真核生物RNA聚合酶的結構和功能概述

嚴意華 林穎韜 胡雪峰，*

(1福建師范大學生命科學學院 福州 350108； 2福建教育學院 福州 350021)

真核生物中具有三種RNA聚合酶，即RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。這三種RNA聚合酶在色譜層析柱上被洗脫的鹽濃度或者對α-鵝膏堿的敏感度互不相同。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ存在于核質中[1]。它們分別參與不同類型基因的轉錄，對于基因的表達起著重要的作用。本文概述這三種真核RNA聚合酶的結構與功能。

1 RNA聚合酶的組成與結構

早在20世紀末，人們就通過X射線衍射技術，認識了細菌RNA聚合酶以及真核RNA聚合酶Ⅱ的基本結構。近年，隨著冷凍電鏡技術的發(fā)展，三種RNA聚合酶結構的研究有了重大的進展，十分有助于理解真核生物復雜的轉錄機制。

1.1 RNA聚合酶的共有結構 三種RNA聚合酶均由多個蛋白質亞基組成，為多組分復合物，可分為核心組分與外周組分。核心組分包含10個蛋白質亞基，形成活性位點，其中5個組分與原核生物RNA聚合酶中的α2ββ′ω組分具有同源性。10個核心組分構成了類似“蟹鉗”的結構，中間的裂縫在轉錄時裝載DNA分子，“蟹鉗”可使裂縫開放或關閉；另外還形成了兩個通道，用于底物核糖核苷酸的進入以及RNA產(chǎn)物的輸出；活性位點中的高度保守區(qū)域(如叉環(huán)、橋螺旋和啟動環(huán)等)使RNA聚合酶能夠維持轉錄泡結構，促進核苷酸的增添及隨著模板鏈移動，穩(wěn)定DNA： RNA雜鏈等，從而保證轉錄的進行[1]。除了10個核心組分，三種RNA聚合酶分別含有兩個外周組分，構成了聚合酶的柄。除此之外，RNA聚合酶Ⅰ還含有兩個外周組分A49/A34.5[2，3]，RNA聚合酶Ⅲ還含有五個外周組分，即C37/C53二聚體和C82/C34/C31三聚體[4]?？梢?，RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ、RNA聚合酶Ⅲ分別由14、12、17個組分構成。核心組分對轉錄的延伸具有重要意義，而外周組分則在轉錄起始和終止以及RNA的剪切中發(fā)揮重要的作用。

1.2 RNA聚合酶的組成和結構的比較 RNA聚合酶Ⅱ完成轉錄的過程需要多種基本轉錄因子(包括TFIID、TFIIS、TFIIE以及TFIIF等)，這些基本轉錄因子具有與RNA聚合酶Ⅱ啟動子結合并啟動轉錄的作用。比較三種RNA聚合酶可以發(fā)現(xiàn)，聚合酶Ⅰ和Ⅲ中某些結構組分與基本轉錄因子之間(包括： ①RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ中的二聚體A49/A34.5、C37/C53與TFIIF；②RNA聚合酶Ⅲ中的三聚體C82/C34/C31與TFIIE；③RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ核心組分中的A12.2和C11的N端與TFIIS)存在基因序列相似以及在RNA聚合酶上的位置相同的現(xiàn)象，即具有同源性的特點。這說明在進化過程中，RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ逐漸將基本轉錄因子同化為RNA聚合酶本身的組分。

對于RNA聚合酶Ⅱ，TFIIF主要在轉錄的起始時發(fā)揮作用，而TFIIF在RNA聚合酶Ⅲ中的同源組分C37/C53與轉錄的起始和終止都有著密切聯(lián)系。C37通過連接RNA聚合酶Ⅲ組分C34與TFⅢB在轉錄起始時發(fā)揮作用，RNA聚合酶Ⅲ的轉錄終止信號來源于非模板鏈末端的多聚胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸鏈，C37組分可能通過直接與非模板鏈接觸，識別終止信號從而在轉錄終止時發(fā)揮作用[5]。C37在RNA聚合酶Ⅰ的同源組分A49，除了與TFIIF具有同源性，部分結構域還與TFIIE同源，具有穩(wěn)定上游DNA的功能。RNA聚合酶Ⅲ與TFIIE同源的組分C82/C34/C31則具有消化DNA雙鏈、促進開放復合物形成的作用。與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ相比，RNA聚合酶Ⅱ轉錄時多種轉錄因子的添加使轉錄起始過程的調控更加精確，并減少RNA聚合酶Ⅱ轉錄多種不同基因時的錯誤率。

