РНК-зависимая РНК-полимераза (RdRP от англ. RNA-dependent RNA-polymerase), или РНК репликаза — фермент, катализирующий репликацию РНК (синтез РНК по матрице РНК). Использование РНК в качестве матрицы принципиально отличает РНК репликазу от более распространенной среди современных живых организмов ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которая катализирует транскрипцию (синтез РНК с использованием в качестве матрицы ДНК).
РНК-зависимые РНК-полимеразы (RdRp) — важнейшие ферменты, закодированные в геноме всех РНК-содержащих вирусов, жизненный цикл которых протекает без стадии ДНК.[2][3] РНК-зависимая РНК-полимераза катализирует синтез РНК, комплементарной данной РНК-матрице. Процесс репликации РНК включает в себя две стадии. На первой стадии (инициация) начинается синтез РНК на или вблизи 3'-конца РНК-матрицы по праймер-независимому (de novo), или праймер-зависимому механизму (в данном случае в качестве праймера используется вирусный геном-связанный белок (VPg; от англ. viral protein genome-linked). При инициации de novo происходит добавление нуклеозидтрифосфата (НТП) к 3'-OH концу первого, инициирующего нуклеозидтрифосфата. В течение последующей стадии (элонгация) происходит наращивание дочерней РНК в ходе последовательного переноса нуклеозидтрифосфатов, которое завершается созданием комплементарного исходной матрице РНК-продукта.[4][5]
История
Вирусные РНК-зависимые РНК-полимеразы были открыты в начале 1960-х годов в исследованиях группы Mengovirus и вируса полиомиелита. В ранних работах было отмечено, что данные вирусы не чувствительны к актиномицину D, препарату, ингибирующему клеточный ДНК-зависимый синтез РНК (транскрипция). В результате было высказано предположение, что у данных вирусов имеется специфический фермент, катализирующий синтез РНК и использующий непосредственно РНК в качестве матрицы (без формирования ДНК-матрицы).
Наиболее изученный фермент данного класса — это РНК-зависимая РНК-полимераза вируса полиомиелита. Геном вируса образован РНК, которая проникает в клетку путем эндоцитоза, опосредованного узнаванием специальных рецепторов на поверхности клетки. В цитоплазме клетки вирусная РНК может выступать в качестве матрицы для синтеза дочерней РНК. Образовавшиеся дочерние комплементарные цепи также могут служить матрицами для воспроизведения новых вирусных геномов. По окончании воспроизведения геномов происходит их упаковка и высвобождение из клетки. Высвободившиеся дочерние вирионы способны инфицировать новые клетки. Преимуществом данной схемы жизненного цикла является отсутствие стадии вирусной ДНК, благодаря чему репликация вируса осуществляется быстрее. Одновременно с этим отсутствие стадии ДНК может считаться и недостатком, поскольку делает невозможным воспроизведение новых вирионов при разрушении вирусной РНК.
Многие РНК-зависимые РНК-полимеразы тесно ассоциированы с мембранами, что значительно осложняет их выделение и изучение. Самые известные РНК-зависимые РНК-полимеразы — это: 3Dpol вируса полиомиелита, РНК-зависимая РНК-полимераза вируса везикулярного стоматита и NS5B вируса гепатита C.
Многие эукариоты тоже имеют РНК-зависимые РНК-полимеразы, участвующие в РНК-интерференции. У эукариот данные РНК-полимеразы амплифицируют микроРНК, малые временные РНК, образующие двухцепочечные РНК при участии малых интерферирующих РНК в качестве праймеров.[6] Интересно, что данные РНК-зависимые РНК-полимеразы могут использоваться вирусами с целью репликации собственного генетического материала.
РНК-зависимые РНК-полимеразы высоко консервативны среди вирусов и обладают значительной гомологией с теломеразой эукариот, хотя причина такой высокой консервативности у столь разнообразных организмов остается дискуссионной.[7] Схожесть аминокислотных последовательностей этих ферментов привела к предположениям о происхождении теломеразы от РНК-зависимой РНК-полимеразы вирусов, однако данное предположение остается спекулятивным и не имеет точных подтверждений.
Структура
Все РНК-зависимые РНК-полимеразы и многие ДНК-зависимые РНК-полимеразы имеют трехмерную организацию, которая по форме напоминает правую руку, при этом в ней можно выделить следующие домены: ладонь, четыре пальца и большой палец.[8] Только домен ладони, состоящий из четырех-тяжевого антипараллельного бета-листа и двух альфа-спиралей, консервативен у всех ферментов. В РНК-зависимых РНК-полимеразах, домен ладони включает три консервативных мотива (А, B и C). Мотив А (D-х(4,5)-D) и мотив С (GDD) пространственно сближены, а остатки аспарагиновой кислоты этих мотивов связывают Mg2+ и/или Mn2+. Остаток аспарагина в мотиве B участвует в различении рибонуклеоиздтрифосфатов от дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, что обеспечивает синтез РНК, а не ДНК.[9] Доменная организация[10] и 3D-структуры каталитического центра широкого спектра РНК-зависимых РНК-полимераз, даже с низкой общей гомологией остаются консервативны. Каталитический центр формируется из нескольких мотивов, содержащих ряд консервативных аминокислотных остатков.
Классификация
РНК-зависимые РНК-полимеразы можно обнаружить у следующих 4 групп РНК-содержащих вирусов (все РНК-содержащие вирусы без стадии ДНК):
- Вирусы, содержащие одноцепочечную (+) РНК ((+) ssRNA) или двунитевую РНК (dsRNA), за исключением ретровирусов и Birnaviridae. Сюда относятся семейства: Cystoviridae, Reoviridae, Hypoviridae, Partitiviridae, Totiviridae.
