基本介绍

RNA聚合酶（RNA polymerase）：以一条DNA链或RNA为模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶。

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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，ω等5种不同的多肽，其中α为两个分子，所以全酶（holoenzyme）的组成是α2ββ’σω。σ亚基与RNA聚合酶的四聚体核心（α2ββ’）的形成有关；β亚基与起始和催化聚合反应有关；β’亚基含有与DNA模板的结合位点；而σ因子只与RNA转录的起始有关，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，σ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，σ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；ω亚基作用暂不明确。

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DNA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（rifampicin）和利福霉素（rifamycin）能结合在β亚基上而对此酶发生强烈的抑制作用。它抑制RNA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DNA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RNA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

RNA聚合酶

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RNA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，RNA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DNA引物酶的基因。还不清楚这些操纵子是如何进行调节的。

RNA聚合酶

σ操纵子有两个连续的启动子，就像rRNA的操纵子一样。受到ppGpp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RNA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

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启动环（triggerloop，TL）结构是真核生物和原核生物RNA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RNA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。

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