RNA的转录与RNA聚合酶 RNA聚合酶转录 _小知识

大多数生物将遗传信息储存在DNA中，因为DNA是一种高保真的材料。真核生物还把DNA与组蛋白结合起来，形成染色质结构，保存在细胞核中。同时，还通过复杂的修复机制保证其忠实性。
当DNA中的某个遗传信息需要表达时，第一步是将其转移到RNA分子上，即转录（transcription）。所以多数RNA是DNA中部分信息的临时载体，成本低，寿命短，数量多。
RNA的结构与功能多样。mRNA是信息分子，用于把蛋白质的一级结构信息传递到细胞质中；非编码RNA一般是功能分子，可以形成特定的结构，以实现某种功能，比如基因表达调控等。

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非编码RNA 。J Integr Bioinform. 2019 Jul 13

对于不同种类的RNA，真核生物采用不同的RNA聚合酶来合成。RNA聚合酶I（RNA pol I，RNAP I或RNA pol A）负责转录rRNA，但不包括5 S rRNA；RNAP II负责mRNA、大多数的lncRNA和snRNA，以及部分microRNA；RNAP III负责分子较小的RNA，如tRNA、5 S rRNA、U6 snRNA以及部分microRNA 。
RNA聚合酶与转录机制的研究也是生命科学中的重要内容。2006年，罗杰·科恩伯格（Roger D. Kornberg，亚瑟·科恩伯格长子）“因其对真核转录的分子基础的研究”而获得诺贝尔化学奖。

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罗杰·科恩伯格。引自诺贝尔基金会

罗杰一直致力于结构生物学研究，其获奖的主要原因是解析了酵母RNAP II的晶体结构。但他的贡献不仅于此，他在70年代即推断出核小体的基本结构，90年代又通过实验将其证实。这也为转录机制的研究打下了基础。同时，也说明结构生物学研究并非仅仅依靠仪器，敏锐的头脑也是必不可少的。
这三种RNA聚合酶最初是根据它们对一种抑制剂（α-鹅膏蕈碱）的敏感性来区分的，RNAP I不受抑制；RNAP II对其敏感，低剂量即产生抑制；RNAP III在高剂量时才被抑制。

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鹅膏蕈碱与RNA聚合酶。引自PDB-101

鹅膏蕈碱结合在RNA聚合酶的背面，远离活性位点及DNA和RNA的结合位点。所以它并不阻止磷酸二酯键的形成，而是阻止酶在DNA模板上的移位，从而阻断RNA的延伸。它结合在酶的两个亚基之间，通过阻止酶的构象变化抑制其移位。
鹅膏蕈碱抑制mRNA合成，因而阻断蛋白质合成，是剧毒物质。产生鹅膏蕈碱（amanitin）的毒蘑菇是鬼笔鹅膏（Amanita phalloides），英文常称为death cap，误食少许即可导致肝细胞坏死等症状，最终昏迷死亡。它还产生另一种毒素鬼笔环肽（phalloidin），能与微丝结合，常用于细胞骨架染色。

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鬼笔鹅膏。引自百度百科

原核生物总是比真核简单，其RNA聚合酶只有一种，但具有复杂的多亚基结构。大肠杆菌的全酶包括6个亚基（α2ββ’ωσ），分子量高达450 Kd 。其中σ亚基称为起始因子，可使RNA聚合酶稳定地结合到启动子上。其余部分称为核心酶，负责根据DNA模板合成RNA 。
σ亚基在不同菌种间变动较大，而核心酶比较恒定。细菌表达多种不同形式的σ因子，它们能够响应各种信号和环境条件来识别并结合不同的启动子序列。已经发现大肠杆菌有7种σ因子，其中σ70负责转录管家基因，识别启动子共有序列；σ32识别热休克基因，σ60在氮饥饿时起作用。σ通过在DNA上移动寻找启动子，不需DNA解链。

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细菌RNAP核心酶的组装。EcoSal Plus. 2018 Aug;8(1).

α亚基主要负责RNAP的组装，β和β'亚基占核心酶总质量的80％，负责结合模板并催化形成磷酸二酯键。ω亚基可能是用于RNAP折叠的分子伴侣。
噬菌体的RNA聚合酶是单链蛋白，功能也简单，与其简单的基因组相适应。另外，线粒体和叶绿体也只有一种RNA聚合酶。

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T7噬菌体的RNA聚合酶。引自PDB-101

【RNA的转录与RNA聚合酶 RNA聚合酶转录】与DNA聚合酶相比，RNA聚合酶也需要模板，合成方向也是5’-3’，但其底物是4种NTP，而且不需要引物。RNA聚合酶的合成速度要比DNA聚合酶慢得多，约为50-100碱基/秒，而DNA聚合酶约为1000碱基/秒。