RNA-polymeras: enzymet för transkription som bildar mRNA

Upptäck RNA‑polymeras: enzymet som driver transkription och bildar mRNA — mekanismer, funktioner och Nobelvinnande strukturbilder.

RNA-polymeras (RNAP) är det enzym som utför transkriptionen.Nobelpriset i kemi 2006 tilldelades Roger D. Kornberg för att han skapat detaljerade molekylära bilder av RNA-polymeras under olika stadier av transkriptionsprocessen.

Med hjälp av några andra molekyler tillverkar den budbärar-RNA från en DNA-sträng. Detta är dess huvudfunktion, men den gör även andra saker. RNAP:s produkter är bl.a. följande:

• mRNA (messenger RNA) – mall för proteinsyntes i ribosomerna (hos eukaryoter huvudsakligen syntetiserat av RNA-polymeras II).
• rRNA (ribosomalt RNA) – huvudkomponent i ribosomerna (hos eukaryoter syntetiserat av RNA-polymeras I).
• tRNA (transfer RNA) – transporterar aminosyror till ribosomen under translation (hos eukaryoter syntetiserat av RNA-polymeras III).
• snRNA (small nuclear RNA) – deltar i splitsning av pre-mRNA och i andra RNA-behandlingsprocesser.
• miRNA och siRNA – små regulatoriska RNA som styr genuttryck på posttranskriptionell nivå.
• Andra små RNA (t.ex. snoRNA, scaRNA) som har roller i modifiering och bearbetning av andra RNA-molekyler.

Typer av RNA-polymeras

I prokaryoter (bakterier) finns vanligtvis ett enda huvudenzym som transkriberar alla typer av RNA, ofta med hjälp av olika sigmafaktorer som styr geners startpunkter. I eukaryoter finns flera olika RNA-polymeraser med specialiserade funktioner:

• RNA-polymeras I – syntetiserar förstadier till rRNA (utom 5S rRNA).
• RNA-polymeras II – ansvarar för syntes av pre-mRNA samt många snRNA; centralt för reglerat genuttryck.
• RNA-polymeras III – syntetiserar bland annat tRNA och 5S rRNA.

Hur fungerar enzymet? (steg i transkription)

• Initiering: RNAP känner igen en promotorsekvens i DNA. Hos bakterier krävs sigmafaktorn för att hitta -10 och -35-elementen; hos eukaryoter krävs flera allmänna transkriptionsfaktorer (t.ex. TFII-komplex) och ofta en TATA-box.
• Öppning av dubbelhelixen: DNA-strängarna separeras i ett litet område (transkriptionsbubblan) så att den ena strängen kan användas som mall.
• Elongation: RNA-polymeraset rör sig längs DNA:t och fogar ihop ribonukleotider som är komplementära till den mallade DNA-strängen, vilket bildar en växande RNA-kedja. En kort RNA–DNA hybrid bildas i enzymets aktiva säte.
• Proofreading och backtracking: RNAP kan ibland backa och klyva bort felaktigt inkorporerade nukleotider (t.ex. under påverkan av hjälpproteiner som GreA/GreB i bakterier eller TFIIS i eukaryoter).
• Terminering: transcription avslutas när RNAP möter terminatorsekvenser. Hos bakterier kan detta vara rho-beroende eller rho-oberoende (intrinsic) med en hårnålstruktur i RNA; hos eukaryoter avslutas transkription av Pol II ofta i samband med klyvning och polyadenylering av pre-mRNA.

Ko- och posttranskriptionell bearbetning (särskilt i eukaryoter)

Eukaryotiskt pre-mRNA genomgår flera viktiga modifieringar innan moget mRNA lämnar cellkärnan:

• 5'-cap – en modifierad guanosin läggs till i 5'-ändan vilket skyddar mot nedbrytning och hjälper till vid translation.
• Splicing – introner tas bort och exoner sätts ihop av spliceosomen (snRNA och proteiner).
• Polyadenylering – en svans av adenin-nukleotider (poly(A)-svans) läggs till i 3'-ändan vilket ökar stabilitet och transport ut ur kärnan.

