РНК-зависимая РНК-полимераза - RNA-dependent RNA polymerase

РНК-зависимая РНК-полимераза
Остановленная репликаза РНК HCV (NS5B) в комплексе с софосбувиром (PDB 4WTG).
Идентификаторы
ЕС нет.	2.7.7.48
№ CAS	9026-28-2
Базы данных
IntEnz	Просмотр IntEnz
BRENDA	BRENDA запись
ExPASy	Просмотр NiceZyme
КЕГГ	Запись в KEGG
MetaCyc	метаболический путь
ПРИАМ	профиль
Структуры PDB	RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология	Amigo / QuickGO
Поиск ЧВК статьи PubMed статьи NCBI белки

РНК-зависимой РНК - полимеразы ( RdRp ) или РНК - репликазы представляет собой фермент , который катализирует репликацию из РНК из РНК - матрицы. В частности, он катализирует синтез цепи РНК, комплементарной данной матрице РНК. Это контрастирует с типичными ДНК-зависимыми РНК-полимеразами , которые все организмы используют для катализа транскрипции РНК из матрицы ДНК .

RdRp - это важный белок, кодируемый в геномах всех РНК-содержащих вирусов без стадии ДНК, то есть РНК-вирусов , включая SARS-CoV-2 . Некоторые эукариоты также содержат RdRps, которые участвуют в РНК-интерференции и структурно отличаются от вирусных RdRps.

История

Вирусные RdRps были обнаружены в начале 1960-х годов в ходе исследований менговирусов и вирусов полиомиелита, когда было обнаружено, что эти вирусы не чувствительны к актиномицину D , лекарству, которое ингибирует клеточный ДНК-направленный синтез РНК. Это отсутствие чувствительности предполагает, что существует специфический для вируса фермент, который может копировать РНК с матрицы РНК, а не с матрицы ДНК.

Распределение

Структура и механизм удлинения репликации RdRp

RdRps высоко консервативны во всех вирусах и даже связаны с теломеразой , хотя причина этого остается под вопросом с 2009 года. Сходство привело к предположению, что вирусные RdRps являются предками теломеразы человека.

Самый известный пример RdRp - это вирус полиомиелита . Вирусный геном состоит из РНК, которая проникает в клетку через рецептор-опосредованный эндоцитоз . Оттуда РНК может немедленно действовать как матрица для синтеза комплементарной РНК. Таким образом, комплементарная цепь сама по себе может действовать как матрица для производства новых вирусных геномов, которые затем упаковываются и высвобождаются из клетки, готовые инфицировать большее количество клеток-хозяев. Преимущество этого метода репликации в том, что нет стадии ДНК; репликация выполняется быстро и легко. Недостатком является отсутствие «резервной» копии ДНК.

Многие RdRps прочно связаны с мембранами и поэтому трудны для изучения. Наиболее известными RdRps являются полиовирус 3Dpol, вирус L везикулярного стоматита и белок NS5B вируса гепатита С.

Многие эукариоты также имеют RdRps, и они участвуют в РНК-интерференции : они амплифицируют микроРНК и малые временные РНК и продуцируют двухцепочечную РНК с использованием малых интерферирующих РНК в качестве праймеров. Фактически, те же самые RdRps, которые используются в защитных механизмах, могут быть узурпированы РНК-вирусами для их блага. Рассмотрена их эволюционная история.

Процесс репликации

RdRp отличается от РНК-полимеразы, поскольку он работает, чтобы катализировать синтез цепи РНК, комплементарной данной матрице РНК, а не использовать матрицу ДНК. Как описано, процесс репликации РНК представляет собой четырехступенчатый механизм.

1. Связывание нуклеозидтрифосфата (NTP) - первоначально RdRp представляет собой свободный активный сайт, в котором связывается NTP, комплементарный соответствующему нуклеотиду на матричной цепи. Правильное связывание NTP заставляет RdRp претерпевать конформационные изменения.
2. Закрытие активного сайта - конформационное изменение, инициированное правильным связыванием NTP, приводит к ограничению доступа к активному сайту и создает каталитически компетентное состояние.
3. Образование фосфодиэфирной связи - два иона Mg ²⁺ присутствуют в каталитически активном состоянии и располагаются таким образом вокруг вновь синтезированной цепи РНК, что субстрат NTP может подвергаться фосфатидильному переносу и образовывать фосфодиэфирную связь с вновь синтезированной цепью. . При использовании этих ионов Mg ²⁺ активный центр больше не является каталитически стабильным, и комплекс RdRp переходит в открытую конформацию.
4. Транслокация - как только активный сайт открыт, цепь матрицы РНК может перемещаться на одну позицию через белковый комплекс RdRp и продолжать удлинение цепи путем связывания нового NTP, если иное не указано в шаблоне.

