РНК-полимераза и инициация транскрипции

РНК-полимеразы — это ДНК-зависимые ферменты, которые синтезируют РНК с матрицы ДНК, а инициация транскрипции является лимитирующей скорость первой фазой, в которой фермент находит промотор, раскручивает ДНК и начинает синтез РНК. Поскольку инициация является точкой схождения большинства регуляторных механизмов, структура полимеразы и этапы, которые определяют ее приверженность гену, имеют центральное значение для понимания экспрессии генов.

Definition

ДНК-зависимые РНК-полимеразы — это ферменты, которые катализируют матрично-направленный синтез РНК из рибонуклеозидтрифосфатов; инициация транскрипции — это совокупность этапов от связывания с промотором через формирование открытого комплекса до синтеза первых фосфодиэфирных связей и перехода в элонгацию.

Scope

Тема охватывает каталитический фермент РНК-полимеразу и события инициации: распознавание промотора (у бактерий через сигма-факторы, у эукариот через общие факторы транскрипции), формирование открытого комплекса, абортивную инициацию и выход из промотора в продуктивную элонгацию. Она рассматривает фермент и его первый этап приверженности механистически и носит справочно-образовательный, а не клинический характер.

Core questions

• Как РНК-полимераза распознает промотор и позиционирует свой активный центр в стартовой точке?
• Что превращает закрытый промоторный комплекс в транскрипционно-компетентный открытый комплекс?
• Почему выход из промотора является отдельным, часто лимитирующим скорость этапом?

Key concepts

• Каталитический фермент и холофермент
• Сигма-фактор (бактериальный) и общие факторы транскрипции (эукариотический)
• Закрытые и открытые промоторные комплексы
• Абортивная инициация
• Выход из промотора
• Двухметаллический катализ в активном центре

Mechanisms

Инициация начинается, когда РНК-полимераза, направляемая фактором специфичности, связывается с ДНК промотора, образуя закрытый комплекс; затем локальное раскручивание приводит к образованию открытого комплекса, который обнажает матричную цепь в активном центре. Фермент синтезирует короткие РНК в повторяющихся абортивных циклах, прежде чем покинуть промотор и высвободить свой фактор инициации для перехода в процессивную элонгацию. Структуры РНК-полимеразы II высокого разрешения показали консервативную архитектуру активного центра и зажима, которые лежат в основе этих переходов, а исследования отдельных молекул и нативной РНК выявили, что удержание фактора инициации и паузы после инициации являются широко распространенными особенностями перехода от инициации к элонгации.

Clinical relevance

РНК-полимеразы являются мишенями клинически важных антибиотиков и токсинов (например, агентов, действующих на бактериальную полимеразу, и аматоксинов, действующих на эукариотическую Pol II), а измененная инициация способствует программам болезнетворных генов. Эта статья описывает энзимологию на справочном уровне и не содержит рекомендаций по лечению.

History

Открытие того, что эукариоты содержат несколько ДНК-зависимых РНК-полимераз (Roeder and Rutter, 1969), позволило различить ферменты, которые инициируют транскрипцию различных классов генов. Атомная структура РНК-полимеразы II, полученная Крамером, Бушнеллом и Корнбергом в 2001 году, дала механистическое представление о каталитической машине, а геномные методы изучения нативной РНК позднее вновь показали инициацию как динамический, часто прерываемый этап.

Key figures

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

Seminal works

• roeder-rutter-1969
• cramer-2001

Frequently asked questions

В чем разница между каталитическим ферментом и холоферментом?

Каталитический фермент обладает каталитической активностью для синтеза РНК, в то время как холофермент добавляет фактор специфичности инициации (например, бактериальный сигма-фактор), который позволяет ему распознавать промоторы и начинать транскрипцию в правильном месте.

Почему выход из промотора считается отдельным этапом?

После синтеза первой короткой РНК полимераза часто высвобождает и повторно синтезирует абортивные продукты, прежде чем разорвать контакты с промотором и перейти к процессивной элонгации, поэтому выход является отдельным, регулируемым переходом.