Reglering av transkription

Transkription regleras på många nivåer: promotorstyrka, närvaro av transkriptionsfaktorer (aktiverare eller repressorer), kromatinstruktur (histonmodifieringar och DNA-metylering), samt via mediatorer och enhancer-element. Pol II:s C-terminala domän (CTD) fosforylering koordinerar övergången mellan initiering och elongation samt rekrytering av RNA-bearbetningsmaskineri.

Struktur och subenheter

RNA-polymeras är ett stort proteinkomplex. I bakterier består det ofta av flera subenheter (t.ex. alfa, beta, beta', omega och sigma). I eukaryoter är RNA-polymerasernas komplex ännu större och associerar med många tillfälliga faktorer. Det katalytiska centrumet innehåller ofta metalljoner (t.ex. Mg2+) som är viktiga för polymeriseringsreaktionen.

Hämmare och medicinsk betydelse

• Antibiotika: Rifampicin binder till den bakteriella RNAP:s beta-subenhet och blockerar initiering — viktig vid behandling av tuberkulos men resistens kan uppstå.
• Toxiner: Alpha-amanitin (från vissa flugsvampar) hämmar eukaryotisk Pol II och kan orsaka allvarlig leverskada.
• Forskning och diagnostik: Transkriptionsmönster används för att förstå celltillstånd, cancerdiagnostik och utvecklingsbiologi. Inhibering eller störning av transkription kan leda till sjukdomar.

Betydelse i cellen

Transkriptionen är ett grundläggande steg i genuttrycket: utan RNA-polymeras finns ingen mRNA, inget protein och därmed inget fungerande cellmaskineri. Genom att reglera RNAP:s aktivitet kan cellen svara på yttre signaler, utvecklas och upprätthålla homeostas.

Historisk kommentar

Roger D. Kornbergs arbete, som nämns ovan, gav detaljerade strukturella insikter i hur RNA-polymeras fungerar på atomnivå och hur komplexa protein-DNA-interaktioner styr transkription. Dessa strukturer har bidragit till förståelsen av både mekanismen och regleringen av transkription i eukaryoter.

Sammanfattningsvis är RNA-polymeras ett centralt enzym i cellens informationsflöde från DNA till protein, med komplicerade regleringsmekanismer och stor betydelse för både hälsa och sjukdom.

I eukaryoter

Eukaryoter har olika RNAP:er i sina kärnor, var och en för att syntetisera en typ av RNA. Alla är likartade och besläktade med varandra och med bakteriernas RNAP:

• RNA-polymeras I syntetiserar ett pre-rRNA som kommer att bilda de större RNA-avsnitten i ribosomen.
• RNA-polymeras II syntetiserar prekursorer av mRNA och de flesta snRNA och mikroRNA. Detta är den mest studerade typen. Den behöver en rad transkriptionsfaktorer för att binda den till promotorer.
• RNA-polymeras III syntetiserar tRNA, rRNA 5S och andra små RNA som finns i kärnan och cytosolen.
• RNA-polymeras IV syntetiserar siRNA i växter.
• RNA-polymeras V syntetiserar RNA som är involverade i siRNA-styrd heterokromatinbildning i växter.

Eukaryota kloroplaster har en RNAP som är mycket lik bakteriell RNAP ("plastidkodat polymeras"). Eukaryota kloroplaster har också en andra, icke-relaterad RNAP.

Eukaryota mitokondrier innehåller en orelaterad RNAP (medlem av proteinfamiljen "single-subunit RNAP").

Röntgenkristallografi av DNA- och RNA-polymeraser visar att de praktiskt taget inte är besläktade med varandra, bortsett från att de har en Mg-jon²⁺ på den katalytiska platsen. De två enzymklasserna har alltså uppstått oberoende av varandra två gånger under cellernas tidiga utveckling. En linje ledde till de moderna DNA-polymeraserna och de omvända transkriptaserna. Den andra linjen ledde till alla moderna cellulära RNA-polymeraser.

 
Struktur av eukaryotiskt RNA-polymeras II (ljusblått) i komplex med α-amanitin (rött), ett starkt gift som finns i dödshuvudsvampar och som riktar sig mot detta viktiga enzym.  

Sök med bokstav