РНК-зависимая РНК-полимераза ( RdRp ) или РНК-репликаза — это фермент , который катализирует репликацию РНК с матрицы РНК. В частности, он катализирует синтез цепи РНК, комплементарной данной матрице РНК. В этом отличие от типичных ДНК-зависимых РНК-полимераз , которые все организмы используют для катализа транскрипции РНК с матрицы ДНК .
RdRp является важным белком, кодируемым в геномах большинства РНК-содержащих вирусов без стадии 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 обнаружено, что эти вирусы не чувствительны к актиномицину D , препарату, который ингибирует синтез РНК, направленный на клеточную ДНК. Отсутствие чувствительности позволило предположить, что существует вирус-специфичный фермент, который может копировать РНК с матрицы РНК, а не с матрицы ДНК. [3]
Распределение
RdRps высококонсервативны во всех вирусах и даже связаны с теломеразой , хотя причина этого является постоянным вопросом с 2009 года. [4] Сходство привело к предположению, что вирусные RdRps являются предками теломеразы человека . [5]
Самый известный пример RdRp – это вирус полиомиелита . Вирусный геном состоит из РНК, которая проникает в клетку посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза . Отсюда РНК может немедленно действовать как матрица для синтеза комплементарной РНК. Тогда комплементарная цепь сама по себе может выступать в качестве матрицы для производства новых вирусных геномов, которые в дальнейшем упаковываются и высвобождаются из клетки, готовые инфицировать больше клеток-хозяев. Преимущество этого метода репликации в том, что здесь нет стадии ДНК; репликация выполняется быстро и легко. Недостатком является отсутствие «резервной» копии ДНК. [6]
Многие эукариоты также имеют RdRps, и они участвуют в РНК-интерференции : они амплифицируют микроРНК и малые височные РНК и производят двухцепочечную РНК, используя небольшие интерферирующие РНК в качестве праймеров. [8] Фактически, те же самые RdRps, которые используются в защитных механизмах, могут быть узурпированы РНК-вирусами в своих целях. [9] Была рассмотрена их эволюционная история. [10]
Процесс репликации
RdRp отличается от ДНК-зависимой РНК-полимеразы, поскольку она катализирует синтез цепи РНК, комплементарной данной матрице РНК, а не использует матрицу ДНК. Как описано, процесс репликации РНК представляет собой четырехэтапный механизм.
Связывание нуклеозидтрифосфата (NTP) – первоначально RdRp представляет собой вакантный активный сайт, в котором связывается NTP, комплементарный соответствующему нуклеотиду на цепи матрицы. Правильное связывание NTP приводит к тому, что RdRp претерпевает конформационные изменения. [11]
Закрытие активного сайта – конформационное изменение, инициированное правильным связыванием NTP, приводит к ограничению доступа к активному сайту и создает каталитически компетентное состояние. [11]
Образование фосфодиэфирной связи – два иона Mg 2+ присутствуют в каталитически активном состоянии и располагаются таким образом вокруг вновь синтезированной цепи РНК, что субстрат NTP способен претерпевать фосфатидиловый перенос и образовывать фосфодиэфирную связь с вновь синтезированной цепью. . [12] Без использования этих ионов Mg 2+ активный центр перестает быть каталитически стабильным и комплекс RdRp переходит в открытую конформацию. [12]
Транслокация - как только активный сайт открыт, цепь матрицы РНК может переместиться на одну позицию через белковый комплекс RdRp и продолжить удлинение цепи путем связывания нового NTP, если иное не указано в матрице. [11]
