RNA-Polymerasen

RNA-Polymerasensind in der RegelProteinkomplexe,die alsEnzymebeim Aufbau des strangförmigenPolymerseinerRibonukleinsäure(RNA) aus ihren Grundbausteinen (Ribonukleotide) mitwirken. Diese aus mehreren Untereinheiten zusammengesetztenPolymerasenwerden danach unterschieden, ob sie für ihre Wirkung bei der Synthese eines RNA-Stranges von der Vorlage einerMatrizeausDNAoder RNA abhängig sind oder nicht. DNA-abhängige RNA-Polymerasen spielen eine wesentliche Rolle bei derTranskriptionund kommen daher in allen Lebewesen vor.

RNA-Polymerasen
Oberflächenmodell des RNA-Polymerase-II-Komplexes derBäckerhefe(jede der 10 Untereinheiten unterschiedlich gefärbt), nach PDB 3G1G; RNA (links) und DNA (links+rechts) als Cartoon
Enzymklassifikationen
EC, Kategorie	2.7.7.6,Nukleotidyltransferase
Substrat	Nucleosidtriphosphat + RNAn
Produkte	Diphosphat + RNAn+1
EC, Kategorie	2.7.7.48,Nukleotidyltransferase
Reaktionsart	Addition einer Ribonukleinsäure
Substrat	Nucleosidtriphosphat + RNAn
Produkte	Diphosphat + RNAn+1

Für dieRNA-Welt-HypotheseHypothese von Bedeutung sindRibozyme(d. h. enzymatisch wirksame RNAs), die als RNA-Polymerasen wirken.

Bakterielle DNA-abhängige RNA-Polymerasen

BeiBakteriengibt es eineDNA-abhängige RNA-Polymerase,die an derExpressionallerGenebeteiligt ist. DieprokaryotischeRNA-Polymerase besteht aus den Untereinheiten α, β, β' und dem σ-Faktor, wobei die α-Untereinheit zweimal vorliegt, die anderen je einmal. Das α₂-Dimerist für den Zusammenbau (Assembly) der anderen Untereinheiten notwendig und bindet regulatorische Proteine, die β-Untereinheit bindet dieNucleosid-5'-triphosphate undkatalysiertdie Bildung der Phosphodiesterbindung, die β'-Untereinheit hat DNA-bindende Funktion. Der σ-Faktor schließlich erkennt und bindet an denPromotor.Unter Stressbedingungen werden andere σ-Faktoren eingesetzt; diese können an die speziellen Promotoren besonderer Gene binden. BeiEscherichia colietwa wird der Hitzeschockgenpromotor durch die normale RNA-Polymerase mit der σ70-Untereinheit nicht erkannt, jedoch durch eine σ32-RNA-Polymerase, die bei einem Hitzeschock aktiv ist.

Für die Synthese der RNA-Primerder Replikation haben Bakterien eine zusätzlicheDNA-abhängige RNA-Polymerase,diePrimaseDnaG.

Eukaryotische DNA-abhängige RNA-Polymerasen

BeiEukaryotengibt es mehrere verschiedene FormenDNA-abhängige RNA-PolymerasenimZellkern:

• dieRNA-Polymerase Ikatalysiert die Bildung von prä-rRNA45S (wird prozessiert zu 18S, 5.8S und 28S) imNucleolus;
• dieRNA-Polymerase IIkatalysiert die Bildung von prä-mRNA,snoRNAs(small nucleolar RNAs) und manchersnRNAs(small nuclear RNA) sowiesiRNAundmiRNA;
• dieRNA-Polymerase IIIkatalysiert die Bildung vontRNA,5S-rRNA,7SL-RNA,einiger snRNAs und anderer kleiner RNAs;
• dieRNA-Polymerase IVkatalysiert die Bildung von siRNA und wird dabei von derRNA-Polymerase Vunterstützt.

