RNA聚合酶

RNA聚合酶（RNA polymerase，RNAP，RNApol）又称RNA多聚酶、核糖核酸聚合酶，是以一条DNA链或RNA链为模板，三磷酸核糖核苷为底物，催化合成RNA的酶。

RNA聚合酶分为：DNA指导的／依赖性RNA聚合酶（DNA-directed/dependent RNA polymerase，DdRp）、RNA指导的／依赖性RNA聚合酶（RNA-directed/dependent RNA polymerase，RdRp）两类，前者特称转录酶（transcriptase）；若无特别指明，RNA聚合酶一般指转录酶。

RNA聚合酶不使用解旋酶，其本身包含解旋酶的功能，RNA聚合酶局部打開雙鏈 DNA，這樣暴露的核苷酸的一條鏈可以用作 RNA 合成的模板，這一過程稱為轉錄。 轉錄因子及其相關的轉錄介質複合體必須連接到稱為啟動子區的DNA結合位點，然後 RNAP 才能在該位置啟動 DNA 解旋。 RNAP 不僅啟動 RNA 轉錄，還引導核苷酸定位，促進附著和延伸，具有內在的校對和替換能力，以及終止識別能力。 在真核生物中，RNAP 可以構建長達 240 萬個核苷酸的鏈。

在科學上，RNA聚合酶是一個在RNA轉錄本3'端聚合核糖核苷酸的核苷轉移酶。RNA聚合酶是一種非常重要的酶，且可在所有生物、細胞及多種病毒中可見。

 控制轉錄 
控制轉錄過程會影響基因表現的模式，並從而容許細胞適應不同的環境、執行生物內獨特的角色及維持生存所需的代謝過程。所以，RNA聚合酶是活動不單是複雜，而且是有高度規律的。在大腸桿菌中，已確認超過100個因子可以修飾RNA聚合酶的活動。

RNA聚合酶可以在特定的DNA序列，稱為啟動子發動轉錄。它繼而產生RNA鏈以補足DNA的模板股。並會加入核苷酸至RNA股，這個過程稱為「延伸」。在真核生物的RNA聚合酶可以建立一條長達240萬個核苷的鏈（等同於肌萎縮蛋白基因的總長度）。RNA聚合酶會優先在基因末端已編碼的DNA序列（稱為終止子）釋放它的RNA轉錄本。

核糖體會把一些RNA分子會作為蛋白質生物合成的模板。其他會摺疊成核酶或轉運RNA（tRNA）分子。第三種可能性是RNA分子會單純地用作控制調節將來的基因表現。（參考小干擾性RNA）

RNA聚合酶完成一個全新的合成。它能夠這樣造是因為它與起始的核苷酸獨特的相互作用，能把它牢牢地抓住，方便對進入的核苷酸進行化學攻擊。這種獨特的相互作用解釋了為何RNA聚合酶較喜歡以三磷酸腺苷（ATP）作為轉錄的開始，依次其次是三磷酸鳥苷（GTP）、三磷酸尿苷（UTP）及三磷酸胞苷（CTP）。與DNA聚合酶相反，RNA聚合酶包含了解旋酶的活動，所以無須另外的酶來捲開DNA。

 細菌的RNA聚合酶 
在細菌中，相同的酶催化三種RNA的合成：信使RNA（mRNA）、核糖體RNA（rRNA）及轉運RNA（tRNA）。 

RNA聚合酶是相對大的分子。核心酶有5個亞基（~400 kDa）：
 α2：這兩個α亞基組合成酶及辨認調節因子。每個亞基有兩個區，αC末端區及αN末端區，分別與啟動子結合及與聚合酶的其他部份結合。
 β：有著聚合酶的活動，負責催化RNA的合成。
 β'：與DNA結合。
 ω：還未清楚它的功能。但是它在恥垢分枝桿菌中似乎是提供保護功能予β'亞基。

為著與啟動子的特定區域結合，核心酶須有其他亞基，稱為σ。σ因子大大減低RNA聚合酶與非特定的DNA的關係，視乎σ因子本身而增加對某些啟動子區域的獨特性。所以完整的全酶有著6個亞基：α2、β、β'、σ及ω（~480 kDa）。RNA聚合酶的結構就有一個長約55Å（即5.5納米）的溝道及直徑為25Å（2.5納米）。這個溝道正好適合20Å（2納米）的DNA雙股。55Å的長度可以接受16核苷酸。

