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RNA聚合酶
點擊次數：1139 發布時間：2013-8-8
RNA聚合酶的定義
RNA聚合酶（RNA polymerase）:以一條DNA鏈或RNA為模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶。是催化以DNA為模板（template）、三磷酸核糖核苷為底物、通過磷酸二酯鍵而聚合的合成RNA的酶。因為在細胞內與基因DNA的遺傳信息轉錄為RNA有關，所以也稱轉錄酶。
原核生物中的RNA聚合酶
-原核生物中的
在細菌等原核生物中，相同的催化三種RNA的合成：信使RNA （mRNA）、核糖體RNA （rRNA）及轉運RNA （tRNA）。
細胞是相對大的分子。 細菌是相對大的分子。核心酶有5個亞基（~400 kDa）：核心酶有5個亞基（~400 kDa）：
α 2 ：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。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。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。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因子大大減低與非特定的DNA的關系，視乎σ因子本身而增加對某些啟動子區域的*性。 σ因子大大減低與非特定的DNA的關系，視乎σ因子本身而增加對某些啟動子區域的*性。所以完整的全酶有著6個亞基：α 2 、β、β'、σ及ω（~480 kDa）。所以完整的全酶有著6個亞基：α 2 、β、β'、σ及ω（~480 kDa）。 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）。 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。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。 55Å的長度可以接受16核苷酸。
當不使用時，會與弱結合部位結合，等待活性啟動子的位點開啟并快速轉換。當不使用時，會與弱結合部位結合，等待活性啟動子的位點開啟并快速轉換。 RNA聚合全酶所以在不使用時不是在細胞內自由浮動的。 RNA聚合全酶所以在不使用時不是在細胞內自由浮動的。
大腸桿菌的組成：
亞基
分子量
亞基數目
功能
α
65 000
2
與啟動子結合
β
15 000
1
含催化部位，起催化作用
β
51 000
1
與DNA結合
ω
11 000
1
σ
70 000
1
識別起始位點
真核生物中三種
Ｉ：合成核糖體RNA （rRNA）前體45S，當成熟后會成為28S、18S及5,8S核糖為RNA，是將來核糖體的主要RNA部份。 Ｉ合成核糖體RNA （rRNA）前體45S，當成熟后會成為28S、18S及5,8S核糖體RNA，是將來核糖體的主要RNA部份。
Ⅱ：合成信使RNA （mRNA）的前體及大部份小核RNA （snRNA）以及微型RNA （microRNA）。 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zui多研究的種類。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zui多研究的種類。
