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聚合酶局部打开双链 DNA，这样暴露的核苷酸的一条链可以用作 RNA 合成的模板，这一过程称为转录。转录因子及其相关的转录介质复合体必须连接到称为启动子区的DNA结合位点，然后 RNAP 才能在该位置启动 DNA 解旋。RNAP 不仅启动 RNA 转录，还引导核苷酸定位，促进附着和延伸，具有内在的校对和替换能力，以及终止识别能力。在真核生物中，RNAP 可以构建长达 240 万个核苷酸的链。

在科学上，RNA聚合酶是一个在RNA转录本3'端聚合核糖核苷酸的核苷转移酶。RNA聚合酶是一种非常重要的酶，且可在所有生物、细胞及多种病毒中可见。

## 控制转录

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控制转录过程会影响基因表现的模式，并从而容许细胞适应不同的环境、执行生物内独特的角色及维持生存所需的代谢过程。所以，RNA聚合酶是活动不单是复杂，而且是有高度规律的。在大肠杆菌中，已确认超过100个因子可以修饰RNA聚合酶的活动。

RNA聚合酶可以在特定的DNA序列，称为启动子发动转录。它继而产生RNA链以补足DNA的模板股。并会加入核苷酸至RNA股，这个过程称为“延伸”。在真核生物的RNA聚合酶可以建立一条长达240万个核苷的链（等同于肌萎缩蛋白基因的总长度）。RNA聚合酶会优先在基因末端已编码的DNA序列（称为终止子）释放它的RNA转录本。

核糖体会把一些RNA分子会作为蛋白质生物合成的模板。其他会折叠成核酶或转运RNA（tRNA）分子。第三种可能性是RNA分子会单纯地用作控制调节将来的基因表现。（参考小干扰性RNA）

RNA聚合酶完成一个全新的合成。它能够这样造是因为它与起始的核苷酸独特的相互作用，能把它牢牢地抓住，方便对进入的核苷酸进行化学攻击。这种独特的相互作用解释了为何RNA聚合酶较喜欢以三磷酸腺苷（ATP）作为转录的开始，依次其次是三磷酸鸟苷（GTP）、三磷酸尿苷（UTP）及三磷酸胞苷（CTP）。与DNA聚合酶相反，RNA聚合酶包含了解旋酶的活动，所以无须另外的酶来卷开DNA。

## 细菌的RNA聚合酶

在细菌中，相同的酶催化三种RNA的合成：信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）及转运RNA（tRNA）。

RNA聚合酶是相对大的分子。核心酶有5个亚基（~400 kDa）：

- α2：这两个α亚基组合成酶及辨认调节因子。每个亚基有两个区，αC末端区及αN末端区，分别与启动子结合及与聚合酶的其他部分结合。
- β：有着聚合酶的活动，负责催化RNA的合成。
- β'：与DNA结合。
- ω：还未清楚它的功能。但是它在耻垢分枝杆菌中似乎是提供保护功能予β'亚基。

为着与启动子的特定区域结合，核心酶须有其他亚基，称为σ。σ因子大大减低RNA聚合酶与非特定的DNA的关系，视乎σ因子本身而增加对某些启动子区域的独特性。所以完整的全酶有着6个亚基：α2、β、β'、σ及ω（~480 kDa）。RNA聚合酶的结构就有一个长约55Å（即5.5纳米）的沟道及直径为25Å（2.5纳米）。这个沟道正好适合20Å（2纳米）的DNA双股。55Å的长度可以接受16核苷酸。

当不使用时，RNA聚合酶会与弱结合部位结合，等待活性启动子的位点开启并快速转换。RNA聚合全酶所以在不使用时不是在细胞内自由浮动的。

## 真核生物的RNA聚合酶

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真核生物有着几种RNA聚合酶：

真核生物的叶绿体含有多亚基RNAP（“PEP，质体编码聚合酶”）。由于其来源于细菌，PEP的组织类似于目前的细菌RNA聚合酶：它由质体上的 RPOA、RPOB、RPOC1 和RPOC2基因编码，它们作为蛋白质形成PEP的核心亚基，分别命名为 α、β、β′和β″。与大肠杆菌中的RNA聚合酶类似，PEP需要σ因子 sigma (σ)因子来识别其启动子，其中包含-10和-35基序。尽管植物细胞器和细菌RNA聚合酶及其结构之间有许多共同之处，但PEP也需要与多种核编码蛋白质（称为PAP（PEP相关蛋白））结合，这些蛋白质形成与植物中的PEP复合物密切相关的必需成分。最初透过生化方法鉴定出一个由10种PAP组成的群组，后来扩展到12种PAP。

叶绿体也含有第二个在结构和机制上不相关的单一亚基RNAP（“核编码聚合酶，NEP”）。真核生物的粒线体使用POLRMT（人类），一种细胞核编码的单亚基RNAP。这种噬菌体样聚合酶在植物中称为RpoT。

## 古菌的RNA聚合酶

古菌的RNA聚合酶只有一种(据推测可能多于一种)，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Ⅱ。

古菌RNA聚合酶的研究开展较晚，第一项成果发表于1971年，当时从极端嗜盐菌Halobacterium cutirubrum获得的RNAP是被分离且纯化的。

从硫磺矿硫化叶菌与芝田硫化叶菌取得的RNAP的晶体结构使得已确认古亚基总数达到13个。

## 病毒的RNA聚合酶

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很多病毒都有为RNA聚合酶编码。相信最多研究的病毒RNA聚合酶是噬菌体T7。它的RNA聚合酶是单一亚基的，与在粒线体及叶绿体所找到的RNA聚合酶相关，并且与DNA聚合酶同源。因此很多人相信大部分的病毒聚合酶是从DNA聚合酶演化而来，并不是直接与上述的多亚基聚合酶有所关联。

病毒聚合酶是繁杂的，且包括一些形态可以使用RNA（而非DNA）作为模板。反链核糖核酸病毒及双链核糖核酸病毒都是以双股RNA形式生存。但是，有些正链核糖核酸病毒，如小儿麻痹病毒，亦包含这些RNA依赖性RNA聚合酶。

## 转录辅助因子

有部分蛋白质可以与RNA聚合酶结合，并修饰其活动。例如大肠杆菌的greA及greB可以促进RNA聚合酶劈开接近链末端RNA模板的能力。这可以夺回陷入了的聚合酶分子，并且可以校对RNA聚合酶偶然的错误。另一种辅助因子Mfd涉及在转录合并修复中，而其他辅助因子则都是负责调节作用，即帮助RNA聚合酶选择是否表现某些基因。

## 历史

RNA聚合酶是于1960年分别由Charles Loe, Audrey Stevens及霍维兹(Jerard Hurwitz)各自独立发现。但在此之前，于1959年，诺贝尔医学奖的一半已颁发给了塞韦罗·奥乔亚（Severo Ochoa），以表彰他发现了人们当时认为是RNA聚合酶的物质，但实际上却是核糖核酸酶。

## 纯化

RNA聚合酶可以用以下方式纯化：

- 用色谱柱
- 用磷酸纤维素柱层析
- 用甘油梯度离心
- 用DNA柱层析
- 用离子色谱柱
- 一并使用磷酸纤维素柱层析加上DNA柱层析

## 外部链接

- DNAi
- RNA+Polymerase
- RNA Polymerase - Synthesis RNA from DNA Template
- 来自EM数据库(EMDB)的RNA聚合酶3D大分子结构

## 基本资料

- 公共医学中心（PMC）：2.7.7.6
- CAS号：9014-24-8
- 基因本体（GO）：0034062