ทุกคนที่ศึกษาอณูชีววิทยา ชีวเคมี พันธุวิศวกรรม และวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ไม่ช้าก็เร็วจะถามคำถาม: RNA polymerase มีหน้าที่อะไร? นี่เป็นหัวข้อที่ค่อนข้างซับซ้อนซึ่งยังไม่ได้สำรวจอย่างเต็มที่ แต่สิ่งที่เป็นที่รู้จักจะครอบคลุมอยู่ในกรอบของบทความ
ข้อมูลทั่วไป
ต้องจำไว้ว่ามี RNA polymerase ของยูคาริโอตและโปรคาริโอต ประเภทแรกแบ่งออกเป็นสามประเภทเพิ่มเติม ซึ่งแต่ละประเภทมีหน้าที่ในการถอดรหัสยีนกลุ่มที่แยกจากกัน เอ็นไซม์เหล่านี้ถูกนับเลขเพื่อความง่ายเหมือนกับ RNA polymerase ตัวแรก ตัวที่สอง และตัวที่สาม โปรคาริโอตซึ่งมีโครงสร้างปลอดนิวเคลียร์ในระหว่างการถอดความจะทำหน้าที่ตามรูปแบบที่เรียบง่าย ดังนั้น เพื่อความชัดเจน เพื่อที่จะครอบคลุมข้อมูลให้ได้มากที่สุด เราจะพิจารณายูคาริโอต RNA polymerase มีโครงสร้างคล้ายกัน เชื่อกันว่ามีสายพอลิเปปไทด์อย่างน้อย 10 สาย ในเวลาเดียวกัน RNA polymerase 1 สังเคราะห์ (ถอดเสียง) ยีนซึ่งจะถูกแปลเป็นโปรตีนต่างๆ ในภายหลัง ประการที่สองคือการถ่ายทอดยีนซึ่งต่อมาแปลเป็นโปรตีน RNA polymerase 3 แสดงด้วยเอ็นไซม์ที่มีความเสถียรของน้ำหนักโมเลกุลต่ำที่หลากหลายซึ่งอยู่ในระดับปานกลางไวต่ออัลฟ่าอะมาไทน์ แต่เรายังไม่ได้ตัดสินใจว่า RNA polymerase คืออะไร! นี่คือชื่อของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โมเลกุลของกรดไรโบนิวคลีอิก ในความหมายที่แคบ นี่หมายถึง RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA ซึ่งทำงานบนพื้นฐานของแม่แบบกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก เอ็นไซม์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานในระยะยาวและประสบความสำเร็จของสิ่งมีชีวิต RNA polymerase พบได้ในทุกเซลล์และไวรัสส่วนใหญ่
แบ่งตามคุณสมบัติ
ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของหน่วยย่อย RNA polymerase แบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:
- ข้อแรกเกี่ยวกับการถอดความยีนจำนวนเล็กน้อยในจีโนมอย่างง่าย สำหรับการทำงานในกรณีนี้ ไม่จำเป็นต้องมีการดำเนินการด้านกฎระเบียบที่ซับซ้อน ดังนั้น นี่จึงรวมถึงเอ็นไซม์ทั้งหมดที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยเพียงหน่วยเดียว ตัวอย่างคือ RNA polymerase ของแบคทีเรียและไมโตคอนเดรีย
- กลุ่มนี้รวม RNA polymerase ทั้งหมดของยูคาริโอตและแบคทีเรียซึ่งมีความซับซ้อน พวกเขาเป็นคอมเพล็กซ์โปรตีนหลายหน่วยย่อยที่ซับซ้อนซึ่งสามารถถ่ายทอดยีนที่แตกต่างกันได้หลายพันตัว ระหว่างการทำงาน ยีนเหล่านี้จะตอบสนองต่อสัญญาณควบคุมจำนวนมากที่มาจากปัจจัยโปรตีนและนิวคลีโอไทด์
แผนกโครงสร้างและหน้าที่ดังกล่าวทำให้สถานการณ์จริงง่ายขึ้นอย่างมีเงื่อนไขและชัดเจน
