RNA聚合酶

在细菌等原核生物中，相同的RNA聚合酶催化三种RNA的合成：信使RNA （mRNA）、核糖体RNA （rRNA）及转运RNA （tRNA）。

细胞RNA聚合酶是相对大的分子。

细菌RNA聚合酶是相对大的分子。

核心酶有5个亚基（~400 kDa）：核心酶有5个亚基（~400 kDa）：
α2：这两个α亚基组合成酶及辨认调节因子。

每个亚基有两个区，αC末端区及αN末端区，分别与启动子结合及与聚合酶的其他部份结合。

每个亚基有两个区，αC末端区及αN末端区，分别与启动子结合及与聚合酶的其他部份结合。

β：有着聚合酶的活动，负责催化RNA的合成。

β'：与DNA结合。

ω：还未清楚它的功能。

但是它在耻垢分枝杆菌中似乎是提供保护功能予β'亚基。

但是它在耻垢分枝杆菌中似乎是提供保护功能予β'亚基。

为着与启动子的特定区域结合，核心酶须有其他亚基，称为σ。

为着与启动子的特定区域结合，核心酶须有其他亚基，称为σ。

σ因子大大减低RNA聚合酶与非特定的DNA的关系，视乎σ因子本身而增加对某些启动子区域的独特性。

σ因子大大减低RNA聚合酶与非特定的DNA的关系，视乎σ因子本身而增加对某些启动子区域的独特性。

所以完整的全酶有着6个亚基：α 2 、β、β'、σ及ω（~480 kDa）。

所以完整的全酶有着6个亚基：α 2 、β、β'、σ及ω（~480 kDa）。

RNA聚合酶的结构就有一个长约55Å（即5.5奈米）的沟道及直径为25Å（2.5奈米）。

RNA聚合酶的结构就有一个长约55Å（即5.5奈米）的沟道及直径为25Å（2.5奈米）。

这个沟道正好适合20Å（2奈米）的DNA双股。

这个沟道正好适合20Å（2奈米）的DNA双股。

55Å的长度可以接受16核苷酸。

55Å的长度可以接受16核苷酸。

当不使用时，RNA聚合酶会与弱结合部位结合，等待活性启动子的位点开启并快速转换。

当不使用时，RNA聚合酶会与弱结合部位结合，等待活性启动子的位点开启并快速转换。

RNA聚合全酶所以在不使用时不是在细胞内自由浮动的。

RNA聚合全酶所以在不使用时不是在细胞内自由浮动的。

大肠杆菌的RNA聚合酶组成：
RNA聚合酶Ｉ：合成核糖体RNA （rRNA）前体45S，当成熟后会成为28S、18S及5,8S核糖为RNA，是将来核糖体的主要RNA部份。

