RNA聚合酶的结构、类型和功能

 

来源公众号：bioinfotec　作者：bioinfotec

RNA聚合酶的正式名称为DNA依赖性RNA聚合酶（DNA-directed RNA polymerase），它广泛存在于所有生物体以及许多病毒中。无论是细菌、古菌，还是真核生物，它们的RNA聚合酶都具有相似的蛋白质核心结构和催化机制。

其基本功能是在转录过程中，将DNA上的遗传信息以互补方式合成为RNA，尤其是信使RNA，从而为蛋白质合成提供模板。

RNA聚合酶在不同生物门类之间，其数量及亚基构成存在显著差异。原核生物（如细菌）通常仅有一种RNA聚合酶；而真核生物则演化出三种功能特异的RNA聚合酶（RNAP I、II、III），分别合成不同类型的RNA产物。

结构

尽管原核生物和真核生物的多亚基RNA聚合酶在结构和功能上存在明显差异，但它们也具有许多重要的保守性特征，说明它们属于同一进化谱系。

古菌的RNA聚合酶结构上比细菌的更复杂，且与真核的RNAP II更为接近，但约有50%的结构仍与细菌聚合酶保守。因此，科学家常通过研究结构更简单的细菌RNA聚合酶，来推断RNA聚合酶的关键结构和功能特征。

所有RNA聚合酶都具有一个核心结构，这个合成RNA的核心复合物通过水解核苷三磷酸中的焦磷酸基团，从而以5’到3’的方向合成RNA链。细菌的核心RNA聚合酶是最简单的，由五个亚基组成：β、β’、两个α亚基和ω亚基。其中较大的β和β’亚基构成一个“钳形结构”，其中包含一个具有反应活性的镁离子。在“钳口”的中央存在一个催化活性位点。核心酶组装起始于α亚基N端结构域的二聚化，随后依次装配β亚基，而ω亚基在β’的组装中起分子伴侣作用。α亚基的C端结构域通过柔性连接肽段与N端连接，并在转录调控中发挥重要作用。

古菌与真核生物的核心RNA聚合酶亚基与细菌RNAP具有高度同源性。真核生物的三类RNAP均呈“蟹爪”形结构，其催化活性中心位于“爪”底部的裂缝中。在该裂缝中，存在一个催化用的镁离子和一个绝对保守的NADFDGD基序，以及三个关键不变残基。此外，围绕该催化裂缝的蛋白结构在三域生命中均高度保守，提示这种RNA合成机制在从细菌到人类的进化过程中得以延续。

类型

原核生物中

在原核生物中，仅有一种RNA聚合酶，负责合成所有类型的RNA。这种RNA聚合酶是一个大分子量的多亚基酶复合体，总分子量约为465 kD，其催化速度大约为每秒合成40到50个核苷酸。

原核RNA聚合酶被称为“全酶”（holoenzyme），由两部分组成：核心酶和σ因子。

核心酶部分包含五个亚基：两个相同的α亚基、一个β亚基、一个β’亚基和一个ω亚基。

σ因子是可变的亚基，负责识别启动子并帮助聚合酶起始转录。

各个亚基的主要功能如下：

• α亚基：由rpoA基因编码，成对存在，参与启动子的结合和转录调控。
• β亚基：由rpoB编码，是催化中心之一，负责结合核苷酸三磷酸，也是利福平抗生素的靶点。
• β’亚基：由rpoC编码，结合DNA模板链并协助催化反应，通常与锌离子结合。
• ω亚基：由rpoZ编码，在酶复合体的组装中起作用，是五个亚基中最小的。
• σ亚基：由rpoD等基因编码，识别启动子，决定转录的特异性。σ⁷⁰是最常见的“常规因子”，用于大多数细菌基因的转录。

真核生物中

在真核生物中，则有三种类型的RNA聚合酶，RNA聚合酶I、II与III在转录不同类型的RNA方面具有明确的功能分工：

• RNAP I 专职转录核糖体RNA前体，其转录活动集中于核仁，并直接决定核糖体生物合成能力，是细胞蛋白质合成速率的重要限制因素。
• RNAP II 是真核细胞中最复杂的转录酶，含12个亚基，主要转录编码蛋白的基因，产物为前体mRNA，随后在剪接、加帽、加尾等修饰后形成成熟mRNA用于翻译。此外，RNA聚合酶II还合成一类非编码RNA如miRNA，后者通过RNA干扰通路参与转录后调控，调节mRNA稳定性及其翻译效率。
• RNAP III 主要合成结构性小RNA，包括tRNA、5S rRNA和一些小核RNA，这些RNA在转运氨基酸、维持核糖体结构以及RNA剪接中发挥核心作用。

功能

RNA聚合酶在真核或原核转录过程中依次执行起始、延伸和终止三个阶段，完成从DNA到RNA的遗传信息转录：

起始（Initiation）

RNA聚合酶定位于基因上游的启动子序列。在原核生物中，RNA聚合酶能直接识别并结合启动子；而在真核生物中，启动过程依赖多个转录因子的协同作用，以形成预起始复合物。RNA聚合酶结合启动子后开始局部解旋DNA，为后续RNA合成做准备。

延伸（Elongation）

RNA聚合酶催化DNA模板链指导下的RNA链合成。酶沿着DNA模板链移动，同时合成与其互补的RNA分子，并持续解旋前方的DNA双链与重组后方的双链结构，确保转录的连续性和准确性。

终止（Termination）

当RNA聚合酶识别到特定的终止信号（如原核生物中的ρ依赖性或非依赖性终止序列，或真核生物中的polyadenylation信号区域），转录停止，RNA转录产物被释放，酶与DNA解离，完成转录周期。

RNA聚合酶和DNA聚合酶的差别

虽然DNA聚合酶和RNA聚合酶都要“靠着”DNA模板工作，但它们各自的任务不同。

DNA聚合酶负责在细胞分裂时“复制”DNA，也就是把一条DNA复制成两条；而RNA聚合酶的任务是“抄写”DNA上的某段基因，转录成一条RNA，用于后续的蛋白质合成。

此外，DNA聚合酶启动工作前必须先有一个“引物”来提供起始点，像是给它铺好起跑线；而RNA聚合酶不需要引物，可以直接从DNA上找起点开始“抄写”。

最后，它们产物的形式也不同：DNA聚合酶产出的是双链的DNA，而RNA聚合酶只生成单链的RNA。

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