Die RNA-Polymerasen II und III werden durch das in verschiedenen Pilzen vorkommende α-Amanitingehemmt.

Virale RNA-abhängige RNA-Polymerasen

Daneben existieren auchRNA-abhängige RNA-Polymerasen,die bei der Vermehrung des Erbguts vonRNA-Virenhelfen.

Unabhängige RNA-Polymerasen

Ein Beispiel für eineunabhängige RNA-Polymeraseist diePoly(A)-Polymerase,die für diePolyadenylierungder mRNA sorgt.

Biochemische Aspekte

RNA-Polymerasen verfügen über einen einfachen Mechanismus zur Fehlererkennung: Wenn sich an eine Base der DNA ein unpassendes RNA-Nukleotidanlagert, so verbleibt die RNA-Polymerase länger an der entsprechenden DNA-Stelle. Dadurch wächst die Wahrscheinlichkeit, dass sich das schlecht gepaarteRibonukleotidwieder von der DNA entfernt. Insgesamt wird durch diesen Mechanismus eine Genauigkeit von einem Fehler auf 10.000 Basenpaarungen erreicht. Dies entspricht etwa einem Fehler pro synthetisiertem RNA-Molekül.

Die RNA-Synthese erfolgt wie die der DNA-Replikationin5'→3'-Richtung,womit das3'-Endedes komplementären DNA-Strangabschnitts (bei der Replikation als „Leitstrang “bezeichnet) dem5'-EndedermRNAsowie demN-terminalen Endedes bei derTranslationentstehenden Proteins (Colinearität) entspricht und umgekehrt, das 5'-Ende des abgelesenen DNA-Strangabschnitts also dem 3'-Ende der entstandenen mRNA sowie demC-Terminusdes Proteins entspricht.

Anders gesagt, wird die RNA-Sequenz damit entlang des komplementären DNA-„Leitstrangs “als Matrize von dessen 3'- zu seinem 5'-Endegelesenund dabei selbst in 5´→3´-Richtungsynthetisiert,wie dann auch als mRNA in 5´→3´-Richtung vomRibosomabgelesen und in das Protein übersetzt (N-terminal →C-terminal), was es z. B.Bakterienermöglicht, an einer noch gar nicht komplett fertiggestellten mRNA an deren 5'-Ende bereits mit der Proteinsynthese zu beginnen.

Im Unterschied zur Replikation der DNA und derenDNA-Polymerasenjedoch benötigen RNA-Polymerasen hierzu kein freies 3'-OH und somit auch keinePrimer.

Die RNA-Polymerasen sind komplex aufgebaut. Bei der Hefe (Saccharomyces) sind zehn verschiedenePolypeptid-Ketten, derenMolekularmassezwischen 7.700 und 140.000Daltonliegen,Magnesium,Zinksowie zwei DNA-Ketten beteiligt. Insgesamt besteht diese RNA-Polymerase aus über 28.000 Atomen.

BeiEscherichia coliwird der RNA-Strang durch die RNA-Polymerase mit einer Rate von ca. 50 Nukleotiden pro Sekunde (17 nm/s) verlängert.

Für die Aufklärung des Mechanismus derTranskriptionmittels der RNA-Polymerase erhielt der US-amerikanische ChemikerRoger D. Kornberg2006 denNobelpreis für Chemie.

RNA-abhängige RNA-Polymerase-Ribozyme

Die Entdeckung von RNA-PolymeraseRibozymen(d. h. als RNA-Polymerase katalytisch wirksamerRNA) mit ausreichend hoher Wiedergabetreue durch Papastavrouet al.amSalk Institute(2024) ist für dieRNA-Welt-Hypothesevon großer Bedeutung, da sie Voraussetzung für eine RNA-katalysierte Evolution der Ribozyme ist.

Einzelnachweise

RNA-Polymerasen

RNA-Polymerase I• RNA-Polymerase II• RNA-Polymerase III• RNA-Polymerase IV• RNA-Polymerase V