核糖核酸聚合酶

**RNA 聚合酶**（RNA polymerase, 或 DNA-dependent RNA polymerase，EC2.7.7.6）或**核糖核酸聚合酶**，精確稱呼 **DNA 依賴性 RNA 聚合酶**，縮寫 **RNAP** 或 **RNApol**，是一種負責從 DNA 模板製造 RNA 的酶。

不使用解旋酶，RNA 聚合酶自己包含解旋酶的功能，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 奈米）的溝道及直徑為 25Å（2.5 奈米）。這個溝道正好適合 20Å（2 奈米）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：

* RNA 聚合酶Ｉ合成核糖體 RNA（rRNA）前體 45S，當成熟後會成為 28S、18S 及 5.8S 核糖體 RNA，是將來核糖體的主要 RNA 部份。
* RNA 聚合酶 Ⅱ 合成信使 RNA（mRNA）的前體及大部份小核 RNA（snRNA）以及微型 RNA（microRNA）。因為它在轉錄過程中需要多種轉錄因子才能與啟動子結合，所以這是現時最多研究的種類。
* RNA 聚合酶 Ⅲ 合成轉運 RNA（tRNAs）、rRNA 5S 及其他可以在細胞核及原生質找到的細小的 RNA。
* 其他在粒線體及葉綠體的 RNA 聚合酶種類。

## 古菌的 RNA 聚合酶

古菌的 RNA 聚合酶只有一種 (據推測可能多於一種)，負責所有 RNA 的合成。古菌 RNA 聚合酶在結構和催化機理上與都與細菌、真核生物的聚合酶類似，尤其類似於真核生物的 RNA 聚合酶 Ⅱ。

古菌 RNA 聚合酶的研究開展較晚，第一項成果發表於 1971 年，當時從極端嗜鹽菌 _Halobacterium cutirubrum_ 獲得的 RNAP 是被分離且純化的。
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。

## 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。

## 發現歷史

RNA 聚合酶是於 1960 年分別由 Charles Loe, Audrey Stevens 及霍維茲 (Jerard Hurwitz) 獨立發現。但在此之前，於 1959 年，諾貝爾獎頒發給了塞韋羅・奧喬亞，因為他的發現當時認為是 RNA 聚合酶，但其實是核糖核酸酶。

## 純化

RNA 聚合酶可以用以下方式純化：

* 磷酸纖維素柱層析
* 甘油梯度離心
* DNA 柱層析
* 離子交換柱
* 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
* 引發酶 (primase)
* DNA 聚合酶
* T7 核糖核酸聚合酶

## 外部連結

* DNAi（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 醫學主題詞表（MeSH）：_RNA+Polymerase_
* EC 2.7.7.6
* RNA Polymerase - Synthesis RNA from DNA Template
* 3D macromolecular structures of RNA Polymerase from the EM Data Bank (EMDB)（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參考文獻