Синтез РНК может осуществляться с помощью независимого от праймера ( de novo ) или праймер-зависимого механизма, в котором используется праймер , связанный с геномом вирусного белка (VPg). [13] Инициация de novo заключается в добавлении нуклеозидтрифосфата (NTP) к 3'-OH первого инициирующего NTP. [13] Во время следующей так называемой фазы элонгации эта реакция переноса нуклеотидила повторяется с последующими NTP для генерации продукта комплементарной РНК. Терминация образующейся цепи РНК, продуцируемой RdRp, до конца не известна, однако было показано, что терминация RdRp не зависит от последовательности. [14]
Одним из основных недостатков РНК-зависимой репликации РНК-полимеразы является огромная частота ошибок во время транскрипции. [13] Известно, что RdRps имеет недостаточную точность порядка 10 4 нуклеотидов, что считается прямым результатом его недостаточных корректурных способностей. [13] Такая высокая степень изменчивости предпочтительна для вирусных геномов, поскольку она позволяет патогену преодолевать защиту, созданную хозяевами, пытающимися избежать инфекции, что обеспечивает эволюционный рост. [15]
Состав
Вирусные/прокариотические РНК-направленные РНК-полимеразы, наряду со многими односубъединичными ДНК-направленными полимеразами, 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-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; остатки аспарагиновой кислоты этих мотивов участвуют в связывании Mg 2+ и/или Mn 2+ . Остаток аспарагина мотива B участвует в отборе рибонуклеозидтрифосфатов по сравнению с dNTP и, таким образом, определяет, будет ли синтезироваться РНК, а не ДНК . [17] Доменная организация [18] и трехмерная структура каталитического центра широкого спектра RdRps, даже с низкой общей гомологией последовательностей, консервативны. Каталитический центр образован несколькими мотивами, содержащими ряд консервативных аминокислотных остатков. [ нужна цитата ]
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, поскольку они используют два набора β-цилиндров с двойным пси в активном сайте. QDE1 ( Q9Y7G6 ) у Neurospora crassa , у которой оба ствола находятся в одной цепи, [19] является примером такого фермента ac RdRp. [20] Гомологи бактериофагов c RdRp, включая аналогичный одноцепочечный DdRp yonO ( O31945 ), по-видимому, ближе к c RdRps, чем DdRP. [8] [21]
В вирусах
Существует 4 суперсемейства вирусов, которые охватывают все РНК-содержащие вирусы без стадии ДНК:
Вирусы, содержащие позитивно-цепочечную РНК или двухцепочечную РНК, за исключением ретровирусов и Birnaviridae.
Все эукариотические вирусы с положительной цепью РНК, не имеющие стадии ДНК.
Все РНК-содержащие бактериофаги ; существует два семейства РНК-содержащих бактериофагов: Leviviridae (фаги с положительной оцРНК) и Cystoviridae (фаги с дцРНК).
Флавивирусы производят полипротеин из генома оцРНК. Полипротеин расщепляется до ряда 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. [22]
РНК-репликазы, обнаруженные в вирусах оцРНК с положительной цепью, родственны друг другу, образуя три больших суперсемейства. [23] Репликаза РНК вируса уникальна тем, что у нее отсутствует мотив C (GDD) на ладони. [24] Мононегавирусный RdRp (PDB 5A22) был автоматически классифицирован как аналог (+)-оцРНК RdRps, в частности, один из Pestivirus и один из Leviviridae . [25] Мономер буньявирусного RdRp (PDB 5AMQ) напоминает гетеротримерный комплекс ортомиксовирусного (гриппа; PDB 4WSB) RdRp. [26]
Поскольку это универсальный белок для РНК-содержащих вирусов, RdRp является полезным маркером для понимания их эволюции. [27] Была рассмотрена общая структурная эволюция вирусных RdRps. [28]
Рекомбинация
Полиовирус RdRp при репликации своего (+)ssRNA-генома способен осуществлять рекомбинацию . Рекомбинация, по-видимому, происходит по механизму выбора копии, при котором RdRp переключает шаблоны (+)оцРНК во время синтеза отрицательной цепи. [29] Частота рекомбинации частично определяется точностью репликации RdRp. [30] Варианты RdRp с высокой точностью репликации демонстрируют пониженную рекомбинацию, а RdRps с низкой точностью демонстрируют повышенную рекомбинацию. [30] Рекомбинация путем переключения цепи RdRp также часто происходит во время репликации в (+)ssRNA растительных кармовирусов и томбусвирусов . [31]
