RNA polymeráza
Obsah boxu
RNA polymeráza (zkratka RNAP nebo RNApol), systematickým názvem DNA-dependentní RNA polymeráza, je klíčový enzym, který hraje ústřední roli v procesu transkripce. Jejím úkolem je syntetizovat molekulu RNA na základě informací uložených v templátovém řetězci DNA. Tento proces je prvním a zásadním krokem genové exprese, který umožňuje přenos genetické informace z genů do funkčních produktů, jako jsou proteiny nebo funkční RNA molekuly (např. rRNA, tRNA).
RNA polymeráza se pohybuje podél DNA templátu a katalyzuje tvorbu fosfodiesterových vazeb mezi ribonukleotidy, čímž vytváří polymerní řetězec RNA. Na rozdíl od DNA polymerázy nepotřebuje ke své činnosti primer (startovací sekvenci) a nemá korektorskou (proofreading) aktivitu. Chyby v transkripci jsou proto častější než v replikaci DNA, ale mají menší důsledky, protože molekuly RNA mají obvykle kratší životnost.
📜 Historie a objev
Objev RNA polymerázy v 60. letech 20. století byl milníkem v molekulární biologii. Nezávisle na sobě ji izolovalo několik vědeckých skupin. Mezi hlavní objevitele patří Samuel B. Weiss, Jerard Hurwitz, Audrey Stevens a Michael Chamberlin. Jejich práce prokázala existenci enzymu, který dokáže syntetizovat RNA podle DNA vzoru, a položila tak základy pro pochopení mechanismu genové exprese.
V roce 1959 obdržel Severo Ochoa Nobelovu cenu za objev enzymu, o kterém se domníval, že je RNA polymerázou (nazval ho polynucleotid fosforyláza). Později se však ukázalo, že tento enzym sice syntetizuje RNA, ale nepotřebuje k tomu DNA templát a jeho hlavní funkcí v buňce je degradace RNA. Skutečné DNA-dependentní RNA polymerázy byly popsány až o několik let později.
Významným pokrokem bylo objasnění struktury RNA polymerázy, zejména díky práci Rogera D. Kornberga, který v roce 2006 získal Nobelovu cenu za chemii za detailní popsání struktury a funkce eukaryotické RNA polymerázy II.
⚙️ Funkce a mechanismus
Proces transkripce katalyzovaný RNA polymerázou lze rozdělit do tří hlavních fází: iniciace, elongace a terminace.
🏁 Zahájení (Iniciace)
Iniciace je prvním krokem, při kterém se RNA polymeráza naváže na specifickou oblast DNA nazývanou promotor. Tato oblast se nachází před začátkem genu a slouží jako signál pro zahájení transkripce.
- U bakterií se na promotor váže komplex zvaný holoenzym, který se skládá z jádrového enzymu (core enzyme) a specifické podjednotky zvané sigma faktor (σ-faktor). Právě sigma faktor je zodpovědný za rozpoznání a specifickou vazbu na promotorové sekvence (např. -10 a -35 box).
- U eukaryot je proces složitější a vyžaduje účast mnoha pomocných proteinů zvaných transkripční faktory. Tyto faktory se nejprve navážou na promotor (např. na TATA box) a vytvoří preiniciační komplex, na který se teprve poté naváže samotná RNA polymeráza.
Po navázání na promotor polymeráza lokálně rozvine dvoušroubovici DNA a vytvoří tzv. transkripční bublinu, čímž zpřístupní templátový řetězec pro syntézu RNA.
➡️ Prodloužení (Elongace)
Jakmile je syntetizován krátký úsek RNA (cca 10 nukleotidů), polymeráza se uvolní z promotoru a přechází do fáze elongace. Během této fáze se enzym posouvá po templátovém řetězci DNA ve směru 3' → 5' a syntetizuje komplementární řetězec RNA ve směru 5' → 3'.
Do aktivního místa enzymu vstupují volné ribonukleosidtrifosfáty (ATP, GTP, CTP, UTP). Polymeráza je na základě komplementarity s templátovou DNA zařazuje do rostoucího řetězce RNA. Energie pro vytvoření fosfodiesterové vazby se získává odštěpením dvou fosfátových skupin (pyrofosfátu). Transkripční bublina se pohybuje spolu s enzymem a za ním se DNA dvoušroubovice opět uzavírá.
🛑 Ukončení (Terminace)
Elongace pokračuje, dokud polymeráza nenarazí na specifickou sekvenci na DNA zvanou terminátor, která signalizuje konec transkripce.
- U bakterií existují dva hlavní mechanismy terminace:
1. Rho-nezávislá (intrinsická) terminace: Terminátorová sekvence v DNA vede k vytvoření vlásenkové struktury (stem-loop) v nově syntetizované RNA, následované sérií uracilových bází. Tato struktura destabilizuje komplex RNA-DNA-polymeráza a způsobí jeho rozpad. 2. Rho-závislá terminace: Vyžaduje účast proteinu zvaného faktor Rho. Tento faktor se váže na vznikající RNA, putuje směrem k polymeráze a po jejím dosažení aktivně rozruší transkripční komplex.