Ⅲ：合成轉運RNA （tRNAs）、rRNA 5S及其他可以在細胞胞核及原生質找到的細小的RNA。 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。
三種的比較：
酶
位置
產物
活性比較
對α-鵝膏蕈堿的敏感性
Ⅰ
核仁
rRNA
50-70%
不敏感
Ⅱ
核漿
hnRNA
20-40%
敏感
Ⅲ
核漿
小RNA
10%
有種屬特異性
病毒中的
很多病毒都有為編碼。相信zui多研究的病毒是噬菌體T7。它的是單一亞基的，與在粒線體及葉綠體所找到的相關，并且與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，并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，如小兒麻痹病毒，亦包含這些RNA依賴性。
的轉錄起始
一、σ亞基的替換
在枯草桿菌（B.subtilis）中σ因子廣泛地用于轉錄起始的調節，現知道有10種不同的因子。有的存在營養期細胞中，僅在噬菌體感染的特殊環境，或者從營養生長轉變成孢子形成期。
在處于正常營養生長期的枯草桿菌中發現的與E.coli的α2ββˊσ的結構相似，已知σ因子的分子量為43KDa，因而以σ43或σA來表示。它所識別的啟動子帶有的保守順序，與E.coli σ70識別的相似。各種不同的聚合酶含有不同的σ因子，但是數量很少。各種聚合酶識別不同啟動子的-35和-10順序。
從一套基因的轉錄到另一套基因的表達是噬菌體感染的共同特點。噬菌體的發育涉及到感染周期的改變。這些改變通過噬菌體編碼的RNA Pol的合成來完成，或者通過噬菌體編碼的控制細菌附屬因子（包括新的σ種類）來完成。在枯草桿菌被噬菌體SP01感染中通過產生新的σ因子來控制的。SP01的感染周期通過基因表達的三個階段。在感染的瞬間，噬菌體的早期基因被轉錄了。在4～5分鐘后早期轉錄停了下來，中期基因又開始轉錄。再過8～12分鐘中期基因的轉錄被晚期基因所取代。
早期基因被宿主菌的全酶所轉錄。它們不能區別宿主基因。宿主基因啟動子能被α1ββˊα43所識別。
噬菌體基因的表達對于轉錄為中期和晚期基因的轉錄是必要的。有3個調節基因叫28，33和34，它們控制要轉錄的程序。調節的方式是一種級聯調控。在級聯調控中宿主的酶轉錄早期基因，這些基因的產物是轉錄中期基因所必須的。而兩個中期基因編碼的產物又是晚期轉錄所必須的。
早期基因28的突變體不能轉錄中期基因，基因28的產物（稱為gp28）是分子量26KDa的蛋白，它取代核心酶上的σ因子。
這種替代對從早期基因的表達轉為中期基因表達是必要的。它形成的全酶不再能轉錄宿主的基因，而能特異轉錄中期的基因。現在還不清楚gp28怎樣取代σ43，或者宿主的σ多肽究竟發生了什么情況。
兩個中期基因涉及到一下步的轉錄。無論是基因33還是34若發生突變將會阻止晚期基因的轉錄。這些基因的產物是13KDa和24KDa的蛋白，它們取代了核心的酶上的gp28，現在也還不知道gp33和gp34怎樣排除gp28的（或者排除任何殘余的宿主σ43），但它們一旦結合到核心酶上，它們就只能在晚期啟動子上起始轉錄。
σ因子的相繼的取代具有雙重的后果，每次亞基的改變使能夠識別一組新的基因，而不再識別先前的基因。由于σ因子的轉換使的活性全部發生了改變。可能所有的核心酶都是短暫地和不同的σ因子結合，但這種變化的程序是不可逆的。
