ARNs-polimerases são enzimas responsáveis pela síntese de RNA a partir de sequências de DNA ou RNA, sendo, portanto, classificadas em RNA polimerase dependente de DNA ou RNA, respectivamente. Essas proteínas podem originar moléculas de RNA como intermediárias para o processo de tradução (mRNA) ou como produto final, podendo apresentar ação catalítica, reguladora ou estrutural.
As polimerases podem ser classificadas em dois grupos: RNA polimerase dependente de DNA: envolvida na transcrição do DNA, utiliza nucleotídeos tri-fosfato como substrato e depende de uma fita molde de DNA, podendo ser classificadas em 5 tipos; RNA polimerase dependente de RNA: atua na replicação do genoma de vírus de RNA e na amplificação de RNA de interferência em eucariontes, atuando de forma semelhante a RNA polimerase DNA dependente.
Estrutura Figura 1. Estrutura das RNA polimerases de eucariotos, procariotos e vírus.|thumb|313x313px As estruturas tridimensionais das RNA polimerases dependentes de DNA ou RNA são comumente descritas analogamente a uma mão direita, como ilustrado na figura 1, considerando a palma, os dedos e o dedão. Em eucariontes e procariontes, a RNA polimerase consiste em um complexo proteico, enquanto nos vírus é geralmente formada por apenas uma proteína.
Procariontes
Os procariontes possuem somente uma forma de RNA polimerase dependente de DNA. O cerne desta é composto por 4 subunidades: β, β', ω e α. Ao contrário das demais, a subunidade α está presente em duas cópias. Desta forma, o cerne da RNA polimerase bacteriana possui 5 subunidades, que compreendem a porção catalítica do complexo enzimático. As subunidades β e β' se ligam não especificamente ao DNA dupla fita imediatamente após à região transcrita. Adicionalmente, essas subunidades formam um canal que permite a entrada de ribonucleotídeos ao sítio ativo de transcrição e catalisam a polimerização do RNA, o qual é removido desta região por meio de outro canal entre β e β'. ω atua como uma chaperona para β' e assiste na montagem da RNA polimerase. As subunidades α também auxiliam neste processo ao conduzir o arranjo espacial das subunidades β na estrutura da RNA polimerase. Ao formar dímeros, os domínios N-terminais de cada subunidade α se associa exclusivamente a uma subunidade β, de forma que αI se liga à β e αII à β', aproximando β e β'. A porção C-terminal das subunidades α interagem com o DNA upstream ao promotor e fatores de transcrição. Os fatores σ consistem na subunidade livre da RNA polimerase e se associam ao seu cerne por meio de interações com β e β'. Esses fatores conferem ligação ao DNA com especifidade de sequência.
Eucariontes As RNA polimerases dependentes de DNA de eucariotos podem ser classificadas em 5 tipos (RNA polimerase I-V) de acordo com as subunidades que as compõem, estando envolvidas na transcrição de diferentes moléculas de RNA (RNA não codificante, RNA mensageiro, RNA ribossômico). As RNA polimerases I-III apresentam uma estrutura principal constituída por 10 subunidades, sendo 5 (Rpb5, Rpb6, Rpb8, Rpb10 e Rpb12) comum às três, e variam na quantidade e nos tipos de proteínas que se associam a esse cerne. As RNA polimerases IV e V foram identificadas apenas em plantas e ainda não foram caracterizadas estruturalmente, mas foram descritas quanto à composição proteica, apresentando 12 subunidades encontradas na RNA polimerase II.
Vírus As RNA polimerases dependentes de RNA ou DNA de vírus em geral consistem em uma proteína, no entanto RNA polimerase dependente de DNA codificada pelo Vaccinia virus é composta por subunidades. Essas polimerases apresentam sequências consenso que estão envolvidas em pontos chaves do processo de transcrição. As RNA polimerases dependentes de RNA e DNA possuem três motivos conservados em comum, determinados A, B e C. A e C ligam íons divalentes essenciais para a atividade catalítica da enzima, enquanto o motivo B auxilia na incorporação do ribonucleotídeo adequado.
Descrição geral left|thumb|387x387px|Figura 2. Esquema da transcrição pela RNA pol de células eucarióticas e procarióticas, com as fases de iniciação, alongamento e terminação
Ao desestabilizar a estrutura de fita dupla, as RNA polimerases expõem a sequência que será transcrita, permitindo que ribonucleosídeos trifosfato se liguem a esta por complementariedade de bases. Conforme essas enzimas percorrem a fita molde no sentindo 5'-3', são formadas ligações fosfodiéster entre os ribonucleotídeos por meio da hidrólise do trifosfato pelas RNA polimerases, liberando pirofosfato. Paralelamente, o pareamento das bases nitrogenadas é desfeito, de forma que a molécula de RNA em formação é estendida lateralmente a região transcrita. Isto e a rapidez desse processo permitem que mais de uma cópia de RNA possam ser feitas simultaneamente a partir da mesma sequência alvo. Quando esta consiste em DNA, a transcrição ocorre após o reconhecimento de regiões promotoras, que estão presentes em somente uma das fitas, por proteínas específicas que se associam às RNA polimerases.
