. פולימראזות RNA נמצאים בכל התאים וברוב הנגיפים.
חלוקה לפי מאפיינים
בהתאם להרכב יחידת המשנה, פולימראזות RNA מחולקות לשתי קבוצות:
- הראשון עוסק בתעתיק של מספר קטן של גנים בגנומים פשוטים. לתפקוד במקרה זה, אין צורך בפעולות רגולטוריות מורכבות. לכן, זה כולל את כל האנזימים המורכבים מתת-יחידה אחת בלבד. דוגמה לכך היא ה-RNA פולימראז של בקטריופאג'ים ומיטוכונדריה.
- קבוצה זו כוללת את כל פולימראזות ה-RNA של איקריוטים וחיידקים, שהם מורכבים. הם קומפלקסים מורכבים של חלבון מרובי תת-יחידות שיכולים לתמלל אלפי גנים שונים. במהלך תפקודם, גנים אלה מגיבים למספר רב של אותות רגולטוריים המגיעים מגורמי חלבון ונוקלאוטידים.
חלוקה מבנית-פונקציונלית כזו היא פישוט מותנה וחזק מאוד של מצב העניינים האמיתי.
מה עושה RNA פולימראז אני עושה?
מוקצית להם הפונקציה של יצירת ראשיתעתיקי גן rRNA, כלומר, הם החשובים ביותר. האחרונים מוכרים יותר תחת הכינוי 45S-RNA. אורכם הוא כ-13 אלף נוקלאוטידים. נוצרים ממנו 28S-RNA, 18S-RNA ו-5,8S-RNA. בשל העובדה שרק מתעתיק אחד משמש ליצירתם, הגוף מקבל "ערבות" שהמולקולות ייווצרו בכמויות שוות. במקביל, רק 7,000 נוקלאוטידים משמשים ליצירת RNA ישירות. שאר התמליל מושפל בגרעין. לגבי שארית כה גדולה, ישנה דעה שהיא נחוצה בשלבים המוקדמים של היווצרות הריבוזומים. מספר הפולימראזות הללו בתאים של יצורים גבוהים יותר נע סביב הסימן של 40 אלף יחידות.
איך זה מאורגן?
אז, כבר שקלנו היטב את ה-RNA פולימראז הראשון (מבנה פרוקריוטי של המולקולה). יחד עם זאת, ליחידות משנה גדולות, כמו גם למספר רב של פוליפפטידים בעלי משקל מולקולרי גבוה, יש תחומים פונקציונליים ומבניים מוגדרים היטב. במהלך שיבוט הגנים וקביעת המבנה העיקרי שלהם, מדענים זיהו חלקים שמרניים מבחינה אבולוציונית של השרשראות. תוך שימוש בביטוי טוב, החוקרים ביצעו גם ניתוח מוטציוני, המאפשר לנו לדבר על המשמעות התפקודית של תחומים בודדים. לשם כך, באמצעות מוטגנזה מכוונת-אתר, חומצות אמינו בודדות שונו בשרשראות הפוליפפטידיות, ויחידות משנה מסוג זה שימשו בהרכבת אנזימים עם ניתוח לאחר מכן של התכונות שהתקבלו במבנים אלו. צוין כי בשל ארגונו, ה-RNA פולימראז הראשון עלהנוכחות של אלפא-אמאטין (חומר רעיל מאוד שמקורו בציפורן חיוור) אינה מגיבה כלל.
מבצע
הן הפולימראז הראשון והשני של RNA יכולים להתקיים בשתי צורות. אחד מהם יכול לפעול כדי ליזום תמלול ספציפי. השני הוא RNA פולימראז תלוי DNA. קשר זה בא לידי ביטוי בגודל פעילות התפקוד. הנושא עדיין בבדיקה, אך כבר ידוע שהוא תלוי בשני גורמי שעתוק, אשר מוגדרים כ-SL1 ו-UBF. המוזרות של האחרון היא שהוא יכול להיקשר ישירות למקדם, בעוד ש-SL1 דורש נוכחות של UBF. למרות שבניסוי נמצא כי RNA פולימראז תלוי DNA יכול לקחת חלק בתעתוק ברמה מינימלית וללא נוכחות של האחרון. אבל לתפקוד תקין של מנגנון זה, עדיין יש צורך ב-UBF. למה בדיוק? עד כה לא ניתן היה לקבוע את הסיבה להתנהגות זו. אחד ההסברים הפופולריים ביותר מצביע על כך ש-UBF פועל כמעין ממריץ שעתוק rDNA בזמן שהוא גדל ומתפתח. כאשר מתרחש שלב המנוחה, נשמרת רמת התפקוד המינימלית הנדרשת. ומבחינתו, השתתפותם של גורמי תמלול אינה קריטית. כך פועל RNA פולימראז. תפקידיו של אנזים זה מאפשרים לנו לתמוך בתהליך של רביית "אבני הבניין" הקטנות של הגוף שלנו, שבזכותם הוא מתעדכן כל הזמן במשך עשרות שנים.