RNA聚合酶Ｉ合成核糖体RNA （rRNA）前体45S，当成熟后会成为28S、1 8S及5,8S核糖体RNA，是将来核糖体的主要RNA部份。

RNA聚合酶Ⅱ：合成信使RNA （mRNA）的前体及大部份小核RNA （snRNA）以及微型RNA （microRN A）。

RNA聚合酶Ⅱ合成信使RNA （mRNA）的前体及大部份小核RNA （snRNA）以及微型RNA （micr oRNA）。

因为它在转录过程中需要多种转录因子才能与启动子結合，所以这是现时最多研究的种类。

因为它在转录过程中需要多种转录因子才能与启动子结合，所以这是现时最多研究的种类。

RNA聚合酶Ⅲ：合成转运RNA （tRNAs）、rRNA 5S及其他可以在细胞胞核及原生质找到的細小的RNA。

RNA聚合酶Ⅲ合成转运RNA （tRNAs）、rRNA 5S及其他可以在细胞核及原生质找到的细小的RNA。

三种RNA聚合酶的比较：
很多病毒都有为RNA聚合酶编码。

相信最多研究的病毒RNA聚合酶是噬菌体T7。

它的RNA聚合酶是单一亚基的，与在粒线体及叶绿体所找到的RNA聚合酶相关，并且与DNA聚合酶同源。

因此很多人相信大部份的病毒聚合酶是从DNA聚合酶演化而来，并不是直接与上述的多亚基聚合酶有所关联。

病毒聚合酶是繁杂的，且包括一些形态可以使用RNA（而非DNA）作为模板。

反链核糖核酸病毒及双链核糖核酸病毒都是以双股RNA形式生存。

但是，有些正链核糖核酸病毒，如小儿麻痹病毒，亦包含这些RNA依赖性R NA聚合酶。

一、σ亚基的替换
在枯草杆菌（B.subtilis）中σ因子广泛地用于转录起始的调节，现知道有10种不同的因子。

有的存在营养期细胞中，仅在噬菌体感染的特殊环境，或者从营养生长转变成孢子形成期。

在处于正常营养生长期的枯草杆菌中发现的RNA聚合酶与E.coli的α2ββˊσ的结构相似，已知σ因子的分子量为43KDa，因而以σ43或σA来表示。

它所识别的启动子带有的保守顺序，与E.coli σ70识别的相似。

各种不同的聚合酶含有不同的σ因子，但是数量很少。

各种聚合酶识别不同启动子的-35和-10顺序。

从一套基因的转录到另一套基因的表达是噬菌体感染的共同特点。

噬菌体的发育涉及到感染周期的改变。

这些改变通过噬菌体编码的RNA Pol的合成来完成，或者通过噬菌体编码的控制细菌RNA聚合酶附属因子（包括新的σ种类）来完成。

在枯草杆菌被噬菌体SP01感染中通过产生新的σ因子来控制的。

SP01的感染周期通过基因表达的三个阶段。

在感染的瞬间，噬菌体的早期基因被转录了。

在4～5分钟后早期转录停了下来，中期基因又开始转录。

再过8～12分钟中期基因的转录被晚期基因所取代。

早期基因被宿主菌的全酶所转录。

它们不能区别宿主基因。

宿主基因启动子能被RNA聚合酶α1ββˊα43所识别。

噬菌体基因的表达对于转录为中期和晚期基因的转录是必要的。

有3个调节基因叫28，33和34，它们控制要转录的程序。

调节的方式是一种级联调控。

在级联调控中宿主的酶转录早期基因，这些基因的产物是转录中期基因所必须的。

而两个中期基因编码的产物又是晚期转录所必须的。

早期基因28的突变体不能转录中期基因，基因28的产物（称为gp28）是分子量26KDa的蛋白，它取代核心酶上的σ因子。

这种替代对从早期基因的表达转为中期基因表达是必要的。

它形成的全酶不再能转录宿主的基因，而能特异转录中期的基因。

现在还不清楚gp28怎样取代σ43，或者宿主的σ多肽究竟发生了什么情况。

两个中期基因涉及到一下步的转录。

无论是基因33还是34若发生突变将会阻止晚期基因的转录。

这些基因的产物是13KDa和24KDa的蛋白，它们取代了核心的酶上的gp28，现在也还不知道gp33和gp34怎样排除g p28的（或者排除任何残余的宿主σ43），但它们一旦结合到核心酶上，它们就只能在晚期启动子上起始转录。