Внутригенная комплементация
Вирус Сендай (семейство Paramyxoviridae ) имеет линейный одноцепочечный несегментированный РНК-геном с отрицательным смыслом. Вирусный RdRp состоит из двух кодируемых вирусом субъединиц: меньшей P и большей L. При тестировании в парных комбинациях различных неактивных мутантов RdRp с дефектами по всей длине субъединицы L у некоторых наблюдалось восстановление синтеза вирусной РНК. комбинации. [32] Это положительное взаимодействие L-L называется внутригенной комплементацией и указывает на то, что белок L является олигомером в комплексе вирусной РНК-полимеразы. [ нужна цитата ]
Лекарственная терапия
RdRps можно использовать в качестве мишени для лечения 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 С и COVID-19, специально нацеленные на RdRp. К ним относятся Софосбувир и Рибавирин против гепатита С [33] 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 ингибированию репликации вируса. Трифосфат GS-441524 представляет собой биологически активную форму пролекарства фосфата Ремдесивира . Ремдесивир классифицируется как аналог нуклеотида , в котором он ингибирует функцию RdRp путем ковалентного связывания и прерывания терминации возникающей РНК посредством раннего или отсроченного терминирования или предотвращения дальнейшего удлинения полинуклеотида РНК. [34] [35] Такое раннее прекращение приводит к образованию нефункциональной РНК, которая будет разрушаться 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. [36] Эукариотический RdRp становится активным в присутствии дцРНК и менее широко распространен по сравнению с другими компонентами РНКи, поскольку он утрачен у некоторых животных, хотя все еще обнаруживается у C. elegans и P. Tetraurelia [37] и растений . [38] Присутствие дцРНК запускает активацию процессов RdRp и РНКи, запуская инициацию транскрипции РНК посредством введения миРНК в систему. [37] У C. elegans siRNAs интегрированы в РНК-индуцированный комплекс молчания, RISC , который работает вместе с мРНК, нацеленными на вмешательство, чтобы рекрутировать больше RdRps для синтеза большего количества вторичных siRNA и подавления экспрессии генов. [39]
^ Вайнер AM (январь 1988 г.). «Ядерные теломеры эукариот: молекулярные окаменелости мира RNP?». Клетка . 52 (2): 155–158. дои : 10.1016/0092-8674(88)90501-6. PMID 2449282. S2CID 11491076.
^ Докинз Р. (1996). Слепой часовщик (PDF) (3-е изд.). Лондон: WW Norton&Company. п. 129. ИСБН978-0-393-35309-9.
^ Тимм С., Гупта А., Инь Дж. (август 2015 г.). «Надежная кинетика РНК-вируса: скорость транскрипции устанавливается уровнями генома». Биотехнология и биоинженерия . 112 (8): 1655–1662. дои : 10.1002/bit.25578. ПМЦ 5653219 . ПМИД 25726926.
^ аб Айер Л.М., Кунин Е.В., Аравинд Л. (январь 2003 г.). «Эволюционная связь между каталитическими субъединицами ДНК-зависимых РНК-полимераз и эукариотических РНК-зависимых РНК-полимераз и происхождение РНК-полимераз». BMC Структурная биология . 3 :1. дои : 10.1186/1472-6807-3-1 . ПМК 151600 . ПМИД 12553882.
^ Тан Флорида, Инь JQ (декабрь 2004 г.). «РНКи, новая терапевтическая стратегия против вирусной инфекции». Клеточные исследования . 14 (6): 460–466. дои : 10.1038/sj.cr.7290248. ПМК 7092015 . ПМИД 15625012.
^ Цзун Дж, Яо X, Инь Дж, Чжан Д, Ма Х (ноябрь 2009 г.). «Эволюция генов РНК-зависимой РНК-полимеразы (RdRP): дупликации и возможные потери до и после расхождения основных групп эукариот». Джин . 447 (1): 29–39. дои : 10.1016/j.gene.2009.07.004. ПМИД 19616606.