幾乎大部分σ因子轉換的例子都發生在孢子形成（sporulation）中。不同生活途徑的選擇對某些微生物來說是有利的，在營養期（vegetative phase）來說，對數生長可導致培養基中營養物質的耗盡。此引發了孢子形成；它包括以下幾個階段：（1）DNA復制；（2）在細胞的一端基因組被分離；（3）分離的基因組外包上一層子外殼。在孢子形成的第二階段，細胞產生了兩個獨立的被分隔的部分，這就是母細胞和前孢子（forespore）。這個過程約花8小時，它可以被看成為是一種原始的分化類型。在這種類型中，現代細胞產生兩種發育命運不同的子細胞，一個是母細胞，一個是前孢子，當前孢子被釋放時，母細胞zui終被裂解，孢子的結構*不同于原來的細菌。
孢子的形成涉及到細菌生物合成活性的劇烈的變化。這些變化和很多基因有關。基本的調控仍在轉錄水平。在孢子形成時，一些營養期行使功能的基因被關閉了，但大部分仍繼續表達。另外孢子形成的特異基因僅在這一階段表達。在孢子形成結束時約有40% 的細菌mRNA對孢子形成是特異的。
形成的在孢子形成的細胞中成為活性狀態，它們含有的核心酶和營養細胞中的是相同的。但附屬蛋白卻不同于營養細胞的σ43。這種轉錄的特異性改變。其原理是在每一間隔中存在著σ因子連續地被新的因子所決代，導致了不同組基因的轉錄。為了協調前孢子和母細胞中轉錄的時間，必須溝通這兩個部分。
當外界環境條件能觸發“磷酸化傳遞”時，孢子形成的級聯調節就起始了。在磷酸化傳遞中一個磷酸基沿著各種蛋白傳遞，直至到達SpoOA（各種基因的產物涉及此過程，這種復雜性可能反應在觸發孢子形成中需要避免發生錯誤）。 SpoOA是一種轉錄調節物，其活性受磷酸化的作用。在磷酸化狀態時，它激活兩個操縱子轉錄。而每個操縱子的轉錄是由不同于宿主的催化的。在磷酸化SpoOA的指導下，宿主酶利用了一般的σ43來轉錄編碼σF的基因。而宿主酶在較小的因子σH的直接指導下轉錄錄編碼σE的基因，在中隔形成前，這兩種新的σ因子產生了。但到晚些時候才被活化。
σF只有在前孢子的間隔部分才有活性，而在母細胞中它的作用卻被抑制了。在孢子形成的開始，在前孢子中σ45被σF取代了。在σF的指導下，轉錄*套取代了營養期基因的孢子形成基因。營養期基因是先前轉錄的。這種取代反應可能僅存在于的群體中。由于σF產生量很少，因此某此營養酶仍保留存在于孢子形成時。被取代的σ45并未破壞，從孢子形成的細胞中的抽提液中σ45仍可得到恢復。通過兩種調節事體才使σF激活。在前孢子中有一種σ因子：σG，它是早期孢子形成基因的產物，它使在前孢子中轉錄晚期基因。另一種早期孢子形成基因的產物只負責與母細胞間隔進行溝通。一種信號（通過間隔的蛋白膜）的傳遞來激活σE，σE在先前就已合成了前體的形式（pro-σE），它被剪切后才有活性。
當σE依次導致σK基因轉錄時，上述級聯調控仍在繼續。σK活性的產生是十分復雜的，首先它的基因需要通過重組才能產生。這個因子也是作為一種無活性的前體蛋白（pro-σK）被合成的。它是被一種蛋白酶所激活，一旦σK有了活性，它就取代σE以及導致了母細胞中晚期基因的轉錄。這些事件在母細胞和前孢子兩部分的定時是由一些信號協調的。在前孢子中σG的激活是依賴于母細胞中發生的一些事件。依次激活σG是可以產生一種信號，這種信號穿越過間隔去激活σK。
孢子形成是由兩種級聯調控控制的，在級聯調控中每一間隔部分的σ都相繼被激活，每個σ因子指導一套特殊的基因合成蛋白質。這兩種級聯調控通過一種信號從一個間隔部分傳遞到另一個間隔部分來彼此溝通協調。當一種新的σ因子被激活，原來的σ因子被取代，這樣通過轉移σ因子來打開基因或關閉基因。各種因子結合成指揮一套靶基因表達。這些因子的量有效地影響基因表達的水平。在任何時候都有一個以上的σ因子被激活。某些σ因子的特異性是重疊的。現在還不清楚為什么每個一個σ因子能替換前一個σ因子。