σ因子的相继的取代具有双重的后果，每次亚基的改变使RNA聚合酶能够识别一组新的基因，而不再识别先前的基因。

由于σ因子的转换使RNA聚合酶的活性全部发生了改变。

可能所有的核心酶都是短暂地和不同的σ因子结合，但这种变化的程序是不可逆的。

几乎大部分σ因子转换的例子都发生在孢子形成（sporulation）中。

不同生活途径的选择对某些微生物来说是有利的，在营养期（vegetative phase）来说，对数生长可导致培养基中营养物质的耗尽。

此引发了孢子形成；它包括以下几个阶段：（1）DNA复制；（2）在细胞的一端基因组被分离；（3）分离的基因组外包上一层子外壳。

在孢子形成的第二阶段，细胞产生了两个独立的被分隔的部分，这就是母细胞和前孢子（forespore）。

这个过程约花8小时，它可以被看成为是一种原始的分化类型。

在这种类型中，现代细胞产生两种发育命运不同的子细胞，一个是母细胞，一个是前孢子，当前孢子被释放时，母细胞最终被裂解，孢子的结构完全不同于原来的细菌。

孢子的形成涉及到细菌生物合成活性的剧烈的变化。

这些变化和很多基因有关。

基本的调控仍在转录水平。

在孢子形成时，一些营养期行使功能的基因被关闭了，但大部分仍继续表达。

另外孢子形成的特异基因仅在这一阶段表达。

在孢子形成结束时约有40% 的细菌mRNA对孢子形成是特异的。

形成的RNA聚合酶在孢子形成的细胞中成为活性状态，它们含有的核心酶和营养细胞中的是相同的。

但附属蛋白却不同于营养细胞的σ43。

这种转录的特异性改变。

其原理是在每一间隔中存在着σ因子连续地被新的因子所决代，导致了不同组基因的转录。

为了协调前孢子和母细胞中转录的时间，必须沟通这两个部分。

当外界环境条件能触发“磷酸化传递”时，孢子形成的级联调节就起始了。

在磷酸化传递中一个磷酸基沿着各种蛋白传递，直至到达SpoOA（各种基因的产物涉及此过程，这种复杂性可能反应在触发孢子形成中需要避免发生错误）。

SpoOA是一种转录调节物，其活性受磷酸化的作用。

在磷酸化状态时，它激活两个操纵子转录。

而每个操纵子的转录是由不同于宿主的RNA聚合酶催化的。

在磷酸化SpoOA的指导下，宿主酶利用了一般的σ43来转录编码σF的基因。

而宿主酶在较小的因子σH的直接指导下转录录编码σE的基因，在中隔形成前，这两种新的σ因子产生了。

但到晚些时候才被活化。

σF只有在前孢子的间隔部分才有活性，而在母细胞中它的作用却被抑制了。

在孢子形成的开始，在前孢子中σ4 5被σF取代了。

在σF的指导下，RNA聚合酶转录第一套取代了营养期基因的孢子形成基因。

营养期基因是先前转录的。

这种取代反应可能仅存在于RNA聚合酶的群体中。

由于σF产生量很少，因此某此营养酶仍保留存在于孢子形成时。

被取代的σ45并未破坏，从孢子形成的细胞中的抽提液中σ45仍可得到恢复。

通过两种调节事体才使σF激活。

在前孢子中有一种σ因子：σG，它是早期孢子形成基因的产物，它使RNA聚合酶在前孢子中转录晚期基因。

另一种早期孢子形成基因的产物只负责与母细胞间隔进行沟通。

一种信号（通过间隔的蛋白膜）的传递来激活σE，σE在先前就已合成了前体的形式（pro-σE），它被剪切后才有活性。

当σE依次导致σK基因转录时，上述级联调控仍在继续。

σK活性的产生是十分复杂的，首先它的基因需要通过重组才能产生。

这个因子也是作为一种无活性的前体蛋白（pro-σK）被合成的。

它是被一种蛋白酶所激活，一旦σK有了活性，它就取代σE以及导致了母细胞中晚期基因的转录。

这些事件在母细胞和前孢子两部分的定时是由一些信号协调的。

在前孢子中σG的激活是依赖于母细胞中发生的一些事件。

依次激活σG是可以产生一种信号，这种信号穿越过间隔去激活σK。

孢子形成是由两种级联调控控制的，在级联调控中每一间隔部分的σ都相继被激活，每个σ因子指导一套特殊的基因合成蛋白质。

这两种级联调控通过一种信号从一个间隔部分传递到另一个间隔部分来彼此沟通协调。

当一种新的σ因子被激活，原来的σ因子被取代，这样通过转移σ因子来打开基因或关闭基因。

各种因子结合成RNA 聚合酶指挥一套靶基因表达。

这些因子的量有效地影响基因表达的水平。

在任何时候都有一个以上的σ因子被激活。

某些σ因子的特异性是重叠的。

现在还不清楚为什么每个一个σ因子能替换前一个σ因子。

二、σ因子的替代可以控制起始
E.coli RNA聚合酶转录全部细菌的基因，这必定是它能广泛识别各种启动子。

但与不同启动子相连结的基因是以不同的水平和在不同的场合被转录的。

在特殊启动子上的启动转录的能力是由很多的附属因子的帮助或者和酶的相互作用来控制的。

几乎没有一个例子是核心酶亚基本身发生改变来进行调节的。

这种机制并非有一种“偏爱”，而是由于这种改变要使RNA聚合酶能特异识别一种类型的启动子，并阻止其它类型的启动子，这将减少聚合酶的机动性。

在核心酶的亚基之间尚未分工，它们只负责链的延伸，而由σ因子来负责位点的选择，每种不同类型的启动子都有自己的特异性，那么是否也需要多种不同类型的σ因子呢？
在有些情况下的确存在要σ因子的变换，例如细菌中在孢子形成时就需要变换σ因子。