Синтез РНК может осуществляться с помощью праймер- независимого ( de novo ) или праймер-зависимого механизма, который использует праймер, связанный с вирусным белком, связанный с геномом (VPg). De Novo инициация состоит в добавлении нуклеозидтрифосфата (NTP) на 3'-ОН от первого инициирующего NTP. Во время следующей так называемой фазы элонгации эта реакция переноса нуклеотидила повторяется с последующими NTP для образования продукта комплементарной РНК. Окончание зарождающейся цепи РНК, продуцируемой RdRp, полностью не известно, однако было показано, что терминация RdRp не зависит от последовательности.

Одним из основных недостатков репликации РНК-зависимой РНК-полимеразы является огромное количество ошибок во время транскрипции. Известно, что RdRps имеет недостаточную точность порядка 10 ⁴ нуклеотидов, что считается прямым результатом его недостаточных способностей к корректуре. Такой высокий уровень вариабельности благоприятствует вирусным геномам, поскольку он позволяет патогену преодолевать защитные механизмы, выработанные хозяевами, пытающимися избежать инфекции, обеспечивая эволюционный рост.

Состав

Обзор структуры RdRp флавивируса на основе вируса Западного Нила (WNV) NS5Pol

Вирусные / прокариотические РНК-направленные РНК-полимеразы, наряду со многими ДНК-направленными полимеразами с одной субъединицей, используют складку, организация которой связана с формой правой руки с тремя субдоменами, называемыми пальцами, ладонью и большим пальцем. Только субдомен ладони, состоящий из четырехцепочечного антипараллельного бета-листа с двумя альфа-спиралями , хорошо консервативен среди всех этих ферментов. В RdRp субдомен ладони включает три хорошо консервативных мотива (A, B и C). Мотив A (Dx (4,5) -D) и мотив C (GDD) пространственно сопоставлены; в аспарагиновой кислоты остатки этих мотивов подразумеваются в связывании Mg ²⁺ и / или Mn ²⁺ . Аспарагин остаток мотива B участвует в выборе рибонуклеозидтрифосфаты более дНТФ и, таким образом, определяет , является ли синтезируется РНК , а не ДНК. Доменная организация и трехмерная структура каталитического центра широкого диапазона RdRps, даже с низкой общей гомологией последовательностей, сохраняются. Каталитический центр образован несколькими мотивами, содержащими ряд консервативных аминокислотных остатков.

Эукариотическая РНК-интерференция требует клеточной РНК-зависимой РНК-полимеразы (c RdRp). В отличие от «ручных» полимераз, они напоминают упрощенные многосубъединичные ДНК-зависимые РНК-полимеразы (DdRP), особенно в каталитических β / β 'субъединицах, в том, что они используют два набора β-цилиндров с двойным фунт на квадратный дюйм в активном центре. QDE1 ( Q9Y7G6 ) в Neurospora crassa , у которого оба ствола находятся в одной цепи, является примером такого фермента c RdRp. Бактериофаги- гомологи c RdRp, включая аналогично одноцепочечный DdRp yonO ( O31945 ), по-видимому, ближе к c RdRps, чем DdRP.

В вирусах

Структура и эволюция RdRp в РНК-вирусах и их суперсемействах

Существует 4 суперсемейства вирусов, которые охватывают все РНК-содержащие вирусы без стадии ДНК:

• Вирусы, содержащие РНК с положительной или двухцепочечной РНК, кроме ретровирусов и Birnaviridae
  • Все эукариотические вирусы с положительной цепью РНК без стадии ДНК
  • Все РНК-содержащие бактериофаги ; существует два семейства РНК-содержащих бактериофагов: Leviviridae (положительные фаги оцРНК ) и Cystoviridae (фаги дцРНК)
  • дсРНК вирус семья Reoviridae , Totiviridae , Hypoviridae , Partitiviridae
• Mononegavirales (вирусы с РНК с отрицательной цепью и несегментированными геномами; InterPro :  IPR016269 )
• Вирусы с отрицательной цепью РНК с сегментированными геномами ( InterPro :  IPR007099 ), такие как ортомиксовирусы и буньявирусы.
• семейство вирусов дцРНК Birnaviridae ( InterPro :  IPR007100 )

Флавивирусы продуцируют полипротеин из генома оцРНК. Полипротеин расщепляется на ряд продуктов, одним из которых является NS5, РНК-зависимая РНК-полимераза. Эта РНК-направленная РНК-полимераза обладает рядом коротких участков и мотивов, гомологичных другим РНК-направленным РНК-полимеразам.