RNA polymerase ฉันทำอะไร
พวกเขาได้รับมอบหมายหน้าที่ในการสร้างหลักยีน rRNA ทรานสคริปต์ นั่นคือ สิ่งเหล่านี้สำคัญที่สุด หลังเป็นที่รู้จักกันดีภายใต้การกำหนด 45S-RNA ความยาวของมันคือประมาณ 13,000 นิวคลีโอไทด์ 28S-RNA, 18S-RNA และ 5,8S-RNA ถูกสร้างขึ้นจากมัน เนื่องจากมีการใช้ตัวถอดรหัสเพียงตัวเดียวเพื่อสร้างพวกมัน ร่างกายจึงได้รับ "การรับประกัน" ว่าโมเลกุลจะถูกสร้างขึ้นในปริมาณที่เท่ากัน ในเวลาเดียวกัน มีเพียง 7,000 นิวคลีโอไทด์เท่านั้นที่ใช้เพื่อสร้าง RNA โดยตรง ส่วนที่เหลือของการถอดเสียงจะลดลงในนิวเคลียส เกี่ยวกับสารตกค้างขนาดใหญ่ดังกล่าว มีความเห็นว่าจำเป็นสำหรับการสร้างไรโบโซมในระยะแรก จำนวนโพลีเมอเรสเหล่านี้ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่สูงกว่าจะผันผวนประมาณ 40,000 หน่วย
จัดยังไง
ดังนั้นเราจึงพิจารณา RNA polymerase ตัวแรกแล้ว (โครงสร้างโปรคาริโอตของโมเลกุล) ในเวลาเดียวกัน หน่วยย่อยขนาดใหญ่ เช่นเดียวกับพอลิเปปไทด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงอื่นๆ จำนวนมาก มีโดเมนการทำงานและโครงสร้างที่กำหนดไว้อย่างดี ในระหว่างการโคลนยีนและการกำหนดโครงสร้างหลักของพวกมัน นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุส่วนของสายโซ่ที่อนุรักษ์นิยมทางวิวัฒนาการ นักวิจัยยังได้ดำเนินการวิเคราะห์การกลายพันธุ์ด้วยการใช้การแสดงออกที่ดี ซึ่งช่วยให้เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับความสำคัญเชิงหน้าที่ของแต่ละโดเมนได้ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ โดยใช้การทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่ควบคุมตำแหน่ง กรดอะมิโนแต่ละตัวถูกเปลี่ยนในสายโซ่พอลิเปปไทด์ และหน่วยย่อยที่ถูกดัดแปลงดังกล่าวถูกใช้ในการประกอบของเอนไซม์ด้วยการวิเคราะห์คุณสมบัติที่ได้รับในโครงสร้างเหล่านี้ในภายหลัง สังเกตว่าเนื่องจากการจัดองค์กร RNA polymerase แรกบนการปรากฏตัวของอัลฟ่า-อะมาไทน์ (สารพิษสูงที่ได้มาจากนกเป็ดผีสีซีด) จะไม่ทำปฏิกิริยาเลย
ปฏิบัติการ
ทั้ง RNA polymerase ตัวแรกและตัวที่สองสามารถอยู่ในสองรูปแบบ หนึ่งในนั้นสามารถดำเนินการเพื่อเริ่มต้นการถอดความเฉพาะได้ ประการที่สองคือ RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA ความสัมพันธ์นี้แสดงออกถึงขนาดของกิจกรรมการทำงาน หัวข้อนี้ยังอยู่ระหว่างการตรวจสอบ แต่เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าขึ้นอยู่กับปัจจัยการถอดความสองประการ ซึ่งกำหนดเป็น SL1 และ UBF ลักษณะเฉพาะของหลังคือสามารถผูกมัดกับโปรโมเตอร์ได้โดยตรง ในขณะที่ SL1 ต้องมี UBF แม้ว่าจะพบว่าจากการทดลองพบว่า RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA สามารถมีส่วนร่วมในการถอดรหัสในระดับที่น้อยที่สุดและไม่มีอยู่ของหลัง แต่สำหรับการทำงานปกติของกลไกนี้ ยังจำเป็นต้องใช้ UBF ทำไม? จนถึงขณะนี้ ยังไม่สามารถระบุสาเหตุของพฤติกรรมนี้ได้ คำอธิบายที่ได้รับความนิยมมากที่สุดข้อหนึ่งชี้ให้เห็นว่า UBF ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นการถอดรหัส rDNA ชนิดหนึ่งในขณะที่มันเติบโตและพัฒนา เมื่อระยะพักเกิดขึ้น ระดับการทำงานขั้นต่ำที่ต้องการจะคงอยู่ และสำหรับเขาแล้ว การมีส่วนร่วมของปัจจัยการถอดความก็ไม่สำคัญ นี่คือการทำงานของ RNA polymerase หน้าที่ของเอ็นไซม์นี้ช่วยให้เราสนับสนุนกระบวนการสร้าง "โครงสร้าง" เล็กๆ ของร่างกายเรา ซึ่งต้องขอบคุณการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายทศวรรษ
เอ็นไซม์กลุ่มที่สอง
การทำงานของพวกมันถูกควบคุมโดยการรวมตัวของโปรตีนหลายตัวก่อนการเริ่มต้นที่ซับซ้อนของโปรโมเตอร์ของชั้นสอง ส่วนใหญ่มักจะแสดงออกในการทำงานกับโปรตีนพิเศษ - ตัวกระตุ้น ตัวอย่างคือ TVR นี่คือปัจจัยที่เกี่ยวข้องซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ TFIID เป็นเป้าหมายของ p53, NF kappa B และอื่นๆ โปรตีนซึ่งเรียกว่าโคแอคติเวเตอร์ก็ใช้อิทธิพลในกระบวนการควบคุมเช่นกัน ตัวอย่างคือ GCN5 ทำไมโปรตีนเหล่านี้จึงจำเป็น? ทำหน้าที่เป็นตัวปรับต่อที่ปรับการโต้ตอบของตัวกระตุ้นและปัจจัยที่รวมอยู่ในคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้น เพื่อให้การถอดความเกิดขึ้นอย่างถูกต้อง จำเป็นต้องมีปัจจัยเริ่มต้นที่จำเป็น แม้ว่าจะมีหกคน แต่มีเพียงคนเดียวเท่านั้นที่สามารถโต้ตอบกับโปรโมเตอร์ได้โดยตรง สำหรับกรณีอื่นๆ จำเป็นต้องใช้ RNA polymerase complex ตัวที่สองที่สร้างไว้ล่วงหน้า ยิ่งกว่านั้น ในระหว่างกระบวนการเหล่านี้ องค์ประกอบใกล้เคียงอยู่ใกล้ - เพียง 50-200 คู่จากไซต์ที่เริ่มการถอดความ พวกเขามีข้อบ่งชี้ของการผูกมัดของโปรตีนกระตุ้น
คุณสมบัติพิเศษ
โครงสร้างหน่วยย่อยของเอนไซม์ที่มีแหล่งกำเนิดต่างกันส่งผลต่อบทบาทหน้าที่ในการถอดรหัสหรือไม่? ไม่มีคำตอบที่แน่นอนสำหรับคำถามนี้ แต่เชื่อว่าเป็นไปได้มากที่สุด RNA polymerase ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้อย่างไร หน้าที่ของเอ็นไซม์ในโครงสร้างอย่างง่ายคือการถอดรหัสยีนในช่วงจำกัด (หรือแม้แต่ส่วนเล็กๆ ของพวกมัน) ตัวอย่างคือการสังเคราะห์ไพรเมอร์อาร์เอ็นเอของชิ้นส่วนโอกาซากิความจำเพาะของโปรโมเตอร์ของ RNA polymerase ของแบคทีเรียและฟาจคือเอ็นไซม์มีโครงสร้างที่เรียบง่ายและมีความหลากหลายไม่แตกต่างกัน ดังจะเห็นได้จากกระบวนการจำลอง DNA ในแบคทีเรีย แม้ว่าเราจะสามารถพิจารณาสิ่งนี้ได้เช่นกัน: เมื่อมีการศึกษาโครงสร้างที่ซับซ้อนของจีโนมของ T-phage ที่เท่ากันในระหว่างการพัฒนาที่มีการสลับการถอดรหัสหลายครั้งระหว่างกลุ่มของยีนต่างๆ พบว่ามีการใช้ RNA polymerase โฮสต์ที่ซับซ้อน สำหรับสิ่งนี้. กล่าวคือไม่มีการกระตุ้นเอนไซม์อย่างง่ายในกรณีเช่นนี้ ผลที่ตามมาหลายประการตามนี้:
- ยูคาริโอตและอาร์เอ็นเอโพลีเมอเรสจากแบคทีเรียควรจะสามารถจำแนกโปรโมเตอร์ที่แตกต่างกันได้
- เอนไซม์จำเป็นต้องตอบสนองต่อโปรตีนควบคุมต่างๆ
- RNA polymerase ก็ควรจะสามารถเปลี่ยนความจำเพาะของการรู้จำลำดับนิวคลีโอไทด์ของ DNA แม่แบบได้ ด้วยเหตุนี้จึงใช้เอฟเฟกต์โปรตีนต่างๆ
จากนี้ไปตามความต้องการของร่างกายสำหรับองค์ประกอบ "การสร้าง" เพิ่มเติม โปรตีนของคอมเพล็กซ์การถอดรหัสช่วยให้ RNA polymerase ทำหน้าที่อย่างเต็มที่ สิ่งนี้นำไปใช้กับเอ็นไซม์ของโครงสร้างที่ซับซ้อนในระดับสูงสุดในความเป็นไปได้ของการดำเนินการตามโปรแกรมที่กว้างขวางสำหรับการนำข้อมูลทางพันธุกรรมไปใช้ ต้องขอบคุณงานที่หลากหลาย ทำให้เราสังเกตลำดับชั้นในโครงสร้างของ RNA polymerase ได้
กระบวนการถอดเสียงเป็นอย่างไร
มียีนที่รับผิดชอบในการสื่อสารด้วยหรือไม่RNA พอลิเมอเรส? ประการแรก เกี่ยวกับการถอดความ: ในยูคาริโอต กระบวนการนี้เกิดขึ้นในนิวเคลียส ในโปรคาริโอตจะเกิดขึ้นภายในจุลินทรีย์เอง ปฏิกิริยาโพลีเมอเรสขึ้นอยู่กับหลักการโครงสร้างพื้นฐานของการจับคู่เสริมของแต่ละโมเลกุล สำหรับปัญหาด้านปฏิสัมพันธ์ เราสามารถพูดได้ว่า DNA ทำหน้าที่เป็นแม่แบบเท่านั้นและไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการถอดความ เนื่องจาก DNA เป็นเอ็นไซม์อินทิกรัล จึงเป็นไปได้ที่จะพูดได้อย่างแน่นอนว่ายีนตัวใดตัวหนึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบต่อพอลิเมอร์นี้ แต่จะใช้เวลานานมาก ไม่ควรลืมว่า DNA มีสารตกค้างของนิวคลีโอไทด์ 3.1 พันล้านตัว ดังนั้นจึงเป็นการเหมาะสมกว่าที่จะบอกว่า RNA แต่ละประเภทมีหน้าที่รับผิดชอบต่อ DNA ของตัวเอง เพื่อให้ปฏิกิริยาโพลีเมอเรสดำเนินต่อไป จำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานและซับสเตรตไรโบนิวคลีโอไซด์ ไตรฟอสเฟต เมื่อมีพันธะ 3', 5'-phosphodiester เกิดขึ้นระหว่างโมโนฟอสเฟตไรโบนิวคลีโอไซด์ โมเลกุล RNA เริ่มสังเคราะห์ในลำดับดีเอ็นเอ (โปรโมเตอร์) กระบวนการนี้สิ้นสุดที่ส่วนการสิ้นสุด (การสิ้นสุด) เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้องที่นี่เรียกว่าการถอดเสียง โดยทั่วไปแล้วในยูคาริโอตจะมียีนเพียงยีนเดียวในขณะที่โปรคาริโอตสามารถมีรหัสได้หลายส่วน transcripton แต่ละรายการมีโซนที่ไม่ให้ข้อมูล ประกอบด้วยลำดับนิวคลีโอไทด์จำเพาะที่โต้ตอบกับปัจจัยการถอดรหัสควบคุมที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้
แบคทีเรีย RNA polymerase