^ abc Wu J, Gong P (январь 2018 г.). «Визуализация цикла добавления нуклеотидов вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы». Вирусы . 10 (1): 24. дои : 10.3390/v10010024 . ПМЦ 5795437 . ПМИД 29300357.
^ Аб Шу Б, Гонг П (июль 2016 г.). «Структурные основы катализа и транслокации вирусной РНК-зависимой РНК-полимеразы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (28): Е4005–Е4014. Бибкод : 2016PNAS..113E4005S. дои : 10.1073/pnas.1602591113 . ПМЦ 4948327 . ПМИД 27339134.
^ abcd Венкатараман С., Прасад Б.В., Сельвараджан Р. (февраль 2018 г.). «РНК-зависимые РНК-полимеразы: взгляд на структуру, функцию и эволюцию». Вирусы . 10 (2): 76. дои : 10.3390/v10020076 . ПМК 5850383 . ПМИД 29439438.
^ Адкинс С., Стависки С.С., Фаурот Дж., Сигел Р.В., Као CC (апрель 1998 г.). «Механистический анализ синтеза РНК РНК-зависимой РНК-полимеразой из двух промоторов обнаруживает сходство с ДНК-зависимой РНК-полимеразой». РНК . 4 (4): 455–470. ПМЦ 1369631 . ПМИД 9630251.
^ Фитцсиммонс В.Дж., Вудс Р.Дж., МакКроун Дж.Т., Вудман А., Арнольд Дж.Дж., Йеннавар М. и др. (июнь 2018 г.). «Компромисс скорости и точности определяет скорость мутаций и вирулентность РНК-вируса». ПЛОС Биология . 16 (6): e2006459. дои : 10.1371/journal.pbio.2006459 . ПМК 6040757 . ПМИД 29953453.
^ Гохара Д.В., Кротти С., Арнольд Дж.Дж., Йодер Дж.Д., Андино Р., Кэмерон CE (август 2000 г.). «РНК-зависимая РНК-полимераза полиовируса (3Dpol): структурный, биохимический и биологический анализ консервативных структурных мотивов A и B». Журнал биологической химии . 275 (33): 25523–25532. дои : 10.1074/jbc.M002671200 . ПМИД 10827187.
^ О'Рейли EK, Као 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. дои : 10.1006/виро.1998.9463 . ПМИД 9878607.
^ Соге Л (сентябрь 2019 г.). «Расширенное суперсемейство полимераз с двумя стволами: структура, функции и эволюция». Журнал молекулярной биологии . 431 (20): 4167–4183. дои : 10.1016/j.jmb.2019.05.017 . ПМИД 31103775.
^ Вернер Ф, Громанн Д (февраль 2011 г.). «Эволюция многосубъединичных РНК-полимераз в трех доменах жизни». Обзоры природы. Микробиология . 9 (2): 85–98. doi : 10.1038/nrmicro2507. PMID 21233849. S2CID 30004345.
^ Форрест Д., Джеймс К., Юзенкова Ю., Зенкин Н. (июнь 2017 г.). «Однопептидная ДНК-зависимая РНК-полимераза, гомологичная многосубъединичной РНК-полимеразе». Природные коммуникации . 8 : 15774. Бибкод : 2017NatCo...815774F. doi : 10.1038/ncomms15774. ПМК 5467207 . ПМИД 28585540.
^ Тан Б.Х., Фу Дж., Сугрю Р.Дж., Яп Э.Х., Чан Ю.К., Тан Ю.Х. (февраль 1996 г.). «Рекомбинантный белок NS5 вируса денге типа 1, экспрессируемый в Escherichia coli, проявляет РНК-зависимую РНК-полимеразную активность». Вирусология . 216 (2): 317–325. дои : 10.1006/виро.1996.0067 . ПМИД 8607261.
