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RNA聚合酶

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DNA-Directed RNA Polymerase
RNA Polymerase hetero27mer, Human
识别码
EC编号 2.7.7.6
CAS号 9014-24-8
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PRIAM（英语：PRIAM_enzyme-specific_profiles） 概述
PDB RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
基因本体 AmiGO / EGO
RNA 聚合酶（紫色）解开 DNA 双螺旋并使用一条链（深橙色）作为模板来创建单链信使 RNA（绿色）

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依赖性RNA聚合酶，缩写RNAP或 RNApol，是一种负责从DNA模板制造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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人类RNA聚合酶I、Ⅱ及Ⅲ的必要亚基

控制转录过程会影响基因表达的模式，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达。（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

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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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真核生物的RNA聚合酶II（浅蓝色）与α-鹅膏蕈碱（红色）的复合物结构，α-鹅膏蕈碱是毒鹅膏蘑菇中发现的一种强效毒药，其作用靶向这种重要的酶.

真核生物有着几种RNA聚合酶：

  1. RNA聚合酶I（英语：RNA polymerase I）合成核糖体RNA（rRNA）前体45S，当成熟后会成为28S、18S及5.8S核糖体RNA，是将来核糖体的主要RNA部分。 [1]
  2. RNA聚合酶II合成信使RNA（mRNA）的前体及大部分小核RNA（snRNA）以及微型RNA（microRNA）。[2]因为它在转录过程中需要多种转录因子才能与启动子结合，所以这是现时最多研究的种类。
  3. RNA聚合酶III合成转运RNA（tRNAs）、rRNA 5S及其他可以在细胞核及原生质找到的细小的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合成参与植物中siRNA指导的异染色质形成的RNA。[5]

真核生物的叶绿体含有多亚基RNAP（“PEP，质粒编码聚合酶”）。由于其来源于细菌，PEP的组织类似于目前的细菌RNA聚合酶：它由质粒上的 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″。[6]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。[7] 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。[8][9]

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”）。真核生物的线粒体使用POLRMT（人类），一种细胞核编码的单亚基RNAP。[10] 这种噬菌体样聚合酶在植物中称为RpoT。[11]

古菌的RNA聚合酶

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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[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，当时从极端嗜盐菌（英语：Halophile）Halobacterium cutirubrum获得的RNAP是被分离且纯化的。 [14]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。[12][15]

病毒的RNA聚合酶

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T7 RNA聚合酶从DNA模板产生mRNA（绿色）。此蛋白质显示为紫色丝带（PDB 1MSW）

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，与在线粒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

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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

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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[16]。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[17]，但实际上却是核糖核酸酶。

纯化

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RNA聚合酶可以用以下方式纯化：

参见

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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）. 

外部链接

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