קבוצה שנייה של אנזימים
תפקודם מוסדר על ידי הרכבה של קומפלקס טרום-ייזום רב-חלבונים של מקדמים מהמחלקה השנייה. לרוב זה מתבטא בעבודה עם חלבונים מיוחדים - מפעילים. דוגמה לכך היא TVR. אלו הם הגורמים הקשורים שהם חלק מ-TFIID. הם מטרות עבור p53, NF kappa B וכן הלאה. חלבונים, הנקראים coactivators, מפעילים גם הם את השפעתם בתהליך הוויסות. דוגמה היא GCN5. מדוע יש צורך בחלבונים אלו? הם פועלים כמתאמים המתאימים את האינטראקציה של מפעילים וגורמים הכלולים במתחם הטרום-ייזום. על מנת שתעתוק יתרחש בצורה נכונה, יש צורך בנוכחות הגורמים היזומים הדרושים. למרות העובדה שיש שישה מהם, רק אחד יכול ליצור אינטראקציה ישירה עם המקדם. במקרים אחרים, יש צורך בקומפלקס שני של RNA פולימראז שנוצר מראש. יתרה מכך, במהלך תהליכים אלה, האלמנטים הפרוקסימליים נמצאים בקרבת מקום - רק 50-200 זוגות מהאתר שבו החל התמלול. הם מכילים אינדיקציה לקשירה של חלבוני מפעיל.
תכונות מיוחדות
האם מבנה התת-יחידות של אנזימים ממוצא שונה משפיע על תפקידם התפקודי בתעתיק? אין תשובה מדויקת לשאלה זו, אך מאמינים כי היא ככל הנראה חיובית. איך RNA פולימראז תלוי בזה? התפקידים של אנזימים בעלי מבנה פשוט הם שעתוק של מגוון מוגבל של גנים (או אפילו חלקים קטנים שלהם). דוגמה לכך היא סינתזה של פריימרים של RNA של שברי Okazaki.הספציפיות המקדמת של ה-RNA פולימראז של חיידקים ופאג'ים היא שלאנזימים מבנה פשוט ואינם שונים בגיוון. ניתן לראות זאת בתהליך שכפול ה-DNA בחיידקים. אם כי ניתן גם לשקול זאת: כאשר נחקר המבנה המורכב של הגנום של פאג T זוגי, שבמהלכו צוין מעבר שעתוק מרובה בין קבוצות שונות של גנים, התגלה כי נעשה שימוש בפולימראז מארח מורכב RNA. לזה. כלומר, אנזים פשוט לא מושרה במקרים כאלה. מספר השלכות נובעות מכך:
- פולימראז RNA איקריוטי וחיידקי אמור להיות מסוגל לזהות מקדמים שונים.
- יש צורך שלאנזימים תהיה תגובה מסוימת לחלבונים מווסתים שונים.
- RNA פולימראז אמור להיות מסוגל גם לשנות את הספציפיות של זיהוי רצף הנוקלאוטידים של תבנית ה-DNA. לשם כך נעשה שימוש באפקטורי חלבון שונים.
מכאן מגיע הצורך של הגוף באלמנטים "בניינים" נוספים. החלבונים של קומפלקס השעתוק עוזרים לפולימראז ה-RNA לבצע את תפקידיו במלואם. זה חל, במידה רבה, על אנזימים בעלי מבנה מורכב, שבאפשרויותיהם יישום תוכנית נרחבת ליישום מידע גנטי. הודות למשימות שונות, אנו יכולים לצפות בסוג של היררכיה במבנה של RNA פולימראזות.
איך עובד תהליך התמלול?
