真核生物RNA聚合酶的结构和功能概述

严意华 林颖韬 胡雪峰，*

(1福建师范大学生命科学学院 福州 350108； 2福建教育学院 福州 350021)

真核生物中具有三种RNA聚合酶，即RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。这三种RNA聚合酶在色谱层析柱上被洗脱的盐浓度或者对α-鹅膏碱的敏感度互不相同。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ存在于核质中[1]。它们分别参与不同类型基因的转录，对于基因的表达起着重要的作用。本文概述这三种真核RNA聚合酶的结构与功能。

1 RNA聚合酶的组成与结构

早在20世纪末，人们就通过X射线衍射技术，认识了细菌RNA聚合酶以及真核RNA聚合酶Ⅱ的基本结构。近年，随着冷冻电镜技术的发展，三种RNA聚合酶结构的研究有了重大的进展，十分有助于理解真核生物复杂的转录机制。

1.1 RNA聚合酶的共有结构 三种RNA聚合酶均由多个蛋白质亚基组成，为多组分复合物，可分为核心组分与外周组分。核心组分包含10个蛋白质亚基，形成活性位点，其中5个组分与原核生物RNA聚合酶中的α2ββ′ω组分具有同源性。10个核心组分构成了类似“蟹钳”的结构，中间的裂缝在转录时装载DNA分子，“蟹钳”可使裂缝开放或关闭；另外还形成了两个通道，用于底物核糖核苷酸的进入以及RNA产物的输出；活性位点中的高度保守区域(如叉环、桥螺旋和启动环等)使RNA聚合酶能够维持转录泡结构，促进核苷酸的增添及随着模板链移动，稳定DNA： RNA杂链等，从而保证转录的进行[1]。除了10个核心组分，三种RNA聚合酶分别含有两个外周组分，构成了聚合酶的柄。除此之外，RNA聚合酶Ⅰ还含有两个外周组分A49/A34.5[2，3]，RNA聚合酶Ⅲ还含有五个外周组分，即C37/C53二聚体和C82/C34/C31三聚体[4]。可见，RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ、RNA聚合酶Ⅲ分别由14、12、17个组分构成。核心组分对转录的延伸具有重要意义，而外周组分则在转录起始和终止以及RNA的剪切中发挥重要的作用。

1.2 RNA聚合酶的组成和结构的比较 RNA聚合酶Ⅱ完成转录的过程需要多种基本转录因子(包括TFIID、TFIIS、TFIIE以及TFIIF等)，这些基本转录因子具有与RNA聚合酶Ⅱ启动子结合并启动转录的作用。比较三种RNA聚合酶可以发现，聚合酶Ⅰ和Ⅲ中某些结构组分与基本转录因子之间(包括： ①RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ中的二聚体A49/A34.5、C37/C53与TFIIF；②RNA聚合酶Ⅲ中的三聚体C82/C34/C31与TFIIE；③RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ核心组分中的A12.2和C11的N端与TFIIS)存在基因序列相似以及在RNA聚合酶上的位置相同的现象，即具有同源性的特点。这说明在进化过程中，RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ逐渐将基本转录因子同化为RNA聚合酶本身的组分。

对于RNA聚合酶Ⅱ，TFIIF主要在转录的起始时发挥作用，而TFIIF在RNA聚合酶Ⅲ中的同源组分C37/C53与转录的起始和终止都有着密切联系。C37通过连接RNA聚合酶Ⅲ组分C34与TFⅢB在转录起始时发挥作用，RNA聚合酶Ⅲ的转录终止信号来源于非模板链末端的多聚胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸链，C37组分可能通过直接与非模板链接触，识别终止信号从而在转录终止时发挥作用[5]。C37在RNA聚合酶Ⅰ的同源组分A49，除了与TFIIF具有同源性，部分结构域还与TFIIE同源，具有稳定上游DNA的功能。RNA聚合酶Ⅲ与TFIIE同源的组分C82/C34/C31则具有消化DNA双链、促进开放复合物形成的作用。与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ相比，RNA聚合酶Ⅱ转录时多种转录因子的添加使转录起始过程的调控更加精确，并减少RNA聚合酶Ⅱ转录多种不同基因时的错误率。

