RNA-polymeraasi — määritelmä, toiminta, rakenne ja biologinen merkitys

RNA-polymeraasi (RNAP) on entsyymi, joka suorittaa transkriptiota. Vuoden 2006 kemian Nobel-palkinto myönnettiin Roger D. Kornbergille yksityiskohtaisten molekyylikuvien luomisesta RNA-polymeraasista transkriptioprosessin eri vaiheissa.

Joidenkin muiden molekyylien avulla se valmistaa lähetti- RNA:ta DNA-juosteesta. Tämä on sen päätoiminto, mutta se tekee myös monia muita asioita. RNAP:n tuotteita ovat mm:

• lähetti-RNA (mRNA) — koodaa proteiinisynteesiä varten tarvittavat aminohappujärjestykset
• ribosomaalinen RNA (rRNA) — ribosomien rakenne- ja toimintakomponentit
• siirtäjä-RNA (tRNA) — tuo aminohapot ribosomiin koodonin mukaan
• pienet ydin-RNA:t (snRNA) — osallistuvat eksonien leikkaukseen (splicing) ja muihin ydintoimintoihin
• mikroRNA:t (miRNA) ja muut pieniä säätely-RNA:t — säätelevät geenien ilmentymistä posttranskriptionaalisesti
• pitkät ei-koodaavat RNA:t (lncRNA) — erilaisia säätely- ja rakenneroolteja soluissa

Rakenne ja tyypit

Monisubunitinen RNA-polymeraasi on suurikokoinen proteiinikompleksi, jossa on useita alayksikköjä. Bakteereilla tyypillinen ydinpolymeraasi koostuu alayksiköistä α2ββ'ω; kun siihen liittyy sigma-tekijä, muodostuu holoentsyymi, joka tunnistaa promoattorit ja aloittaa transkription. Arkeoneilla RNAP muistuttaa rakenteeltaan eukaryoottien polymeraaseja mutta on yksinkertaisempi.

Eukaryooteilla on kolme pääasiallista DNA:ta transkriptoivaa polymeraasia: RNA-polymeraasi I (tuottaa suurimman osan rRNA:sta), RNA-polymeraasi II (tuottaa mRNA:ta ja monia snRNA:ita) ja RNA-polymeraasi III (tuottaa mm. tRNA:ta ja 5S rRNA:ta). Kasveilla on lisäksi Pol IV ja Pol V, jotka osallistuvat RNA-pohjaiseen geenisäätelyyn.

On myös yksialayksikköisiä RNA-polymeraaseja, kuten useiden bakteriofagien (esim. T7) polymeraasit; niitä käytetään laajalti laboratorioissa in vitro -transkriptiossa. Lisäksi RNA-viruksilla on RNA-riippuvaiset RNA-polymeraasit (RdRp), jotka kopioivat RNA:ta RNA:sta — nämä eroavat rakenteeltaan DNA-riippuvaisista RNAP:ista.

Toimintamekanismi

RNA-polymeraasin katalyyttinen mekanismi perustuu yleisesti kaksimetalliseen (Mg2+) aktiiviaan, jossa nukleotidiryhmät liittyvät kasvavaan RNA-ketjuun. Transkriptioketju etenee neljässä päävaiheessa:

• Tunnistus ja aloittaminen (initiaatio) — polymeraasi yhdessä tekijöiden kanssa tunnistaa promoattorin ja avaa DNA-kaksoiskierteen luodakseen transkriptiobubble-alueen.
• Promootorin jättö (promoter escape) — lyhyiden RNA-pätkien synteesiä seuraa siirtyminen pysyvään elongaatioon.
• Pidennys (elongaatio) — RNA-polymeraasi liikkuu DNA:n pitkin, lisäten nukleotideja 3' päähän kasvavaa RNA:ta.
• Päättyminen (terminaatio) — transkriptio lopetetaan joko osoitetun terminointisignaalin avulla (bakteereilla esim. rho-riippuvainen tai rho-riippumaton) tai eukaryooteilla kompleksin pilkkoutumisen ja polyadenylaation kautta.

Polymeraasi sisältää myös virheenkorjauskyvyn: se voi backtrackata (taaksepäin siirtyä) ja katkaista huonosti pariutuneen RNA-pään, jolloin heikot virheet poistuvat. Tätä toimintaa tukevat aputekijät, kuten GreA/GreB bakteereilla ja TFIIS eukaryooteilla.