พวกนี้จุลินทรีย์ เอนไซม์หนึ่งตัวมีหน้าที่ในการสังเคราะห์ mRNA, rRNA และ tRNA โมเลกุลโพลีเมอเรสเฉลี่ยมีประมาณ 5 หน่วยย่อย สองคนทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบยึดเหนี่ยวของเอนไซม์ หน่วยย่อยอื่นมีส่วนร่วมในการเริ่มต้นการสังเคราะห์ นอกจากนี้ยังมีส่วนประกอบของเอ็นไซม์สำหรับจับกับ DNA แบบไม่จำเพาะเจาะจง และหน่วยย่อยสุดท้ายมีส่วนร่วมในการนำ RNA polymerase เข้าสู่รูปแบบการทำงาน ควรสังเกตว่าโมเลกุลของเอนไซม์ไม่ "อิสระ" ที่ลอยอยู่ในไซโตพลาสซึมของแบคทีเรีย เมื่อไม่ได้ใช้งาน RNA polymerase จะจับกับบริเวณที่ไม่จำเพาะของ DNA และรอให้โปรโมเตอร์เปิดออก พูดนอกเรื่องเล็กน้อยจากหัวข้อควรจะกล่าวว่าสะดวกมากในการศึกษาโปรตีนและผลกระทบต่อกรดไรโบนิวคลีอิกโพลีเมอเรสต่อแบคทีเรีย สะดวกเป็นพิเศษในการทดลองกับพวกมันเพื่อกระตุ้นหรือระงับองค์ประกอบแต่ละอย่าง เนื่องจากอัตราการคูณที่สูง ผลลัพธ์ที่ต้องการจึงทำได้ค่อนข้างเร็ว อนิจจา การวิจัยในมนุษย์ไม่สามารถดำเนินการได้รวดเร็วเช่นนี้เนื่องจากโครงสร้างที่มีความหลากหลาย
อาร์เอ็นเอโพลีเมอเรส "หยั่งราก" ในรูปแบบต่างๆ ได้อย่างไร
บทความนี้กำลังจะมาถึงข้อสรุปเชิงตรรกะ เน้นที่ยูคาริโอต แต่ก็มีอาร์เคียและไวรัสด้วย ดังนั้นฉันจึงอยากจะให้ความสนใจกับรูปแบบชีวิตเหล่านี้เล็กน้อย ในชีวิตของอาร์เคียมี RNA polymerase เพียงกลุ่มเดียวเท่านั้น แต่มันมีคุณสมบัติคล้ายกันอย่างมากกับความสัมพันธ์ทั้งสามของยูคาริโอต นักวิทยาศาสตร์หลายคนแนะนำว่าสิ่งที่เราสามารถสังเกตได้ในอาร์เคียนั้นจริงๆแล้วบรรพบุรุษวิวัฒนาการของพอลิเมอเรสเฉพาะ โครงสร้างของไวรัสก็น่าสนใจเช่นกัน ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ จุลินทรีย์ดังกล่าวไม่ได้มีพอลิเมอเรสทั้งหมด และมันอยู่ที่ไหน มันเป็นหน่วยย่อยเดียว เอนไซม์ของไวรัสนั้นคิดว่าได้มาจาก DNA polymerase มากกว่าการสร้าง RNA ที่ซับซ้อน ถึงแม้ว่าเนื่องจากความหลากหลายของจุลินทรีย์กลุ่มนี้ มีการใช้งานกลไกทางชีววิทยาที่พิจารณาแตกต่างกัน
สรุป
อนิจจา มนุษย์ยังไม่มีข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดที่จำเป็นในการทำความเข้าใจจีโนม และจะทำอะไรได้บ้าง! โดยพื้นฐานแล้ว โรคเกือบทั้งหมดมีพื้นฐานทางพันธุกรรม - ใช้กับไวรัสที่ก่อให้เกิดปัญหาอย่างต่อเนื่อง การติดเชื้อ และอื่นๆ เป็นหลัก โรคที่ซับซ้อนและรักษาไม่หาย แท้จริงแล้วยังขึ้นอยู่กับจีโนมมนุษย์โดยตรงหรือโดยอ้อม เมื่อเราเรียนรู้ที่จะเข้าใจตนเองและนำความรู้นี้ไปใช้ประโยชน์ ปัญหาและโรคภัยไข้เจ็บจำนวนมากก็จะยุติลง โรคร้ายก่อนหน้านี้หลายอย่าง เช่น ไข้ทรพิษและกาฬโรค ได้กลายเป็นอดีตไปแล้ว คางทูม ไอกรน เตรียมตัวไปที่นั่น แต่เราไม่ควรผ่อนคลายเพราะเรายังเผชิญกับความท้าทายต่างๆ มากมายที่ต้องได้รับคำตอบ แล้วจะพบเขา เพราะทุกสิ่งกำลังมุ่งสู่สิ่งนี้