- Mononegavirales (вирусы с несегментированным геномом из одноцепочечной (-) РНК, (-) ssRNA)
- Вирусы с сегментированным геномом из одноцепочечной (-) РНК. К данной группе относятся ортомиксовирусы (в том числе вирусы гриппа А, В и С, Thogotoviruses и вирус анемии лосося), Arenaviruses, Bunyaviruses, Hantaviruses, Nairoviruses, Phleboviruses, Tenuiviruses и Tospoviruses.
- Семейство Birnaviridae геном которых представлен двуцепочечной РНК (dsRNA).
РНК-зависимые РНК-полимеразы в первом из вышеуказанных суперсемейств можно разделить на следующие три подгруппы:
- Одноцепочечные (+) РНК вирусы эукариот, без стадии ДНК
- РНК-содержащие бактериофаги. Можно выделить два семейства РНК-содержащих бактериофагов: Leviviridae ((+) ssRNA фаги) и Cystoviridae (dsRNA фаги)
- Семейство Reoviridae вирусов dsRNA.
У флавивирусов в одноцепочечном РНК геноме закодирован полипротеин, который затем расщепляется на ряд продуктов, одним из которых является NS5. Рекомбинантный белок NS5 из вирус денге типа 1, экспрессировавшийся в кишечной палочке обладает РНК-зависимой РНК-полимеразной активностью. Данная РНК-зависимая РНК-полимераза обладает несколькими регионами и мотивами, гомологичными другим РНК-зависимым РНК-полимеразам.[11]
См. также
Примечания
- ↑ Akutsu, M; Ye, Y; Virdee, S; Chin, JW; Komander, D. Molecular basis for ubiquitin and ISG15 cross-reactivity in viral ovarian tumor domains (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2011. — February (vol. 108, no. 6). — P. 2228—2233. — doi:10.1073/pnas.1015287108. — PMID 21266548. — PMC 3038727.
- ↑ Koonin E.V., Gorbalenya A.E., Chumakov K.M. Tentative identification of RNA-dependent RNA polymerases of dsRNA viruses and their relationship to positive strand RNA viral polymerases (англ.) // FEBS Lett.[англ.] : journal. — 1989. — July (vol. 252, no. 1—2). — P. 42—6. — doi:10.1016/0014-5793(89)80886-5. — PMID 2759231.
- ↑ Zanotto P.M., Gibbs M.J., Gould E.A., Holmes E.C. A reevaluation of the higher taxonomy of viruses based on RNA polymerases (англ.) // J. Virol.[англ.] : journal. — 1996. — September (vol. 70, no. 9). — P. 6083—6096. — PMID 8709232. — PMC 190630.
- ↑ Z; Jin; Leveque, V; Ma, H; Johnson, K. A.; Klumpp, K. Assembly, purification, and pre-steady-state kinetic analysis of active RNA-dependent RNA polymerase elongation complex (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — 2012. — Vol. 287, no. 13. — P. 10674—10683. — doi:10.1074/jbc.M111.325530. — PMID 22303022. — PMC 3323022.
- ↑ Kao C.C., Singh P., Ecker D.J. De novo initiation of viral RNA-dependent RNA synthesis (англ.) // Virology : journal. — 2001. — September (vol. 287, no. 2). — P. 251—260. — doi:10.1006/viro.2001.1039. — PMID 11531403.
- ↑ Iyer L.M., Koonin E.V., Aravind L. Evolutionary connection between the catalytic subunits of DNA-dependent RNA polymerases and eukaryotic RNA-dependent RNA polymerases and the origin of RNA polymerases (англ.) // BMC Struct. Biol.[англ.] : journal. — 2003. — January (vol. 3). — P. 1. — doi:10.1186/1472-6807-3-1. — PMID 12553882. — PMC 151600.
- ↑ Suttle C.A. Viruses in the sea (англ.) // Nature. — 2005. — September (vol. 437, no. 7057). — P. 356—361. — doi:10.1038/nature04160. — PMID 16163346.
- ↑ Structure of the RNA-dependent RNA polymerase of poliovirus (англ.) // Structure : journal. — 1997. — August (vol. 5, no. 8). — P. 1109—1122. — doi:10.1016/S0969-2126(97)00261-X. — PMID 9309225.
- ↑ Poliovirus RNA-dependent RNA polymerase (3Dpol): structural, biochemical, and biological analysis of conserved structural motifs A and B (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 2000. — August (vol. 275, no. 33). — P. 25523—25532. — doi:10.1074/jbc.M002671200. — PMID 10827187.
- ↑ Analysis of RNA-dependent RNA polymerase structure and function as guided by known polymerase structures and computer predictions of secondary structure (англ.) // Virology : journal. — 1998. — December (vol. 252, no. 2). — P. 287—303. — doi:10.1006/viro.1998.9463. — PMID 9878607.
- ↑ Recombinant dengue type 1 virus NS5 protein expressed in Escherichia coli exhibits RNA-dependent RNA polymerase activity (англ.) // Virology : journal. — 1996. — February (vol. 216, no. 2). — P. 317—325. — doi:10.1006/viro.1996.0067. — PMID 8607261.
Ссылки
Эта статья использует текст из общественное достояние Pfam и InterPro IPR000208
![RNA Replicase structure PDB 3PHU.[1]](%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Orthonairovirus_RdRP_OTU_domain_3PHU.png)