^ Кунин Е.В. (сентябрь 1991 г.). «Филогения РНК-зависимых РНК-полимераз РНК-вирусов с положительной цепью». Журнал общей вирусологии . 72 (Часть 9) (9): 2197–2206. дои : 10.1099/0022-1317-72-9-2197 . ПМИД 1895057.
^ Структурные сходства сущностей в PDB 5A22. Архивировано 3 апреля 2019 г. в Wayback Machine .
^ Герлах П., Малет Х., Кьюсак С., Регера Дж. (июнь 2015 г.). «Структурные данные о репликации буньявируса и ее регуляции с помощью промотора вРНК». Клетка . 161 (6): 1267–1279. doi :10.1016/j.cell.2015.05.006. ПМЦ 4459711 . ПМИД 26004069.
^ 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.
^ 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.
^ Киркегор К., Балтимор Д. (ноябрь 1986 г.). «Механизм рекомбинации РНК в полиовирусе». Клетка . 47 (3): 433–443. дои : 10.1016/0092-8674(86)90600-8. ПМЦ 7133339 . ПМИД 3021340.
^ аб Вудман А., Арнольд Джей-Джей, Кэмерон CE, Эванс DJ (август 2016 г.). «Биохимический и генетический анализ роли вирусной полимеразы в рекомбинации энтеровирусов». Исследования нуклеиновых кислот . 44 (14): 6883–6895. дои : 10.1093/nar/gkw567. ПМК 5001610 . ПМИД 27317698.
^ Ченг КП, Надь ПД (ноябрь 2003 г.). «Механизм рекомбинации РНК у кармо- и томбусвирусов: доказательства переключения матрицы с помощью РНК-зависимой РНК-полимеразы in vitro». Журнал вирусологии . 77 (22): 12033–12047. doi : 10.1128/jvi.77.22.12033-12047.2003. ПМК 254248 . ПМИД 14581540.
^ Смоллвуд С., Чевик Б., Мойер С.А. (декабрь 2002 г.). «Внутригенная комплементация и олигомеризация L-субъединицы РНК-полимеразы вируса Сендай». Вирусология . 304 (2): 235–245. дои : 10.1006/виро.2002.1720 . ПМИД 12504565.
^ Вахид Ю., Бхатти А., Ашраф М. (март 2013 г.). «РНК-зависимая РНК-полимераза ВГС: потенциальная мишень для разработки противовирусных препаратов». Инфекция, генетика и эволюция . 14 : 247–257. дои : 10.1016/j.meegid.2012.12.004. ПМИД 23291407.
^ Инь В., Мао С., Луань Икс, Шен Д.Д., Шен Кью, Су Х и др. (июнь 2020 г.). «Структурная основа ингибирования РНК-зависимой РНК-полимеразы SARS-CoV-2 ремдесивиром». Наука . 368 (6498): 1499–1504. Бибкод : 2020Sci...368.1499Y. дои : 10.1126/science.abc1560. ПМК 7199908 . ПМИД 32358203.
^ Малин Дж. Дж., Суарес И., Приснер В., Феткенхойер Г., Рыбникер Дж. (декабрь 2020 г.). «Ремдесивир против COVID-19 и других вирусных заболеваний». Обзоры клинической микробиологии . 34 (1). дои : 10.1128/CMR.00162-20. ПМЦ 7566896 . ПМИД 33055231.
^ Симаан Дж.А., Авиадо DM (ноябрь 1975 г.). «Гемодинамические эффекты аэрозольных пропеллентов. II. Легочное кровообращение у собаки». Токсикология . 5 (2): 139–146. дои : 10.1016/0300-483x(75)90110-9. ПМИД 1873.
^ ab Маркер С., Ле Муэль А., Мейер Э., Саймон М. (июль 2010 г.). «Различные РНК-зависимые РНК-полимеразы необходимы для РНКи, запускаемых двухцепочечной РНК, а не усеченными трансгенами у Paramecium Tetraurelia». Исследования нуклеиновых кислот . 38 (12): 4092–4107. дои : 10.1093/nar/gkq131. ПМК 2896523 . ПМИД 20200046.