E.coli虽无需经历如此戏剧性的变化，但它进入静止生长期时也要经过相当复杂的代谢变化。

在一个很长的时间内E.coli只有一个σ
因子—σ7，现在又有了新的发现，这些σ因子的命名或根据其产物的分子量，或根据基因。

σ32（也称σN）和σ54（或称σH）轮流交替被激活，对环境的改变作出反应。

σ28（或称σE）用于正常生长情况下鞭毛基因的表达。

但环境发生改变时其表达水平也会发生改变。

当环境温度增加时，E.coli一反常态改变了它们的转录模式，来对“热休克（heat shock）”作出反应。

在很多生物中，无论是原核还是真核生物，对热休克反应是一种共同类型，温度升高，通用蛋白质合成开始关闭或下降，而新的一类蛋白却开始合成。

这些新的蛋白是热休克基因（heat shock genes）的产物，它的作用是保护细胞，对抗环境的变化。

它们的合成是对新的条件如热休克作出反应。

各种热休克蛋白都属于分子伴侣（chaperones）。

在E.coli中，17种热休克蛋白的表达都是通过转录的改变触发的，rpoH基因是调节转录热休克反应所必需的。

其产物是σ32，其功能是作为一种替换的σ因子，可导致热休克是基因的转录。

另一些σ因子是用于氮饥饿时。

E.coli细胞中含有一些小分子蛋白，现称为σ54，当培养基中缺乏氮时就要用到它。

在这种条件下基因打开，允许利用氮源。

在细菌中广泛地发现这种σ因子的副本。

因此它具有对环境改变作出反应的机制。

另一种环境引起σ因子变换的情况是σF，它在细胞中存在的量很少，但可导致RNA聚合酶转录那些和趋化性有关的基因以及鞭毛的结构基因。

在枯草杆菌中它的副本是σD，它可控制鞭毛形成及游动基因。

带有相同启动子特异性的因子存在于很多特殊的细菌中。

多种形式的σ因子的存在就进一步使人们思考σ对核心酶的作用是什么？什么在负责控制σ因子和核心酶的连结。

怎样有效地决定全酶类型的调节？
我们现在完全不了解在生长的细菌中σ因子之间相互关系的调节。

在对环境作出应激反应时（如热休克或氮饥饿）重新产物新的σ因子，并使用它。

假设在热休克时基因转录的选择依赖于普通的σ70和热休克σ32之间的平衡，这两个σ因子共同竞争有效的核心酶，σ32蛋白是不稳定的，它可以迅速地增加或减少，它的不稳定性却成为调节的重要性能。

