Posted inBiologiya

RNK polimeraza

Bakteriya Thermus aquaticus hujayrasidan olingan RNK-polimeraza replikatsiya jarayonida. Fermentning ayrim qismlari shaffof qilib tasvirlangan, shu sababli RNK va DNK zanjirlari aniqroq ko‘rinadi. Magniy ioni (sariq rangda) fermentning faol markazida joylashgan.
Transkripsiya: DNKdan RNK sintezi uchun ishlatiladigan ferment — RNK-polimeraza II.

RNK-polimeraza — ferment bo‘lib, u RNK molekulalarini sintez qiladi. Tor ma’noda RNK-polimeraza deganda odatda DNK matritsasi asosida RNK molekulalarini sintezlaydigan, DNKga bog‘liq RNK-polimerazalar tushuniladi. Ular DNK asosida transkripsiya jarayonini amalga oshiradi. RNK-polimeraza sinfiga mansub fermentlar hujayra faoliyati uchun nihoyatda muhim, shu bois ular barcha organizmlarda va ko‘plab viruslarda uchraydi. Kimyoviy jihatdan RNK-polimerazalar RNK zanjirining 3'-uchiga ribonukleotidlarni polimerlashtiradigan nukleotidiltransferazalardir.

O‘rganilish tarixi

RNK-polimeraza bir-biridan mustaqil ravishda Jerald Gurvits[ingl.], Sem Vays, Odri Stivens[ingl.] va Jeyms Bonner[ingl.] tomonidan 1960-yilda kashf etilgan. Shu bilan birga, Fiziologiya yoki tibbiyot bo‘yicha Nobel mukofoti 1959-yilda Severo Ochoa va Artur Kornbergga «RNK va DNK biosintezi mexanizmlarini kashf etgani uchun» berilgan. Ochoa va Kornberg polinukleotidfosforilaza[ingl.] fermentini kashf etganlar, u RNK sintezini katalizlaydi deb hisoblangan. Keyinchalik ushbu ferment aslida ribonukleaza ekani, ya’ni uning vazifasi RNKni sintezlash emas, balki parchalash ekani aniqlangan. Shunga qaramay, u o‘zining tabiiy reaksiyasini teskari yo‘nalishda in vitro.

Kimyo bo‘yicha Nobel mukofoti esa 2006-yilda Rojer Kornbergga transkripsiya jarayonining turli bosqichlarida RNK-polimeraza molekulalarining aniq tasvirlarini olgani uchun berilgan.

Transkripsiyaning boshqarilishi

Elektron mikrofotografiyada yuzlab RNK-polimeraza molekulalari birikkan DNK zanjirlari tasvirlangan. Polimeraza molekulalari tasvirda juda kichik bo‘lgani uchun alohida ajratib bo‘lmaydi. Har bir RNK-polimeraza RNK zanjirini transkripsiya qiladi; u suratda DNKdan ajralib chiqqan shoxcha sifatida ko‘rinadi. «Begin» belgisi transkripsiya boshlanadigan DNKning 5'-uchini, «End» esa uzunroq RNK molekulalari transkripsiyasi tugaydigan 3'-uchini bildiradi.

Genlar transkripsiyasini boshqarish gen ekspressiyasini nazorat qilish imkonini beradi. Shu tariqa hujayra tashqi muhitning o‘zgaruvchan sharoitlariga moslashadi, metabolik jarayonlarni zarur darajada saqlaydi hamda organizm mavjudligi uchun kerakli maxsus vazifalarni bajaradi. RNK-polimerazaning ishlashi juda murakkab va ko‘plab omillarga bog‘liq bo‘lishi tabiiy (masalan, Escherichia coli bakteriyasida RNK-polimerazaga turli yo‘llar bilan ta’sir qiluvchi 100 dan ortiq omil aniqlangan).

RNK-polimeraza transkripsiyani DNKning promotorlar deb ataladigan maxsus qismlaridan boshlaydi va DNK zanjirining tegishli qismiga komplementar RNK zanjirini hosil qiladi.

