結構生物化學/核酸/RNA/RNA 聚合酶
RNA 聚合酶是一種產生 RNA 並催化從 DNA 模板開始和延伸 RNA 鏈的酶。RNA 是透過稱為轉錄的過程建立的。RNA 聚合酶是該過程的關鍵組成部分。該酶催化的反應為：（RNA）n + 核糖核苷三磷酸 ->/<- (RNA)n+1 +PPi。RNA 聚合酶相對較大。典型真核細胞中 RNA 聚合酶的大小約為 500kDa。在細菌中，它大約是 400kDa，而在 T7 噬菌體中，它大約是 100kDa。它們的轉錄速度約為每秒 50 個鹼基。編碼平均蛋白質的典型 mRNA 在原核細胞中大約需要 20 秒，而在真核細胞中大約需要 3 分鐘。在真核生物中，它主要更長，因為真核基因包含許多包含內含子的片段。
為了使 DNA 聚合酶能夠正常執行其功能，它們必須具有以下元件以進行催化。1. DNA 模板。優選模板是雙鏈 DNA。單鏈 DNA 也可作為模板，但不能使用 RNA 鏈或 DNA-RNA 雜交體。2. 活化前體。反應需要核糖核苷三磷酸：ATP（腺嘌呤-核糖-三磷酸）、GTP（鳥嘌呤-核糖-三磷酸）、ATP（腺苷-三磷酸）和 UTP（尿嘧啶-核糖-三磷酸）。核苷酸具有三個磷酸基團連線到核糖糖的 5’ 碳原子。
3. 二價金屬。與 DNA 聚合酶不同，不需要引物，但二價金屬離子（如鎂離子或錳離子）是有效的。
合成方向為 5' 到 3'，合成由焦磷酸的水解驅動。雜交實驗表明，RNA 聚合酶合成的 RNA 與其 DNA 模板互補。
基因轉錄發生在真核細胞的細胞核中，轉錄是由三種不同的多亞基 RNA 聚合酶 Pol I、Pol II 和 Pol III 執行的。今天，人們對這些 RNA 聚合酶的生物合成知之甚少：從它們的合成起源（細胞質）到它們到達細胞核進行轉錄。直到最近，研究才表明聚合酶組裝中間體、組裝因子和核輸入所需的因子存在於細胞質中。Pol II 是最容易識別的，因此也是大多數關於 RNA 聚合酶生物合成研究的基礎。
RNA Pol II 轉錄 mRNA 和小的非編碼 RNA，包含 12 個多肽亞基。每個 RNA Pol 在 RNA 聚合酶中都有其特定的作用。它們都具有十個相同的亞基催化核心。外周亞基是它們結構和功能的差異之處；RNA Pol II 已經被確定包含允許其模擬 Pol I 和 Pol III 中同源核心的核心。Pol I 和 Pol III 將結合到 Pol II 的相對兩側（結合到 Rpb1 和 Rpb2），然後被分成三個相互作用的亞基。
真核 RNA 核心的組裝首次是在細菌 RNA 聚合酶研究中發現的，因為 RNA Pol II 核心亞基與細菌 RNA 聚合酶核心亞基完全相同。RNA Pol II 的組裝由 αα 二聚體的形成開始，該二聚體與 β 相互作用並形成結合的複合中間體。RNA Pol II 中的活性裂隙由 β 亞基組成，這些亞基是在組裝的最後一步形成的，因此聚合酶在完成之前不會具有催化活性。細菌和真核細胞中的 RNA Pol II 都表現出以相同的方式形成。
體外組裝實驗也已經進行以確定 RNA Pol II 的起源。使用三個突變的大亞基，它們的組裝是透過脈衝追蹤實驗來追蹤的。科學家發現 Rpb3 和 Rpb3 最先相互作用，然後結合的複合物與 Rpb1 相互作用。然而，由於使用了更大的突變亞基，因此最終組裝無法在沒有使用 Rpb6、Rpb10 和 Rpb12 的情況下完成，而這些亞基通常不是正常大小的 RNA Pol II 中最終組裝的一部分。RNA 核輸入
如果在組裝過程中丟失了任何 RNA 亞基，細胞質中將存在過量的 Rpb1，這意味著聚合酶需要完全組裝才能進入細胞核並參與轉錄酶。Pol II 核定位因子已被確定為細胞中功能性聚合酶相互作用蛋白。Rpb1 的積累是由 GPN1 和 GPN3 的消耗引起的。GPN1 的表達將導致過量 Rpb1 的消耗。GPN1 與 Pol II 的結合也可以直接影響 GTP 正確結合的能力。GPN1 的同源物也有助於 Pol II 的生物合成和最終組裝。GPN1 與 CCT 複合物相互作用，CCT 複合物在 Pol II 的形成中伴隨許多亞基。
Pol II 的組成部分（亞基和 GPN 蛋白）無法產生核輸入訊號，因此，這就是為什麼 Pol II 在完全組裝之前無法進入細胞核，以便它可以產生訊號。Iwr1 是一個與完全組裝的 Pol II 相互作用並使其適應核訊號的因子。Iwr1 的缺失導致所有 Pol II 亞基的積累，表明 lwr1 最有可能是正確最終組裝的關鍵。Iwr1 結合 Pol II 上的活性位點，並可以透過與 Rpb1 和 Rpb2 亞基相互作用來“感知”完成，確保 Pol II 完全組裝；這充當進入細胞核之前的最終檢查點。由於 Iwr1 的缺失會影響細胞質中亞基的濃度，因此使用核輸出訊號來觸發 Iwr1 的迴圈利用。目前，Iwr1 只知道在耗竭後影響涉及 Pol II 的亞基和因子，還沒有發現它如何影響 Pol I 和 Pol II。
