DNA依存性RNAポリメラーゼの触媒サブユニットと真核生物RNA依存性RNAポリメラーゼとRNAポリメラーゼの起源との間の進化的つながり

背景：真核生物RNA依存性RNAポリメラーゼ（RDRP）は、転写後遺伝子サイレンシング中の調節マイクロRNAの増幅に関与しています。この酵素はほとんどの真核生物で高度に保存されていますが、古細菌と細菌にはありません。これまでにRDRPと他のポリメラーゼの間に進化的関係は報告されていないため、この真核生物特異的ポリメラーゼの起源は謎のままです。 結果：広範なシーケンスプロファイル検索を使用して、真核生物RDRPのバクテリオファージホモログを特定しました。真核生物のRDRPとバクテリオファージからのホモログの比較により、これらの酵素の保存された部分が描かれていることにつながり、触媒部位を抱くと予測されています。さらに、DNA依存性RNAポリメラーゼ（DDRP）の結晶構造の検査によって支援された詳細な配列比較は、DDRPのRDRPとベータサブユニット（および古細菌と真核生物のオルソログ）が保存された二重-PSIを含むことを示しました。ベータバレル（DPBB）ドメイン。このDPBBドメインには、署名モチーフDBDGD（Bはかさばる残基）が含まれています。これは、すべてのRDRPおよびDDRPで保存され、協調的な二重陽イオンを介して触媒作用に寄与します。DPBBドメインとは別に、RDRPとDDRPの間で類似性は検出されませんでした。これにより、RDRPの起源の2つのシナリオが開かれます。I）RDRPは、ドラマチックなDDRPベータサブユニットの複製を介して真核生物の進化の開始時に進化しました。コア触媒ドメインの外側の配列の類似性を抹消した発散とii）主にDPBBドメインで構成される原始RDRPは、RNAの世界時代に進化の非常に初期の段階でDDRPを持つ共通の祖先から進化しました。後者の仮説は、RDRPがその後細胞生命型から排除され、細菌性障害を介して真核生物のゲノムに再導入された可能性があることを意味します。DDRPの配列と構造分析により、RNAポリメラーゼの進化に関するさらなる洞察が得られました。ベータサブユニットに加えて、DDRPのベータサブユニットにはDPBBドメインも含まれていますが、これは大きなインサートによって歪んでおり、DBDGDモチーフの対応物を抱えていません。2つのDDRPサブユニットのDPBBドメインは一緒に触媒裂け目を形成し、ベータ 'サブユニットのドメインは金属調整DBDGDモチーフを供給し、ベータサブユニットからのドメインは触媒に関与する2つのリジン残基を提供します。DDRPの2つのDPBBドメインが触媒中心に完全に異なる活性残基のセットを提供することを考えると、RNAポリメラーゼの究極の祖先は、一般的なRNA結合DPBBドメインのホモダイマーとして機能すると仮定されています。この祖先タンパク質はおそらく触媒活性を持たず、リボザイムRNAポリメラーゼの補因子として機能しました。DDRPとRDRPのその後の進化には、追加のドメインの異なるセットの付加が含まれていました。DDRPSでは、これらにはRNA結合Zn-ribbon、atフックのようなモジュール、サンドイッチバレルハイブリッドモチーフ（SBHM）ドメインが含まれていました。さらに、SBHMドメインおよびその他のDDRP特異的ドメインの系統特異的降着が細菌DDRPで観察されます。対照的に、古細菌と真核生物のベータサブユニットのオーソログには、細菌DDRPのアルファサブユニット、真核生物DDRPサブユニットRBP11、翻訳因子EIF1、タイプIIトポイソメラーゼと共有される4本鎖α +ベータドメインが含まれています。RDRPの追加ドメインはまだ特徴付けられていません。 結論：真核生物RNA依存性RNAポリメラーゼは、DNA依存性RNAポリメラーゼの普遍的に保存されたベータサブユニットを含む、シグネチャー金属調整モチーフを含む触媒二重-PSIベータバレルドメインを共有しています。このコア触媒ドメインを超えて、RNAポリメラーゼの2つのクラスには共通のドメインがなく、その後の独立したドメインの降着を伴う共通の祖先からの早期の発散を示唆しています。DDRPのベータサブユニットには、別の非常に分岐したDPBBドメインが含まれています。DDRPの2つのサブユニットにおける2つの異なるDPBBドメインの存在は、RNAポリメラーゼの究極の祖先が触媒活性を持たず、むしろAのホモダイマー補因子として機能したRNA結合DPBBドメインであるという仮説をithするという仮説と互換性があります。リボザイムポリメラーゼ。

BACKGROUND: The eukaryotic RNA-dependent RNA polymerase (RDRP) is involved in the amplification of regulatory microRNAs during post-transcriptional gene silencing. This enzyme is highly conserved in most eukaryotes but is missing in archaea and bacteria. No evolutionary relationship between RDRP and other polymerases has been reported so far, hence the origin of this eukaryote-specific polymerase remains a mystery. RESULTS: Using extensive sequence profile searches, we identified bacteriophage homologs of the eukaryotic RDRP. The comparison of the eukaryotic RDRP and their homologs from bacteriophages led to the delineation of the conserved portion of these enzymes, which is predicted to harbor the catalytic site. Further, detailed sequence comparison, aided by examination of the crystal structure of the DNA-dependent RNA polymerase (DDRP), showed that the RDRP and the beta' subunit of DDRP (and its orthologs in archaea and eukaryotes) contain a conserved double-psi beta-barrel (DPBB) domain. This DPBB domain contains the signature motif DbDGD (b is a bulky residue), which is conserved in all RDRPs and DDRPs and contributes to