嚴(yán)意華 林穎韜 胡雪峰，*

(1福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108； 2福建教育學(xué)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(duì)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(zhì)中[1]。它們分別參與不同類型基因的轉(zhuǎn)錄，對(duì)于基因的表達(dá)起著重要的作用。本文概述這三種真核RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)與功能。

1 RNA聚合酶的組成與結(jié)構(gòu)

早在20世紀(jì)末，人們就通過(guò)X射線衍射技術(shù)，認(rèn)識(shí)了細(xì)菌RNA聚合酶以及真核RNA聚合酶Ⅱ的基本結(jié)構(gòu)。近年，隨著冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，三種RNA聚合酶結(jié)構(gòu)的研究有了重大的進(jìn)展，十分有助于理解真核生物復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄機(jī)制。

1.1 RNA聚合酶的共有結(jié)構(gòu) 三種RNA聚合酶均由多個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成，為多組分復(fù)合物，可分為核心組分與外周組分。核心組分包含10個(gè)蛋白質(zhì)亞基，形成活性位點(diǎn)，其中5個(gè)組分與原核生物RNA聚合酶中的α2ββ′ω組分具有同源性。10個(gè)核心組分構(gòu)成了類似“蟹鉗”的結(jié)構(gòu)，中間的裂縫在轉(zhuǎn)錄時(shí)裝載DNA分子，“蟹鉗”可使裂縫開(kāi)放或關(guān)閉；另外還形成了兩個(gè)通道，用于底物核糖核苷酸的進(jìn)入以及RNA產(chǎn)物的輸出；活性位點(diǎn)中的高度保守區(qū)域(如叉環(huán)、橋螺旋和啟動(dòng)環(huán)等)使RNA聚合酶能夠維持轉(zhuǎn)錄泡結(jié)構(gòu)，促進(jìn)核苷酸的增添及隨著模板鏈移動(dòng)，穩(wěn)定DNA： RNA雜鏈等，從而保證轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行[1]。除了10個(gè)核心組分，三種RNA聚合酶分別含有兩個(gè)外周組分，構(gòu)成了聚合酶的柄。除此之外，RNA聚合酶Ⅰ還含有兩個(gè)外周組分A49/A34.5[2，3]，RNA聚合酶Ⅲ還含有五個(gè)外周組分，即C37/C53二聚體和C82/C34/C31三聚體[4]?？梢?jiàn)，RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ、RNA聚合酶Ⅲ分別由14、12、17個(gè)組分構(gòu)成。核心組分對(duì)轉(zhuǎn)錄的延伸具有重要意義，而外周組分則在轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的比較 RNA聚合酶Ⅱ完成轉(zhuǎn)錄的過(guò)程需要多種基本轉(zhuǎn)錄因子(包括TFIID、TFIIS、TFIIE以及TFIIF等)，這些基本轉(zhuǎn)錄因子具有與RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)組分與基本轉(zhuǎn)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(diǎn)。這說(shuō)明在進(jìn)化過(guò)程中，RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ逐漸將基本轉(zhuǎn)錄因子同化為RNA聚合酶本身的組分。

對(duì)于RNA聚合酶Ⅱ，TFIIF主要在轉(zhuǎn)錄的起始時(shí)發(fā)揮作用，而TFIIF在RNA聚合酶Ⅲ中的同源組分C37/C53與轉(zhuǎn)錄的起始和終止都有著密切聯(lián)系。C37通過(guò)連接RNA聚合酶Ⅲ組分C34與TFⅢB在轉(zhuǎn)錄起始時(shí)發(fā)揮作用，RNA聚合酶Ⅲ的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)來(lái)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(guò)直接與非模板鏈接觸，識(shí)別終止信號(hào)從而在轉(zhuǎn)錄終止時(shí)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(jié)構(gòu)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(jìn)開(kāi)放復(fù)合物形成的作用。與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ相比，RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄時(shí)多種轉(zhuǎn)錄因子的添加使轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程的調(diào)控更加精確，并減少RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄多種不同基因時(shí)的錯(cuò)誤率。

