อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรส และการเริ่มต้นการถอดรหัส

อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรส (RNA polymerases) เป็นเอนไซม์ที่ขึ้นกับดีเอ็นเอ (DNA-dependent enzymes) ซึ่งสังเคราะห์อาร์เอ็นเอจากแม่แบบดีเอ็นเอ และการเริ่มต้นการถอดรหัส (transcription initiation) เป็นระยะแรกที่จำกัดอัตราซึ่งเอนไซม์จะค้นหาโปรโมเตอร์ (promoter) คลายเกลียวดีเอ็นเอ และเริ่มสร้างอาร์เอ็นเอ เนื่องจากการเริ่มต้นเป็นจุดที่การควบคุมส่วนใหญ่มาบรรจบกัน โครงสร้างของโพลีเมอเรสและขั้นตอนที่ทำให้มันผูกมัดกับยีนจึงเป็นหัวใจสำคัญในการทำความเข้าใจการแสดงออกของยีน

Definition

อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรสที่ขึ้นกับดีเอ็นเอ (DNA-directed RNA polymerases) เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอจากไรโบนิวคลีโอไซด์ ไตรฟอสเฟต (ribonucleoside triphosphates) โดยใช้แม่แบบ; การเริ่มต้นการถอดรหัสคือชุดของขั้นตอนตั้งแต่การจับกับโปรโมเตอร์ผ่านการสร้างสารเชิงซ้อนแบบเปิดไปจนถึงการสังเคราะห์พันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (phosphodiester bonds) แรกและการหลุดเข้าสู่การยืดตัว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรสที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและเหตุการณ์ของการเริ่มต้น: การจดจำโปรโมเตอร์ (ในแบคทีเรียผ่านปัจจัยซิกมา (sigma factors) ในยูคาริโอตผ่านปัจจัยการถอดรหัสทั่วไป (general transcription factors)) การสร้างสารเชิงซ้อนแบบเปิด (open-complex formation) การเริ่มต้นที่ล้มเหลว (abortive initiation) และการหลุดออกจากโปรโมเตอร์ (promoter escape) เพื่อเข้าสู่การยืดตัวที่มีประสิทธิภาพ (productive elongation) โดยจะกล่าวถึงเอนไซม์และขั้นตอนการผูกมัดแรกในเชิงกลไก และเป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรสจดจำโปรโมเตอร์และจัดตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่จุดเริ่มต้นได้อย่างไร?
• อะไรที่เปลี่ยนสารเชิงซ้อนโปรโมเตอร์แบบปิดให้เป็นสารเชิงซ้อนแบบเปิดที่สามารถถอดรหัสได้?
• เหตุใดการหลุดออกจากโปรโมเตอร์จึงเป็นขั้นตอนที่แตกต่างและมักจะจำกัดอัตรา?

Key concepts

• เอนไซม์แกนกลาง (Core enzyme) และโฮโลเอนไซม์ (holoenzyme)
• ปัจจัยซิกมา (Sigma factor) (แบคทีเรีย) และปัจจัยการถอดรหัสทั่วไป (general transcription factors) (ยูคาริโอต)
• สารเชิงซ้อนโปรโมเตอร์แบบปิดและแบบเปิด
• การเริ่มต้นที่ล้มเหลว (Abortive initiation)
• การหลุดออกจากโปรโมเตอร์ (Promoter escape)
• การเร่งปฏิกิริยาด้วยไอออนโลหะสองชนิด (Two-metal-ion catalysis) ที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา

Mechanisms

การเริ่มต้นจะเกิดขึ้นเมื่ออาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรส ซึ่งถูกนำทางโดยปัจจัยจำเพาะ (specificity factor) จับกับดีเอ็นเอโปรโมเตอร์เพื่อสร้างสารเชิงซ้อนแบบปิด (closed complex); จากนั้นการคลายเกลียวเฉพาะที่ (local unwinding) จะสร้างสารเชิงซ้อนแบบเปิดที่เผยให้เห็นสายแม่แบบในช่องของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา (active-site cleft) เอนไซม์จะสังเคราะห์อาร์เอ็นเอสั้นๆ ในวงจรการเริ่มต้นที่ล้มเหลวซ้ำๆ ก่อนที่จะหลุดออกจากโปรโมเตอร์และปล่อยปัจจัยการเริ่มต้นเพื่อเข้าสู่การยืดตัวแบบต่อเนื่อง (processive elongation) โครงสร้างความละเอียดสูงของอาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรส II แสดงให้เห็นสถาปัตยกรรมของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่อนุรักษ์ไว้และแคลมป์ (clamp) ที่เป็นพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ และการศึกษาโมเลกุลเดี่ยวและอาร์เอ็นเอที่เกิดขึ้นใหม่ (nascent-RNA studies) เปิดเผยว่าการคงอยู่ของปัจจัยการเริ่มต้นและการหยุดชั่วคราวหลังการเริ่มต้น (post-initiation pausing) เป็นลักษณะที่แพร่หลายของการเปลี่ยนผ่านจากการเริ่มต้นไปสู่การยืดตัว

Clinical relevance

อาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรสเป็นเป้าหมายของยาปฏิชีวนะและสารพิษที่มีความสำคัญทางคลินิก (เช่น สารที่ออกฤทธิ์ต่อโพลีเมอเรสของแบคทีเรีย และอะมาทอกซิน (amatoxins) ที่ออกฤทธิ์ต่อ Pol II ของยูคาริโอต) และการเริ่มต้นที่เปลี่ยนแปลงไปมีส่วนทำให้เกิดโปรแกรมยีนของโรค (disease gene programmes) ข้อมูลนี้อธิบายเอนไซม์วิทยาในระดับอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำในการรักษา

History

การค้นพบว่ายูคาริโอตมีอาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรสที่ขึ้นกับดีเอ็นเอหลายชนิด (Roeder and Rutter, 1969) ได้แยกแยะเอนไซม์ที่เริ่มต้นการถอดรหัสของยีนประเภทต่างๆ โครงสร้างอะตอมของอาร์เอ็นเอ โพลีเมอเรส II ในปี 2001 โดย Cramer, Bushnell และ Kornberg ได้ให้ภาพกลไกของเครื่องจักรเร่งปฏิกิริยา และวิธีการอาร์เอ็นเอที่เกิดขึ้นใหม่ในระดับจีโนม (genome-scale nascent-RNA methods) ในภายหลังได้แสดงให้เห็นอีกครั้งว่าการเริ่มต้นเป็นขั้นตอนที่มีพลวัตและมีการหยุดชั่วคราวบ่อยครั้ง

Key figures

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

Seminal works

• roeder-rutter-1969
• cramer-2001

Frequently asked questions

เอนไซม์แกนกลาง (core enzyme) และโฮโลเอนไซม์ (holoenzyme) แตกต่างกันอย่างไร?

เอนไซม์แกนกลางมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาในการสร้างอาร์เอ็นเอ ในขณะที่โฮโลเอนไซม์จะเพิ่มปัจจัยจำเพาะในการเริ่มต้น (เช่น ซิกมาของแบคทีเรีย) ซึ่งช่วยให้มันจดจำโปรโมเตอร์และเริ่มการถอดรหัสที่ตำแหน่งที่ถูกต้อง

เหตุใดการหลุดออกจากโปรโมเตอร์จึงถือเป็นขั้นตอนที่แยกต่างหาก?

หลังจากสร้างอาร์เอ็นเอสั้นๆ ครั้งแรก โพลีเมอเรสมักจะปล่อยและสร้างผลิตภัณฑ์ที่ล้มเหลวซ้ำๆ ก่อนที่จะตัดการติดต่อกับโปรโมเตอร์และเข้าสู่การยืดตัวแบบต่อเนื่อง ดังนั้นการหลุดออกจึงเป็นการเปลี่ยนผ่านที่แตกต่างและมีการควบคุม