stringtranslate.com

РНК-зависимая РНК-полимераза

РНК-зависимая РНК-полимераза ( RdRp ) или РНК-репликаза — это фермент , катализирующий репликацию РНК с матрицы РНК. 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 с матрицы ДНК .

RdRp — это важный белок, закодированный в геномах большинства РНК-содержащих вирусов , у которых отсутствует стадия ДНК, [1] [2], 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 менговируса и вируса полиомиелита , когда было замечено, что эти вирусы не чувствительны к актиномицину D , препарату, который ингибирует клеточный ДНК-направленный синтез РНК. Это отсутствие чувствительности предполагает действие вирусоспецифического фермента, который может копировать РНК с шаблона РНК. [3]

Распределение

RdRps высококонсервативны в вирусах и связаны с теломеразой , хотя причина этого оставалась под вопросом с 2009 года. [ 4] Сходство привело к предположению, что вирусные RdRps являются предками человеческой теломеразы. [5]

Самый известный пример RdRp — вирус полиомиелита . Вирусный геном состоит из РНК, которая проникает в клетку через рецептор-опосредованный эндоцитоз . Оттуда РНК действует как шаблон для комплементарного синтеза РНК. Комплементарная цепь действует как шаблон для производства новых вирусных геномов, которые упаковываются и высвобождаются из клетки, готовые заразить больше клеток-хозяев. Преимущество этого метода репликации заключается в том, что никакая стадия ДНК не усложняет репликацию. Недостаток заключается в том, что недоступна «резервная» копия ДНК. [6]

Многие RdRps тесно связаны с мембранами, что затрудняет их изучение. Наиболее известными RdRps являются полиовирусный 3Dpol, вирус везикулярного стоматита L, [7] и белок NS5B вируса гепатита C.

У многих эукариот есть RdRps, которые участвуют в РНК-интерференции : они амплифицируют микроРНК и малые временные РНК и производят двухцепочечную РНК, используя малые интерферирующие РНК в качестве праймеров. [8] Эти RdRps используются в защитных механизмах и могут быть присвоены РНК-вирусами. [9] Их эволюционная история предшествует расхождению основных эукариотических групп. [10]

Репликация

RdRp отличается от ДНК-зависимой РНК-полимеразы тем, что катализирует синтез РНК цепей, комплементарных заданному шаблону РНК. Процесс репликации РНК представляет собой четырехступенчатый механизм:

Синтез РНК может быть выполнен с помощью независимого от праймера ( de novo ) или зависимого от праймера механизма, который использует связанный с геномом вирусного белка (VPg) праймер. [13] Инициация de novo заключается в добавлении NTP к 3'-OH первой инициирующей NTP. [13] Во время следующей фазы удлинения эта реакция переноса нуклеотидила повторяется с последующими NTP для генерации комплементарного продукта РНК. Терминация зарождающейся цепи РНК, произведенной RdRp, полностью не известна, однако терминация RdRp не зависит от последовательности. [14]

Одним из основных недостатков РНК-зависимой репликации РНК-полимеразы является частота ошибок транскрипции. [13] RdRps не обладают точностью порядка 10 4 нуклеотидов, что, как полагают, является прямым результатом неадекватной проверки. [13] Такая частота вариаций благоприятна для вирусных геномов, поскольку позволяет патогену преодолевать защитные механизмы хозяина, пытаясь избежать заражения, что обеспечивает эволюционный рост. [15]

Структура

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

Вирусные/прокариотические RdRp, наряду со многими односубъединичными DdRp, используют складку, организация которой связана с формой правой руки с тремя субдоменами, называемыми пальцами, ладонью и большим пальцем. [16] Только субдомен ладони, состоящий из четырехцепочечного антипараллельного бета-слоя с двумя альфа-спиралями , хорошо сохраняется. В RdRp субдомен ладони включает три хорошо сохраняющихся мотива (A, B и C). Мотив A (Dx(4,5)-D) и мотив C (GDD) пространственно соседствуют; остатки аспарагиновой кислоты этих мотивов подразумеваются в связывании Mg 2+ и/или Mn 2+ . Остаток аспарагина мотива B участвует в выборе рибонуклеозидтрифосфатов по сравнению с dNTP и, таким образом, определяет, синтезируется ли РНК, а не ДНК. [17] Организация домена [18] и 3D-структура каталитического центра широкого спектра RdRps, даже тех, у которых общая гомология последовательностей низкая, сохраняются. Каталитический центр образован несколькими мотивами, содержащими консервативные аминокислотные остатки. [ необходима цитата ]