האם יש גן שאחראי לתקשורת איתוRNA פולימראז? ראשית, לגבי שעתוק: באאוקריוטים התהליך מתרחש בגרעין. בפרוקריוטים זה מתרחש בתוך המיקרואורגניזם עצמו. האינטראקציה של פולימראז מבוססת על העיקרון המבני הבסיסי של זיווג משלים של מולקולות בודדות. לגבי בעיות אינטראקציה, אנו יכולים לומר ש-DNA פועל באופן בלעדי כתבנית ואינו משתנה במהלך התעתיק. מכיוון שה-DNA הוא אנזים אינטגרלי, אפשר לומר בוודאות שגן מסוים אחראי לפולימר הזה, אבל הוא יהיה ארוך מאוד. אסור לשכוח ש-DNA מכיל 3.1 מיליארד שאריות נוקלאוטידים. לכן, יהיה נכון יותר לומר שכל סוג של RNA אחראי על ה-DNA שלו. כדי שתגובת הפולימראז תתקדם, יש צורך במקורות אנרגיה ומצעי ריבונוקלאוזיד טריפוספט. בנוכחותם נוצרים קשרי 3', 5'-פוספודיסטר בין מונופוספטים ריבונוקליאוזידים. מולקולת ה-RNA מתחילה להיות מסונתזת ברצפי DNA מסוימים (פרוטורים). תהליך זה מסתיים בסעיפים המסיימים (סיום). האתר שמעורב כאן נקרא התעתיק. באאוקריוטים, ככלל, יש כאן רק גן אחד, בעוד לפרוקריוטים יכולים להיות כמה חלקים של הקוד. לכל תמלול יש אזור לא אינפורמטיבי. הם מכילים רצפי נוקלאוטידים ספציפיים המקיימים אינטראקציה עם גורמי התעתוק הרגולטוריים שהוזכרו קודם לכן.
פולימראזות RNA חיידקיות
אלהמיקרואורגניזמים אנזים אחד אחראי לסינתזה של mRNA, rRNA ו-tRNA. למולקולת הפולימראז הממוצעת יש כ-5 יחידות משנה. שניים מהם פועלים כאלמנטים מחייבים של האנזים. תת-יחידה נוספת מעורבת בהתחלת הסינתזה. קיים גם רכיב אנזים לקשירה לא ספציפית ל-DNA. ויחידת המשנה האחרונה מעורבת בהבאת ה-RNA פולימראז לצורת עבודה. יש לציין שמולקולות האנזים אינן "חופשיות" צפות בציטופלזמה החיידקית. כאשר אינם בשימוש, פולימראזות RNA נקשרות לאזורים לא ספציפיים של ה-DNA ומחכים לפתיחת מקדם פעיל. בסטייה קלה מהנושא, יש לומר שמאוד נוח לחקור חלבונים והשפעתם על פולימראזות חומצה ריבונוקלאית על חיידקים. זה נוח במיוחד להתנסות בהם כדי לעורר או לדכא אלמנטים בודדים. בשל קצב הכפל הגבוה שלהם, ניתן להגיע לתוצאה הרצויה במהירות יחסית. למרבה הצער, מחקר אנושי לא יכול להתקדם בקצב כה מהיר בגלל המגוון המבני שלנו.
איך RNA פולימראז "השתרש" בצורות שונות?
מאמר זה מגיע למסקנה ההגיונית שלו. ההתמקדות הייתה באיקריוטים. אבל יש גם ארכאים ווירוסים. לכן, ברצוני להקדיש מעט תשומת לב לצורות חיים אלו. בחיי הארכאה, יש רק קבוצה אחת של פולימראזות RNA. אבל הוא דומה מאוד בתכונותיו לשלושת האסוציאציות של אוקריוטים. מדענים רבים הציעו שמה שאנו יכולים לראות בארכאה הוא למעשהאב קדמון אבולוציוני של פולימראזות מיוחדות. גם המבנה של וירוסים מעניין. כאמור, לא לכל מיקרואורגניזמים כאלה יש פולימראז משלהם. והיכן שהיא נמצאת, זו תת-יחידה אחת. מאמינים כי אנזימים ויראליים נגזרים מפולימראזות DNA ולא מבני RNA מורכבים. אמנם, בשל המגוון של קבוצת מיקרואורגניזמים זו, ישנם יישומים שונים של המנגנון הביולוגי הנחשב.
מסקנה
אבוי, כרגע לאנושות עדיין אין את כל המידע הדרוש כדי להבין את הגנום. ומה אפשר לעשות! כמעט לכל המחלות בעצם יש בסיס גנטי - זה תקף בעיקר על וירוסים שכל הזמן גורמים לנו לבעיות, לזיהומים וכו'. המחלות המורכבות וחשוכות מרפא גם הן, למעשה, תלויות ישירות או בעקיפין בגנום האנושי. כאשר נלמד להבין את עצמנו וליישם את הידע הזה לטובתנו, מספר רב של בעיות ומחלות פשוט יפסיקו להתקיים. הרבה מחלות איומות בעבר, כמו אבעבועות שחורות ומגפה, כבר הפכו לשם דבר. מתכוננים ללכת לשם חזרת, שעלת. אבל אל לנו להירגע, כי אנחנו עדיין מתמודדים עם מספר רב של אתגרים שונים שצריך לענות עליהם. והוא יימצא, כי הכל הולך לקראת זה.
