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RNA聚合酶
多個(gè)蛋白亞基組成的復(fù)合酶
RNA聚合酶（RNA polymerase）:以一條DNA鏈或RNA為模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶。是催化以DNA為模板（template）、三磷酸核糖核苷為底物、通過(guò)磷酸二酯鍵而聚合的合成RNA的酶。因?yàn)樵诩?xì)胞內(nèi)與基因DNA的遺傳信息轉(zhuǎn)錄為RNA有關(guān)，所以也稱轉(zhuǎn)錄酶。
基本信息
| 中文名 | RNA聚合酶 |
| 外文名 | RNA polymerase |
| 別名 | 轉(zhuǎn)錄酶 |
| 作用 | 轉(zhuǎn)錄RNA |
| 相關(guān) | DNA聚合酶 |
| 釋義 | 核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶 |
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簡(jiǎn)介
催化轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶是一種由多個(gè)蛋白亞基組成的復(fù)合酶。如大腸桿菌的 RNA聚合酶有五個(gè)亞基組成，其分子量為480000，含有α，β，β’，δ等4種不同的多肽，其中α為兩個(gè)分子，所以全酶（holoenzyme）的組成是α2ββ’δ。α亞基與RNA聚合酶的四聚體核心（α2ββ’）的形成有關(guān)；β亞基含有核苷三磷酸的結(jié)合位點(diǎn)；β’亞基含有與DNA模板的結(jié)合位點(diǎn)；而Sigma因子只與RNA轉(zhuǎn)錄的起始有關(guān)，與鏈的延伸沒(méi)有關(guān)系，一旦轉(zhuǎn)錄開(kāi)始，δ因子就被釋放，而鏈的延伸則由四聚體核心酶（core enzyme）催化。所以，δ因子的作用就是識(shí)別轉(zhuǎn)錄的起始位置，并使RNA聚合酶結(jié)合在啟動(dòng)子部位。細(xì)菌的RNA聚合酶，像DNA聚合酶一樣，具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。其活性形式(全酶)為15S，由5種不同的多肽鏈構(gòu)成，按分子量大小排列分別為β'(155000)，β(151000)，σ(7000)，α(36500)和ω(11000)。每分子RNA聚合酶除有兩個(gè)α亞基外，其余亞基均只有一個(gè)，故全酶為β'βα2σω(450000）
RNA聚合酶
σ亞基和其他肽鏈的結(jié)合不很牢固。當(dāng)σ亞基脫離全酶后，剩下的β'βα2ω稱為核心酶。核心酶本身就能催化核苷酸間磷酸二酯鍵的形成，不論有無(wú)σ存在的利福平(rifampicin)和利福霉素(rifamycin)能結(jié)合在β亞基上而對(duì)此酶發(fā)生強(qiáng)烈的抑制作用。它抑制RNA合成的起始而不抑制其延長(zhǎng)。β亞基的基因rpoB的突變可使細(xì)菌對(duì)利福平有抗性。而另一種抗生素鏈霉溶菌素(streptolydigin)能抑制RNA鏈的延長(zhǎng)，rpoB的突變卻可使細(xì)胞對(duì)鏈霉溶菌素亦發(fā)生抗性。總的看來(lái)β亞基似乎是酶和核苷酸底物結(jié)合的部位。肝素能與DNA競(jìng)爭(zhēng)與RNA聚合酶相結(jié)合。肝素是一種多價(jià)陰子，能和β'亞基結(jié)合，從而在體外抑制轉(zhuǎn)錄作用。可見(jiàn)β'亞基的堿性較強(qiáng)，適于與模板DNA相結(jié)合。α亞基的功能現(xiàn)尚未知。然而，當(dāng)噬菌體T4感染E.coli時(shí)，其α亞基即在精氨酸上被ADP-核糖化。這種修飾作用使該RNA聚合酶全酶對(duì)其原先識(shí)別的啟動(dòng)子的親和力減弱。所以有人認(rèn)為，α亞基的功能可能是識(shí)別其相應(yīng)的啟動(dòng)子。
結(jié)構(gòu)
RNA聚合酶