Säätely

Transkriptiota säädellään monitasoisesti. Bakteereilla sigma-tekijät ja transkriptiotekijät määrittävät promoattorien valinnan ja vasteen ympäristöärsykkeisiin. Eukaryooteilla säätely on monimutkaisempaa ja sisältää:

• promoottereita ja vahvistajia (enhancerit), jotka rekrytoivat transkriptiotekijöitä ja RNAP II:n
• epigeneettisiä muutoksia, kuten DNA-metylaatiota ja histonimuutoksia, jotka vaikuttavat kromatiinin avoimuuteen
• kromatiinin uudelleen järjestäytymisen (remodelling) ja nukleosomien siirtymisen, jotka helpottavat tai estävät RNAP:n etenemistä

Biologinen ja kliininen merkitys

RNA-polymeraasi on solun elintärkeä koneisto, koska se kontrolloi geenien ilmentymistä. Se on välttämätön kehityksessä, solujen aineenvaihdunnassa, vasteessa ympäristöön ja stressiin sekä soluidentiteetin ylläpidossa. Muutokset RNAP:n toiminnassa voivat johtaa sairauksiin tai kehityshäiriöihin.

Kliinisesti merkittäviä kohtaamisia RNAP:n kanssa ovat esimerkiksi:

• antibiootit — jotkin antibiootit kohdistuvat bakteerien RNA-polymeraasin β-alayksikköön (esim. rifampisiini), mikä estää transkription aloituksen
• myrkyt — sienten tuottama alpha-amanitiini sitoutuu voimakkaasti eukaryoottien Pol II:een ja estää mRNA-synteesiä, mikä aiheuttaa vakavia myrkytyksiä
• viruspolmeraasit — RNA-virusten RdRp:t ovat lääkekehityksen kohteita (esim. antiviraalit lääkkeet), koska ne eroavat isännän polymeraaseista

Käyttö bioteknologiassa

RNA-polymeraaseja käytetään laajasti laboratoriotekniikoissa: esimerkiksi T7-tyyppisiä fagi-polymeraasia hyödynnetään in vitro -transkriptiossa mRNA:n ja muiden RNA-molekyylien tuottamiseen, mikä on keskeistä tutkimuksessa ja uusissa sovelluksissa kuten mRNA-pohjaisissa rokotteissa. RNAP-tutkimus ja -rakenteiden ymmärtäminen ovat myös mahdollistaneet esimerkiksi geeniekspression säätelyn ja terapeuttisten interventioiden kehittämisen.

Yhteenveto

RNA-polymeraasi on monimuotoinen ja evolutiivisesti konservoitu entsyymiperhe, joka muuntaa DNA:n informaation toimiviksi RNA-molekyyleiksi. Sen rakenne, toiminta ja säätely ovat keskeisiä solun toiminnalle, ja ne tarjoavat myös lukuisia lääketieteellisiä ja bioteknologisia sovellusmahdollisuuksia.

Eukaryooteissa

Eukaryooteilla on ytimissään erilaisia RNAPeja, joista kukin syntetisoi tietyn tyyppistä RNA:ta. Kaikki ovat samankaltaisia ja sukua toisilleen ja bakteerien RNAP:lle:

• RNA-polymeraasi I syntetisoi pre-rRNA:n, joka muodostaa ribosomin tärkeimmät RNA-osat.
• RNA-polymeraasi II syntetisoi mRNA:iden ja useimpien snRNA:iden ja mikroRNA:iden esiasteita. Tämä on tutkituin tyyppi. Se tarvitsee erilaisia transkriptiotekijöitä sitoutuakseen promoottoreihin.
• RNA-polymeraasi III syntetisoi tRNA:ta, rRNA 5S:ää ja muita pieniä RNA:ita, joita esiintyy ytimessä ja sytosolissa.
• RNA-polymeraasi IV syntetisoi siRNA:ta kasveissa.
• RNA-polymeraasi V syntetisoi RNA:ita, jotka osallistuvat siRNA-ohjattuun heterokromatiinin muodostumiseen kasveissa.

Eukaryoottien kloroplastien RNAP on hyvin samankaltainen kuin bakteerien RNAP ("plastidien koodaama polymeraasi"). Eukaryoottisilla kloroplasteilla on myös toinen, toisiinsa liittymätön RNAP.

Eukaryoottiset mitokondriot sisältävät toisiinsa kuulumatonta RNAP-proteiinia (yhden alayksikön RNAP-proteiiniperheen jäsen).

DNA- ja RNA-polymeraasien röntgenkristallografia on osoittanut, että ne ovat käytännössä toisistaan riippumattomia lukuun ottamatta Mg²⁺ -ionia katalyyttisessä kohdassa. Nämä kaksi entsyymiluokkaa ovat siis syntyneet itsenäisesti kahdesti solujen varhaisessa evoluutiossa. Yksi linja johti nykyisiin DNA-polymeraaseihin ja käänteisiin transkriptaaseihin. Toinen linja johti kaikkiin nykyisiin solujen RNA-polymeraaseihin.

 
Eukaryoottisen RNA-polymeraasi II:n rakenne (vaaleansininen) kompleksissa α-amanitinin (punainen) kanssa, joka on voimakas myrkky, jota esiintyy kuolemanlakkasienissä ja joka kohdistuu tähän elintärkeään entsyymiin.  

Hae kirjaimella