结构生物化学/核酸/RNA/RNA 聚合酶
RNA 聚合酶是一种产生 RNA 并催化从 DNA 模板开始和延伸 RNA 链的酶。RNA 是通过称为转录的过程创建的。RNA 聚合酶是该过程的关键组成部分。该酶催化的反应为：（RNA）n + 核糖核苷三磷酸 ->/<- (RNA)n+1 +PPi。RNA 聚合酶相对较大。典型真核细胞中 RNA 聚合酶的大小约为 500kDa。在细菌中，它大约是 400kDa，而在 T7 噬菌体中，它大约是 100kDa。它们的转录速度约为每秒 50 个碱基。编码平均蛋白质的典型 mRNA 在原核细胞中大约需要 20 秒，而在真核细胞中大约需要 3 分钟。在真核生物中，它主要更长，因为真核基因包含许多包含内含子的片段。
为了使 DNA 聚合酶能够正常执行其功能，它们必须具有以下组件以进行催化。1. DNA 模板。优选模板是双链 DNA。单链 DNA 也可作为模板，但不能使用 RNA 链或 DNA-RNA 杂交体。2. 活化前体。反应需要核糖核苷三磷酸：ATP（腺嘌呤-核糖-三磷酸）、GTP（鸟嘌呤-核糖-三磷酸）、ATP（腺苷-三磷酸）和 UTP（尿嘧啶-核糖-三磷酸）。核苷酸具有三个磷酸基团连接到核糖糖的 5’ 碳原子。
3. 二价金属。与 DNA 聚合酶不同，不需要引物，但二价金属离子（如镁离子或锰离子）是有效的。
合成方向为 5' 到 3'，合成由焦磷酸的水解驱动。杂交实验表明，RNA 聚合酶合成的 RNA 与其 DNA 模板互补。
基因转录发生在真核细胞的细胞核中，转录是由三种不同的多亚基 RNA 聚合酶 Pol I、Pol II 和 Pol III 执行的。今天，人们对这些 RNA 聚合酶的生物合成知之甚少：从它们的合成起源（细胞质）到它们到达细胞核进行转录。直到最近，研究才表明聚合酶组装中间体、组装因子和核输入所需的因子存在于细胞质中。Pol II 是最容易识别的，因此也是大多数关于 RNA 聚合酶生物合成研究的基础。
RNA Pol II 转录 mRNA 和小的非编码 RNA，包含 12 个多肽亚基。每个 RNA Pol 在 RNA 聚合酶中都有其特定的作用。它们都具有十个相同的亚基催化核心。外周亚基是它们结构和功能的差异之处；RNA Pol II 已经被确定包含允许其模拟 Pol I 和 Pol III 中同源核心的核心。Pol I 和 Pol III 将结合到 Pol II 的相对两侧（结合到 Rpb1 和 Rpb2），然后被分成三个相互作用的亚基。
真核 RNA 核心的组装首次是在细菌 RNA 聚合酶研究中发现的，因为 RNA Pol II 核心亚基与细菌 RNA 聚合酶核心亚基完全相同。RNA Pol II 的组装由 αα 二聚体的形成开始，该二聚体与 β 相互作用并形成结合的复合中间体。RNA Pol II 中的活性裂隙由 β 亚基组成，这些亚基是在组装的最后一步形成的，因此聚合酶在完成之前不会具有催化活性。细菌和真核细胞中的 RNA Pol II 都表现出以相同的方式形成。
体外组装实验也已经进行以确定 RNA Pol II 的起源。使用三个突变的大亚基，它们的组装是通过脉冲追踪实验来追踪的。科学家发现 Rpb3 和 Rpb3 最先相互作用，然后结合的复合物与 Rpb1 相互作用。然而，由于使用了更大的突变亚基，因此最终组装无法在没有使用 Rpb6、Rpb10 和 Rpb12 的情况下完成，而这些亚基通常不是正常大小的 RNA Pol II 中最终组装的一部分。RNA 核输入
如果在组装过程中丢失了任何 RNA 亚基，细胞质中将存在过量的 Rpb1，这意味着聚合酶需要完全组装才能进入细胞核并参与转录酶。Pol II 核定位因子已被确定为细胞中功能性聚合酶相互作用蛋白。Rpb1 的积累是由 GPN1 和 GPN3 的消耗引起的。GPN1 的表达将导致过量 Rpb1 的消耗。GPN1 与 Pol II 的结合也可以直接影响 GTP 正确结合的能力。GPN1 的同源物也有助于 Pol II 的生物合成和最终组装。GPN1 与 CCT 复合物相互作用，CCT 复合物在 Pol II 的形成中伴随许多亚基。
Pol II 的组成部分（亚基和 GPN 蛋白）无法产生核输入信号，因此，这就是为什么 Pol II 在完全组装之前无法进入细胞核，以便它可以产生信号。Iwr1 是一个与完全组装的 Pol II 相互作用并使其适应核信号的因子。Iwr1 的缺失导致所有 Pol II 亚基的积累，表明 lwr1 最有可能是正确最终组装的关键。Iwr1 结合 Pol II 上的活性位点，并可以通过与 Rpb1 和 Rpb2 亚基相互作用来“感知”完成，确保 Pol II 完全组装；这充当进入细胞核之前的最终检查点。由于 Iwr1 的缺失会影响细胞质中亚基的浓度，因此使用核输出信号来触发 Iwr1 的循环利用。目前，Iwr1 只知道在耗竭后影响涉及 Pol II 的亚基和因子，还没有发现它如何影响 Pol I 和 Pol II。