RNK molekulasini nukleotidlar bilan uzaytirish jarayoni elongatsiya deyiladi. Eukariot hujayralarda RNK-polimeraza 2,4 milliondan ortiq tarkibiy birlikdan iborat zanjirlarni sintez qilishi mumkin (masalan, distrofin).

oqsilining to‘liq geni shuncha uzunlikka ega). RNK-polimeraza DNKda terminator.

deb ataladigan maxsus ketma-ketlikka duch kelganda RNK zanjirini hosil qilishni yakunlaydi. RNK-polimeraza quyidagi RNK turlarini sintez qiladi:

  • Matritsali RNK (mRNK) — oqsillarni sintez qilish uchun ribosomalardagi qolip.
  • Kodlamaydigan RNK yoki «RNK-gen» — oqsilni kodlamaydigan RNK genlarining katta sinfi. Bu sinfning eng mashhur vakillari transport RNK (tRNK) va ribosoma RNKsi (rRNK) bo‘lib, ular o‘zlari ham oqsil sintezida qatnashadi. Biroq XX asrning 90-yillari oxiridan boshlab boshqa ko‘plab RNK-genlar ham topilgan. Bu esa RNK-genlarning hujayradagi roli avval o‘ylanganidan muhimroq bo‘lishi mumkinligini ko‘rsatgan.

RNK-polimeraza sintezni noldan boshlashi mumkin. Bunga genning dastlabki nukleotidi bilan RNK-polimeraza o‘rtasidagi o‘zaro ta’sir yordam beradi: ferment zanjirga birikib, keyingi nukleotidlarni qayta ishlay oladi. Bu RNK-polimeraza transkripsiyani odatda ATFdan boshlashi, undan keyin GTF, UTF va so‘ngra STF kelishini qisman tushuntiradi. DNK-polimerazadan farqli o‘laroq, RNK-polimeraza helikaza faolligiga ham ega.

RNK-polimerazaning ishlash mexanizmi

Birikish va transkripsiyaning boshlanishi

Transkripsiya boshlanishining sxemasi

RNK-polimerazaning birikishida gen oldidagi DNK elementini (-40…-70 nukleotid oralig‘ida) taniydigan α-subbirlik va −10…-35 sohani taniydigan σ-omil ishtirok etadi. Gen ekspressiyasini boshqaradigan ko‘plab σ-omillar mavjud. Masalan: σ70 — odatiy sharoitlarda sintezlanadi va RNK-polimerazaning hujayra metabolizmi uchun mas’ul genlarga birikishini ta’minlaydi; yoki σ32 — RNK-polimerazaning issiqlik shoki oqsillari.

genlariga birikishini to‘sadi. DNKga birikkach, RNK-polimeraza tuzilishi yopiq holatdan ochiq holatga o‘tadi. Bu o‘zgarishda DNKning ikkala zanjiri ajralib, taxminan 13 juft nukleotid uzunligidagi ochilgan qism hosil bo‘ladi. Keyin ribonukleotidlar qolip vazifasini bajaruvchi DNK zanjiriga muvofiq ketma-ket ulanadi. Supero‘ramlilik DNK molekulalarida RNK-polimeraza faoliyati uchun katta ahamiyatga ega: RNK-polimeraza oldidagi DNK qismi yechilganligi sababli unda kompensatsiyalovchi musbat supero‘ramlar paydo bo‘ladi. RNK-polimeraza ortidagi DNK qismlari esa qayta o‘ralib, manfiy supero‘ramlar hosil qiladi.

Elongatsiya

Transkripsiyaning elongatsiya bosqichida RNK zanjiriga ribonukleotidlar qo‘shiladi va RNK-polimeraza kompleksining tuzilishi ochiq holatdan transkripsiya holatiga o‘tadi. RNK molekulasi yig‘ilishi davomida RNK-polimeraza oldidagi DNK qismi yanada ochiladi va 13 juftlik ochiq kompleks 17 juftlik transkripsiya kompleksiga aylanadi. Shu vaqtda promotor (DNKning −10…−35 nukleotid oralig‘idagi qismi) bilan bog‘liq bosqich tugaydi va σ-omil RNK-polimerazadan ajraladi. Shunda RNK-polimeraza kompleksining qolgan qismi oldinga siljiy boshlaydi, chunki shu paytgacha σ-omil uni joyida ushlab turgan bo‘ladi.

