RNA聚合酶

核糖核酸 聚合酶 （英文名：RNA polymerase）是以一条DNA链或RNA为模板，三磷酸核糖 核苷 为 底物 、通过磷酸二 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。

RNA聚合酶需要四种核糖 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Mg2+、Mn2+是该酶的必需辅因子，RNA链的合成方向也是5'→3'，第一个核 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。 核糖核酸 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 脱氧核糖核酸 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。

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’，σ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’σ。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 脱氧核糖核酸 模板的结合位点；而Sigma因子只与 核糖核酸 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(70000)，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）

如果全酶为球状，则可计算其直径约为100A，即约为双链 脱氧核糖核酸 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( 利福平 )和利福霉素( 利福霉素 )能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用。它抑制 核糖核酸 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 脱氧核糖核酸 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 核糖核酸 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

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 核糖核酸 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， 核糖核酸 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 脱氧核糖核酸 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。

σ操纵子有两个连续的 启动子 ，就像rRNA的操纵子一样。受到 ppG pp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 核糖核酸 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

启动环（triggerloop，TL）结构是 真核生物 和 原核生物 核糖核酸 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 组氨酸的生物合成 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 核糖核酸 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

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 核糖核酸 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 脱氧核糖核酸 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 核糖核酸 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T7 RNA Pol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 核糖核酸 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。

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.coli RNA 聚合酶 的 终止子 ）它 离解 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

核糖核酸 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。 核糖核酸 聚合酶 Ⅲ存在于核质中， 转录 很少几种基因如 转运RNA 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。 核糖核酸 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 拉尔夫·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 脱氧核糖核酸 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。

核糖核酸 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。

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 核糖核酸 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 核苷酸碱基对 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 核糖核酸 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 ， 脱氧核糖核酸 为模板，二价金属离子Mg²+、Mn²+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， 核糖核酸 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 脱氧核糖核酸 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 联会 原则忠实转录模板序列。 

分类

通常可根据生物的类别，将 核糖核酸 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 脱氧核糖核酸 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σ70（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 核糖核酸 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 结核分枝杆菌 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亚基是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 物理化学 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 核糖核酸 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 真核生物 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、 转运RNA 、rRNA。线粒体RNA聚合酶在功能和性质上与 原核生物 RNA聚合酶类似，其活性也可被 利福平 或 利福霉素 抑制。