每种σ因子都能导致RNA聚合酶起始转录一套特殊的启动子。

而每套启动子可以通过单一顺序元件来加以鉴别。

每种类型启动子的顺序又是通过RNA聚合酶附加的σ因子直接识别的。

在E.coli和涉及枯草杆菌孢子形成中σ因子所负责的那些基因的识别可以推断起始识别的一般标准。

启动子对于每种酶来说有一个重要的特点，那就是相同的大小和与起始位点的距离。

它们通常仅在-35和-10顺序的中心有保守顺序。

这种保守顺序无论是-35还是-10对于每套启动子来说是不同的。

一种酶含有一种特殊的σ因子仅能识别特有的一套启动子，因此不同蛋白的转录都是特异的。

这样一个σ因子被另一上因子所取代，原来的一套基因就会被关闭，新的一套基因就会被打开。

不同的-35和-10保守顺序被含有不同σ因子的全酶所识别。

这就直接表明亚基它本身必须直接接触此区的DN A，只有当σ因子被识别了才能通过核心酶的构象间接地发挥功能，但很快使人相信σ能导致核心酶产生系列构象中的一种。

而每种构象对不同的启动子顺序来说却是特异的一种。

而每种构象对不同的启动子顺序来说都是特异的。

这表明了一个普遍性的原理在σ因子和核心酶之间有一种共同性的关系，σ因子和启动子的-35及-10顺
序产生关链性的接触，以这种方式来定位。

但现在还没有解决σ作为一个小分子多肽怎么能复盖20bp以上跨度的DNA。

比较各种细菌σ因子被鉴别区域的顺序结果发现它们是保守的。

我们预期这将有重要的意义。

σ70有4个区，它们在E.coli中的位点：2区和4区启动子的-10及-35顺序相互作用，2区的其它部分是DNA熔解所需要的。

第361～390残基是和核心酶结合的区域。

N-端区是阻止2、4区在缺乏核心酶的情况下与DNA结合。

σ因子和启动子-35及-10直接接触的证据来自σ保守区的突变。

当启动子特殊位点是发生突变也会阻止RNA 聚合酶的识别。

而在σ因子上发生相应的补偿突变时就允许聚合酶用于突变的启动子，从这个实验中不难推测出DNA中有关的碱基对和那些被取代的氨基酸接触。

表明2和4（名为2.4和4.2）是涉及到和-10及-35接触的，这两个区域在蛋白质中以α-螺旋的形式存在。

σ的其它部分没有发现单独的功能。

2区的某些部分具有能与单链核酸结合的蛋白相似的顺序，推测有可能涉及解链。

在2区前面和2区开始部分有些重叠，看来这部分是和核心酶相互作用的区域。

当σ70的N-端区域被切除时，这一段截短了的蛋白就能特异地与启动子顺序结合，而完整的σ70却不能如此，这表明在σ70游离状态时N-端区域可封闭DNA-结合功能区，但σ70和核心酶结合后改变了σ70的构象，因此能与DNA结合。

在蛋白中用α-螺旋模体来识别双链DNA顺序这是共同的特点。

在一个α螺旋的3～4个氨基酸分开的位点怎样位于双螺旋的同一表面上，而且在某一位点与碱基相连接。

在E.coli和枯草杆菌主要的σ因子中，其Thr和Ar g在双螺旋的相关位点，并负责和-10顺序中的头两个位点相接触还不清楚-10顺序的其余部分如何接触。

实际上σ和DNA之间的接触范围以及核心酶和DNA之间的接触关系还有待于建立。

三、修饰核心酶、替换σ亚基
T4噬菌体蛋白质合成的时序调节采用了与E.coli及枯草杆菌不同的策略,那就依赖本身携带的蛋白对宿主的核心酶加以修饰,改变其和σ亚基的结合能力,乘机将本身编码的蛋白取代原来的σ亚基,从而改变RNA聚合酶的识别能力。

T4噬菌体在生活周期的不同阶段合成不同的mRNA。

其主要的两类是早期mRNA和晚期的mRNA。

早期转录的有很多基因，它们编码有关DNA合成、RNA的转录调控、重组等的酶；晚期转录的是一些编码噬菌体结构蛋白，粒子装配以及裂解宿主等的基因。

T4感染伊始是利用宿主的RNA聚合酶转录第一批早期mRNA；T4的头部含有几种小分子蛋白，称为内部蛋白。

当T4感染不久，这些蛋白伴随着DNA一道注入到细菌中，其中有一种转换蛋白是ADP-核糖转移酶（ADPRT），它可将ADP-核糖（ADPR）连接到宿主RNA聚合酶的α亚基上的精氨酸胍基上使其被修饰，加入一个以上的A DPR，从而降低了RNA核心酶与σ因子的结合能力，而增加了其与T4噬菌体编码的蛋白Mot的亲和力，这样Mot蛋白取代了σ亚基，使新的RNA聚合酶不再识别寄主的基因和T4早期基因的启动子。