2 RNA聚合酶的功能

真核RNA聚合酶行使轉錄的功能，對于基因的表達具有重要的作用。三種RNA聚合酶轉錄的基因有所不同： RNA聚合酶Ⅰ專門轉錄rRNA；RNA聚合酶Ⅱ轉錄mRNA以及一些小核RNA；RNA聚合酶Ⅲ則負責轉錄5SrRNA、tRNA以及U6小核RNA等[1]。近20年，RNA聚合酶Ⅱ轉錄的起始與延伸過程的研究取得了較大進展，而對RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ的轉錄過程則仍然知之甚少。

2.1 RNA聚合酶Ⅱ介導的轉錄過程 RNA聚合酶介導的轉錄過程包括前起始復合物的形成、起始、延伸和終止。與原核生物RNA聚合酶直接識別基因啟動子起始轉錄不同，真核RNA聚合酶不能直接識別啟動子，需要形成前起始復合物，并在一系列轉錄起始因子的幫助下才能啟動轉錄。

RNA聚合酶Ⅱ的轉錄起始需要多種通用轉錄因子，包括TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH。TFIID由TATA結合蛋白(TBP)和幾種TATA結合蛋白結合因子(TAFⅡ)構成，轉錄起始前，TBP識別并結合在啟動子TATA框上，隨之TAFⅡ被招募。接下來，TFIIB結合在TFIID上，TFIIB在TFIID和RNA聚合酶Ⅱ間起著橋梁作用，招募RNA聚合酶Ⅱ和TFIIF到DNA上，形成了核心前起始復合物。TFIIE和TFIIH逐漸被招募到核心前起始復合物上，構成了完整的前起始復合物，“蟹鉗”中裝載著封閉的雙鏈DNA分子。當核苷三磷酸進入后，活性位點中的DNA分子解旋形成轉錄泡，形成開放的轉錄起始復合物，活性位點隨著DNA模板鏈移動，調控RNA分子的合成。轉錄因子間通過特定的結構相互交流，使之在特定的位置發(fā)揮功能。雖然這些因子在結構上與RNA聚合酶Ⅱ相互交流的機制還不清楚，但是最近的一些研究對前起始復合物的3D結構有了新的認識。TFIIH與啟動子逃脫有著密切關系，TFIIH是一個大的、既有激酶活性又有螺旋酶活性的多組分蛋白質復合體，TFIIH的活性導致RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端結構域(CTD)磷酸化，允許RNA聚合酶Ⅱ離開啟動子區(qū)域而進入延伸階段。RNA聚合酶Ⅱ的延伸過程受到CTD的磷酸與去磷酸化的調控。對于RNA聚合酶Ⅱ的轉錄終止機制還不是很清楚。

2.2 RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ介導的轉錄過程 RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ與RNA聚合酶Ⅱ一樣，不能直接識別啟動子，因此轉錄起始也需要多種轉錄因子的參與。TBP為三種RNA聚合酶轉錄起始復合物所共有，存在于RNA聚合酶Ⅲ轉錄因子TFIIIB中，識別基因啟動子；TFIIB與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的轉錄因子也具有同源性，分別是為Rrn7和TFIIIB中的Brf1，在TBP與RNA聚合酶間起著橋梁作用，招募RNA聚合酶；除此之外，如上面提到的TFIIF和TFIIE也可以分別在RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的結構中找到同源物。