相比之下，宿主細(xì)胞的RNA聚合酶卻能轉(zhuǎn)錄細(xì)胞內(nèi)的許多轉(zhuǎn)錄單位(＞1000個(gè))中的任意一個(gè)。這些轉(zhuǎn)錄單位中有一些可由RNA聚合酶直接轉(zhuǎn)錄，不需要其他因子的幫助。但大多數(shù)這些轉(zhuǎn)錄單位僅在更多的蛋白質(zhì)因子存在下才能被該RNA聚合酶所轉(zhuǎn)錄。所以，可以想像宿主細(xì)胞所以要求這樣大和復(fù)雜，至少部分反映了它需要和許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聚合酶各亞基的基因(除ω亞基的基因尚不詳外)均存在于三個(gè)操縱子中，這些操縱子還含有蛋白質(zhì)合成和DNA合成所需的基因。P71主要啟動(dòng)子(P)均在操縱子的左側(cè)，RNA則向右方合成。次要啟動(dòng)子(p)包括σ操縱子中的一個(gè)啟動(dòng)子(PHS，是在熱休克條件下才有活性的啟動(dòng)子)，均位于操縱子之內(nèi)。這些次要啟動(dòng)子僅啟動(dòng)在其右側(cè)的基因。β操縱子的前面兩個(gè)基因L11和L1，有時(shí)被認(rèn)為組成另一個(gè)獨(dú)立的操縱子，因?yàn)樵贚10基因之前另有一啟動(dòng)子。這些基因編碼50個(gè)左右核糖體蛋白質(zhì)中的某些蛋白質(zhì)。σ操縱子中還含有復(fù)制所需的蛋白質(zhì)，即DNA引物酶的基因。現(xiàn)在還不清楚這些操縱子是如何進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
RNA聚合酶
啟動(dòng)環(huán)功能
RNA聚合酶
代換
RNA聚合酶
T7是E.coli的烈性噬菌體，基因組長(zhǎng)為39,936nt，順序已知。整個(gè)基因組可能具有55個(gè)基因，其中44個(gè)基因的產(chǎn)物已鑒別出了，已知30種是有功能的轉(zhuǎn)錄可分為3組，30°C整個(gè)生活周期約為25￠分鐘，但其DNA的注入很慢，整個(gè)的過(guò)程約10分鐘，而其它的噬菌體僅1分鐘即可完成。這也是一種調(diào)控的手段，因未注入宿主細(xì)胞中的DNA是不能轉(zhuǎn)錄的。在感染6分鐘后，E.coli的RNA合成體系全部被T4的合成體系所取代。
在感染后的前6分鐘，T7噬菌體的RNAPol尚未表達(dá)，因此仍使用了宿主E.coli的RNA聚合酶，轉(zhuǎn)錄的基因主要有10個(gè)（0.3,0.4,0.5,0.6,0.65,0.7,1,1.1,1.2,1.3），其0.3基因編碼宿主限制酶的抑制蛋白，使T7進(jìn)入宿主免遭降解；0.7基因編碼一種蛋白激酶，能將E.coli的RNA聚合酶磷酸化，為抑制宿主RNAPol作準(zhǔn)備；基因1編碼T7RNAPol聚合酶，分子量為98KDa，是一條單鏈肽，它所識(shí)別的啟動(dòng)子是由23bp組成的保守順序（-17～16）。
晚期轉(zhuǎn)錄分為二組（Ⅱ和Ⅲ）。感染后6～12分鐘后T7就利用自己的RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄第Ⅱ組轉(zhuǎn)錄物。這一組約含（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），其中對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)系的是基因2，其產(chǎn)物是E.coli聚合酶抑制劑。宿主的RNA聚合酶先受到基因0.7產(chǎn)物的磷酸化，再經(jīng)抑制完全失去了作用，此時(shí)T7已不再需要I組的轉(zhuǎn)錄物了，因此廢除了宿主RNA聚合酶的功能，而將自己編碼的RNA聚合酶取而代之。第Ⅱ組的基因多與T7的復(fù)制酶系的合成及幾種結(jié)構(gòu)蛋白有關(guān)，但第Ⅱ組的啟動(dòng)子和復(fù)制的φL啟動(dòng)子因其保守順序中分別有2～7個(gè)堿基發(fā)生了改變，所以是較弱的啟動(dòng)子，但由于其位置排在Ⅲ組啟動(dòng)子的前面，所以先進(jìn)入宿主得以轉(zhuǎn)錄，而不與第Ⅲ組啟動(dòng)子的競(jìng)爭(zhēng)。
RNA聚合酶
第Ⅰ組轉(zhuǎn)錄的終止位置在鄰近1.4基因的上游區(qū)（1.3和1.4之間），此是E.coliRNA聚合酶的終止子）它解離后T7RNA聚合酶則重新從第Ⅱ組起始轉(zhuǎn)錄。第Ⅱ組和第Ⅲ組都使用終止子Tj，由于自注入宿主緩慢，在第Ⅱ組轉(zhuǎn)錄時(shí)第Ⅲ組基因尚未注入，仍得不到表達(dá)。
Tj的終止效率是90%，尚有10%可以延長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄T7的末端，Tj位于基因10和11之間。基因10是主要的頭部蛋白，需要量大，它排在第Ⅱ組末是合理的，即有強(qiáng)啟動(dòng)子的啟動(dòng)，又在轉(zhuǎn)錄后被終止，這樣不僅滿足了裝配顆粒的需要，又不至造成浪費(fèi)。而排在基因10后面的基因都是編碼少量頭部蛋白和尾部蛋白的，無(wú)需大量的轉(zhuǎn)錄，后面越過(guò)Tj延長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)度就可滿足需要了，這本身也是一種終止子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。