二、σ因子的替代可以控制起始
E.coli 轉錄全部細菌的基因，這必定是它能廣泛識別各種啟動子。但與不同啟動子相連結的基因是以不同的水平和在不同的場合被轉錄的。在特殊啟動子上的啟動轉錄的能力是由很多的附屬因子的幫助或者和酶的相互作用來控制的。幾乎沒有一個例子是核心酶亞基本身發生改變來進行調節的。這種機制并非有一種“偏愛”，而是由于這種改變要使能特異識別一種類型的啟動子，并阻止其它類型的啟動子，這將減少聚合酶的機動性。在核心酶的亞基之間尚未分工，它們只負責鏈的延伸，而由σ因子來負責位點的選擇，每種不同類型的啟動子都有自己的特異性，那么是否也需要多種不同類型的σ因子呢？
在有些情況下的確存在要σ因子的變換，例如細菌中在孢子形成時就需要變換σ因子。E.coli雖無需經歷如此戲劇性的變化，但它進入靜止生長期時也要經過相當復雜的代謝變化。在一個很長的時間內E.coli只有一個σ因子—σ7，現在又有了新的發現，這些σ因子的命名或根據其產物的分子量，或根據基因。σ32（也稱σN）和σ54（或稱σH）輪流交替被激活，對環境的改變作出反應。σ28（或稱σE）用于正常生長情況下鞭毛基因的表達。但環境發生改變時其表達水平也會發生改變。
當環境溫度增加時，E.coli一反常態改變了它們的轉錄模式，來對“熱休克（heat shock）”作出反應。在很多生物中，無論是原核還是真核生物，對熱休克反應是一種共同類型，溫度升高，通用蛋白質合成開始關閉或下降，而新的一類蛋白卻開始合成。這些新的蛋白是熱休克基因（heat shock genes）的產物，它的作用是保護細胞，對抗環境的變化。它們的合成是對新的條件如熱休克作出反應。各種熱休克蛋白都屬于分子伴侶（chaperones）。在E.coli中，17種熱休克蛋白的表達都是通過轉錄的改變觸發的，rpoH基因是調節轉錄熱休克反應所必需的。其產物是σ32，其功能是作為一種替換的σ因子，可導致熱休克是基因的轉錄。
另一些σ因子是用于氮饑餓時。E.coli細胞中含有一些小分子蛋白，現稱為σ54，當培養基中缺乏氮時就要用到它。在這種條件下基因打開，允許利用氮源。在細菌中廣泛地發現這種σ因子的副本。因此它具有對環境改變作出反應的機制。
另一種環境引起σ因子變換的情況是σF，它在細胞中存在的量很少，但可導致轉錄那些和趨化性有關的基因以及鞭毛的結構基因。在枯草桿菌中它的副本是σD，它可控制鞭毛形成及游動基因。帶有相同啟動子特異性的因子存在于很多特殊的細菌中。
多種形式的σ因子的存在就進一步使人們思考σ對核心酶的作用是什么？什么在負責控制σ因子和核心酶的連結。怎樣有效地決定全酶類型的調節？
我們現在*不了解在生長的細菌中σ因子之間相互關系的調節。在對環境作出應激反應時（如熱休克或氮饑餓）重新產物新的σ因子，并使用它。假設在熱休克時基因轉錄的選擇依賴于普通的σ70和熱休克σ32之間的平衡，這兩個σ因子共同競爭有效的核心酶，σ32蛋白是不穩定的，它可以迅速地增加或減少，它的不穩定性卻成為調節的重要性能。
每種σ因子都能導致起始轉錄一套特殊的啟動子。而每套啟動子可以通過單一順序元件來加以鑒別。每種類型啟動子的順序又是通過附加的σ因子直接識別的。在E.coli和涉及枯草桿菌孢子形成中σ因子所負責的那些基因的識別可以推斷起始識別的一般標準。
啟動子對于每種酶來說有一個重要的特點，那就是相同的大小和與起始位點的距離。它們通常僅在-35和-10順序的中心有保守順序。這種保守順序無論是-35還是-10對于每套啟動子來說是不同的。一種酶含有一種特殊的σ因子僅能識別*的一套啟動子，因此不同蛋白的轉錄都是特異的。這樣一個σ因子被另一上因子所取代，原來的一套基因就會被關閉，新的一套基因就會被打開。
