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RNA聚合酶

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DNA-Directed RNA Polymerase
RNA Polymerase hetero27mer, Human
识别码
EC編號 2.7.7.6
CAS号 9014-24-8
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PDB RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
基因本体 AmiGO / EGO
RNA 聚合酶（紫色）解開 DNA 雙螺旋並使用一條鏈（深橙色）作為模板來創建單鏈信使 RNA（綠色）

RNA聚合酶（RNA polymerase, 或 DNA-dependent RNA polymerase，EC2.7.7.6）或核糖核酸聚合酶，精确称呼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

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人類RNA聚合酶I、Ⅱ及Ⅲ的必要亞基

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

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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

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真核生物的RNA聚合酶II（淺藍色）與α-鵝膏蕈鹼（紅色）的複合物結構，α-鵝膏蕈鹼是毒鵝膏蘑菇中發現的一種強效毒藥，其作用靶向這種重要的酶.

真核生物有著幾種RNA聚合酶：

  1. RNA聚合酶I（英语：RNA polymerase 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。 [1]
  2. 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）。[2]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。
  3. 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。[3]
  4. RNA聚合酶IV（英语：RNA polymerase IV）在植物中合成siRNA[4]
  5. RNA聚合酶V合成參與植物中siRNA指導的異染色質形成的RNA。[5]

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″。[6]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。[7] 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。[8][9]

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。[10] 這種噬菌體樣聚合酶在植物中稱為RpoT。[11]

古菌的RNA聚合酶

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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Ⅱ[12][13]。

古菌RNA聚合酶的研究开展较晚，第一项成果发表于1971年，當時從極端嗜鹽菌（英语：Halophile）Halobacterium cutirubrum獲得的RNAP是被分離且純化的。 [14]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。[12][15]

病毒的RNA聚合酶

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T7 RNA聚合酶從DNA模板產生mRNA（綠色）。此蛋白質顯示為紫色絲帶（PDB 1MSW）

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

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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

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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[16]。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[17]，但實際上卻是核糖核酸酶。

纯化

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RNA聚合酶可以用以下方式纯化：

參見

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参考文献

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  1. ^ Grummt I. Regulation of mammalian ribosomal gene transcription by RNA polymerase I. Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology 62. 1999: 109–54. ISBN 9780125400626. PMID 9932453. doi:10.1016/S0079-6603(08)60506-1. 
  2. ^ Lee Y, Kim M, Han J, Yeom KH, Lee S, Baek SH, Kim VN. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. The EMBO Journal. October 2004, 23 (20): 4051–4060. PMC 524334 可免费查阅. PMID 15372072. doi:10.1038/sj.emboj.7600385. 
  3. ^ Willis IM. RNA polymerase III. Genes, factors and transcriptional specificity. European Journal of Biochemistry. February 1993, 212 (1): 1–11. PMID 8444147. doi:10.1111/j.1432-1033.1993.tb17626.x 可免费查阅. 
  4. ^ Herr AJ, Jensen MB, Dalmay T, Baulcombe DC. RNA polymerase IV directs silencing of endogenous DNA. Science. April 2005, 308 (5718): 118–120. Bibcode:2005Sci...308..118H. PMID 15692015. S2CID 206507767. doi:10.1126/science.1106910 可免费查阅. 
  5. ^ Wierzbicki AT, Ream TS, Haag JR, Pikaard CS. RNA polymerase V transcription guides ARGONAUTE4 to chromatin. Nature Genetics. May 2009, 41 (5): 630–634. PMC 2674513 可免费查阅. PMID 19377477. doi:10.1038/ng.365. 
  6. ^ Pfannschmidt T, Ogrzewalla K, Baginsky S, Sickmann A, Meyer HE, Link G. The multisubunit chloroplast RNA polymerase A from mustard (Sinapis alba L.). Integration of a prokaryotic core into a larger complex with organelle-specific functions. European Journal of Biochemistry. January 2000, 267 (1): 253–261. PMID 10601874. doi:10.1046/j.1432-1327.2000.00991.x. 
  7. ^ Chi W, He B, Mao J, Jiang J, Zhang L. Plastid sigma factors: Their individual functions and regulation in transcription. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. SI: Chloroplast Biogenesis. September 2015, 1847 (9): 770–778. PMID 25596450. doi:10.1016/j.bbabio.2015.01.001. 
  8. ^ Pfalz J, Pfannschmidt T. Essential nucleoid proteins in early chloroplast development. Trends in Plant Science. April 2013, 18 (4): 186–94. Bibcode:2013TPS....18..186P. PMID 23246438. doi:10.1016/j.tplants.2012.11.003. 
  9. ^ Steiner S, Schröter Y, Pfalz J, Pfannschmidt T. Identification of essential subunits in the plastid-encoded RNA polymerase complex reveals building blocks for proper plastid development. Plant Physiology. November 2011, 157 (3): 1043–1055. PMC 3252157 可免费查阅. PMID 21949211. doi:10.1104/pp.111.184515. 
  10. ^ Cermakian N, Ikeda TM, Miramontes P, Lang BF, Gray MW, Cedergren R. On the evolution of the single-subunit RNA polymerases. Journal of Molecular Evolution. December 1997, 45 (6): 671–681. Bibcode:1997JMolE..45..671C. CiteSeerX 10.1.1.520.3555 可免费查阅. PMID 9419244. S2CID 1624391. doi:10.1007/PL00006271. 
  11. ^ Schweer J, Türkeri H, Kolpack A, Link G. Role and regulation of plastid sigma factors and their functional interactors during chloroplast transcription - recent lessons from Arabidopsis thaliana. European Journal of Cell Biology. December 2010, 89 (12): 940–946. PMID 20701995. doi:10.1016/j.ejcb.2010.06.016. 
  12. ^ 12.0 12.1 Korkhin, 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.
  13. ^ Werner, F. (2007). "Structure and function of archaeal RNA polymerases." Molecular microbiology 65(6): 1395-1404.
  14. ^ 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.
  15. ^ Hirata, A., B. Klein and K. Murakami (2008). "The X-ray crystal structure of RNA polymerase from Archaea." Nature 451(7180): 851-854.
  16. ^ Hurwitz J. The discovery of RNA polymerase. The Journal of Biological Chemistry. December 2005, 280 (52): 42477–42485. PMID 16230341. doi:10.1074/jbc.X500006200 可免费查阅. 
  17. ^ Nobel Prize 1959. [2021-11-28]. （原始内容存档于2007-02-02）. 

外部連結

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