Pol I 和 Pol III 的起源可能取決於伴侶蛋白 Hsp90 和 R2TP，因為這兩個伴侶蛋白的客戶蛋白被發現是 Pol I 和 Pol III 的亞基。這是有道理的，因為 A135（Pol I 亞基）的缺失導致 Hsp90 結合 Pol I 的較大亞基 A190。已經對 Pol I 進行了一些漂白實驗，這些實驗表明 Pol I 在啟動子位點組裝。目前尚不清楚轉錄酶後 Pol I 會發生什麼，因為它仍然是一個穩定的複合體，不會解離，科學家們正在試圖確定 Pol I 在其他生物體中是否從根本上有所不同。
Pol III 是三種聚合酶中最不瞭解的。在第二個較大的 Pol III 亞基 C128 的 N 端附近發現了一個 NLS 序列，當這個序列被刪除時，會導致 C128 在細胞質中以及其他 Pol III 亞基中積累。但是，其他 Pol III 亞基仍然完整並處於核內。這表明 Pol III 的核心是在細胞質內組裝的，並且釋放的亞基結合細胞核中的核心。從天然質譜分析結果來看，Pol III 似乎遵循與 Pol II 相同的組裝途徑。
由於所有三種 RNA 聚合酶至少具有十個相同的亞基，我們可以得出結論，所有三種聚合酶都可以協調和同時組裝。透過研究三種聚合酶中任何一種的某個亞基，可以透過研究生物合成該階段的其他亞基來更好地理解它。
由多亞基 DNA 依賴性 RNA 聚合酶合成數千個核苷酸長的 RNA 分子。核苷酸縮合的重複反應以每秒數十個核苷酸的速度進行。這與酶沿著 DNA 模板的轉運（DNA 和新出現的 RNA 分子穿過酶）始終相關。核苷酸新增/轉運迴圈的這種重複，沒有將 DNA 從 RNA 中分離出來，涉及同構和變構構象柔性，其程度足以容納必要的分子運動。[1]
真核細胞具有三種類型的 RNA 聚合酶。Pol I：這種型別的 RNA 聚合酶合成核糖體大亞基的 RNA。核糖體基本上是細胞中的蛋白質合成細胞器。Pol II：生成 mRNA。信使 RNA 為核糖體提供蛋白質合成的模板。它還生成許多小核 RNA，這些 RNA 幫助在 RNA 形成後對其進行修飾。Pol III：生成 tRNA。轉移 RNA 基本上用於核糖體的小亞基。
這三種類型的聚合酶可以透過實驗室中對 α-鵝膏蕈鹼毒素的抑制水平來區分。Pol I 對這種毒素完全抵抗。Pol II 對這種毒素高度敏感。而 Pol III 則中等敏感。
真核細胞中的 RNA 聚合酶由多個亞基組成。大多數亞基較小，並且是每種型別聚合酶所特有的。但是，有兩個大型亞基在所有聚合酶中都是相似的。這一事實突出了所有這些聚合酶必須起源於一個原始聚合酶。這兩個大型亞基是這種酶的功能核心。其他較小的亞基往往為每種獨特型別的聚合酶提供特定功能。
在細菌中，RNA 聚合酶全酶由兩部分組成：核心聚合酶和σ因子。核心聚合酶具有轉錄延伸所需的成分，而σ因子僅在轉錄起始時需要。核心聚合酶由兩個α、一個β和一個β'單位組成（α2ββ'），而σ因子僅由σ組成。總共有五個亞基構成 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，它可能穩定 RNA 聚合酶。
在細菌 DNA 中，啟動子序列由 RNA 聚合酶的σ單位識別。識別啟動子序列後，σ因子將引導 RNA 聚合酶到啟動子。然後，該σ因子將透過核心聚合酶的α單位將 RNA 聚合酶與啟動子結合。[2]
古細菌 RNA 聚合酶與真核 RNA 非常相似。特別類似於 RNA 聚合酶 II。這些聚合酶可能是從簡化的真核系統中進化而來的。古細菌聚合酶在 PCR 中使用，因為它可以承受用於分離 DNA 鏈的高溫。
RNA 聚合酶具有許多結構特徵，有助於轉錄過程。稱為“鉗子”的結構將聚合酶固定在 DNA 上。襟翼確保 mRNA 被保留。舵防止 DNA/RNA 雜合物的形成。DNA 不會直接進入聚合酶的入口。它通常以側向方式固定，並向左彎曲，然後從聚合酶中退出。據信 mRNA 從聚合酶的背面離開。NTP 透過 DNA 被拉過的相同通道進入活性位點，但透過一個次級通道。
RNA 和 DNA 的合成在許多方面是相似的。它們都遵循 5'->3' 的合成方向。另一個是延伸方法是透過生長鏈末端的 3'OH 基團對進入的核苷三磷酸的最內側磷酸進行親核攻擊。另一個相似之處是合成是由焦磷酸的水解驅動的。然而，兩者之間的區別在於 RNA 聚合酶不需要引物，而 DNA 聚合酶則需要。此外，雖然 DNA 聚合酶實際上可以校正核苷酸轉錄中的錯誤，但 RNA 聚合酶缺乏這種去除錯誤配對核苷酸的能力。