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RNA聚合酶（多个蛋白亚基组成的复合酶）

次浏览 | 更新时间：2023-05-19

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RNA聚合酶

多个蛋白亚基组成的复合酶

RNA聚合酶（RNA polymerase）:以一条DNA链或RNA为模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶。是催化以DNA为模板（template）、三磷酸核糖核苷为底物、通过磷酸二酯键而聚合的合成RNA的酶。因为在细胞内与基因DNA的遗传信息转录为RNA有关，所以也称转录酶。

基本信息

中文名	RNA聚合酶
外文名	RNA polymerase
别名	转录酶
作用	转录RNA
相关	DNA聚合酶
释义	核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶

收起

简介

催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。如大肠杆菌的 RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480000，含有α，β，β’，δ等4种不同的多肽，其中α为两个分子，所以全酶（holoenzyme）的组成是α2ββ’δ。α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心（α2ββ’）的形成有关；β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；β’亚基含有与DNA模板的结合位点；而Sigma因子只与RNA转录的起始有关，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，δ因子就被释放，而链的延伸则由四聚体核心酶（core enzyme）催化。所以，δ因子的作用就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。细菌的RNA聚合酶，像DNA聚合酶一样，具有很复杂的结构。其活性形式(全酶)为15S，由5种不同的多肽链构成，按分子量大小排列分别为β'(155000)，β(151000)，σ(7000)，α(36500)和ω(11000)。每分子RNA聚合酶除有两个α亚基外，其余亚基均只有一个，故全酶为β'βα2σω(450000）

RNA聚合酶

如果全酶为球状，则可计算其直径约为100A，即约为双链DNA的30bp节段的长度。然而全酶可结合约60个核苷酸，提示其形状应为椭圆球形。

σ亚基和其他肽链的结合不很牢固。当σ亚基脱离全酶后，剩下的β'βα2ω称为核心酶。核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酯键的形成，不论有无σ存在的利福平(rifampicin)和利福霉素(rifamycin)能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用。它抑制RNA合成的起始而不抑制其延长。β亚基的基因rpoB的突变可使细菌对利福平有抗性。而另一种抗生素链霉溶菌素(streptolydigin)能抑制RNA链的延长，rpoB的突变却可使细胞对链霉溶菌素亦发生抗性。总的看来β亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位。肝素能与DNA竞争与RNA聚合酶相结合。肝素是一种多价阴子，能和β'亚基结合，从而在体外抑制转录作用。可见β'亚基的碱性较强，适于与模板DNA相结合。α亚基的功能现尚未知。然而，当噬菌体T4感染E.coli时，其α亚基即在精氨酸上被ADP-核糖化。这种修饰作用使该RNA聚合酶全酶对其原先识别的启动子的亲和力减弱。所以有人认为，α亚基的功能可能是识别其相应的启动子。

结构

RNA聚合酶

为什么细菌的RNA聚合酶需要这么大和复杂的分子结构呢？而某些噬菌体特有的RNA聚合酶则要小得多，仅由一条多肽链组成。这证明RNA合成所需的机构可以远比宿主的酶小。这种情况说明，噬菌体内的转录仅需一条"最小"的机构。然而这种酶只能识别噬菌体本身所有的少数几个启动子；它们不能识别其他启动子。例如噬菌体T3和T7的RNA聚合酶分子很相似，二者都不过是一条多肽链，分子量约11000。它们能很快合成RNA。其速率在37℃时可达约200核苷酸/秒。

相比之下，宿主细胞的RNA聚合酶却能转录细胞内的许多转录单位(＞1000个)中的任意一个。这些转录单位中有一些可由RNA聚合酶直接转录，不需要其他因子的帮助。但大多数这些转录单位仅在更多的蛋白质因子存在下才能被该RNA聚合酶所转录。所以，可以想像宿主细胞所以要求这样大和复杂，至少部分反映了它需要和许多其他因子相互作用，而不是其催化活性的固有的要求。

E．coli的RNA聚合酶各亚基的基因(除ω亚基的基因尚不详外)均存在于三个操纵子中，这些操纵子还含有蛋白质合成和DNA合成所需的基因。P71主要启动子(P)均在操纵子的左侧，RNA则向右方合成。次要启动子(p)包括σ操纵子中的一个启动子(PHS，是在热休克条件下才有活性的启动子)，均位于操纵子之内。这些次要启动子仅启动在其右侧的基因。β操纵子的前面两个基因L11和L1，有时被认为组成另一个独立的操纵子，因为在L10基因之前另有一启动子。这些基因编码50个左右核糖体蛋白质中的某些蛋白质。σ操纵子中还含有复制所需的蛋白质，即DNA引物酶的基因。现在还不清楚这些操纵子是如何进行调节的。