Эукариотическая РНК-интерференция требует клеточного RdRp (c RdRp). В отличие от полимераз «руки», они напоминают упрощенные многосубъединичные DdRP, особенно в каталитических субъединицах β/β', в том, что они используют два набора двойных psi β-стволов в активном центре. QDE1 ( Q9Y7G6 ) в Neurospora crassa , который имеет оба ствола в одной цепи, [19] является примером такого фермента ac RdRp. [20] Гомологи бактериофагов c RdRp, включая похожий одноцепочечный DdRp yonO ( O31945 ), по-видимому, ближе к c RdRps, чем DdRP. [8] [21]

Вирусы

Структура и эволюция RdRp в РНК-вирусах и их суперсемействах

Четыре суперсемейства вирусов охватывают все РНК-содержащие вирусы без стадии ДНК:

Флавивирусы производят полипротеин из генома ssRNA. Полипротеин расщепляется на ряд продуктов, одним из которых является NS5, RdRp. Он обладает короткими областями и мотивами, гомологичными другим RdRps. [22]

РНК-репликазы, обнаруженные в вирусах с положительной цепью одноцепочечной РНК, связаны друг с другом, образуя три больших суперсемейства. [23] Бирнавирусная РНК-репликация уникальна тем, что у нее отсутствует мотив C (GDD) в ладони. [24] Мононегавирусный RdRp (PDB 5A22) был автоматически классифицирован как аналогичный (+)−ssRNA RdRps, в частности, одному из Pestivirus и одному из Leviviridae . [25] Буньявирусный мономер RdRp (PDB 5AMQ) напоминает гетеротримерный комплекс ортомиксовирусного (гриппа; PDB 4WSB) RdRp. [26]

Поскольку этот белок универсален для РНК-содержащих вирусов, RdRp является полезным маркером для понимания их эволюции. [27] [28]

Рекомбинация

При репликации своего генома (+)ssRNA полиовирусный RdRp способен осуществлять рекомбинацию . Рекомбинация, по-видимому, происходит с помощью механизма выбора копирования, в котором RdRp переключает шаблоны (+)ssRNA во время синтеза отрицательной цепи. [29] Частота рекомбинации частично определяется точностью репликации RdRp. [30] Варианты RdRp с высокой точностью репликации демонстрируют сниженную рекомбинацию, а RdRps с низкой точностью демонстрируют повышенную рекомбинацию. [30] Рекомбинация путем переключения цепи RdRp часто происходит во время репликации в кармовирусах растений (+)ssRNA и вирусах томбуса . [31]

Внутригенная комплементарность

Вирус Сендай (семейство Paramyxoviridae ) имеет линейный, одноцепочечный, отрицательно-полярный, несегментированный РНК-геном. Вирусный RdRp состоит из двух вирус-кодируемых субъединиц, меньшей P и большей L. Тестирование различных неактивных мутантов RdRp с дефектами по всей длине субъединицы L в парных комбинациях позволило наблюдать восстановление синтеза вирусной РНК в некоторых комбинациях. [32] Это положительное взаимодействие L–L называется внутригенной комплементарностью и указывает на то, что белок L является олигомером в вирусном РНК-полимеразном комплексе. [ необходима цитата ]

Медикаментозная терапия

РНК-интерференция

Использование RdRp играет важную роль в РНК-интерференции у эукариот, процессе, используемом для подавления экспрессии генов посредством связывания малых интерферирующих РНК ( siRNAs ) с мРНК, что делает их неактивными. [36] Эукариотический RdRp становится активным в присутствии dsRNA и менее широко распространен, чем другие компоненты РНК-интерференции, поскольку он утрачен у некоторых животных, хотя все еще встречается у C. elegans , P. tetraurelia , [37] и растений . [38] Это присутствие dsRNA запускает активацию процессов RdRp и РНК-интерференции, инициируя инициацию транскрипции РНК посредством введения siRNAs. [37] У C. elegans siRNAs интегрированы в комплекс подавления, индуцированный РНК, RISC , который работает вместе с мРНК, нацеленными на вмешательство, для привлечения большего количества RdRps для синтеза большего количества вторичных siRNAs и подавления экспрессии генов. [39]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ См. клан Pfam для других семейств (+)ssRNA/dsRNA.
  2. ^ (−)ssРНК-полимераза.