2 RNA聚合酶的功能

真核RNA聚合酶行使转录的功能，对于基因的表达具有重要的作用。三种RNA聚合酶转录的基因有所不同： RNA聚合酶Ⅰ专门转录rRNA；RNA聚合酶Ⅱ转录mRNA以及一些小核RNA；RNA聚合酶Ⅲ则负责转录5SrRNA、tRNA以及U6小核RNA等[1]。近20年，RNA聚合酶Ⅱ转录的起始与延伸过程的研究取得了较大进展，而对RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ的转录过程则仍然知之甚少。

2.1 RNA聚合酶Ⅱ介导的转录过程 RNA聚合酶介导的转录过程包括前起始复合物的形成、起始、延伸和终止。与原核生物RNA聚合酶直接识别基因启动子起始转录不同，真核RNA聚合酶不能直接识别启动子，需要形成前起始复合物，并在一系列转录起始因子的帮助下才能启动转录。

RNA聚合酶Ⅱ的转录起始需要多种通用转录因子，包括TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH。TFIID由TATA结合蛋白(TBP)和几种TATA结合蛋白结合因子(TAFⅡ)构成，转录起始前，TBP识别并结合在启动子TATA框上，随之TAFⅡ被招募。接下来，TFIIB结合在TFIID上，TFIIB在TFIID和RNA聚合酶Ⅱ间起着桥梁作用，招募RNA聚合酶Ⅱ和TFIIF到DNA上，形成了核心前起始复合物。TFIIE和TFIIH逐渐被招募到核心前起始复合物上，构成了完整的前起始复合物，“蟹钳”中装载着封闭的双链DNA分子。当核苷三磷酸进入后，活性位点中的DNA分子解旋形成转录泡，形成开放的转录起始复合物，活性位点随着DNA模板链移动，调控RNA分子的合成。转录因子间通过特定的结构相互交流，使之在特定的位置发挥功能。虽然这些因子在结构上与RNA聚合酶Ⅱ相互交流的机制还不清楚，但是最近的一些研究对前起始复合物的3D结构有了新的认识。TFIIH与启动子逃脱有着密切关系，TFIIH是一个大的、既有激酶活性又有螺旋酶活性的多组分蛋白质复合体，TFIIH的活性导致RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端结构域(CTD)磷酸化，允许RNA聚合酶Ⅱ离开启动子区域而进入延伸阶段。RNA聚合酶Ⅱ的延伸过程受到CTD的磷酸与去磷酸化的调控。对于RNA聚合酶Ⅱ的转录终止机制还不是很清楚。

2.2 RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ介导的转录过程 RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ与RNA聚合酶Ⅱ一样，不能直接识别启动子，因此转录起始也需要多种转录因子的参与。TBP为三种RNA聚合酶转录起始复合物所共有，存在于RNA聚合酶Ⅲ转录因子TFIIIB中，识别基因启动子；TFIIB与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的转录因子也具有同源性，分别是为Rrn7和TFIIIB中的Brf1，在TBP与RNA聚合酶间起着桥梁作用，招募RNA聚合酶；除此之外，如上面提到的TFIIF和TFIIE也可以分别在RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的结构中找到同源物。