RNA聚合酶Ⅰ轉錄起始因子包括上游激活因子(UAF、TBP以及三聚核心因子(CF)。CF為三聚體，由TFIIB相似因子Rrn7、Rrn6以及Rrn11組成。上游激活因子(UAF)、TBP和CF依次結合在啟動子上，招募RNA聚合酶Ⅰ。RNA聚合酶Ⅰ在被招募之前，與RNA聚合酶Ⅰ特有的轉錄因子Rrn3先結合。Rrn3與RNA聚合酶Ⅰ對于起始轉錄具有重要的意義。研究表明，酵母RNA聚合酶Ⅰ以二聚體的形式存在，其中一個聚合酶的柄部分地伸入裂縫中，與DNA結合的裂縫很少開放，為酸性環(huán)，封鎖了活性位點，阻止了DNA的進入。最近的體外研究發(fā)現(xiàn)，Rrn3的結合可以使RNA聚合酶Ⅰ單聚化，使之具有結合DNA的能力。運用熒光顯微鏡技術觀察活細胞體內的情況可以看到，營養(yǎng)的缺乏使得PolI-Rrn3復合物快速消除，RNA聚合酶Ⅰ重新二聚化，進一步說明RNA聚合酶的存在狀態(tài)與生理功能具有相關性[6，7]。RNA聚合酶Ⅰ的延伸和終止過程還不是很清楚，但可以確定的是延伸過程中與RNA聚合酶Ⅱ轉錄的基因上一般只有一個聚合酶不同，與RNA聚合酶I轉錄的基因上則可同時結合多個聚合酶，故轉錄的效率較高?，F(xiàn)在普遍認為，RNA聚合酶Ⅰ的終止與成髓細胞瘤(Myb)家族有著密切聯(lián)系，Myb家族結合在DNA上的轉錄終止位點使復合物停止延伸，其他的因子促進RNA聚合酶Ⅰ釋放[8]。

RNA聚合酶Ⅲ轉錄tRNA時，需要轉錄起始因子TFIIIB和TFIIIC。TFIIIB由TBP，TFIIB相關因子Brf1和Bdp1組成。與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ轉錄TBP直接識別啟動子不同，TFIIIC將TBP定位在啟動子上，TFIIIC、TFIIIB、RNA聚合酶Ⅲ依次結合在啟動子上[9]。體內和體外的研究發(fā)現(xiàn)，TFIIIC只對TFIIIB的定位發(fā)揮作用，對于RNA聚合酶Ⅲ的轉錄過程并不是必須的，因此嚴格地說，TFIIIB才是第一個轉錄起始因子。同樣，RNA聚合酶Ⅲ的延伸與終止過程也不是很清楚。但是最近酵母中RNA聚合酶Ⅲ轉錄本全基因組分析顯示，RNA聚合酶Ⅲ在轉錄單元上的分布是不均勻的，在5′端和3′端處出現(xiàn)高峰，這說明RNA聚合酶Ⅲ的延伸過程出現(xiàn)暫?；蛘咚俾式档停?′端高峰的出現(xiàn)可能和RNA聚合酶Ⅲ與轉錄因子的分離有關。RNA聚合酶Ⅲ的轉錄終止信號來源于模板鏈末端的多聚腺嘌呤脫氧核糖核苷酸鏈，腺嘌呤與尿嘧啶之間的弱配對作用被認為是主要的減穩(wěn)作用，促進轉錄本和RNA聚合酶Ⅲ的釋放，終止轉錄。RNA聚合酶Ⅲ基因的高表達量與其有效的終止與再起始有著密切的關系。

2.3 RNA聚合酶轉錄過程的比較 三種RNA聚合酶的轉錄過程遵循相似的原則，但由于結構與功能的不同，又存在著差異。相同之處有： ①轉錄起始過程都需要經(jīng)過轉錄因子識別基因啟動子，以及轉錄因子再招募RNA聚合酶到DNA上兩個步驟；②三種RNA聚合酶的轉錄起始都有多種轉錄因子的參與，并且某些轉錄因子間存在同源性。不同之處有： ①各自含有獨特的轉錄因子，如Rrn3、TFIIIC，完成其特殊的轉錄起始過程；②延伸過程中，RNA聚合酶Ⅰ轉錄的基因上可同時結合多個聚合酶，而RNA聚合酶Ⅱ轉錄的基因上一般只有一個聚合酶。三種RNA聚合酶終止過程的原理都還不太清楚。RNA聚合酶的轉錄過程還有待進一步探索，尤其是RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ介導的轉錄過程。

3 結語

真核生物的轉錄機制與原核生物類似，但由于大量相關多肽的參與使前者變得更加復雜。轉錄過程直接影響著基因的表達水平、轉錄過程的調控與疾病(尤其是腫瘤的發(fā)生)，具有重要聯(lián)系。因此，對RNA聚合酶介導的轉錄基本機制的研究有利于促進以轉錄過程為靶點的相關疾病的治療研究。

(基金項目： 國家自然科學基金項目“BMP/Wnt信號內穩(wěn)態(tài)破壞導致小鼠肺氣腫的機制”，No.81570036；國家自然科學基金項目“成牙誘導潛能的分子構成及再生牙的制備”，No.81771034；福建省科技廳重點項目“心臟起搏細胞的體外誘導及其功能驗證”，No.2015I0011；*通信作者)