作用
RNA聚合酶
真核生物的RNA聚合酶分三類(lèi)。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，轉(zhuǎn)錄rRNA順序。RNA聚合酶Ⅱ存在于核質(zhì)中，轉(zhuǎn)錄大多數(shù)基因，需要“TATA”框。RNA聚合酶Ⅲ存在于核質(zhì)中，轉(zhuǎn)錄很少幾種基因如tRNA基因如5SrRNA基因。有些重復(fù)順序如Alu順序可能也由這種酶轉(zhuǎn)錄。上面提到的“TATA”框又稱Goldberg –Hogness順序，是RNA聚合酶Ⅱ的接觸點(diǎn)，是這種酶的轉(zhuǎn)錄單位所特有的。它在真核生物的轉(zhuǎn)錄基因的5’端一側(cè)，在轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游20至30個(gè)核苷酸之間有一段富含AT的順序。如以轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)為0，則在-33到27個(gè)核苷酸與-27至21核苷酸之間，有一個(gè)“TATA”框。一般是7個(gè)核苷酸。原核生物中也類(lèi)似“TATA”框的結(jié)構(gòu)。RNA聚合酶作用在“TATAAT”（Pribnow）盒和“TTGA－CA”框附近。
研究進(jìn)展
在美國(guó)著名哲學(xué)家愛(ài)默生（RalphWaldoEmerson）說(shuō)“大自然容不得任何錯(cuò)誤”的時(shí)候，他一定沒(méi)有考慮過(guò)RNA聚酶（RNApolymerase，RNAP），這一能將遺傳物質(zhì)DNA與生物功能表現(xiàn)者蛋白聯(lián)系起來(lái)的不二功臣實(shí)際上在轉(zhuǎn)錄的時(shí)候會(huì)發(fā)生很多錯(cuò)誤，但是它也有“自知之明”會(huì)及時(shí)將這些錯(cuò)誤更正過(guò)來(lái)。這一由Stanford大學(xué)StevenBlock實(shí)驗(yàn)室完成的研究發(fā)表在11月Nature上面。
RNA聚合酶(RNAP)，只要是稍微接觸過(guò)分子生物學(xué)的人就不會(huì)對(duì)這個(gè)名詞陌生，在DNA要將它的遺傳信息表達(dá)出去，成為真正具有功能效應(yīng)的單位——蛋白的時(shí)候，需要中間體RNA的幫助，而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程就不能缺少這個(gè)重要的酶。StevenBlock和他的同事利用一種比之前光阱（opticaltrap）更穩(wěn)定的裝置發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌轉(zhuǎn)錄的過(guò)程中，這個(gè)酶每隔大約1000個(gè)堿基就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，但是RNAP也有良好的自我糾正機(jī)制，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正這些錯(cuò)誤。
RNA聚合酶
這一研究獲得了許多科學(xué)家的認(rèn)可，德克薩斯大學(xué)健康中心的RuiSousa認(rèn)為這是一項(xiàng)迄今為止最好的布朗荊輪的證明，但是也有科學(xué)家對(duì)此表示懷疑態(tài)度。
北京時(shí)間2023年1月12日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張余研究團(tuán)隊(duì)和美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Robert Landick團(tuán)隊(duì)以及浙江大學(xué)馮鈺團(tuán)隊(duì)合作在《自然》雜志上發(fā)表題為Structural basis for intrinsic transcription termination（《轉(zhuǎn)錄終止的結(jié)構(gòu)機(jī)制》）的研究論文，該研究揭示了細(xì)菌RNA聚合酶如何識(shí)別轉(zhuǎn)錄終止序列終止轉(zhuǎn)錄的工作機(jī)制。
參與過(guò)程
該酶需要四種核糖核苷酸三磷酸（NTP：ATP、GTP、CTP、UTP）作為RNA聚合酶的底物，DNA為模板，二價(jià)金屬離子Mg、Mn是該酶的必需輔因子。其催化的反應(yīng)表示為：（NMP）n+NTP→（NMP）n+1+PPi。RNA鏈的合成方向也是5’→3'，第一個(gè)核苷酸帶有3個(gè)磷酸基。其后每加入一個(gè)核苷酸脫去一個(gè)焦磷酸，形成磷酸二酯鍵，焦磷酸迅速水解的能量驅(qū)動(dòng)聚合反應(yīng)。與DNA聚合酶不同，RNA聚合酶無(wú)須引物，它能直接在模板上合成RNA鏈；RNA聚合酶能夠局部解開(kāi)DNA的兩條鏈，所以轉(zhuǎn)錄時(shí)無(wú)須將DNA雙鏈完全解開(kāi)，RNA聚合酶無(wú)校對(duì)功能。