RNA聚合酶Ⅰ转录起始因子包括上游激活因子(UAF、TBP以及三聚核心因子(CF)。CF为三聚体，由TFIIB相似因子Rrn7、Rrn6以及Rrn11组成。上游激活因子(UAF)、TBP和CF依次结合在启动子上，招募RNA聚合酶Ⅰ。RNA聚合酶Ⅰ在被招募之前，与RNA聚合酶Ⅰ特有的转录因子Rrn3先结合。Rrn3与RNA聚合酶Ⅰ对于起始转录具有重要的意义。研究表明，酵母RNA聚合酶Ⅰ以二聚体的形式存在，其中一个聚合酶的柄部分地伸入裂缝中，与DNA结合的裂缝很少开放，为酸性环，封锁了活性位点，阻止了DNA的进入。最近的体外研究发现，Rrn3的结合可以使RNA聚合酶Ⅰ单聚化，使之具有结合DNA的能力。运用荧光显微镜技术观察活细胞体内的情况可以看到，营养的缺乏使得PolI-Rrn3复合物快速消除，RNA聚合酶Ⅰ重新二聚化，进一步说明RNA聚合酶的存在状态与生理功能具有相关性[6，7]。RNA聚合酶Ⅰ的延伸和终止过程还不是很清楚，但可以确定的是延伸过程中与RNA聚合酶Ⅱ转录的基因上一般只有一个聚合酶不同，与RNA聚合酶I转录的基因上则可同时结合多个聚合酶，故转录的效率较高。现在普遍认为，RNA聚合酶Ⅰ的终止与成髓细胞瘤(Myb)家族有着密切联系，Myb家族结合在DNA上的转录终止位点使复合物停止延伸，其他的因子促进RNA聚合酶Ⅰ释放[8]。

RNA聚合酶Ⅲ转录tRNA时，需要转录起始因子TFIIIB和TFIIIC。TFIIIB由TBP，TFIIB相关因子Brf1和Bdp1组成。与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ转录TBP直接识别启动子不同，TFIIIC将TBP定位在启动子上，TFIIIC、TFIIIB、RNA聚合酶Ⅲ依次结合在启动子上[9]。体内和体外的研究发现，TFIIIC只对TFIIIB的定位发挥作用，对于RNA聚合酶Ⅲ的转录过程并不是必须的，因此严格地说，TFIIIB才是第一个转录起始因子。同样，RNA聚合酶Ⅲ的延伸与终止过程也不是很清楚。但是最近酵母中RNA聚合酶Ⅲ转录本全基因组分析显示，RNA聚合酶Ⅲ在转录单元上的分布是不均匀的，在5′端和3′端处出现高峰，这说明RNA聚合酶Ⅲ的延伸过程出现暂停或者速率降低，5′端高峰的出现可能和RNA聚合酶Ⅲ与转录因子的分离有关。RNA聚合酶Ⅲ的转录终止信号来源于模板链末端的多聚腺嘌呤脱氧核糖核苷酸链，腺嘌呤与尿嘧啶之间的弱配对作用被认为是主要的减稳作用，促进转录本和RNA聚合酶Ⅲ的释放，终止转录。RNA聚合酶Ⅲ基因的高表达量与其有效的终止与再起始有着密切的关系。

2.3 RNA聚合酶转录过程的比较 三种RNA聚合酶的转录过程遵循相似的原则，但由于结构与功能的不同，又存在着差异。相同之处有： ①转录起始过程都需要经过转录因子识别基因启动子，以及转录因子再招募RNA聚合酶到DNA上两个步骤；②三种RNA聚合酶的转录起始都有多种转录因子的参与，并且某些转录因子间存在同源性。不同之处有： ①各自含有独特的转录因子，如Rrn3、TFIIIC，完成其特殊的转录起始过程；②延伸过程中，RNA聚合酶Ⅰ转录的基因上可同时结合多个聚合酶，而RNA聚合酶Ⅱ转录的基因上一般只有一个聚合酶。三种RNA聚合酶终止过程的原理都还不太清楚。RNA聚合酶的转录过程还有待进一步探索，尤其是RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ介导的转录过程。

3 结语

真核生物的转录机制与原核生物类似，但由于大量相关多肽的参与使前者变得更加复杂。转录过程直接影响着基因的表达水平、转录过程的调控与疾病(尤其是肿瘤的发生)，具有重要联系。因此，对RNA聚合酶介导的转录基本机制的研究有利于促进以转录过程为靶点的相关疾病的治疗研究。

(基金项目： 国家自然科学基金项目“BMP/Wnt信号内稳态破坏导致小鼠肺气肿的机制”，No.81570036；国家自然科学基金项目“成牙诱导潜能的分子构成及再生牙的制备”，No.81771034；福建省科技厅重点项目“心脏起搏细胞的体外诱导及其功能验证”，No.2015I0011；*通信作者)