- U eukaryot je terminace komplexnější a méně prozkoumaná. U transkriptů RNA polymerázy II je spojena s procesem polyadenylace, kdy je konec RNA řetězce rozštěpen a je na něj přidán poly(A) ocas.
🧬 Typy RNA polymeráz
Existují různé typy RNA polymeráz, které se liší svou strukturou, lokalizací v buňce a typem RNA, kterou syntetizují.
Bakteriální RNA polymeráza
Prokaryotické organismy, jako jsou bakterie, mají pouze jeden typ RNA polymerázy, která je zodpovědná za syntézu všech typů RNA (mRNA, tRNA, rRNA). Skládá se z několika podjednotek:
- Jádrový enzym (Core enzyme): Tvořen podjednotkami α₂, β, β' a ω. Je schopen katalyzovat elongaci, ale sám nedokáže specificky zahájit transkripci.
- Sigma faktor (σ): Připojuje se k jádrovému enzymu a tvoří holoenzym. Sigma faktor rozpoznává promotory a umožňuje tak specifickou iniciaci transkripce. Existuje více typů sigma faktorů pro regulaci různých skupin genů.
Eukaryotické RNA polymerázy
Eukaryotické buňky mají několik různých typů RNA polymeráz, které se nacházejí v buněčném jádře a mitochondriích. Tři hlavní jaderné polymerázy jsou:
- RNA polymeráza I (Pol I): Nachází se v jadérku a je zodpovědná za transkripci většiny genů pro ribozomální RNA (rRNA).
- RNA polymeráza II (Pol II): Syntetizuje mediátorovou RNA (mRNA), která kóduje proteiny, a také většinu snRNA a miRNA. Její činnost je velmi přísně regulována. Je citlivá na toxin alfa-amanitin.
- RNA polymeráza III (Pol III): Přepisuje geny pro transferovou RNA (tRNA), 5S rRNA a další malé molekuly RNA.
Kromě těchto existuje i RNA polymeráza IV a V u rostlin, které se podílejí na umlčování genů.
Archeální RNA polymeráza
Archea mají také jeden typ RNA polymerázy, která je však strukturálně i funkčně podobnější eukaryotické RNA polymeráze II než té bakteriální. Tento fakt podporuje teorii, že eukaryota a archea mají bližšího společného předka.
Virové RNA polymerázy
Některé viry si kódují vlastní RNA polymerázy. Například bakteriofág T7 má vlastní, jedinou polypeptidovou RNA polymerázu. Retroviry obsahují enzym reverzní transkriptáza, což je RNA-dependentní DNA polymeráza. Jiné viry, jako virus chřipky, mají RNA-dependentní RNA polymerázu, která replikuje jejich RNA genom.
🔬 Struktura
RNA polymerázy jsou velké, komplexní proteinové stroje. Bakteriální RNA polymeráza má tvar připomínající klepeta kraba. Hlavní kanál uprostřed enzymu slouží k vazbě DNA. Aktivní centrum, kde probíhá syntéza RNA, se nachází na dně tohoto kanálu. Eukaryotické polymerázy mají ještě složitější strukturu s větším počtem podjednotek, které zajišťují jemnější regulaci jejich funkce.
💊 Inhibitory a význam v medicíně
Inhibice RNA polymerázy je účinným způsobem, jak zastavit růst buněk nebo mikroorganismů.
- Rifampicin: Antibiotikum používané k léčbě tuberkulózy a dalších bakteriálních infekcí. Váže se na β podjednotku bakteriální RNA polymerázy a brání iniciaci transkripce. Na eukaryotické polymerázy nepůsobí, což z něj činí selektivní lék.
- Alfa-amanitin: Silný toxin produkovaný muchomůrkou zelenou (Amanita phalloides). Specificky a velmi silně inhibuje eukaryotickou RNA polymerázu II, čímž zastavuje syntézu mRNA a vede k buněčné smrti. Je jednou z hlavních příčin smrtelných otrav houbami.
- Aktinomycin D: Interkaluje se do DNA a brání pohybu RNA polymerázy, čímž inhibuje elongaci transkripce u prokaryot i eukaryot. Používá se v biochemickém výzkumu a jako cytostatikum.
💡 Pro laiky
Představte si DNA jako obrovskou kuchařskou knihu uloženou v bezpečné knihovně (buněčném jádře). Tato kniha obsahuje tisíce receptů (genů) na výrobu všeho, co buňka potřebuje (proteinů). Protože je kniha příliš cenná a velká na to, aby opustila knihovnu, je potřeba recepty přepisovat.
RNA polymeráza je v této analogii pilný a přesný písař. Písař najde v knize správný recept (gen), otevře stránku (rozplete DNA) a pečlivě ho přepíše na malý lístek (molekulu mRNA). Tento lístek pak může opustit knihovnu a putovat do kuchyně (ribozomu), kde se podle něj "uvaří" výsledný pokrm (protein). RNA polymeráza je tedy klíčový posel, který zajišťuje, že se informace z DNA dostanou na místo určení a mohou být využity.