Ссылки

  1. ^ Кунин EV, Горбаленя AE, Чумаков KM (июль 1989). "Предварительная идентификация РНК-зависимых РНК-полимераз вирусов dsRNA и их связь с вирусными полимеразами положительной цепи РНК". FEBS Letters . 252 (1–2): 42–46. doi :10.1016/0014-5793(89)80886-5. PMID  2759231. S2CID  36482110.
  2. ^ Zanotto PM, Gibbs MJ, Gould EA, Holmes EC (сентябрь 1996 г.). «Переоценка высшей таксономии вирусов на основе РНК-полимераз». Журнал вирусологии . 70 (9): 6083–6096. doi :10.1128 / JVI.70.9.6083-6096.1996. PMC 190630. PMID  8709232. 
  3. ^ Baltimore D, Franklin RM (октябрь 1963 г.). «Новая полимераза рибонуклеиновой кислоты, появляющаяся после заражения L-клеток менговирусом». Журнал биологической химии . 238 (10): 3395–3400. doi : 10.1016/S0021-9258(18)48679-6 . PMID  14085393.
  4. ^ Suttle CA (сентябрь 2005 г.). «Вирусы в море». Nature . 437 (7057): 356–361. Bibcode :2005Natur.437..356S. doi :10.1038/nature04160. PMID  16163346. S2CID  4370363.
  5. ^ Weiner AM (январь 1988). «Эукариотические ядерные теломеры: молекулярные ископаемые мира РНП?». Cell . 52 (2): 155–158. doi :10.1016/0092-8674(88)90501-6. PMID  2449282. S2CID  11491076.
  6. ^ Докинз Р. (1996). Слепой часовщик (PDF) (3-е изд.). Лондон: WW Norton&Company. стр. 129. ISBN 978-0-393-35309-9.
  7. ^ Timm C, Gupta A, Yin J (август 2015 г.). «Надежная кинетика РНК-вируса: скорости транскрипции задаются уровнями генома». Биотехнология и биоинженерия . 112 (8): 1655–1662. doi :10.1002/bit.25578. PMC 5653219. PMID 25726926  . 
  8. ^ ab Iyer LM, Koonin EV, Aravind L (январь 2003 г.). "Эволюционная связь между каталитическими субъединицами ДНК-зависимых РНК-полимераз и эукариотическими РНК-зависимыми РНК-полимеразами и происхождение РНК-полимераз". BMC Structural Biology . 3 : 1. doi : 10.1186/1472-6807-3-1 . PMC 151600 . PMID  12553882. 
  9. ^ Tan FL, Yin JQ (декабрь 2004 г.). «РНК-интерференция, новая терапевтическая стратегия против вирусной инфекции». Cell Research . 14 (6): 460–466. doi :10.1038/sj.cr.7290248. PMC 7092015. PMID  15625012 . 
  10. ^ Zong J, Yao X, Yin J, Zhang D, Ma H (ноябрь 2009 г.). «Эволюция генов РНК-зависимой РНК-полимеразы (RdRP): дупликации и возможные потери до и после расхождения основных эукариотических групп». Gene . 447 (1): 29–39. doi :10.1016/j.gene.2009.07.004. PMID  19616606.
  11. ^ abc Wu J, Gong P (январь 2018 г.). «Визуализация цикла добавления нуклеотидов вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы». Вирусы . 10 (1): 24. doi : 10.3390/v10010024 . PMC 5795437 . PMID  29300357. 
  12. ^ ab Shu B, Gong P (июль 2016 г.). «Структурная основа вирусного РНК-зависимого РНК-полимеразного катализа и транслокации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (28): E4005–E4014. Bibcode : 2016PNAS..113E4005S. doi : 10.1073 /pnas.1602591113 . PMC 4948327. PMID  27339134. 
  13. ^ abcd Venkataraman S, Prasad BV, Selvarajan R (февраль 2018 г.). "РНК- зависимые РНК-полимеразы: взгляд из структуры, функции и эволюции". Вирусы . 10 (2): 76. doi : 10.3390/v10020076 . PMC 5850383. PMID  29439438. 
