RNA聚合酶

RNA聚合酶是一种酶，能够按照模板所决定的顺序连接核糖核苷酸，合成核糖核酸（RNA）。在细胞生物学中，这一名称通常指DNA依赖性RNA聚合酶，它在转录（生物学）过程中将脱氧核糖核酸（DNA）中的信息复制到RNA中。这一过程既产生编码蛋白质的转录本，也产生具有功能的非编码RNA。RNA聚合酶分属多个结构不同的家族；细胞中主要的转录酶是大型多亚基复合物。(sciencedirect.com)

催化机制

RNA聚合酶沿5′ → 3′方向延伸RNA，将每个新的核苷酸添加到已有链的3′端。对于DNA依赖性酶，模板链则按相反的3′ → 5′方向被读取。其底物是四种核糖核苷三磷酸——ATP、GTP、CTP和UTP；它们既提供合成所需的基本原料，也提供化学能。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

在添加核苷酸时，RNA末端的3′羟基进攻待加入核苷酸的α磷酸基团，形成新的磷酸二酯键，并释放焦磷酸。参与催化的镁离子帮助底物定位并促进反应。对多亚基和单亚基聚合酶的结构研究均支持双金属离子催化机制。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

活性位点通过模板碱基、底物及周围蛋白质结构要素之间的相互作用来选择核苷酸。因此，正确的碱基配对至关重要，但并非决定特异性的唯一因素：构象变化也有助于区分合适的底物、错误的核苷酸以及脱氧核糖核苷酸。(nature.com)

参与转录的RNA聚合酶能够从头起始RNA链的合成，无须预先存在的RNA引物。不过，起始阶段仍不同于稳定的延伸阶段：早期复合物往往会先释放短小的流产转录本，之后才转入有效的RNA合成。(nature.com)

细胞中的主要类型

细菌RNA聚合酶

细菌通常使用一种主要的多亚基RNA聚合酶来转录其基因组DNA。其核心酶含有两个α亚基，以及β、β′和ω亚基各一个，通常写作α₂ββ′ω。较大的β和β′亚基构成了催化装置的主要部分。(sciencedirect.com)

为实现启动子特异性的转录起始，核心酶会与σ因子结合。σ因子识别启动子（生物学）的特征，并帮助确定转录起始位点。形成的复合物称为全酶。在最初的RNA合成之后，聚合酶成功逃离启动子，形成能够合成长得多的转录本的延伸复合物。(nature.com)

古菌RNA聚合酶

古菌通常也具有一种主要的多亚基转录聚合酶，但其起始装置更类似于真核生物系统，而非细菌的σ因子系统。基础转录起始依赖TATA结合蛋白和转录因子B；它们帮助招募聚合酶，并使转录从特定的起始位点开始。(sciencedirect.com)

真核生物的核RNA聚合酶

真核生物具有三种主要的核RNA聚合酶，各自承担不同的转录任务：

聚合酶	主要产物
RNA聚合酶I	大多数[[ribosomal-rna
RNA聚合酶II	[[messenger-rna
RNA聚合酶III	[[transfer-rna

这三种酶具有相关的结构组分，但在亚基组成和转录分工上存在差异。尤其是5S rRNA由聚合酶III单独合成，而不是作为聚合酶I所合成的大型前体的一部分产生。(sciencedirect.com)

植物还具有另外两种核内酶，即RNA聚合酶IV和V。它们是聚合酶II的特化近缘类型，参与RNA介导的基因沉默和DNA甲基化。二者的作用有所不同：聚合酶IV参与小干扰RNA的产生，而聚合酶V在靶区域生成非编码转录本，帮助招募基因沉默装置。(sciencedirect.com)

细胞器及噬菌体聚合酶

并非所有DNA依赖性RNA聚合酶都具有大型多亚基结构。人类线粒体RNA聚合酶属于一个单亚基家族，与某些噬菌体中的酶具有亲缘关系。这些酶的整体结构不同，但同样具有由模板指导的核苷酸选择能力，并依赖金属离子进行催化。(nature.com)