RNA聚合酶

σ操纵子有两个连续的启动子，就像rRNA的操纵子一样。受到ppGpp分子的调控，故与生长速度有关。这些操纵子中的基因并不是相等地被转录的：在σ和β操纵子开始中的核糖体蛋白质基因的后面有衰减子(attenuators)，可使其后的RNA聚合酶基因的转录大为降低。因此，在每个细胞中RNA聚合酶亚基的数目(约3000个)要大大少于核糖体蛋白质的分子数(约20000个)，这是符合细菌的需要的。然而令人不解的是DNA引物酶基因位于σ基因之前，然而在细胞内σ亚基的数目反而要比引物酶分子数多60倍(3000比50)。这可能是因为编码引物酶的mRNA节段要比其余mRNA部分不稳定得多。这些操纵子内都有几个次要的启动子，包括σ操纵子内的一个可被热休克所激活，说明实际的调控作用还要更为复杂得多。

启动环功能

RNA聚合酶

启动环（triggerloop，TL）结构是真核生物和原核生物RNA聚合酶中的一个高度保守区域，但它在转录过程的确切功能目前还不甚了解。美国斯坦福大学的Kaplan等人的最新研究发现，TL在底物选择过程中发挥重要功能，是真菌毒素α鹅膏覃碱（α-amanitin）的直接作用位点。该研究结果发表于6月5日的《分子细胞》（MolecularCell）上。

以往研究表明，TL结构直接与新合成RNA的3'端和NTP相互作用，其中一个保守的组氨酸残基直接与NTP底物相结合。Kaplan等人用其他氨基酸替代酿酒酵母RNA聚合酶Ⅱ中TL结构中的His1085残基，结果导致酿酒酵母表现出严重的生长缺陷，甚至无法存活。离体实验表明，His1085能够选择正确的NTP底物，该位点变异后，聚合酶Ⅱ掺入错误的NTP底物和2'dNTP底物的可能性大大增加。

α鹅膏覃碱能够抑制RNA聚合酶Ⅱ的延伸速率，降低其底物选择性，但His1085被替代后的RNA聚合酶Ⅱ对α鹅膏覃碱则具有较高的抗性。研究人员进一步研究了纯化的RNA聚合酶－α鹅膏覃碱复合体的晶体结构，发现α鹅膏覃碱和TL结构间存在直接的相互作用。因此，研究人员认为，α鹅膏覃碱通过直接作用于TL结构而降低RNA聚合酶Ⅱ的速率和保真度。

代换

RNA聚合酶

T7噬菌体在转录的时序调控中不是采用σ因子的级联取代，也不是像T4噬菌体那样对核心酶进行修饰，而是根据自动的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行时序转录的调控。

T7是E.coli的烈性噬菌体，基因组长为39,936nt，顺序已知。整个基因组可能具有55个基因，其中44个基因的产物已鉴别出了，已知30种是有功能的转录可分为3组，30°C整个生活周期约为25¢分钟，但其DNA的注入很慢，整个的过程约10分钟，而其它的噬菌体仅1分钟即可完成。这也是一种调控的手段，因未注入宿主细胞中的DNA是不能转录的。在感染6分钟后，E.coli的RNA合成体系全部被T4的合成体系所取代。

在感染后的前6分钟，T7噬菌体的RNAPol尚未表达，因此仍使用了宿主E.coli的RNA聚合酶，转录的基因主要有10个（0.3,0.4,0.5,0.6,0.65,0.7,1,1.1,1.2,1.3），其0.3基因编码宿主限制酶的抑制蛋白，使T7进入宿主免遭降解；0.7基因编码一种蛋白激酶，能将E.coli的RNA聚合酶磷酸化，为抑制宿主RNAPol作准备；基因1编码T7RNAPol聚合酶，分子量为98KDa，是一条单链肽，它所识别的启动子是由23bp组成的保守顺序（-17～16）。

晚期转录分为二组（Ⅱ和Ⅲ）。感染后6～12分钟后T7就利用自己的RNA聚合酶转录第Ⅱ组转录物。这一组约含（1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,2,2.5,2.8,3,3.5,3.8,4,5,5.7,6），其中对转录调控有关系的是基因2，其产物是E.coli聚合酶抑制剂。宿主的RNA聚合酶先受到基因0.7产物的磷酸化，再经抑制完全失去了作用，此时T7已不再需要I组的转录物了，因此废除了宿主RNA聚合酶的功能，而将自己编码的RNA聚合酶取而代之。第Ⅱ组的基因多与T7的复制酶系的合成及几种结构蛋白有关，但第Ⅱ组的启动子和复制的φL启动子因其保守顺序中分别有2～7个碱基发生了改变，所以是较弱的启动子，但由于其位置排在Ⅲ组启动子的前面，所以先进入宿主得以转录，而不与第Ⅲ组启动子的竞争。