17 juftlik transkripsiya kompleksi 8 juft asosdan iborat DNK–RNK gibridini o‘z ichiga oladi; bu DNKning qolip zanjiriga birikkan 8 nukleotidli RNK qismidir. Transkripsiya davom etar ekan, sintezlanayotgan RNKning 3'-uchiga ribonukleotidlar qo‘shiladi va RNK-polimeraza kompleksi DNK zanjiri bo‘ylab siljiydi. RNK-polimerazada DNK-polimerazaning xatolarni tekshirish faolligiga o‘xshash 3'-ekzonukleaza xususiyati aniqlanmagan bo‘lsa-da, DNK–RNK asoslari noto‘g‘ri juftlashganda RNK-polimeraza to‘xtab, xatolarni tuzatishi mumkinligini ko‘rsatuvchi dalillar mavjud.

RNKga ribonukleotidlar qo‘shilishining mexanizmi DNK polimerlanishiga juda o‘xshaydi. DNK- va RNK-polimerazalar evolyutsion jihatdan o‘zaro bog‘liq bo‘lishi mumkin, deb hisoblanadi. Aspartat qoldiqlari RNK-polimerazada Mg2+ ionlari bilan bog‘lanadi. Bu ionlar, o‘z navbatida, ribonukleotidlarning fosfat guruhlarini to‘g‘ri joylashtiradi: birinchi Mg2+ zanjirga qo‘shiladigan nukleotidtrifosfatning α-fosfatini ushlab turadi. Bu nukleotidning sintezlanayotgan zanjir uchidagi 3' OH-guruhi bilan bog‘lanishi va shu yo‘l bilan NTFning zanjirga qo‘shilishini ta’minlaydi. Ikkinchi Mg2+ esa NTFning pirofosfatini ushlab turadi. Reaksiyaning umumiy tenglamasi quyidagicha:

(НМФ)n + НТФ --> (НМФ)n+1 + ПФi

Terminatsiya

RNK transkripsiyasining terminatsiyasi ρ-omilga bog‘liq yoki undan mustaqil bo‘lishi mumkin.

ρ-ga bog‘liq bo‘lmagan terminatsiya jarayoni ρ-omil ishtirokisiz sodir bo‘ladi. DNKning palindrom qismi transkripsiya qilinganda RNKning o‘zi bilan juftlashib, halqa hosil qiladigan shpilka shaklidagi tuzilma paydo bo‘ladi. Bu shpilka guanin va sitozinga boy bo‘lib, DNK–RNK gibridiga nisbatan barqarorroqdir. Natijada transkripsiya kompleksidagi 8 juftlik DNK–RNK gibridi 4 juftlikkacha qisqaradi. Agar oxirgi 4 juft asos kuchsiz bog‘lanuvchi adenin va uridindan iborat bo‘lsa, RNK molekulasi ajraladi.

Bakteriyalardagi RNK-polimeraza

Bakteriya Thermus aquaticus RNK-polimerazasining tuzilishi, PDB identifikatori 1HQM . Subbirliklar quyidagi ranglarda ko‘rsatilgan: α1 — to‘q sariq, α2 — sariq, β — sarg‘ish-bej, β' — qizil, ω — pushti.

Bakteriyalarda bitta ferment RNKning uch turini sintezlashni katalizlaydi: mRNK, rRNK va tRNK.

RNK-polimeraza ancha yirik molekuladir. Asosiy ferment 5 ta subbirlikdan (~400 kDa) iborat:

  • α2: ikkita α-subbirlik fermentning qolgan qismlarini bog‘laydi va boshqaruvchi omillarni taniydi. Har bir subbirlik ikki domendan iborat: αCTD (C-uchki domen) promotorning birinchi elementiga bog‘lanadi, αNTD (N-uchki domen) esa polimerazaning boshqa tarkibiy qismlari bilan birikadi.
  • β: bu subbirlik polimeraza faolligiga ega bo‘lib, RNK sintezini katalizlaydi. U jarayonni boshlaydi va elongatsiyani boshqaradi.
  • β': DNK bilan nospetsifik bog‘lanadi.
  • ω: denaturatsiyalangan RNK-polimerazani in vitro sharoitida qayta faol shaklga keltiradi. Shuningdek, uning β'-subbirlikka nisbatan himoyalovchi/shaperon ta’siri Mycobacterium smegmatis bakteriyasida ham aniqlangan.

