إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA Polymerase) وبدء النسخ

إن إنزيمات بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA) هي إنزيمات تعتمد على الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) لتخليق الحمض النووي الريبوزي (RNA) من قالب الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، ويُعد بدء النسخ المرحلة الأولى المحددة للسرعة، حيث يحدد الإنزيم المحفز (promoter)، ويفك التفاف الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، ويبدأ في تصنيع الحمض النووي الريبوزي (RNA). ولأن معظم التنظيم يتركز في مرحلة البدء، فإن بنية البوليميراز والخطوات التي تلتزم بها بالجين تعد محورية لفهم التعبير الجيني.

Definition

إن إنزيمات بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA) الموجهة بالحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) هي إنزيمات تحفز التخليق الموجه بالقالب للحمض النووي الريبوزي (RNA) من ثلاثي فوسفات الريبونوكليوزيد؛ ويُعد بدء النسخ مجموعة الخطوات من الارتباط بالمحفز (promoter) مرورًا بتكوين المعقد المفتوح وصولًا إلى تخليق أول روابط فوسفوديستر والهروب إلى الاستطالة.

Scope

يغطي هذا الموضوع إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA) التحفيزي وأحداث البدء: التعرف على المحفز (promoter) (في البكتيريا عبر عوامل سيجما، وفي حقيقيات النوى عبر عوامل النسخ العامة)، وتكوين المعقد المفتوح، والبدء الفاشل، والهروب من المحفز إلى الاستطالة الفعالة. ويتناول الموضوع الإنزيم وخطوته الأولى الملتزمة ميكانيكيًا، وهو مرجع تعليمي وليس إرشاديًا سريريًا.

Core questions

• كيف يتعرف إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA) على المحفز ويضع موقعه النشط عند موقع البدء؟
• ما الذي يحول المعقد المحفز المغلق إلى معقد مفتوح قادر على النسخ؟
• لماذا يُعد الهروب من المحفز خطوة مميزة، وغالبًا ما تكون محددة للسرعة؟

Key concepts

• الإنزيم الأساسي والإنزيم الكامل
• عامل سيجما (بكتيري) وعوامل النسخ العامة (حقيقية النواة)
• المعقدات المحفزة المغلقة والمفتوحة
• البدء الفاشل
• الهروب من المحفز
• التحفيز بأيوني معدن في الموقع النشط

Mechanisms

يبدأ البدء عندما يرتبط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA)، بتوجيه من عامل التخصص، بالحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) المحفز لتكوين معقد مغلق؛ ثم ينتج عن فك الالتفاف الموضعي معقد مفتوح يكشف عن الشريط القالب في الشق النشط للموقع. يقوم الإنزيم بتخليق جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) قصيرة في دورات فاشلة متكررة قبل الهروب من المحفز وإطلاق عامل البدء الخاص به للدخول في استطالة متواصلة. وقد أظهرت الهياكل عالية الدقة لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي II (RNA polymerase II) البنية المحفوظة للموقع النشط والمشبك التي تكمن وراء هذه التحولات، وكشفت دراسات الجزيء الواحد والحمض النووي الريبوزي (RNA) الوليد أن الاحتفاظ بعامل البدء والتوقف بعد البدء هما سمتان واسعتا الانتشار للانتقال من البدء إلى الاستطالة.

Clinical relevance

تُعد إنزيمات بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA) أهدافًا للمضادات الحيوية والسموم ذات الأهمية السريرية (على سبيل المثال، العوامل التي تؤثر على بوليميراز البكتيريا، والسموم الفطرية التي تؤثر على بوليميراز الحمض النووي الريبوزي II (Pol II) حقيقي النواة)، وتساهم التغيرات في البدء في برامج جينات الأمراض. يصف هذا المدخل علم الإنزيمات على مستوى مرجعي ولا يقدم إرشادات علاجية.

History

ميّز اكتشاف أن حقيقيات النوى تحتوي على بوليميرازات الحمض النووي الريبوزي (RNA) متعددة تعتمد على الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) (Roeder و Rutter، 1969) الإنزيمات التي تبدأ نسخ فئات الجينات المختلفة. وقد قدم الهيكل الذري لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي II (RNA polymerase II) في عام 2001 بواسطة Cramer و Bushnell و Kornberg صورة ميكانيكية للآلة التحفيزية، وأعادت طرق الحمض النووي الريبوزي (RNA) الوليد على نطاق الجينوم لاحقًا إظهار البدء كخطوة ديناميكية ومتوقفة بشكل متكرر.

Key figures

• Robert G. Roeder
• Roger Kornberg
• Patrick Cramer
• Richard H. Ebright

Seminal works

• roeder-rutter-1969
• cramer-2001

Frequently asked questions

ما الفرق بين الإنزيم الأساسي والإنزيم الكامل؟

يمتلك الإنزيم الأساسي النشاط التحفيزي لتصنيع الحمض النووي الريبوزي (RNA)، بينما يضيف الإنزيم الكامل عامل تخصص للبدء (مثل عامل سيجما البكتيري) الذي يسمح له بالتعرف على المحفزات وبدء النسخ في الموقع الصحيح.

لماذا يعتبر الهروب من المحفز خطوة منفصلة؟

بعد تصنيع الحمض النووي الريبوزي (RNA) القصير الأول، غالبًا ما يطلق البوليميراز المنتجات الفاشلة ويعيد تصنيعها قبل أن يقطع الاتصالات مع المحفز ويلتزم بالاستطالة المتواصلة، لذا فإن الهروب هو انتقال مميز ومنظم.