Pol I 和 Pol III 的起源可能取决于伴侣蛋白 Hsp90 和 R2TP，因为这两个伴侣蛋白的客户蛋白被发现是 Pol I 和 Pol III 的亚基。这是有道理的，因为 A135（Pol I 亚基）的缺失导致 Hsp90 结合 Pol I 的较大亚基 A190。已经对 Pol I 进行了一些漂白实验，这些实验表明 Pol I 在启动子位点组装。目前尚不清楚转录酶后 Pol I 会发生什么，因为它仍然是一个稳定的复合体，不会解离，科学家们正在试图确定 Pol I 在其他生物体中是否从根本上有所不同。
Pol III 是三种聚合酶中最不了解的。在第二个较大的 Pol III 亚基 C128 的 N 端附近发现了一个 NLS 序列，当这个序列被删除时，会导致 C128 在细胞质中以及其他 Pol III 亚基中积累。但是，其他 Pol III 亚基仍然完整并处于核内。这表明 Pol III 的核心是在细胞质内组装的，并且释放的亚基结合细胞核中的核心。从天然质谱分析结果来看，Pol III 似乎遵循与 Pol II 相同的组装途径。
由于所有三种 RNA 聚合酶至少具有十个相同的亚基，我们可以得出结论，所有三种聚合酶都可以协调和同时组装。通过研究三种聚合酶中任何一种的某个亚基，可以通过研究生物合成该阶段的其他亚基来更好地理解它。
由多亚基 DNA 依赖性 RNA 聚合酶合成数千个核苷酸长的 RNA 分子。核苷酸缩合的重复反应以每秒数十个核苷酸的速度进行。这与酶沿着 DNA 模板的转运（DNA 和新出现的 RNA 分子穿过酶）始终相关。核苷酸添加/转运循环的这种重复，没有将 DNA 从 RNA 中分离出来，涉及同构和变构构象柔性，其程度足以容纳必要的分子运动。[1]
真核细胞具有三种类型的 RNA 聚合酶。Pol I：这种类型的 RNA 聚合酶合成核糖体大亚基的 RNA。核糖体基本上是细胞中的蛋白质合成细胞器。Pol II：生成 mRNA。信使 RNA 为核糖体提供蛋白质合成的模板。它还生成许多小核 RNA，这些 RNA 帮助在 RNA 形成后对其进行修饰。Pol III：生成 tRNA。转移 RNA 基本上用于核糖体的小亚基。
这三种类型的聚合酶可以通过实验室中对 α-鹅膏蕈碱毒素的抑制水平来区分。Pol I 对这种毒素完全抵抗。Pol II 对这种毒素高度敏感。而 Pol III 则中等敏感。
真核细胞中的 RNA 聚合酶由多个亚基组成。大多数亚基较小，并且是每种类型聚合酶所特有的。但是，有两个大型亚基在所有聚合酶中都是相似的。这一事实突出了所有这些聚合酶必须起源于一个原始聚合酶。这两个大型亚基是这种酶的功能核心。其他较小的亚基往往为每种独特类型的聚合酶提供特定功能。
在细菌中，RNA 聚合酶全酶由两部分组成：核心聚合酶和σ因子。核心聚合酶具有转录延伸所需的成分，而σ因子仅在转录起始时需要。核心聚合酶由两个α、一个β和一个β'单位组成（α2ββ'），而σ因子仅由σ组成。总共有五个亚基构成 RNA 聚合酶：α（α）、β（β）、β'（β'）、σ（σ）和ω（ω）。然而，ω的功能尚不清楚，它可能稳定 RNA 聚合酶。
在细菌 DNA 中，启动子序列由 RNA 聚合酶的σ单位识别。识别启动子序列后，σ因子将引导 RNA 聚合酶到启动子。然后，该σ因子将通过核心聚合酶的α单位将 RNA 聚合酶与启动子结合。[2]
古细菌 RNA 聚合酶与真核 RNA 非常相似。特别类似于 RNA 聚合酶 II。这些聚合酶可能是从简化的真核系统中进化而来的。古细菌聚合酶在 PCR 中使用，因为它可以承受用于分离 DNA 链的高温。
RNA 聚合酶具有许多结构特征，有助于转录过程。称为“钳子”的结构将聚合酶固定在 DNA 上。襟翼确保 mRNA 被保留。舵防止 DNA/RNA 杂合物的形成。DNA 不会直接进入聚合酶的入口。它通常以侧向方式固定，并向左弯曲，然后从聚合酶中退出。据信 mRNA 从聚合酶的背面离开。NTP 通过 DNA 被拉过的相同通道进入活性位点，但通过一个次级通道。
RNA 和 DNA 的合成在许多方面是相似的。它们都遵循 5'->3' 的合成方向。另一个是延伸方法是通过生长链末端的 3'OH 基团对进入的核苷三磷酸的最内侧磷酸进行亲核攻击。另一个相似之处是合成是由焦磷酸的水解驱动的。然而，两者之间的区别在于 RNA 聚合酶不需要引物，而 DNA 聚合酶则需要。此外，虽然 DNA 聚合酶实际上可以校正核苷酸转录中的错误，但 RNA 聚合酶缺乏这种去除错误配对核苷酸的能力。