RNA聚合酶

RNA聚合酶（RNA polymerase，简称RNAP或RNApol），又称核糖核酸聚合酶，是一种负责以DNA或RNA为模板催化合成RNA的酶。在细胞内，RNA聚合酶执行转录（transcription）功能——将DNA基因的遗传信息转录为信使RNA（mRNA）以及多种非编码RNA，因此也被称为转录酶。该酶存在于所有生物体及多种病毒中，是生命活动不可或缺的核心酶类。

发现历史

RNA聚合酶的发现是现代分子生物学史上的重要里程碑。1960年，Charles Loe、Audrey Stevens和Jerard Hurwitz分别独立发现了该酶。有趣的是，1959年诺贝尔生理学或医学奖曾授予Severo Ochoa，以表彰其发现的“RNA聚合酶”，但后来被证实实际上是多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase），而非真正的RNA聚合酶。

2006年，诺贝尔化学奖授予Roger D. Kornberg，表彰其通过对RNA聚合酶II的晶体学研究，首次在分子水平上揭示了真核生物转录过程的精细图像。

基本结构与功能

RNA聚合酶催化以下反应：以DNA为模板，以四种核糖核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）为底物，通过形成3',5'-磷酸二酯键聚合合成RNA链。反应式可表示为：

(NMP)n + NTP → (NMP)n+1 + PPi

RNA链的合成方向为5'→3'，第一个核苷酸保留三个磷酸基，此后每加入一个核苷酸释放一个焦磷酸（PPi），其迅速水解为反应提供能量。

与DNA聚合酶的关键区别

RNA聚合酶无需引物即可从头合成RNA链，且自身具备解旋酶活性，在转录过程中局部解开DNA双链形成“转录泡”，无需单独的DNA解旋酶参与。

原核生物的RNA聚合酶

原核生物中以大肠杆菌（E. coli）的RNA聚合酶研究最为深入，是该领域的模式系统。

亚基组成

大肠杆菌RNA聚合酶由多个亚基构成，可分为全酶和核心酶两种形式：

各亚基的主要功能：

• α亚基（2个）：参与全酶组装，识别调控因子；αCTD（C末端结构域）可与上游启动子元件结合

• β亚基：催化中心，含核苷三磷酸结合位点，负责磷酸二酯键形成

• β'亚基：与DNA模板结合

• ω亚基：功能尚不完全明确，可能有助于β'亚基的折叠和稳定性

• σ因子：识别启动子的关键亚基，特异结合DNA的-10区和-35区

核心酶即可催化RNA合成，但对启动子无特异性识别能力；σ因子与核心酶结合形成全酶后，才能使酶准确结合到DNA启动子区域并起始转录。转录起始后，σ因子被释放，由核心酶单独完成RNA链的延伸。

σ因子家族

大肠杆菌中存在7种不同的σ因子，在不同条件下识别不同类别的启动子：

环境变化可诱导特定σ因子的表达，从而竞争结合核心酶，启动特定基因群的转录，实现细胞对环境变化的适应。

真核生物的RNA聚合酶

真核生物较原核生物更为复杂，含有三种细胞核RNA聚合酶（RNA Pol I、II、III），分别负责不同类型RNA的转录。近年还在植物细胞中发现了RNA Pol IV和V，参与RNA干扰介导的基因沉默。

三种主要RNA聚合酶的比较

α-鹅膏蕈碱是毒蘑菇（如Amanita phalloides，鬼笔鹅膏）所含的环八肽毒素，可特异性抑制真核生物RNA聚合酶，但对不同聚合酶的抑制浓度差异显著：RNA Pol II在极低浓度（~10⁻⁸ M）即被抑制，而RNA Pol III需高千倍浓度。

RNA聚合酶Ⅱ——研究最多的真核RNA聚合酶

RNA聚合酶Ⅱ是真核生物中研究最深入的一类RNA聚合酶，负责转录所有蛋白质编码基因，合成mRNA前体。该酶是一个含12个亚基的~550 kDa复合物。与启动子结合并起始转录需要大量转录因子（TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH等）的协助，这些转录因子协同作用，帮助RNA Pol II定位到启动子、解旋DNA双链并最终起始转录。

古菌的RNA聚合酶

古菌（Archaea）作为生命的第三域，其RNA聚合酶兼具细菌和真核生物的特征。古菌通常只有一种RNA聚合酶（据推测可能不止一种），负责合成所有类型RNA。

在结构和催化机制上，古菌RNA聚合酶与真核生物的RNA聚合酶II更为相似，包含多个亚基（已确认可达13个），而非细菌的简单五亚基结构。这一发现为理解真核转录机制的起源提供了重要线索。

病毒的RNA聚合酶

病毒RNA聚合酶呈现出丰富的多样性。许多DNA病毒携带自身编码的RNA聚合酶，如噬菌体T7 RNA聚合酶——研究最深入的单亚基RNA聚合酶模型。T7 RNA聚合酶仅含一个多肽链，结构简单、功能专一，是分子生物学中常用的体外转录工具。

此外，RNA病毒携带RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp），以RNA为模板合成RNA。这类酶在正链RNA病毒（如脊髓灰质炎病毒、新型冠状病毒）、负链RNA病毒及双链RNA病毒中均存在，是抗病毒药物的重要靶点。

转录的分子机制

转录周期

RNA聚合酶介导的转录可分为三个阶段：

1. 起始：全酶（原核）或RNA Pol + 转录因子（真核）结合至启动子，形成闭合复合物（closed complex）→ 局部DNA解链，形成开放复合物（open complex）→ RNA合成起始

2. 延伸：σ因子（或部分转录因子）释放，核心酶沿DNA模板移动，连续添加核糖核苷酸，合成RNA链

3. 终止：识别终止子序列，RNA聚合酶与模板DNA解离，释放新生RNA

流产性起始

在成功进入延伸阶段之前，RNA聚合酶可能连续合成并释放短RNA片段（通常为2-9个核苷酸），这一现象称为流产性起始（abortive initiation）。反复失败的起始尝试如同“无效循环”，而成功进入延伸阶段需要RNA链长达到约8-9 bp，形成稳定的DNA-RNA杂合双链。流产性起始的频率主要受启动子强度和转录因子的调控。

调控机制

RNA聚合酶的活性受到精密调控，以适应细胞的生理需求：

• 原核生物：除σ因子的替换外，已鉴定出超过100种转录因子可修饰RNA聚合酶的活性

• 真核生物：调控更为复杂，涉及增强子、沉默子、绝缘子等顺式元件，及大量转录因子、共激活因子和染色质重塑复合物

抑制剂

RNA聚合酶抑制剂是重要的研究工具和临床药物：

利福平自转录起始阶段即发挥抑制作用，即使转录启动后加入仍可阻断后续合成。β亚基基因（rpoB）的点突变可使细菌产生利福平耐药性。

参考文献

1. RNA聚合酶. 百度百科. 

2. RNA聚合酶. 科普中国. 

3. 核糖核酸聚合酶. 百度百科. 

4. RNA polymerase. Wikipedia. 

5. RNA聚合酶Ⅱ. 百度百科. 

6. RNA聚合酶. Wikipedia. 

7. 核糖核酸聚合酶（RNA polymerase）. 丁香通.