RNA聚合酶

一种能从DNA或RNA模版制造RNA的酶

RNA聚合酶RNA polymerase, 或 DNA-dependent RNA polymeraseEC2.7.7.6)或核糖核酸聚合酶,精确称呼DNA依賴性RNA聚合酶,縮寫RNAPRNApol,是一種負責從DNA模板製造RNA的

DNA-Directed RNA Polymerase
5iy8.jpg
RNA Polymerase hetero27mer, Human
识别码
EC編號 2.7.7.6
CAS号 9014-24-8
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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)

使用解旋酶,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。

科學上,RNA聚合酶是一個在RNA轉錄本3'端聚合核糖核苷酸核苷轉移酶。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。

控制轉錄编辑

 
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,所以無須另外的來捲開DNA。

細菌的RNA聚合酶编辑

細菌中,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)。

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聚合酶编辑

真核生物有著幾種RNA聚合酶:

古菌的RNA聚合酶编辑

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[1][2]

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HalophileHalobacterium cutirubrum獲得的RNAP是被分離且純化的。 [3]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。[4][5]

病毒的RNA聚合酶编辑

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

轉錄輔助因子编辑

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

發現歷史编辑

RNA聚合酶是於1960年分別由Charles Loe, Audrey Stevens霍維茲(Jerard Hurwitz)獨立發現[6]。但在此之前,於1959年,諾貝爾獎頒發給了塞韋羅·奧喬亞,因為他的發現當時認為是RNA聚合酶[7],但其實是核糖核酸酶

纯化编辑

RNA聚合酶可以用以下方式纯化:

參見编辑

外部連結编辑

参考文献编辑

  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.
  2. ^ Werner, F. (2007). "Structure and function of archaeal RNA polymerases." Molecular microbiology 65(6): 1395-1404.
  3. ^ 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.
  4. ^ 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.
  5. ^ Hirata, A., B. Klein and K. Murakami (2008). "The X-ray crystal structure of RNA polymerase from Archaea." Nature 451(7180): 851-854.
  6. ^ 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 . 
  7. ^ Nobel Prize 1959