bakteriyasida ham aniqlangan. Asosiy ferment DNKning promotor qismlariga bog‘lanishi uchun yana bir subbirlik — sigma (σ) kerak bo‘ladi. Sigma-omil RNK-polimerazaning DNKning o‘ziga xos bo‘lmagan qismlariga moyilligini ancha kamaytiradi va ayni paytda o‘z tuzilishiga qarab muayyan promotorlarga sezgirligini oshiradi. Uning yordamida transkripsiya DNKning kerakli qismidan boshlanadi.

To‘liq goloferment shu tariqa 6 ta subbirlikdan tashkil topadi: α2ββ'σω (~480 kDa). RNK-polimeraza tuzilishida uzunligi 55 Å (5,5 nm), kengligi 25 Å (2,5 nm) bo‘lgan egatcha mavjud. Kengligi 20 Å (2 nm) bo‘lgan DNK qo‘sh spirali aynan shu egatchaga joylashadi. Egatchaning uzunligi bo‘ylab 16 ta nukleotid.

sig‘adi. RNK-polimeraza molekulalari sitoplazmada erkin erigan holda bo‘lmaydi. Ishlatilmaganda RNK-polimeraza faol promotor ochilishini kutib, DNKning nospetsifik qismlariga bog‘lanib turadi.

Transkripsiya kofaktorlari

RNK-polimerazaga bog‘lanib, uning faoliyatiga ta’sir etadigan oqsillar mavjud. Masalan, greA va greB oqsillari E. coli bakteriyasida RNK-polimerazaning o‘sayotgan zanjir uchidagi RNK qolipini parchalash qobiliyatini kuchaytiradi. Bunday parchalanish to‘xtab qolgan RNK-polimeraza molekulasini «qutqarishi», shuningdek RNK zanjiri yig‘ilishidagi xatolarni tuzatishda qatnashishi mumkin.

Alohida kofaktor — Mfd — transkripsiya bilan bog‘liq DNK reparatsiyasida ishtirok etadi. Bu jarayonda RNK-polimeraza DNKning shikastlangan qismlarini aniqlaydi va ularni tiklash uchun boshqa fermentlarni jalb qiladi.

Boshqa ko‘plab kofaktorlar ham boshqaruvchi ta’sirga ega bo‘lib, RNK-polimeraza orqali ayrim genlarning ifodalanishini faollashtiradi yoki to‘xtatadi.

Eukariot hujayralardagi RNK-polimeraza

Eukariot Saccharomyces cerevisiae RNK-polimeraza II tuzilishi, PDB identifikatori 1WCM . Bakteriya polimerazasi subbirliklariga gomologik bo‘lgan subbirliklar quyidagicha bo‘yalgan: RPB3 — to‘q sariq, RPB11 — sariq, RPB2 — sarg‘ish-bej, RPB1 — qizil, RPB6 — pushti, qolgan 7 ta subbirlik kulrangda ko‘rsatilgan.

Eukariotlar ishlab chiqaradigan RNK turiga qarab tasniflanadigan turli RNK-polimerazalarga ega:

RNK-polimerazaning boshqa turlari mitoxondriyalarda va xloroplastlarda ham ishlatiladi. Molekulyar massasi ushbu fermentlarda taxminan 500 000 ga teng. Ular alfa-amanitinga sezgirligi bilan farqlanadi. RNK-polimeraza I unga sezgir emas, RNK-polimeraza III o‘rtacha sezgir, RNK-polimeraza II esa uning ta’sirida kuchli ingibirlanadi.

Arxeyalardagi RNK-polimeraza

Arxeyalar RNK-polimerazaning bitta turidan foydalanadi, biroq u eukariotlardagi uch asosiy RNK-polimeraza turiga juda o‘xshaydi. Ayrim olimlarning fikricha, arxeya RNK-polimerazasi ma’lum ma’noda ixtisoslashgan eukariot polimerazalarning evolyutsion ajdodi bo‘lishi mumkin.

