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8.4:

RNA polimerasi batterica

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Biologie moléculaire
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Bacterial RNA Polymerase

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Un gene in forma di DNA deve prima essere convertito in un RNA messaggero, in un processo chiamato, trascrizione. L’mRNA è poi tradotto da un ribosoma per produrre proteine. La proteina che trascrive il DNA nell’RNA è chiamata una RNA polimerasi.L’enzima del nucleo della RNA polimerasi batterica consiste di cinque subunità polipeptidiche, due subunità identiche alfa, subunità beta e beta prime, e una subunità omega. Un fattore di trascrizione, chiamato sigma, si associa con l’enzima nucleare per produrre l’oloenzima RNA polimerasi. Per iniziare la trascrizione, l’oloenzima RNA polimerasi si lega non specificamente al DNA con bassa affinità.Scorre quindi lungo il DNA per localizzare la sequenza del promotore. Quando incontra il promotore, in particolare le regioni meno 10 e meno 35, a monte del sito di inizio, la subunità sigma della RNA polimerasi si lega strettamente al promotore 00:01-07.410 00:01:12.270 e svolge il DNA per formare il complesso promotore aperto. L’oloenzima RNA polimerasi, ora posizionato al sito di inizio della trascrizione, sintetizza l’RNA trascritto, aggiungendo i nucleotidi complementari allo stampo di DNA.Una volta sintetizzata una catena di RNA lunga 10 nucleotidi, il fattore sigma viene rilasciato. L’enzima centrale della RNA polimerasi continua ad aggiungere i nucleotidi all’RNA in crescita. Transcritto mentre la polimerasi avanza, il DNA viene continuamente svolto, davanti all’enzima, e riavvolto, dietro di esso.Il processo continua fino a quando il gene viene trascritto e il nucleo polimerasi incontra il segnale di termine. Il segnale di termine più comune è una ripetizione simmetrica invertita di una sequenza ricca di GC seguita da una coda di Poly A.Quando questa sequenza è trascritta in RNA, la base di sequenza auto-complementare si accoppia per formare una struttura ad anello di forcina per capelli stabile. La forcina destabilizza l’associazione dell’mRNA e del DNA stampo e fa sì che la polimerasi si arresti e si dissoci.Così, la bolla di trascrizione collassa e il DNA si riavvolge ad una doppia elica, e viene rilasciata la trascrizione pre-mRNA appena formata.

8.4:

RNA polimerasi batterica

During the course of evolution, as organisms transitioned from an RNA genome into a DNA genome, two immediate requirements needed to be fulfilled. First, RNA-template dependent DNA synthesis, which forms the principal form of replication in retroviruses and is still observed in retrotransposable elements in humans. Second, DNA-template dependent RNA synthesis, which is carried out by RNA polymerase (RNAP) in both bacteria and eukaryotes.

Transcription can be divided into three main stages, each involving distinct DNA sequences to guide the polymerase. These are:

  1. Initiation, which involves two specific sequences 10 and 35 base pairs upstream of the gene, called promoters.
  2. Elongation, where the polymerase proceeds along the DNA template, synthesizing mRNA in the 5′ to 3′ direction.
  3. Termination, in which the polymerase encounters a region rich in C–G nucleotides and stops mRNA synthesis.

Bacterial RNAP carries out all three steps in conjunction with other accessory proteins. While some RNA polymerases such as the viral T7 and N4 polymerases are composed of a single polypeptide chain, all organisms with cellular genomes have multisubunit polymerases that vary in size and complexity, depending on the structure of the genome. The multisubunit structure of the bacterial RNAP helps the enzyme to maintain catalytic function, facilitate assembly, interact with DNA and RNA, and self-regulate its activity. While it is a catalytically efficient enzyme, it does not recognize DNA sequences specifically. To help the RNAP recognize DNA sequences with high affinity, specialized proteins called transcription factors bind to particular regions of DNA to initiate and terminate transcription. Of all the specialized proteins that assist the RNAP, only one is conserved in all three domains of life- bacteria, archaea and eukaryotes. This transcription factor is called NusG in bacteria, Spt5 in archaea and SPT5 in eukaryotes.  NusG binds to RNA polymerase during initiation once the σ factor has dissociated. It regulates transcription processivity by controlling polymerase pausing. The universal conservation of NusG indicates that regulation of polymerase activity during elongation predated regulation of transcription initiation.

Suggested Reading

  1. Werner, Finn, and Dina Grohmann. "Evolution of multisubunit RNA polymerases in the three domains of life." Nature Reviews Microbiology 9, no. 2 (2011): 85.
  2. Burton, Zachary F. Evolution Since Coding: Cradles, Halos, Barrels, and Wings. Academic Press, 2017.
  3. Tomar, Sushil Kumar, and Irina Artsimovitch. "NusG-Spt5 Proteins Universal Tools for Transcription Modification and Communication." Chemical reviews 113, no. 11 (2013): 8604-8619.