  14. ^ Adkins S, Stawicki SS, Faurote G, Siegel RW, Kao CC (апрель 1998 г.). «Механистический анализ синтеза РНК РНК-зависимой РНК-полимеразой из двух промоторов выявляет сходство с ДНК-зависимой РНК-полимеразой». RNA . 4 (4): 455–470. PMC 1369631 . PMID  9630251. 
  15. ^ Fitzsimmons WJ, Woods RJ, McCrone JT, Woodman A, Arnold JJ, Yennawar M и др. (июнь 2018 г.). «Компромисс скорости и точности определяет скорость мутации и вирулентность РНК-вируса». PLOS Biology . 16 (6): e2006459. doi : 10.1371/journal.pbio.2006459 . PMC 6040757. PMID  29953453 . 
  16. ^ Hansen JL, Long AM, Schultz SC (август 1997). «Структура РНК-зависимой РНК-полимеразы полиовируса». Structure . 5 (8): 1109–1122. doi : 10.1016/S0969-2126(97)00261-X . PMID  9309225.
  17. ^ Gohara DW, Crotty S, Arnold JJ, Yoder JD, Andino R, Cameron CE (август 2000 г.). «Полиовирусная РНК-зависимая РНК-полимераза (3Dpol): структурный, биохимический и биологический анализ консервативных структурных мотивов A и B». Журнал биологической химии . 275 (33): 25523–25532. doi : 10.1074/jbc.M002671200 . PMID  10827187.
  18. ^ O'Reilly EK, Kao CC (декабрь 1998 г.). «Анализ структуры и функции РНК-зависимой РНК-полимеразы на основе известных структур полимеразы и компьютерных предсказаний вторичной структуры». Вирусология . 252 (2): 287–303. doi : 10.1006/viro.1998.9463 . PMID  9878607.
  19. ^ Sauguet L (сентябрь 2019 г.). «Расширенное суперсемейство полимераз с двумя стволами: структура, функция и эволюция». Журнал молекулярной биологии . 431 (20): 4167–4183. doi : 10.1016/j.jmb.2019.05.017 . PMID  31103775.
  20. ^ Вернер Ф., Громанн Д. (февраль 2011 г.). «Эволюция многосубъединичных РНК-полимераз в трех доменах жизни». Nature Reviews. Микробиология . 9 (2): 85–98. doi :10.1038/nrmicro2507. PMID  21233849. S2CID  30004345.
  21. ^ Forrest D, James K, Yuzenkova Y, Zenkin N (июнь 2017 г.). «Однопептидная ДНК-зависимая РНК-полимераза, гомологичная многосубъединичной РНК-полимеразе». Nature Communications . 8 : 15774. Bibcode :2017NatCo...815774F. doi :10.1038/ncomms15774. PMC 5467207 . PMID  28585540. 
  22. ^ Tan BH, Fu J, Sugrue RJ, Yap EH, Chan YC, Tan YH (февраль 1996 г.). «Рекомбинантный белок NS5 вируса лихорадки денге типа 1, экспрессируемый в Escherichia coli, проявляет РНК-зависимую РНК-полимеразную активность». Вирусология . 216 (2): 317–325. doi : 10.1006/viro.1996.0067 . PMID  8607261.
  23. ^ Кунин EV (сентябрь 1991). "Филогения РНК-зависимых РНК-полимераз вирусов с положительной цепью РНК". Журнал общей вирусологии . 72 ( Pt 9) (9): 2197–2206. doi : 10.1099/0022-1317-72-9-2197 . PMID  1895057.
  24. ^ Shwed PS, Dobos P, Cameron LA, Vakharia VN, Duncan R (май 2002 г.). «Белки VP1 вируса Бирнавируса образуют отдельную подгруппу РНК-зависимых РНК-полимераз, лишенных мотива GDD». Вирусология . 296 (2): 241–250. doi : 10.1006/viro.2001.1334 . PMID  12069523.
  25. ^ Структурные сходства сущностей в PDB 5A22. Архивировано 03.04.2019 на Wayback Machine .
  26. ^ Gerlach P, Malet H, Cusack S, Reguera J (июнь 2015 г.). «Структурные исследования репликации буньявируса и ее регуляции с помощью промотора vRNA». Cell . 161 (6): 1267–1279. doi :10.1016/j.cell.2015.05.006. PMC 4459711 . PMID  26004069. 