不同的-35和-10保守順序被含有不同σ因子的全酶所識別。這就直接表明亞基它本身必須直接接觸此區的DNA，只有當σ因子被識別了才能通過核心酶的構象間接地發揮功能，但很快使人相信σ能導致核心酶產生系列構象中的一種。而每種構象對不同的啟動子順序來說卻是特異的一種。而每種構象對不同的啟動子順序來說都是特異的。這表明了一個普遍性的原理在σ因子和核心酶之間有一種共同性的關系，σ因子和啟動子的-35及-10順序產生關鏈性的接觸，以這種方式來定位。但現在還沒有解決σ作為一個小分子多肽怎么能復蓋20bp以上跨度的DNA。
比較各種細菌σ因子被鑒別區域的順序結果發現它們是保守的。我們預期這將有重要的意義。σ70有4個區，它們在E.coli中的位點：2區和4區啟動子的-10及-35順序相互作用，2區的其它部分是DNA熔解所需要的。第361～390殘基是和核心酶結合的區域。N-端區是阻止2、4區在缺乏核心酶的情況下與DNA結合。
σ因子和啟動子-35及-10直接接觸的證據來自σ保守區的突變。當啟動子特殊位點是發生突變也會阻止的識別。而在σ因子上發生相應的補償突變時就允許聚合酶用于突變的啟動子，從這個實驗中不難推測出DNA中有關的堿基對和那些被取代的氨基酸接觸。表明2和4（名為2.4和4.2）是涉及到和-10及-35接觸的，這兩個區域在蛋白質中以α-螺旋的形式存在。
σ的其它部分沒有發現單獨的功能。2區的某些部分具有能與單鏈核酸結合的蛋白相似的順序，推測有可能涉及解鏈。在2區前面和2區開始部分有些重疊，看來這部分是和核心酶相互作用的區域。
當σ70的N-端區域被切除時，這一段截短了的蛋白就能特異地與啟動子順序結合，而完整的σ70卻不能如此，這表明在σ70游離狀態時N-端區域可封閉DNA-結合功能區，但σ70和核心酶結合后改變了σ70的構象，因此能與DNA結合。
在蛋白中用α-螺旋模體來識別雙鏈DNA順序這是共同的特點。在一個α螺旋的3～4個氨基酸分開的位點怎樣位于雙螺旋的同一表面上，而且在某一位點與堿基相連接。在E.coli和枯草桿菌主要的σ因子中，其Thr和Arg在雙螺旋的相關位點，并負責和-10順序中的頭兩個位點相接觸還不清楚-10順序的其余部分如何接觸。實際上σ和DNA之間的接觸范圍以及核心酶和DNA之間的接觸關系還有待于建立。
三、修飾核心酶、替換σ亞基
T4噬菌體蛋白質合成的時序調節采用了與E.coli及枯草桿菌不同的策略,那就依賴本身攜帶的蛋白對宿主的核心酶加以修飾,改變其和σ亞基的結合能力,乘機將本身編碼的蛋白取代原來的σ亞基,從而改變的識別能力。
T4噬菌體在生活周期的不同階段合成不同的mRNA。其主要的兩類是早期mRNA和晚期的mRNA。早期轉錄的有很多基因，它們編碼有關DNA合成、RNA的轉錄調控、重組等的酶；晚期轉錄的是一些編碼噬菌體結構蛋白，粒子裝配以及裂解宿主等的基因。
T4感染伊始是利用宿主的轉錄*批早期mRNA；T4的頭部含有幾種小分子蛋白，稱為內部蛋白。當T4感染不久，這些蛋白伴隨著DNA一道注入到細菌中，其中有一種轉換蛋白是ADP-核糖轉移酶（ADPRT），它可將ADP-核糖（ADPR）連接到宿主的α亞基上的*胍基上使其被修飾，加入一個以上的ADPR，從而降低了RNA核心酶與σ因子的結合能力，而增加了其與T4噬菌體編碼的蛋白Mot的親和力，這樣Mot蛋白取代了σ亞基，使新的不再識別寄主的基因和T4早期基因的啟動子。而能識別下一批基因的啟動子。到轉錄晚期同時，被進一步地修飾，其兩個α亞基各結合了一個ADPR分子及4個修飾性蛋白。有時稱其為超修飾（hupermodified）的。即使如此加工仍不能轉錄晚期基因，要等到DNA復制時才能轉錄，形成了一種程序化的控制。實際上直到復制達到一定階段才需要晚期基因編碼的產物。至于復制時晚期轉錄的調控機理還不清楚，可能改變了晚期基因的構象，使其易于轉錄啟動。