РНК-репликаза, обнаруженная в вирусах оцРНК с положительной цепью, связана друг с другом, образуя три больших суперсемейства. Бирнавирусная РНК-репликаза уникальна тем, что в ней отсутствует мотив C (GDD) на ладони. Мононегавирусный RdRp (PDB 5A22) был автоматически классифицирован как аналог (+) - ssRNA RdRps, в частности, один из Pestivirus и один из Leviviridae . Буньявирусный мономер RdRp (PDB 5AMQ) напоминает гетеротримерный комплекс ортомиксовируса (Influenza; PDB 4WSB) RdRp.

Поскольку это белок, универсальный для РНК-содержащих вирусов, RdRp является полезным маркером для понимания их эволюции. Была рассмотрена общая структурная эволюция вирусного RdRps.

Рекомбинация

При тиражировании его (+) оцРНК генома , то полиовируса RdRp способен осуществлять рекомбинацию . Рекомбинация, по-видимому, происходит с помощью механизма выбора копии, в котором RdRp переключает (+) матрицы ssRNA во время синтеза отрицательной цепи. Частота рекомбинации частично определяется точностью репликации RdRp. Варианты RdRp с высокой точностью репликации показывают сниженную рекомбинацию, а RdRp с низкой точностью демонстрируют повышенную рекомбинацию. Рекомбинация путем переключения цепи RdRp также часто происходит во время репликации в (+) оцРНК растительных кармовирусов и томбусвирусов .

Внутригенная комплементация

Вирус Сендай (семейство Paramyxoviridae ) имеет линейный, одноцепочечный, негативный, несегментированный РНК-геном. Вирусный RdRp состоит из двух кодируемых вирусом субъединиц, меньшей P и большей L. Когда различные неактивные мутанты RdRp с дефектами по всей длине субъединицы L тестировались в парных комбинациях, в некоторых случаях наблюдалось восстановление синтеза вирусной РНК. комбинации. Это положительное взаимодействие LL называется внутригенной комплементацией и указывает на то, что белок L является олигомером в комплексе вирусной РНК-полимеразы.

Медикаментозная терапия

• RdRps можно использовать в качестве лекарственных мишеней для вирусных патогенов, поскольку их функция не является необходимой для выживания эукариот. Ингибируя функцию РНК-зависимой РНК-полимеразы, новые РНК не могут реплицироваться из цепи матрицы РНК, однако ДНК-зависимая РНК-полимераза останется функциональной.

• В настоящее время существуют противовирусные препараты против гепатита C и COVID-19, которые специально нацелены на RdRp. К ним относятся софосбувир и рибавирин против гепатита С и ремдесивир , единственный одобренный FDA препарат против COVID-19.

• Трифосфат GS-441524 является субстратом для RdRp, но не для полимераз млекопитающих. Это приводит к преждевременному обрыву цепи и подавлению репликации вируса. Трифосфат GS-441524 - это биологически активная форма пролекарства фосфата Ремдесивира . Ремдесивир классифицируется как аналог нуклеотида, в котором он действует, чтобы ингибировать функцию RdRp путем ковалентного связывания и прерывания терминации растущей РНК посредством ранней или отсроченной терминации или предотвращения дальнейшего удлинения полинуклеотида РНК. Это раннее завершение приводит к нефункциональной РНК, которая будет деградировать в результате нормальных клеточных процессов.

РНК-интерференция

Использование РНК-зависимой РНК-полимеразы играет важную роль в РНК-интерференции у эукариот, процессе, используемом для подавления экспрессии генов посредством связывания малых интерферирующих РНК ( миРНК ) с мРНК, что делает их неактивными. Эукариотический RdRp становится активным в присутствии dsRNA, однако RdRp присутствует только в избранном подмножестве эукариот, включая C. elegans и P. tetraurelia . Это присутствие dsRNA запускает активацию процессов RdRp и RNAi, инициируя инициацию транскрипции РНК через введение siRNAs в систему. У C. elegans siRNA интегрированы в комплекс RNA-индуцированного сайленсинга, RISC , который работает вместе с мРНК, нацеленными на вмешательство, для рекрутирования большего количества RdRps для синтеза большего количества вторичных siRNAs и подавления экспрессии генов.

Смотрите также

• Монстр Шпигельмана
• Ингибитор NS5B

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

• РНК + репликаза в предметных рубриках медицинской тематики Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
• EC 2.7.7.48