一个典型例子是由T7噬菌体编码的**T7 RNA聚合酶**。它具有启动子特异性，并能生成较长的RNA转录本，因此是实验和工业生产中的一种重要酶。(rcsb.org)

结构与转录动态

多亚基聚合酶含有一道用于容纳核酸的深裂隙。可移动的夹钳结构帮助控制核酸与酶的结合，通道和表面沟槽则引导模板及新生RNA。酵母聚合酶II的结构揭示了多个可移动模块，表明转录需要协调的构象变化，而非由固定不变的催化装置完成。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

延伸并非始终连续进行。聚合酶可能暂停，有时还会沿模板向后移动，这一过程称为回溯。回溯使RNA的3′端偏离活性位点，暂时阻止进一步添加核苷酸。聚合酶向前移动或切除偏离的RNA片段后，有效延伸便可恢复。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

回溯和转录本切割也有助于校对。错误掺入的核苷酸可能促使聚合酶进入回溯状态，从而使新近合成的RNA片段得以切除。在细菌系统中，GreA和GreB等辅助蛋白能够促进切割，并缩短某些与回溯相关的暂停。并非所有回溯都由错误引起；模板和RNA的序列也可能诱发回溯。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

聚合酶II与RNA加工

RNA聚合酶II将RNA合成与RNA成熟联系起来。其最大亚基含有一个柔性的羧基末端结构域，简称CTD，由重复的七氨基酸基序组成，共有序列为Tyr–Ser–Pro–Thr–Ser–Pro–Ser。该结构域为参与转录和RNA加工的蛋白质提供相互作用平台。(nature.com)

CTD磷酸化状态的变化有助于调节这些相互作用。相关因子参与5′端帽的添加、RNA剪接以及3′端加工和多聚腺苷酸化。这些反应由招募来的酶执行，而不是由聚合酶的RNA合成活性位点完成。许多加工事件与转录相耦联，可在转录本尚未完成时开始。(nature.com)

RNA依赖性RNA聚合酶

在更广泛的用法中，RNA聚合酶也包括**RNA依赖性RNA聚合酶，简称RdRP**，它以另一个RNA分子为模板合成RNA。许多RNA病毒使用这些酶复制基因组并产生病毒转录本。它们对模板的要求不同于负责一般细胞转录的DNA依赖性酶。(pdb101.rcsb.org)

病毒聚合酶可以作为较大复合物的一部分发挥作用。例如，埃博拉病毒聚合酶与VP35结合，结构研究已鉴定出与RNA合成相关的不同构象。因此，“RNA聚合酶”一词描述的是一种催化活性，而具有这种活性的酶在结构和生物学作用上可能存在显著差异。(nature.com)

研究应用与抑制

T7 RNA聚合酶广泛用于体外转录，即在细胞外以DNA为模板合成RNA。其应用包括制备实验用RNA和生产信使RNA。这一过程也可能产生不需要的产物，包括短小的流产转录本和双链RNA。因此，酶工程不仅致力于提高产量，也致力于提高产物纯度。(nature.com)

RNA聚合酶也是抑制性化合物的靶标。利福平与细菌聚合酶结合，干扰早期的有效转录。其结合位点位于由rpoB基因编码的β亚基中；该位点的改变可能影响药物结合并导致耐药性。这些相互作用为研究聚合酶结构如何影响其对抑制剂的敏感性提供了便于实验分析的实例。(nature.com)

历史发展

1969年，罗伯特·G. 罗德和威廉·J. 鲁特报道，真核生物中存在不同的DNA依赖性RNA聚合酶活性。他们从发育中的海胆胚胎中分离出三种酶活性，帮助确立了核RNA聚合酶I、II和III之间的区别。(nature.com)

随后，高分辨率X射线晶体学揭示了聚合酶II及其催化中心的结构。一项2001年的研究以2.8埃和3.1埃的分辨率解析了酵母聚合酶II的结构，揭示了可移动的结构要素和活性位点中的金属离子。罗杰·D. 科恩伯格因对真核生物转录分子基础的研究而获得2006年诺贝尔化学奖。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)