catalysis via a coordinated divalent cation. Apart from the DPBB domain, no similarity was detected between RDRP and DDRP, which leaves open two scenarios for the origin of RDRP: i) RDRP evolved at the onset of the evolution of eukaryotes via a duplication of the DDRP beta' subunit followed by dramatic divergence that obliterated the sequence similarity outside the core catalytic domain and ii) the primordial RDRP, which consisted primarily of the DPBB domain, evolved from a common ancestor with the DDRP at a very early stage of evolution, during the RNA world era. The latter hypothesis implies that RDRP had been subsequently eliminated from cellular life forms and might have been reintroduced into the eukaryotic genomes through a bacteriophage. Sequence and structure analysis of the DDRP led to further insights into the evolution of RNA polymerases. In addition to the beta' subunit, beta subunit of DDRP also contains a DPBB domain, which is, however, distorted by large inserts and does not harbor a counterpart of the DbDGD motif. The DPBB domains of the two DDRP subunits together form the catalytic cleft, with the domain from the beta' subunit supplying the metal-coordinating DbDGD motif and the one from the beta subunit providing two lysine residues involved in catalysis. Given that the two DPBB domains of DDRP contribute completely different sets of active residues to the catalytic center, it is hypothesized that the ultimate ancestor of RNA polymerases functioned as a homodimer of a generic, RNA-binding DPBB domain. This ancestral protein probably did not have catalytic activity and served as a cofactor for a ribozyme RNA polymerase. Subsequent evolution of DDRP and RDRP involved accretion of distinct sets of additional domains. In the DDRPs, these included a RNA-binding Zn-ribbon, an AT-hook-like module and a sandwich-barrel hybrid motif (SBHM) domain. Further, lineage-specific accretion of SBHM domains and other, DDRP-specific domains is observed in bacterial DDRPs. In contrast, the orthologs of the beta' subunit in archaea and eukaryotes contains a four-stranded alpha + beta domain that is shared with the alpha-subunit of bacterial DDRP, eukaryotic DDRP subunit RBP11, translation factor eIF1 and type II topoisomerases. The additional domains of the RDRPs remain to be characterized. CONCLUSIONS: Eukaryotic RNA-dependent RNA polymerases share the catalytic double-psi beta-barrel domain, containing a signature metal-coordinating motif, with the universally conserved beta' subunit of DNA-dependent RNA polymerases. Beyond this core catalytic domain, the two classes of RNA polymerases do not have common domains, suggesting early divergence from a common ancestor, with subsequent independent domain accretion. The beta-subunit of DDRP contains another, highly diverged DPBB domain. The presence of two distinct DPBB domains in two subunits of DDRP is compatible with the hypothesis that the ith the hypothesis that the ultimate ancestor of RNA polymerases was a RNA-binding DPBB domain that had no catalytic activity but rather functioned as a homodimeric cofactor for a ribozyme polymerase.