四、的代換
T7噬菌體在轉錄的時序調控中不是采用σ因子的級聯取代,也不是像T4噬菌體那樣對核心酶進行修飾,而是根據自動的感染特點采用了的代換來進行時序轉錄的調控。
T7是E.coli的烈性噬菌體，基因組長為39,936nt，順序已知。整個基因組可能具有55個基因，其中44個基因的產物已鑒別出了，已知30種是有功能的轉錄可分為3組，30°C整個生活周期約為25¢分鐘，但其DNA的注入很慢，整個的過程約10分鐘，而其它的噬菌體僅1分鐘即可完成。這也是一種調控的手段，因未注入宿主細胞中的DNA是不能轉錄的。在感染6分鐘后，E.coli的RNA合成體系全部被T4的合成體系所取代。
在感染后的前6分鐘，T7噬菌體的RNA Pol尚未表達，因此仍使用了宿主E.coli的，轉錄的基因主要有10個（0.3,0.4,0.5,0.6,0.65,0.7,1,1.1,1.2,1.3），其0.3基因編碼宿主限制酶的抑制蛋白，使T7進入宿主免遭降解；0.7基因編碼一種蛋白激酶，能將E.coli的磷酸化，為抑制宿主RNA Pol作準備；基因1編碼T7 RNA Pol聚合酶，分子量為98KDa，是一條單鏈肽，它所識別的啟動子是由23bp組成的保守順序（-17～16）。
晚期轉錄分為二組（Ⅱ和Ⅲ）。感染后6～12分鐘后T7就利用自己的轉錄第Ⅱ組轉錄物。這一組約含（1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,2,2.5,2.8,3,3.5,3.8,4,5,5.7,6），其中對轉錄調控有關系的是基因2，其產物是E.coli聚合酶抑制劑。宿主的先受到基因0.7產物的磷酸化，再經抑制*失去了作用，此時T7已不再需要I組的轉錄物了，因此廢除了宿主的功能，而將自己編碼的取而代之。第Ⅱ組的基因多與T7的復制酶系的合成及幾種結構蛋白有關，但第Ⅱ組的啟動子和復制的φL啟動子因其保守順序中分別有2～7個堿基發生了改變，所以是較弱的啟動子，但由于其位置排在 Ⅲ 組啟動子的前面，所以*入宿主得以轉錄，而不與第 Ⅲ 組啟動子的競爭。
晚期轉錄的另一組基因就是第 Ⅲ 組轉錄物，它排在zui后，故在感染12分鐘后才得以表達。此轉錄物約含15個基因，它們主要編碼頭部蛋白，尾部蛋白以及負責裝配，這樣使得T7噬菌體不至于過早地裝配成粒子。這一組雖排在zui后，但啟動子的結構和保守順序*一致所以是*的啟動子，從而保證zui后階段結構蛋白的合成。
第Ⅰ組轉錄的終止位置在鄰近1.4基因的上游區（1.3和1.4之間），此是E.coli 的終止子）它解離后T7則重新從第Ⅱ組起始轉錄。第Ⅱ組和第 Ⅲ 組都使用終止子Tj，由于自注入宿主緩慢，在第Ⅱ組轉錄時第 Ⅲ 組基因尚未注入，仍得不到表達。
Tj的終止效率是90%，尚有10%可以延長轉錄T7的末端，Tj位于基因10和11之間。基因10是主要的頭部蛋白，需要量大，它排在第Ⅱ組末是合理的，即有強啟動子的啟動，又在轉錄后被終止，這樣不僅滿足了裝配顆粒的需要，又不至造成浪費。而排在基因10后面的基因都是編碼少量頭部蛋白和尾部蛋白的，無需大量的轉錄，后面越過Tj延長轉錄的強度就可滿足需要了，這本身也是一種終止子對轉錄的調控。