2 RNA聚合酶的功能

真核RNA聚合酶行使轉(zhuǎn)錄的功能，對(duì)于基因的表達(dá)具有重要的作用。三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的基因有所不同： RNA聚合酶Ⅰ專門轉(zhuǎn)錄rRNA；RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄mRNA以及一些小核RNA；RNA聚合酶Ⅲ則負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄5SrRNA、tRNA以及U6小核RNA等[1]。近20年，RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的起始與延伸過(guò)程的研究取得了較大進(jìn)展，而對(duì)RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ的轉(zhuǎn)錄過(guò)程則仍然知之甚少。

2.1 RNA聚合酶Ⅱ介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過(guò)程 RNA聚合酶介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過(guò)程包括前起始復(fù)合物的形成、起始、延伸和終止。與原核生物RNA聚合酶直接識(shí)別基因啟動(dòng)子起始轉(zhuǎn)錄不同，真核RNA聚合酶不能直接識(shí)別啟動(dòng)子，需要形成前起始復(fù)合物，并在一系列轉(zhuǎn)錄起始因子的幫助下才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄起始需要多種通用轉(zhuǎn)錄因子，包括TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH。TFIID由TATA結(jié)合蛋白(TBP)和幾種TATA結(jié)合蛋白結(jié)合因子(TAFⅡ)構(gòu)成，轉(zhuǎn)錄起始前，TBP識(shí)別并結(jié)合在啟動(dòng)子TATA框上，隨之TAFⅡ被招募。接下來(lái)，TFIIB結(jié)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(fù)合物。TFIIE和TFIIH逐漸被招募到核心前起始復(fù)合物上，構(gòu)成了完整的前起始復(fù)合物，“蟹鉗”中裝載著封閉的雙鏈DNA分子。當(dāng)核苷三磷酸進(jìn)入后，活性位點(diǎn)中的DNA分子解旋形成轉(zhuǎn)錄泡，形成開(kāi)放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，活性位點(diǎn)隨著DNA模板鏈移動(dòng)，調(diào)控RNA分子的合成。轉(zhuǎn)錄因子間通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上與RNA聚合酶Ⅱ相互交流的機(jī)制還不清楚，但是最近的一些研究對(duì)前起始復(fù)合物的3D結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)。TFIIH與啟動(dòng)子逃脫有著密切關(guān)系，TFIIH是一個(gè)大的、既有激酶活性又有螺旋酶活性的多組分蛋白質(zhì)復(fù)合體，TFIIH的活性導(dǎo)致RNA聚合酶Ⅱ的羧基末端結(jié)構(gòu)域(CTD)磷酸化，允許RNA聚合酶Ⅱ離開(kāi)啟動(dòng)子區(qū)域而進(jìn)入延伸階段。RNA聚合酶Ⅱ的延伸過(guò)程受到CTD的磷酸與去磷酸化的調(diào)控。對(duì)于RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制還不是很清楚。

2.2 RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過(guò)程 RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ與RNA聚合酶Ⅱ一樣，不能直接識(shí)別啟動(dòng)子，因此轉(zhuǎn)錄起始也需要多種轉(zhuǎn)錄因子的參與。TBP為三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物所共有，存在于RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄因子TFIIIB中，識(shí)別基因啟動(dòng)子；TFIIB與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中找到同源物。

RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)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(jié)合在啟動(dòng)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(zhuǎn)錄因子Rrn3先結(jié)合。Rrn3與RNA聚合酶Ⅰ對(duì)于起始轉(zhuǎn)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(gè)聚合酶的柄部分地伸入裂縫中，與DNA結(jié)合的裂縫很少開(kāi)放，為酸性環(huán)，封鎖了活性位點(diǎn)，阻止了DNA的進(jìn)入。最近的體外研究發(fā)現(xiàn)，Rrn3的結(jié)合可以使RNA聚合酶Ⅰ單聚化，使之具有結(jié)合DNA的能力。運(yùn)用熒光顯微鏡技術(shù)觀察活細(xì)胞體內(nèi)的情況可以看到，營(yíng)養(yǎng)的缺乏使得PolI-Rrn3復(fù)合物快速消除，RNA聚合酶Ⅰ重新二聚化，進(jìn)一步說(shuō)明RNA聚合酶的存在狀態(tài)與生理功能具有相關(guān)性[6，7]。RNA聚合酶Ⅰ的延伸和終止過(guò)程還不是很清楚，但可以確定的是延伸過(guò)程中與RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的基因上一般只有一個(gè)聚合酶不同，與RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄的基因上則可同時(shí)結(jié)合多個(gè)聚合酶，故轉(zhuǎn)錄的效率較高?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，RNA聚合酶Ⅰ的終止與成髓細(xì)胞瘤(Myb)家族有著密切聯(lián)系，Myb家族結(jié)合在DNA上的轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)使復(fù)合物停止延伸，其他的因子促進(jìn)RNA聚合酶Ⅰ釋放[8]。

RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄tRNA時(shí)，需要轉(zhuǎn)錄起始因子TFIIIB和TFIIIC。TFIIIB由TBP，TFIIB相關(guān)因子Brf1和Bdp1組成。與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ轉(zhuǎn)錄TBP直接識(shí)別啟動(dòng)子不同，TFIIIC將TBP定位在啟動(dòng)子上，TFIIIC、TFIIIB、RNA聚合酶Ⅲ依次結(jié)合在啟動(dòng)子上[9]。體內(nèi)和體外的研究發(fā)現(xiàn)，TFIIIC只對(duì)TFIIIB的定位發(fā)揮作用，對(duì)于RNA聚合酶Ⅲ的轉(zhuǎn)錄過(guò)程并不是必須的，因此嚴(yán)格地說(shuō)，TFIIIB才是第一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始因子。同樣，RNA聚合酶Ⅲ的延伸與終止過(guò)程也不是很清楚。但是最近酵母中RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄本全基因組分析顯示，RNA聚合酶Ⅲ在轉(zhuǎn)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(shuō)明RNA聚合酶Ⅲ的延伸過(guò)程出現(xiàn)暫停或者速率降低，5′端高峰的出現(xiàn)可能和RNA聚合酶Ⅲ與轉(zhuǎn)錄因子的分離有關(guān)。RNA聚合酶Ⅲ的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)來(lái)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(duì)作用被認(rèn)為是主要的減穩(wěn)作用，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄本和RNA聚合酶Ⅲ的釋放，終止轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶Ⅲ基因的高表達(dá)量與其有效的終止與再起始有著密切的關(guān)系。

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

3 結(jié)語(yǔ)

真核生物的轉(zhuǎn)錄機(jī)制與原核生物類似，但由于大量相關(guān)多肽的參與使前者變得更加復(fù)雜。轉(zhuǎn)錄過(guò)程直接影響著基因的表達(dá)水平、轉(zhuǎn)錄過(guò)程的調(diào)控與疾病(尤其是腫瘤的發(fā)生)，具有重要聯(lián)系。因此，對(duì)RNA聚合酶介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄基本機(jī)制的研究有利于促進(jìn)以轉(zhuǎn)錄過(guò)程為靶點(diǎn)的相關(guān)疾病的治療研究。

(基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“BMP/Wnt信號(hào)內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞導(dǎo)致小鼠肺氣腫的機(jī)制”，No.81570036；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“成牙誘導(dǎo)潛能的分子構(gòu)成及再生牙的制備”，No.81771034；福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目“心臟起搏細(xì)胞的體外誘導(dǎo)及其功能驗(yàn)證”，No.2015I0011；*通信作者)