特點(diǎn)
RNA聚合酶催化RNA的合成，其與DNA聚合酶有許多相同的催化特點(diǎn)：
①以DNA為模板；
③聚合反應(yīng)是核苷酸形成3’，5’一磷酸二酯鍵的反應(yīng)；
④以3’→5’方向閱讀模板，5’→3’方向合成核酸；
分類(lèi)
通常可根據(jù)生物的類(lèi)別，將RNA聚合酶分為原核生物RNA聚合酶、真核生物RNA聚合酶。
原核生物和真核生物的RNA聚合酶有共同特點(diǎn)，但在結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)等方面又不盡相同。
（1）原核生物RNA聚合酶 研究得最清楚的是大腸桿菌RNA聚合酶。該酶是由五種亞基組成的六聚體（α2ββ'ωσ）分子量約500 000。其中α2ββ'ω稱為核心酶（coreenzyme），σ因子與核心酶結(jié)合后稱為全酶（holoenzyme）。
σ因子的主要作用是識(shí)別DNA模板上的啟動(dòng)子，其單獨(dú)存在時(shí)不能與DNA模板結(jié)合，與核心酶結(jié)合成全酶后，才可使全酶與模板DNA上的啟動(dòng)子結(jié)合。當(dāng)它與啟動(dòng)基因的特定堿基序列結(jié)合后，DNA雙鏈解開(kāi)一部分，使轉(zhuǎn)錄開(kāi)始，故σ因子又稱起始因子。已經(jīng)鑒定出大腸桿菌有7種σ因子，不同的σ因子可以競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合核心酶，以決定哪個(gè)基因被轉(zhuǎn)錄。其中σ（數(shù)字表示其分子量大小）協(xié)助識(shí)別管家基因的啟動(dòng)子。環(huán)境變化可以誘導(dǎo)產(chǎn)生特定σ因子，啟動(dòng)特定基因的轉(zhuǎn)錄。
核心酶只有一種，參與整個(gè)轉(zhuǎn)錄過(guò)程，催化所有RNA的轉(zhuǎn)錄合成。
其他原核生物的RNA聚合酶在結(jié)構(gòu)和功能上均與大腸桿菌相似。抗生素利福平或利福霉素可以特異抑制原核生物的RNA聚合酶，成為抗結(jié)核菌治療的藥物。它專(zhuān)一性地結(jié)合RNA聚合酶的β亞基。若在轉(zhuǎn)錄開(kāi)始后才加入利福平，仍能發(fā)揮其抑制轉(zhuǎn)錄的作用，這說(shuō)明β亞基足在轉(zhuǎn)錄全過(guò)程都起作用的。
（2）真核生物RNA聚合酶 真核生物具有3種不同的細(xì)胞核RNA聚合酶，分別是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）．這三種RNA聚合酶不僅在功能和理化性質(zhì)上不同，而且對(duì)α一鵝膏蕈堿（一種毒蘑菇含有的環(huán)八肽毒素）的敏感性也不同。
真核生物的3種細(xì)胞核RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)比原核生物復(fù)雜，3種RNA聚合酶都有2個(gè)不同的大亞基、2個(gè)類(lèi)α亞基和1個(gè)類(lèi)ω亞基，分別與大腸桿菌核心酶的β和β’、2個(gè)α亞基和ω亞基同源。除上述5個(gè)亞基外，三種RNA聚合酶還各含7～11個(gè)小亞基。合成RNA時(shí)，原核細(xì)胞依賴RNA聚合酶的各個(gè)亞單位就能完成轉(zhuǎn)錄過(guò)程，而真核細(xì)胞還需要一些蛋白質(zhì)因子參與，并對(duì)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行加工修飾。
真核生物線粒體有自己的RNA聚合酶，催化合成線粒體mRNA、tRNA、rRNA。線粒體RNA聚合酶在功能和性質(zhì)上與原核細(xì)胞RNA聚合酶類(lèi)似，其活性也可被利福平或利福霉素抑制。
參考資料
[1]
中科院分子植物卓越中心科學(xué)家合作揭示基因轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制 · 環(huán)球網(wǎng)[引用日期2023-01-12]
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蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中的機(jī)器
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