  27. ^ Вольф Ю.И., Казлаускас Д., Иранзо Дж., Люсия-Санс А., Кун Дж.Х., Крупович М. и др. (ноябрь 2018 г.). «Происхождение и эволюция глобального РНК-вирома». мБио . 9 (6). doi : 10.1128/mBio.02329-18. ПМК 6282212 . ПМИД  30482837. 
  28. ^ Черный Дж, Черна Болфикова Б, Вальдес Дж. Дж., Грубхоффер Л., Ружек Д. (2014). «Эволюция третичной структуры вирусных РНК-зависимых полимераз». ПЛОС ОДИН . 9 (5): е96070. Бибкод : 2014PLoSO...996070C. дои : 10.1371/journal.pone.0096070 . ПМК 4015915 . ПМИД  24816789. 
  29. ^ Киркегаард К, Балтимор Д (ноябрь 1986 г.). «Механизм рекомбинации РНК в полиовирусе». Cell . 47 (3): 433–443. doi :10.1016/0092-8674(86)90600-8. PMC 7133339 . PMID  3021340. 
  30. ^ ab Woodman A, Arnold JJ, Cameron CE, Evans DJ (август 2016 г.). «Биохимический и генетический анализ роли вирусной полимеразы в рекомбинации энтеровирусов». Nucleic Acids Research . 44 (14): 6883–6895. doi :10.1093/nar/gkw567. PMC 5001610. PMID  27317698 . 
  31. ^ Cheng CP, Nagy PD (ноябрь 2003 г.). «Механизм рекомбинации РНК в вирусах кармо- и томбуса: доказательства переключения шаблона РНК-зависимой РНК-полимеразой in vitro». Журнал вирусологии . 77 (22): 12033–12047. doi :10.1128/jvi.77.22.12033-12047.2003. PMC 254248. PMID  14581540 . 
  32. ^ Smallwood S, Cevik B, Moyer SA (декабрь 2002 г.). «Внутригенная комплементация и олигомеризация L-субъединицы РНК-полимеразы вируса Сендай». Вирусология . 304 (2): 235–245. doi : 10.1006/viro.2002.1720 . PMID  12504565.
  33. ^ Waheed Y, Bhatti A, Ashraf M (март 2013 г.). «РНК-зависимая РНК-полимераза вируса гепатита С: потенциальная цель для разработки противовирусных препаратов». Инфекция, генетика и эволюция . 14 : 247–257. doi :10.1016/j.meegid.2012.12.004. PMID  23291407.
  34. ^ Yin W, Mao C, Luan X, Shen DD, Shen Q, Su H и др. (июнь 2020 г.). «Структурная основа ингибирования РНК-зависимой РНК-полимеразы SARS-CoV-2 ремдесивиром». Science . 368 (6498): 1499–1504. Bibcode :2020Sci...368.1499Y. doi :10.1126/science.abc1560. PMC 7199908 . PMID  32358203. 
  35. ^ Malin JJ, Suárez I, Priesner V, Fätkenheuer G, Rybniker J (декабрь 2020 г.). «Ремдесивир против COVID-19 и других вирусных заболеваний». Clinical Microbiology Reviews . 34 (1). doi :10.1128/CMR.00162-20. PMC 7566896. PMID 33055231  . 
  36. ^ Simaan JA, Aviado DM (ноябрь 1975 г.). «Гемодинамические эффекты аэрозольных пропеллентов. II. Легочное кровообращение у собак». Токсикология . 5 (2): 139–146. doi :10.1016/0300-483x(75)90110-9. PMID  1873.
  37. ^ ab Marker S, Le Mouël A, Meyer E, Simon M (июль 2010 г.). «Для РНК-интерференции, вызванной двухцепочечной РНК по сравнению с укороченными трансгенами в Paramecium tetraurelia, требуются отдельные РНК-зависимые РНК-полимеразы». Nucleic Acids Research . 38 (12): 4092–4107. doi :10.1093/nar/gkq131. PMC 2896523 . PMID  20200046. 
  38. ^ Willmann MR, Endres MW, Cook RT, Gregory BD (июль 2011 г.). «Функции РНК-зависимых РНК-полимераз у Arabidopsis». The Arabidopsis Book . 9 : e0146. doi :10.1199/tab.0146. PMC 3268507. PMID  22303271 . 
  39. ^ Чжан С, Рувкун Г (август 2012 г.). «Новые идеи в амплификации siRNA и РНКi». РНК-биология . 9 (8): 1045–1049. doi :10.4161/rna.21246. PMC 3551858. PMID  22858672 . 

Внешние ссылки

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR000208