而能识别下一批基因的启动子。

到转录晚期同时，RNA聚合酶被进一步地修饰，其两个α亚基各结合了一个ADPR分子及4个修饰性蛋白。

有时称其为超修饰（hupermodified）的RNA聚合酶。

即使如此加工仍不能转录晚期基因，要等到DNA复制时才能转录，形成了一种程序化的控制。

实际上直到复制达到一定阶段才需要晚期基因编码的产物。

至于复制时晚期转录的调控机理还不清楚，可能改变了晚期基因的构象，使其易于转录启动。

四、RNA聚合酶的代换
T7噬菌体在转录的时序调控中不是采用σ因子的级联取代,也不是像T4噬菌体那样对核心酶进行修饰,而是根据自动的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行时序转录的调控。

T7是E.coli的烈性噬菌体，基因组长为39,936nt，顺序已知。

整个基因组可能具有55个基因，其中44个基因的产物已鉴别出了，已知30种是有功能的转录可分为3组，30°C整个生活周期约为25¢分钟，但其DNA
的注入很慢，整个的过程约10分钟，而其它的噬菌体仅1分钟即可完成。

这也是一种调控的手段，因未注入宿主细胞中的DNA是不能转录的。

在感染6分钟后，E.coli的RNA合成体系全部被T4的合成体系所取代。

在感染后的前6分钟，T7噬菌体的RNA Pol尚未表达，因此仍使用了宿主E.coli的RNA聚合酶，转录的基因主要有10个（0.3,0.4,0.5,0.6,0.65,0.7,1,1.1,1.2,1.3），其0.3基因编码宿主限制酶的抑制蛋白，使T7进入宿主免遭降解；0.7基因编码一种蛋白激酶，能将E.coli的RNA聚合酶磷酸化，为抑制宿主RNA Pol 作准备；基因1编码T7 RNA Pol聚合酶，分子量为98KDa，是一条单链肽，它所识别的启动子是由23bp组成的保守顺序（-17～16）。

晚期转录分为二组（Ⅱ和Ⅲ）。

感染后6～12分钟后T7就利用自己的RNA聚合酶转录第Ⅱ组转录物。

这一组约含（1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,2,2.5,2.8,3,3.5,3.8,4,5,5.7,6），其中对转录调控有关系的是基因2，其产物是E.coli聚合酶抑制剂。

宿主的RNA聚合酶先受到基因0.7产物的磷酸化，再经抑制完全失去了作用，此时T 7已不再需要I组的转录物了，因此废除了宿主RNA聚合酶的功能，而将自己编码的RNA聚合酶取而代之。

第Ⅱ组的基因多与T7的复制酶系的合成及几种结构蛋白有关，但第Ⅱ组的启动子和复制的φL启动子因其保守顺序中分别有2～7个碱基发生了改变，所以是较弱的启动子，但由于其位置排在Ⅲ组启动子的前面，所以先进入宿主得以转录，而不与第Ⅲ组启动子的竞争。

晚期转录的另一组基因就是第Ⅲ组转录物，它排在最后，故在感染12分钟后才得以表达。

此转录物约含15个基因，它们主要编码头部蛋白，尾部蛋白以及负责装配，这样使得T7噬菌体不至于过早地装配成粒子。

这一组虽排在最后，但启动子的结构和保守顺序完全一致所以是极强的启动子，从而保证最后阶段结构蛋白的合成。

第Ⅰ组转录的终止位置在邻近1.4基因的上游区（1.3和1.4之间），此是E.coli RNA聚合酶的终止子）它解离后T7RNA聚合酶则重新从第Ⅱ组起始转录。

第Ⅱ组和第Ⅲ组都使用终止子Tj，由于自注入宿主缓慢，在第Ⅱ组转录时第Ⅲ组基因尚未注入，仍得不到表达。

Tj的终止效率是90%，尚有10%可以延长转录T7的末端，Tj位于基因10和11之间。

基因10是主要的头部蛋白，需要量大，它排在第Ⅱ组末是合理的，即有强启动子的启动，又在转录后被终止，这样不仅满足了装配颗粒的需要，又不至造成浪费。

而排在基因10后面的基因都是编码少量头部蛋白和尾部蛋白的，无需大量的转录，后面越过Tj延长转录的强度就可满足需要了，这本身也是一种终止子对转录的调控。

盛年不重来，一日难再晨。

及时宜自勉，岁月不待人。