RNA-polymerase: het enzym voor transcriptie van DNA naar mRNA

Leer hoe RNA-polymerase DNA in mRNA omzet, werking, functies en belang voor celprocessen en biotechnologie.

RNA polymerase (RNAP) is het enzym dat de transcriptie uitvoert.De Nobelprijs voor Scheikunde van 2006 werd toegekend aan Roger D. Kornberg voor het maken van gedetailleerde moleculaire beelden van RNA polymerase tijdens verschillende stadia van het transcriptieproces.

Met behulp van enkele andere moleculen maakt het uit een streng DNA boodschapper-RNA. Dit is zijn belangrijkste functie, maar het doet nog verschillende andere dingen. Producten van RNAP zijn onder andere:

Welke producten maakt RNA-polymerase?

• mRNA (boodschapper-RNA): codeert voor eiwitten en wordt later vertaald door ribosomen.
• rRNA (ribosomaal RNA): bouwsteen van ribosomen.
• tRNA (transfer-RNA): brengt aminozuren naar het ribosoom tijdens de eiwitsynthese.
• snRNA en snoRNA: korte RNA's betrokken bij splicing en modificatie van andere RNA's.
• miRNA precursors en andere kleine regulatorische RNA's: betrokken bij genregulatie.
• lncRNA (lange niet-coderende RNA's): hebben vaak regulerende functies in de cel.

Verschillende typen RNA-polymerase

Organismen bezitten vaak meerdere soorten RNAP met verschillende taken. Bij bacteriën is er meestal één type RNAP, bestaande uit een kernenzym plus een sigma-factor voor promoterherkenning. Eukaryoten hebben minstens drie grote polymerasen: RNA-polymerase I (maakt rRNA), RNA-polymerase II (maakt mRNA en veel niet-coderende RNA's) en RNA-polymerase III (maakt tRNA en kleine RNA's). Archaea hebben RNAP-complexen die qua opbouw meer lijken op die van eukaryoten.

Structuur en katalyse

RNA-polymerase is een groot eiwitcomplex met een gespecialiseerd actieve centrum dat NTP's (nucleoside-trifosfaten) aan elkaar koppelt om een RNA-keten te vormen. De katalyse vereist meestal divalent metaalionen (zoals Mg2+). De structuur van RNAP bevat kanalen voor het binden van DNA, het invoeren van NTP's en het afvoeren van het gevormde RNA.

Het transcriptieproces in stappen

• Initiatie: RNAP (en bij eukaryoten: algemene transcriptiefactoren) herkent en bindt aan een promoter. Daarna opent het DNA om ruimte te maken voor de eerste paar basen van het RNA.
• Elongatie: RNAP beweegt langs de DNA‑template en voegt nucleotiden toe aan de 3'-kant van het groeiende RNA. Tijdens elongatie kan RNAP backtracken en heeft het mechanismen voor proofreading.
• Terminatie: Transcriptioneel stoppen gebeurt op verschillende manieren: in bacteriën kan dit rho-afhankelijk of rho-onafhankelijk zijn; in eukaryoten hangt het vaak samen met RNA‑verwerking (zoals 3'-eindverwerking en polyadenylering) en factoren die RNAP II vrijgeven.

Regulatie van transcriptie

Transcriptionele regulatie bepaalt welke genen wanneer en hoeveel worden afgeschreven. Belangrijke elementen zijn:

• Promoters en enhancers in het DNA die de binding van RNAP en regulerende factoren sturen.
• Transcriptiefactoren die helpen RNAP te rekruteren of juist blokkeren.
• Chromatine-structuur en epigenetische modificaties (zoals DNA-methylering en histonmodificaties) die de toegankelijkheid van DNA veranderen.
• Cellulaire signalen die via signaaltransductieroutes de activiteit en samenstelling van transcriptiecomplexen beïnvloeden.

Biologische en medische relevantie

RNAP is essentieel voor leven: zonder transcriptie geen eiwitsynthese. Daarom zijn sommige polymerase-functies doelwit van medicijnen en toxines. Voorbeelden:

• Rifampicine remt bacteriële RNAP en wordt gebruikt als antibioticum.
• Alpha-amanitine (uit sommige paddenstoelen) remt RNAP II en is zeer giftig voor eukaryote cellen.
• Mutaties in RNAP-subunits of in factoren die transcriptie reguleren kunnen leiden tot ziektes of ontwikkelingsstoornissen.

Onderzoek en toepassingen

Moderne technieken zoals röntgendiffractie en cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) leverden de gedetailleerde beelden op basis waarvan de Nobelprijs van 2006 werd toegekend. In het laboratorium wordt RNAP veel gebruikt voor in vitro-transcriptie, het maken van RNA-moleculen voor onderzoek en biotechnologie, en voor studies naar genregulatie en medicijnontwikkeling.

Samengevat: RNA-polymerase is het centrale enzym van transcriptie dat DNA in diverse soorten RNA omzet. Het mechanisme, de regulatie en de structuur van RNAP zijn sleutelonderwerpen in moleculaire biologie en hebben grote implicaties voor gezondheidszorg en biotechnologie.

In eukaryoten

Eukaryoten hebben verschillende RNAP's in hun kernen, elk om een type RNA te synthetiseren. Ze lijken allemaal op elkaar en op het bacteriële RNAP:

• RNA-polymerase I synthetiseert een pre-rRNA dat de belangrijkste RNA-secties van het ribosoom zal vormen.
• RNA polymerase II synthetiseert voorlopers van mRNA's en de meeste snRNA's en microRNA's. Dit is het meest bestudeerde type. Het heeft een reeks transcriptiefactoren nodig om het aan promotors te binden.
• RNA polymerase III synthetiseert tRNA's, rRNA 5S en andere kleine RNA's in de kern en het cytosol.
• RNA polymerase IV synthetiseert siRNA in planten.
• RNA polymerase V synthetiseert RNA's die betrokken zijn bij siRNA-gestuurde heterochromatine-vorming in planten.

Eukaryote chloroplasten hebben een RNAP dat sterk lijkt op het bacteriële RNAP ("plastid-encoded polymerase"). Eukaryote chloroplasten hebben ook een tweede, niet verwante RNAP.

Eukaryote mitochondriën bevatten een niet-verwant RNAP (lid van de "single-subunit RNAP" eiwit familie).

Uit röntgenkristallografie van DNA- en RNA-polymerasen blijkt dat zij, afgezien van een Mg²⁺ -ion op de katalytische plaats, vrijwel niet aan elkaar verwant zijn. De twee klassen van enzymen zijn dus tweemaal onafhankelijk ontstaan in de vroege evolutie van cellen. De ene lijn leidde tot de moderne DNA polymerases en reverse transcriptases. De andere lijn leidde tot alle moderne cellulaire RNA-polymerasen.

 
Structuur van eukaryotisch RNA polymerase II (lichtblauw) in complex met α-amanitine (rood), een sterk gif dat voorkomt in doodshoofdpaddenstoelen en dat dit vitale enzym aanpakt.  

Zoek op letter