RNA polymerase
以DNA模板合成RNA的酶。
RNA聚合酶（RNAP或RNApol），又称DNA指导/依赖的RNA聚合酶（DdRP），是一种以DNA模板链催化RNA合成的酶。它对生命至关重要，存在于所有生物体和许多病毒中，负责转录过程，即将DNA复制为RNA。该酶通过局部解开双链DNA，利用其中一条链作为模板生成互补的RNA链。解旋过程由解旋酶辅助，但与DNA聚合酶不同，RNAP自身具有解旋酶活性，无需单独的酶参与此步骤。转录开始前，转录因子及其相关的介导复合体必须首先附着在称为启动子区域的特定DNA序列上；只有在此之后，RNAP才能启动解旋。在转录过程中，RNAP不仅启动RNA合成，还引导进入的核苷酸定位，促进其连接和延伸，并具有内在的校对和替换能力，以及识别终止序列的能力。RNAP的产物包括信使RNA（mRNA），作为蛋白质合成的模板；转运RNA（tRNA），将氨基酸递送至核糖体；核糖体RNA（rRNA），核糖体的结构成分；微小RNA（miRNA），调节基因活性；以及催化性RNA（核酶），作为具有酶活性的分子发挥作用。RNAP存在于所有生命域中。细菌和古菌拥有单一的RNA聚合酶，而真核生物具有多种核型，每种负责不同的RNA子集。如在大肠杆菌中所见，细菌RNAP的核心结构由五个亚基组成（两个α、一个β、一个β'和一个ω），σ因子与之结合形成全酶以启动转录。真核和古菌RNA聚合酶具有相似的核心结构和机制，但拥有额外的亚基。所有RNA聚合酶都含有金属辅因子，特别是锌和镁阳离子，它们辅助转录过程。RNAP的活性受到高度调控；仅在大肠杆菌中，就有超过一百种转录因子可以改变其功能。RNAP优先以ATP启动转录，其次是GTP、UTP，最后是CTP。
Quick Facts
- CAS number
- 9014-24-8
Facts from the source article.
背景与渊源
RNA聚合酶利用其内在的解旋酶样活性局部打开双链DNA，无需单独的解旋酶，并使用一条链作为RNA合成的模板。在细菌中，σ因子与启动子区域结合以启动转录；介导复合体是真核生物特有的，不参与细菌转录。RNAP不仅启动转录，还引导核苷酸定位，促进连接和延伸，具有内在的校对和替换能力，并识别终止序列。RNA聚合酶可以是多亚基复合体或单亚基酶，每种代表一个独立的谱系。多亚基RNAP存在于细菌、古菌和真核生物中，共享相似的核心结构和机制。单亚基RNAP存在于噬菌体、真核叶绿体和线粒体中，与现代DNA聚合酶相关。细菌和古菌只有一种RNA聚合酶，而真核生物有多种核型，每种负责不同的RNA子集。来自大肠杆菌的核心RNA聚合酶由五个亚基组成：两个α、一个β、一个β'和一个ω亚基。σ因子结合形成全酶。核心复合体形成具有内部通道的“蟹钳”或“钳颚”结构。许多RNAP含有金属辅因子，如锌和镁阳离子；噬菌体单亚基RNA聚合酶也含有一个紧密结合的锌离子。
核心酶的结构
RNA聚合酶的物理结构是分子生物学中最优雅的设计之一。在深入研究的大肠杆菌中，核心酶由五个不同的亚基组装而成：一对分子量各为36千道尔顿的α亚基、一个重150千道尔顿的β亚基、一个重155千道尔顿的β'亚基以及一个小的ω亚基。这些组件共同折叠成研究人员所描述的“蟹钳”或“钳颚”构型，具有贯穿整个结构的连续内部通道。该通道是DNA模板在转录过程中穿行的地方。该酶还依赖于金属辅因子——特别是锌和镁阳离子——它们直接参与核苷酸添加的化学反应。σ因子对接在此核心上形成完整的全酶，引导其到达DNA上的正确起始位置。一旦转录开始，σ因子脱离，裸核心独立进行延伸。真核和古菌版本共享这种基本核心结构，但增加了许多额外的亚基，使其成为更大、更复杂的机器。
从起始到终止
单个转录事件的历程以严格编排的顺序展开。在细菌中，σ因子首先识别位于待复制基因上游的保守启动子元件——即所谓的-35和-10序列。在某些启动子处，α亚基的C端结构域也会与额外的上游DNA元件结合。一旦酶锁定，它从闭合复合体转变为开放复合体，这是一种构象变化，分离两条DNA链并暴露模板。RNA聚合酶自行执行此解旋过程，将解旋酶活性直接整合到其结构中，因此不需要单独的解旋酶。随后延伸过程进行，酶引导进入的核苷酸定位，催化其连接，并延伸不断增长的RNA链。在真核生物中，这些链可延伸至惊人的240万个核苷酸，如肌营养不良蛋白基因所见。该酶还具有内置的校对和替换功能，在过程中纠正错配。最后，它识别基因末端的终止子序列并释放完整的转录本。
RNA产物的工具箱
RNA聚合酶最显著的能力之一是其产生的RNA种类的广度，每种在细胞中发挥着根本不同的作用。信使RNA作为基因编码链的直接拷贝，随后在核糖体上被翻译成多肽链。转运RNA充当分子穿梭机，在翻译过程中将特定氨基酸递送至生长中的链。核糖体RNA成为核糖体本身的结构和功能成分。微小RNA在调控水平上运作，微调基因活性。催化性RNA或核酶本身作为具有酶活性的分子发挥作用。除了这些众所周知的类别外，自20世纪90年代末以来发现的RNA沉默机制和大量新的非编码RNA基因揭示，RNA在细胞中的作用远比曾经认识到的更为广泛。在细菌和古菌中，单一的RNA聚合酶种类处理所有这些输出。在真核生物中，任务在多个特化的核聚合酶之间分配，每种专门负责不同的RNA产物子集。
进化谱系与调控复杂性
RNA聚合酶存在于每个生物体和许多病毒中，但它沿着两个基本独立的谱系进化。细菌、古菌和真核生物共有的多亚基形式在所有三个生命域中保留了可识别的核心结构和机制。在噬菌体病毒以及真核细胞的叶绿体和线粒体中遇到的单亚基形式，在进化上与现代DNA聚合酶相关，而非与多亚基酶相关。细菌和古菌各自依赖单一的RNA聚合酶来转录所有类型的RNA，而真核生物则部署了几种不同的核聚合酶，每种具有特化的RNA组合。该酶的调控异常复杂。仅在大肠杆菌中，就已鉴定出超过一百种调节其活性的转录因子，并且多个可互换的σ因子——例如用于看家基因的σ70和用于热休克反应的σ32——允许细胞响应环境线索切换转录程序。2006年，罗杰·D·科恩伯格因制作RNA聚合酶在转录不同阶段的详细分子图像而获得诺贝尔化学奖，巩固了我们对这种普遍酶的结构理解。