RNA聚合酶

晚期转录的另一组基因就是第Ⅲ组转录物，它排在最后，故在感染12分钟后才得以表达。此转录物约含15个基因，它们主要编码头部蛋白，尾部蛋白以及负责装配，这样使得T7噬菌体不至于过早地装配成粒子。这一组虽排在最后，但启动子的结构和保守顺序完全一致所以是极强的启动子，从而保证最后阶段结构蛋白的合成。

第Ⅰ组转录的终止位置在邻近1.4基因的上游区（1.3和1.4之间），此是E.coliRNA聚合酶的终止子）它解离后T7RNA聚合酶则重新从第Ⅱ组起始转录。第Ⅱ组和第Ⅲ组都使用终止子Tj，由于自注入宿主缓慢，在第Ⅱ组转录时第Ⅲ组基因尚未注入，仍得不到表达。

Tj的终止效率是90%，尚有10%可以延长转录T7的末端，Tj位于基因10和11之间。基因10是主要的头部蛋白，需要量大，它排在第Ⅱ组末是合理的，即有强启动子的启动，又在转录后被终止，这样不仅满足了装配颗粒的需要，又不至造成浪费。而排在基因10后面的基因都是编码少量头部蛋白和尾部蛋白的，无需大量的转录，后面越过Tj延长转录的强度就可满足需要了，这本身也是一种终止子对转录的调控。

作用

RNA聚合酶

RNA聚合酶（RNA polymerase）的作用是转录RNA。有的RNA聚合酶有比较复杂的亚基结构。如大肠杆菌RNA聚合酶有四条多肽链，另有一个促进新RNA分子合成的σ因子，因此它的组成的是α2ββσ。这种结构称为全酶（holoenzyme）,除去了σ因子的酶称为核心酶。噬菌体RNA聚合酶则没有亚基。

真核生物的RNA聚合酶分三类。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，转录rRNA顺序。RNA聚合酶Ⅱ存在于核质中，转录大多数基因，需要“TATA”框。RNA聚合酶Ⅲ存在于核质中，转录很少几种基因如tRNA基因如5SrRNA基因。有些重复顺序如Alu顺序可能也由这种酶转录。上面提到的“TATA”框又称Goldberg –Hogness顺序，是RNA聚合酶Ⅱ的接触点，是这种酶的转录单位所特有的。它在真核生物的转录基因的5’端一侧，在转录起点上游20至30个核苷酸之间有一段富含AT的顺序。如以转录起始点为0，则在-33到27个核苷酸与-27至21核苷酸之间，有一个“TATA”框。一般是7个核苷酸。原核生物中也类似“TATA”框的结构。RNA聚合酶作用在“TATAAT”（Pribnow）盒和“TTGA－CA”框附近。

研究进展

在美国著名哲学家爱默生（RalphWaldoEmerson）说“大自然容不得任何错误”的时候，他一定没有考虑过RNA聚酶（RNApolymerase，RNAP），这一能将遗传物质DNA与生物功能表现者蛋白联系起来的不二功臣实际上在转录的时候会发生很多错误，但是它也有“自知之明”会及时将这些错误更正过来。这一由Stanford大学StevenBlock实验室完成的研究发表在11月Nature上面。

RNA聚合酶(RNAP)，只要是稍微接触过分子生物学的人就不会对这个名词陌生，在DNA要将它的遗传信息表达出去，成为真正具有功能效应的单位——蛋白的时候，需要中间体RNA的帮助，而要实现这个过程就不能缺少这个重要的酶。StevenBlock和他的同事利用一种比之前光阱（opticaltrap）更稳定的装置发现在大肠杆菌转录的过程中，这个酶每隔大约1000个碱基就会出现一个错误，但是RNAP也有良好的自我纠正机制，能及时发现和纠正这些错误。

RNA聚合酶

在这一研究中，StevenBlock研究小组改进了光阱，使之放大了10倍，这样研究人员就可以直接观察到RNA聚合酶的每一步动作了，这帮助深入了解了之前并未完全研究清楚的基因转录和调节的过程。而且利用这种装置，研究人员排除了RNAP偶然性的停顿和回转，可以分析一个完全单独的延伸过程，结果他们发现由于RNAP在前进的过程中会结合一个新的NTP，因此导致RNAP一次滑过一个碱基对来确保转录过程的准确性，这被称为布朗荆轮（brownianratchet）。

