RNA-Polymerase

Prokaryoten

Prokaryoten verfügen über eine einzelne RNA-Polymerase, die alle kodierenden (mRNA) und nicht-kodierenden (z.B. rRNA) RNA-Transkripte herstellt. Das Core-Enzym der RNA-Polymerase hat eine molekulare Masse von etwa 400 kDa und besteht aus fünf Untereinheiten:

• zwei Kopien der alpha-Untereinheit (α und α')
• zwei unterschiedliche beta-Untereinheiten, die durch verschiedene Gene kodiert werden (β: Gen rpoB; β': Gen rpoC)
• eine Omega-Einheit (ω-Einheit)

Das Core-Enzym bildet zusammen mit einem Sigma-Faktor ein Holoenzym, das spezifisch die Promotorsequenz erkennt und daran bindet; dabei lotst der Sigma-Faktor als die RNA-Polymerase an die DNA für den richtigen Transkriptionsstart.

Eukaryoten

Eukaryoten verfügen über vier verschiedene DNA-abhängige RNA-Polymerasen, die sich in ihrer Lokalisation und der zu synthetisierenden RNA unterscheiden:

• RNA-Polymerase I: Synthetisiert im Zellkern prä-ribosomale RNA (45S), die später zu den 5.8S, 18S und 28S rRNA Untereinheiten heranreift
• RNA-Polymerase II: An der Transkription von hnRNA (mRNA-Vorläufer), snRNA sowie snoRNA beteiligt
• RNA-Polymerase III: stellt die Transfer-RNA (tRNA) sowie die 5S-rRNA Untereinheit im Zellkern her
• mitochondriale RNA-Polymerase: Lokalisiert in den Mitochondrien und synthetisiert die mitochondriale RNA (mtRNA)

Außerdem verfügen Eukaryonten über eine matrizenunabhängige RNA-Polymerase, die Poly(A)-Polymerase.

Der Ablauf der Transkription wird im Allgemeinen in drei Phasen unterteilt:

• Initiation
• Elongation
• Termination

Im Folgenden werden die Vorgänge bei der mRNA-Transkription von Eukaryoten beschrieben, da hierbei am besten das Wechselspiel zwischen Polymerase und Transkriptionsfaktoren deutlich wird.

Initiation

Im Gegensatz zu DNA-Polymerasen, benötigen RNA-Polymerasen keinen RNA-Primer. Eine spezifische DNA-Sequenz, der sog. Promotor, dient der RNA-Polymerase als Markierung für den Startpunkt. Sie benötigt zahlreiche Transkriptionsfaktoren als Hilfsproteine: Allgemeine Transkriptionsfaktoren zur Bindung an basale Promotorelemente, sowie spezifische Transkriptionsfaktoren zur Bindung an proximale und distale Promotorelemente.

Vor Beginn der RNA-Synthese muss der korrekte Startpunkt eines jeweils zu exprimierenden Gens erkannt werden. Hierzu sind auf der DNA verschiedene basale Promotorelemente vorhanden, u.a. das TFIIB Recognition Element (BRE), eine TATA-Box und Downstream Promotor Elemente (DP-Elemente). Diese basalen Promotorelemente in unmittelbarer Nähe zum Startpunkt müssen nicht alle in einer Promotorregion vorhanden sein, außerdem sind noch nicht alle initiierenden Regionen entschlüsselt.

Nach Bindung des allgemeinen Transkriptionsfaktors TFIID an die Promotorregion, lagern sich weitere allgemeine Transkriptionsfaktoren (u.a. TFIIB, TFIIA, TFIIH, TFIIE) und die RNA-Polymerase II an, und bilden gemeinsam den Präinitiationskomplex (PIK, englisch PIC). TFIIH besitzt eine Helikasefunktion und entwindet so die DNA-Doppelhelix unter Hydrolyse von ATP. So bildet sich der offene Initiationskomplex, in der die eigentliche Synthese der RNA katalysiert werden kann.

Elongation

Bei der Elongation synthetisiert die RNA-Polymerase den Nukleinsäurestrang von 5’ nach 3’, d.h. die Leserichtung am Matrizenstrang (Minusstrang) ist von 3’ nach 5’. Der Gegenstrang, also der kodierende Strang eines Gens (Plusstrang,) wird nicht gelesen. Er ist aber entsprechend dem neu gebildeten RNA-Strang identisch, während der Minusstrang komplementär zu ihm ist. Der neue RNA-Strang enthält, wie alle RNA-Moleküle, Uracil statt Thymin.

Termination

Das Abbruchsignal liefert vermutlich eine palindromische DNA-Sequenz, den sogenannten Terminator. Über den genauen Vorgang der Termination ist bei eukaryotischen Lebewesen bisher allerdings wenig bekannt.

Der Synthesemechanismus bei der RNA-Synthese gleicht dem der DNA-Synthese. Es handelt sich um einen nukleophilen Angriff des Sauerstoff-Atoms der 3’-OH-Gruppe am Ende des RNA-Strangs auf das α-Phosporatom des jeweils neu anzulagernden Nukleosidtriphosphats unter Abgabe eines Pyrophosphats (PPi). Es entsteht eine Phosphorsäure-Esterbindung.

Bei Eukaryoten sind für die Regulation der Transkription eine Reihe spezieller Proteine erforderlich, die als Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden. Sie binden spezifisch an proximale Promotorelemente, wodurch die Transkription aktiviert wird. Distale Promotorelemente bewirken in der Regel eine Verstärkung (Enhancer), oder auch eine Verlangsamung (Silencer) der Transkription. Ausführlich wird dies im Artikel Genregulation beschrieben.

Die RNA-Polymerase arbeitet ungenauer als die DNA-Polymerase. Sie produziert mehr als 10⁴ mal mehr Fehler.^[1] Aufgrund der kurzen Halbwertszeit der RNA ist die hohe Fehlerrate jedoch weniger folgenreich. Die intrinsische Exonucleaseaktivität der RNA-Polymarase kann zudem ein falsch eingebautes Nukleotid wieder abspalten.

• Murakami KS.: Structural biology of bacterial RNA polymerase. Biomolecules. 2015 May 11;5(2):848-64. doi: 10.3390/biom5020848.
• Trinh V, Langelier MF, Archambault J, Coulombe B. Structural perspective on mutations affecting the function of multisubunit RNA polymerases. Microbiol Mol Biol Rev. 2006 Mar;70(1):12-36.