Mecanismo
Procariontes Os promotores de procariontes apresentam duas sequências hexonucleotídicas que se localizam a 35 e 10 pares de base da extremidade 5’ do sítio em que se inicia a transcrição, definido como +1. Logo, essas sequências também são conhecidas como -35 e -10, respectivamente. Essas regiões são reconhecidas pelos fatores σ, os quais determinam os genes a serem transcritos por meio da seletividade à sequência do DNA. Ao contrário dos genes housekeeping, que são regulados pelo mesmo fator σ, as regiões promotoras de genes que são transcritos em resposta a estímulos internos ou externos são regulados por fatores σ específicos, de maneira que a transcrição desses depende primariamente da síntese e quantidade dos seus respectivos fatores σ. Portanto ao se associarem às RNA polimerases, os fatores σ determinam os genes a serem transcritos, desempenhando um papel crucial na regulação desse processo.Clancy, S. (2008). "RNA transcription by RNA polymerase: prokaryotes vs eukaryotes". Nature Education 1(1):125. O complexo proteico formado pela RNA pol e o fator σ é chamado de holoenzima RNA polimerase. Quando esta se liga ao DNA, denomina-se complexo promotor fechado. Após a desespiralização e abertura do DNA, forma-se o complexo promotor aberto, ou bolha de transcrição, e ocorre o pareamento dos ribonucleotídeos com a fita molde. Ao iniciar a síntese de RNA, a RNA polimerase armazena energia para quebrar a interação com a região promotora pelo fator σ. Enquanto isso não acontece, oligômeros de RNA são descartados, processo chamado iniciação abortiva. Quando o polímero que está sendo sintetizado atinge aproximadamente 10 pares de bases, o fator σ se dissocia da RNA polimerase, a qual deixa de interagir com o promotor e continua a transcrição ao longo da molécula de DNA até identificar um sinal de parada, ou terminador. Este pode ser Rho dependente ou independente. No primeiro caso, Rho se liga na extremidade livre do RNA que está sendo sintetizado e a partir da hidrólise de ATP, essa proteína consegue se deslocar pelo RNA e promover a dissociação da RNA polimerase do DNA, liberando, assim, a fita de RNA. O término independente de Rho acontece devido à transcrição de sequências invertidas geralmente ricas em citosina e guanina, que por serem complementares, se pareiam formando uma estrutura de grampo. Essas sequências são sucedidas por timina e adenina, que conferem uma ligação mais fraca entre o RNA e o DNA. Desta forma, quando o grampo formado empurra a molécula de RNA contra o DNA, a RNA pol se dissocia do complexo DNA-RNA-pol-RNA.
Eucariontes thumb|334x334px|Figura 3. De maneira simplificada, a RNA polimerase I atua sintetizando RNAs ribossomais, a RNA polimerase II transcreve RNA mensageiro, ao passo que a RNA polimerase III atua na transcrição de RNA transportador. Em adição pode-se citar a ação da RNA polimerase dependente de RNA, que atua na síntese de DNA a partir de um molde de RNA. As células eucarióticas possuem 5 RNA polimerases, sendo as mais estudadas as polimerases I, II e III. Essa três polimerases possuem ações definidas, como ilustrado na figura 3. A polimerase I transcreve genes que codificam o RNA ribossomal (rRNA). A polimerase II transcreve genes que codificam proteínas na forma de RNA mensageiro (mRNA) e pequenos RNAs. Sua regulação é relacionada com a diferenciação e manutenção da identidade celular, tal como repostas da célula perante alterações ambientais. A polimerase III se dedica à transcrição de um grande número de genes relacionados com RNA de interferência e RNA transportador (tRNA), com tamanho máximo de 400 pares de base.SCHRAMM, L; HERNANDEZ, N. Recruitment of RNA polymerase III to its target promoters; GENES & DEVELOPMENT 16:2593–2620. 2002.
RNA polimerase I
A RNA polimerase I atua em regiões promotoras específicas denominadas 18, 28 e 5,8s, atuando na transcrição dos genes ribossomais. Dessa forma, a atividade dessa enzima interfere na produção do ribossomo, interferindo indiretamente na tradução celular, ao inibir a síntese de RNA ribossomal a célula pode entrar em processo de morte celular por apoptose ou autofagia, ou em processo de senescencia. O processo de transcrição é modulado por fatores que atuam no reconhecimento de regiões específicas, alongamento e término da transcrição. A iniciação ocorre quando a proteína UBF (upstream binding factor) interage com pequenas porções específicas do DNA, tornando possível a interação com a proteína TIF-IB (promoter selectivity factor), formando um complexo. A UBF inibe ainda a interação de histonas com a fita de DNA, o que impossibilitaria a ação da RNA polimerase I por impedimento espacial. O complexo formado por UBF e TIF-IB possui sítios que são reconhecidos pela proteína TIF-IA, gerando um novo complexo, que irá apresentar sítios para o reconhecimento do DNA pela RNA polimerase I. A transcrição persiste até o reconhecimento de sinais específicos de término, entre eles o TTF-1 (transcription termination factor),o qual inibe a ação enzimática da RNA polimerase I, e o PTRF (polymerase and transcript release factor), que determina a liberação do RNA recém-transcrito da maquinaria de transcrição. (Figura 4). Alterações na atividade da polimerase I ou dos fatores que interferem na sua atividade estão associadas com diversas patologias denominadas ribosomospatias. left|thumb|417x417px|Figura 4. Esquema apresentando a organização estrutural da RNA polimerase I e os fatores basais para o funcionamento normal da transcrição. A linha azul é uma fita de DNA que possui o sítio de início, contendo as regiões promotoras e os complexos de iniciação para a transcrição, composto por três proteínas (UBF, TIF-IB e TIF-IA). A linha vermelha representa as regiões de término da transcrição, com o complexo de término da transcrição composto pela TTF-1 e PTRF. O RNA recém sintetizado está representado pela linha preta.
RNA polimerase II