这一研究获得了许多科学家的认可，德克萨斯大学健康中心的RuiSousa认为这是一项迄今为止最好的布朗荆轮的证明，但是也有科学家对此表示怀疑态度。

北京时间2023年1月12日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室张余研究团队和美国威斯康星大学麦迪逊分校Robert Landick团队以及浙江大学冯钰团队合作在《自然》杂志上发表题为Structural basis for intrinsic transcription termination（《转录终止的结构机制》）的研究论文，该研究揭示了细菌RNA聚合酶如何识别转录终止序列终止转录的工作机制。

参与过程

该酶需要四种核糖核苷酸三磷酸（NTP：ATP、GTP、CTP、UTP）作为RNA聚合酶的底物，DNA为模板，二价金属离子Mg、Mn是该酶的必需辅因子。其催化的反应表示为：（NMP）n+NTP→（NMP）n+1+PPi。RNA链的合成方向也是5’→3'，第一个核苷酸带有3个磷酸基。其后每加入一个核苷酸脱去一个焦磷酸，形成磷酸二酯键，焦磷酸迅速水解的能量驱动聚合反应。与DNA聚合酶不同，RNA聚合酶无须引物，它能直接在模板上合成RNA链；RNA聚合酶能够局部解开DNA的两条链，所以转录时无须将DNA双链完全解开，RNA聚合酶无校对功能。

特点

RNA聚合酶催化RNA的合成，其与DNA聚合酶有许多相同的催化特点：

①以DNA为模板；

②催化核苷酸通过聚合反应合成核酸；

③聚合反应是核苷酸形成3’，5’一磷酸二酯键的反应；

④以3’→5’方向阅读模板，5’→3’方向合成核酸；

⑤按照碱基配对原则忠实转录模板序列。

分类

通常可根据生物的类别，将RNA聚合酶分为原核生物RNA聚合酶、真核生物RNA聚合酶。

原核生物和真核生物的RNA聚合酶有共同特点，但在结构、组成和性质等方面又不尽相同。

（1）原核生物RNA聚合酶研究得最清楚的是大肠杆菌RNA聚合酶。该酶是由五种亚基组成的六聚体（α2ββ'ωσ）分子量约500 000。其中α2ββ'ω称为核心酶（coreenzyme），σ因子与核心酶结合后称为全酶（holoenzyme）。

σ因子的主要作用是识别DNA模板上的启动子，其单独存在时不能与DNA模板结合，与核心酶结合成全酶后，才可使全酶与模板DNA上的启动子结合。当它与启动基因的特定碱基序列结合后，DNA双链解开一部分，使转录开始，故σ因子又称起始因子。已经鉴定出大肠杆菌有7种σ因子，不同的σ因子可以竞争结合核心酶，以决定哪个基因被转录。其中σ（数字表示其分子量大小）协助识别管家基因的启动子。环境变化可以诱导产生特定σ因子，启动特定基因的转录。

核心酶只有一种，参与整个转录过程，催化所有RNA的转录合成。

其他原核生物的RNA聚合酶在结构和功能上均与大肠杆菌相似。抗生素利福平或利福霉素可以特异抑制原核生物的RNA聚合酶，成为抗结核菌治疗的药物。它专一性地结合RNA聚合酶的β亚基。若在转录开始后才加入利福平，仍能发挥其抑制转录的作用，这说明β亚基足在转录全过程都起作用的。

（2）真核生物RNA聚合酶真核生物具有3种不同的细胞核RNA聚合酶，分别是RNA聚合酶I（RNA pol I）、RNA聚合酶Ⅱ（RNA pol II）和RNA聚合酶Ⅲ（RNA pol llI）．这三种RNA聚合酶不仅在功能和理化性质上不同，而且对α一鹅膏蕈碱（一种毒蘑菇含有的环八肽毒素）的敏感性也不同。

真核生物的3种细胞核RNA聚合酶的结构比原核生物复杂，3种RNA聚合酶都有2个不同的大亚基、2个类α亚基和1个类ω亚基，分别与大肠杆菌核心酶的β和β’、2个α亚基和ω亚基同源。除上述5个亚基外，三种RNA聚合酶还各含7～11个小亚基。合成RNA时，原核细胞依赖RNA聚合酶的各个亚单位就能完成转录过程，而真核细胞还需要一些蛋白质因子参与，并对转录产物进行加工修饰。

真核生物线粒体有自己的RNA聚合酶，催化合成线粒体mRNA、tRNA、rRNA。线粒体RNA聚合酶在功能和性质上与原核细胞RNA聚合酶类似，其活性也可被利福平或利福霉素抑制。

参考资料

[1]

中科院分子植物卓越中心科学家合作揭示基因转录终止的机制 · 环球网[引用日期2023-01-12]

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