當不使用時，RNA聚合酶會與弱結合部位結合，等待活性啟動子的位點開啟並快速轉換。RNA聚合全酶所以在不使用時不是在細胞內自由浮動的。

 真核生物的RNA聚合酶 

真核生物有著幾種RNA聚合酶：

真核生物的葉綠體含有多亞基RNAP（「PEP，質體編碼聚合酶」）。由於其來源於細菌，PEP的組織類似於目前的細菌RNA聚合酶：它由質體上的 RPOA、RPOB、RPOC1 和RPOC2基因編碼，它們作為蛋白質形成PEP的核心亞基，分別命名為 α、β、β′和β″。與大腸桿菌中的RNA聚合酶類似，PEP需要σ因子 sigma (σ)因子來識別其啟動子，其中包含-10和-35基序。 儘管植物細胞器和細菌RNA聚合酶及其結構之間有許多共同之處，但PEP也需要與多種核編碼蛋白質（稱為PAP（PEP相關蛋白））結合，這些蛋白質形成與植物中的PEP複合物密切相關的必需成分。最初透過生化方法鑑定出一個由10種PAP組成的群組，後來擴展到12種PAP。

葉綠體也含有第二個在結構和機制上不相關的單一亞基RNAP（「核編碼聚合酶，NEP」）。真核生物的粒線體使用POLRMT（人類），一種細胞核編碼的單亞基RNAP。 這種噬菌體樣聚合酶在植物中稱為RpoT。

 古菌的RNA聚合酶 
古菌的RNA聚合酶只有一种(據推測可能多於一種)，负责所有RNA的合成。古菌RNA聚合酶在结构和催化机理上与都与细菌、真核生物的聚合酶类似，尤其类似于真核生物的RNA聚合酶ⅡKorkhin, Y., U. Unligil, O. Littlefield, P. Nelson, D. Stuart, P. Sigler, S. Bell and N. Abrescia (2009). "Evolution of Complex RNA Polymerases: The Complete Archaeal RNA Polymerase Structure." PLoS biology 7(5): e102.Werner, F. (2007). "Structure and function of archaeal RNA polymerases." Molecular microbiology 65(6): 1395-1404.。

古菌RNA聚合酶的研究开展较晚，第一项成果发表于1971年，當時從極端Halobacterium cutirubrum''獲得的RNAP是被分離且純化的。
Louis, B. G. and P. S. Fitt (1971). "Nucleic acid enzymology of extremely halophilic bacteria. Halobacterium cutirubrum deoxyribonucleic acid-dependent ribonucleic acid polymerase." The Biochemical journal 121(4): 621-627.從硫磺礦硫化葉菌與芝田硫化葉菌取得的RNAP的晶體結構使得已確認古亞基總數達到13個。Hirata, A., B. Klein and K. Murakami (2008). "The X-ray crystal structure of RNA polymerase from Archaea." Nature 451(7180): 851-854.

 病毒的RNA聚合酶 

很多病毒都有為RNA聚合酶編碼。相信最多研究的病毒RNA聚合酶是噬菌體T7。牠的RNA聚合酶是單一亞基的，與在粒線體及葉綠體所找到的RNA聚合酶相關，並且與DNA聚合酶同源。因此很多人相信大部份的病毒聚合酶是從DNA聚合酶演化而來，並不是直接與上述的多亞基聚合酶有所關聯。

病毒聚合酶是繁雜的，且包括一些形態可以使用RNA（而非DNA）作為模板。反鏈核糖核酸病毒及雙鏈核糖核酸病毒都是以雙股RNA形式生存。但是，有些正鏈核糖核酸病毒，如小兒麻痺病毒，亦包含這些RNA依賴性RNA聚合酶。

 轉錄輔助因子 
有部份蛋白質可以與RNA聚合酶結合，並修飾其活動。例如大腸桿菌的greA及greB可以促進RNA聚合酶劈開接近鏈末端RNA模板的能力。這可以奪回陷入了的聚合酶分子，並且可以校對RNA聚合酶偶然的錯誤。另一種輔助因子Mfd涉及在轉錄合併修復中，而其他輔助因子則都是負責調節作用，即幫助RNA聚合酶選擇是否表現某些基因。

 歷史 
RNA聚合酶是於1960年分別由Charles Loe, Audrey Stevens及霍維茲(Jerard Hurwitz)各自獨立發現。但在此之前，於1959年，諾貝爾醫學獎的一半已頒發給了塞韋羅·奧喬亞（Severo Ochoa），以表彰他發現了人們當時認為是RNA聚合酶的物質，但實際上卻是核糖核酸酶。

 纯化 
RNA聚合酶可以用以下方式纯化：
 用色谱柱
 用磷酸纖維素柱層析
 用甘油梯度離心
 用DNA柱層析
 用离子色谱柱
 一併使用磷酸纖維素柱層析加上DNA柱層析

 參見 
 Α-鵝膏蕈鹼
 引发酶 (primase)
 DNA聚合酶
 T7核糖核酸聚合酶

 参考文献 

 外部連結 

 DNAi


 RNA Polymerase - Synthesis RNA from DNA Template
來自EM資料庫(EMDB)的RNA聚合酶3D大分子結構

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Category:EC 2.7.7