Viruslardagi RNK-polimeraza

RNK-polimerazaning tuzilishi — T7 bakteriofagi[ingl.] DNK va RNK bo‘laklari bilan, PDB identifikatori 1MSW . Oqsil kulrang, DNK ko‘k, RNK esa shaftolirang bilan ko‘rsatilgan.

Ko‘plab viruslar tarkibida RNK-polimeraza bo‘ladi. Virus RNK-polimerazalari orasida eng yaxshi o‘rganilgani, ehtimol, T7 bakteriofagining[ingl.] RNK-polimerazasidir. Bitta subbirlikdan tashkil topgan bu RNK-polimeraza mitoxondriya va xloroplastdagi RNK-polimerazalarga, shuningdek DNK-polimerazaga o‘xshaydi. Virus polimerazalarining aksariyati murakkab, ko‘p tarkibiy qismli RNK-polimerazalardan emas, balki DNK-polimerazadan kelib chiqqan deb hisoblanadi.

Virus polimerazalari juda xilma-xildir. Ularning ko‘pchiligi DNK o‘rniga RNKni qolip sifatida ishlata oladi; masalan, ikki zanjirli RNKli yoki manfiy qutbli bir zanjirli RNKli viruslarda shunday. Musbat qutbli bir zanjirli RNKli ayrim viruslarda ham RNKga bog‘liq RNK-polimerazalar.

Funksional sohalar

RNK-polimerazaning C-uchki domeni

Transkripsiyaning boshlanishi

RNK-polimeraza II ning karboksil uchida joylashgan domen DNK transkripsiyasini boshlashda ishtirok etadi. C-uchki domen odatda Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser ketma-ketligining taxminan 52 ta takroridan iborat. Kinaza bo‘lgan TFIIH transkripsiya omili RNK-polimerazaning C-uchki domenini kuchli fosforlaydi (giperfosforlaydi), natijada polimeraza kompleksi transkripsiya boshlanadigan joydan siljishni boshlaydi.

5'-kep hosil qilish

C-uchki domen kep hosil qiluvchi kompleksning birikish joyi hamdir. Eukariotlarda mRNKning 5'-uchi sintezlangach, fosfataza poliribonukleotidning 5'-uchidan oxirgi fosfat guruhini ajratadi; so‘ng guanozintransferaza fermenti unga guanozinmonofosfatni biriktiradi. Bunda 5',5'-trifosfat bog‘i hosil bo‘ladi. Keyin kep hosil qiluvchi kompleks mRNKdan ajraladi va GTFdan hosil bo‘lgan 5'-kep RNK-polimerazaning C-uchki domenidagi kepga bog‘lanuvchi kompleks bilan birikadi. Eukariot mRNKsi tarkibidagi 5'-kep mRNKning ribosomalar bilan bog‘lanishida muhim ahamiyatga ega va RNK parchalanishining oldini ham oladi.

Splaysosoma

RNK-polimerazaning C-uchki domeni splaysosoma omillari birikadigan soha ham bo‘lib, ular RNK splaysingi jarayonida qatnashadi. Bu omillar splaysing va intronlarni RNK transkripsiyasi vaqtida olib tashlashni ta’minlaydi.

C-uchki domendagi mutatsiya

RNK-polimerazaning C-uchki domenidan ayrim aminokislotalar olib tashlanganda ferment qanday ishlashi bir qator tadqiqotlarda o‘rganilgan. RNK-polimeraza II C-uchki domenini qisqartiruvchi mutatsiyalar uning ma’lum genlar to‘plami transkripsiyasini in vivo sharoitida boshlash qobiliyatiga ta’sir ko‘rsatishi va bu genlarning faollashtiruvchi ketma-ketliklariga sezgirligini kamaytirishi aniqlangan.

RNK-polimerazani ajratib tozalash

RNK-polimerazani quyidagi usullar bilan ajratib olish mumkin:

Shuningdek, yuqoridagi usullarni birgalikda qo‘llash mumkin.

Adabiyotlar

  • Lehninger biokimyo asoslari, 4-nashr, Devid L. Nelson va Maykl M. Koks

Havolalar