RNA聚合酶是于1960年分别由山姆·怀斯及霍维兹（S.Weiss,J.Hurwitz）同时发现。但在此之前，于1959年，诺贝尔奖颁发给了塞韦罗·奥乔亚，因为他的发现当时认为是RNA聚合酶，但其实是核糖核酸酶。1961年Audrey Sterens在各种真核细胞中发现了RNA聚合酶。 

    RNA聚合酶（RNA polymerase）：以一条DNA链或RNA为模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶。

    催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶。

    一.原核生物RNA聚合酶

    1.大肠杆菌RNA聚合酶

    大肠杆菌的 RNA聚合酶有五个亚基组成，其分子量为480000，含有α，β，β’，σ等4种不同的多肽，其中α为两个分子，所以全酶（holoenzyme）的组成是α2ββ’σ。其活性形式（全酶）为15S，由5种不同的多肽链构成，按分子量大小排列分别为β'(155000），β（151000），σ(70000），α（36500）和ω（11000）。每分子RNA聚合酶除有两个α亚基外，其余亚基均只有一个，故全酶为β'βα2σω（450000）

    α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心（α2ββ’）的形成有关；β亚基含有核苷三磷酸的结合位点；β’亚基含有与DNA模板的结合位点。

    α亚基的功能现尚未知。然而，当噬菌体T4感染E.coli时，其α亚基即在精氨酸上被ADP-核糖化。这种修饰作用，使该RNA聚合酶全酶对其原先识别的启动子的亲和力减弱。所以有人认为，α亚基的功能可能是识别某些相应的启动子。

    σ亚基和其他肽链的结合不很牢固。当σ亚基脱离全酶后，剩下的β'βα2ω称为核心酶。σ（Sigma）因子只与RNA转录的起始有关，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，σ因子就被释放，而链的延伸则由四聚体核心酶（core enzyme）催化。σ因子的作用就是识别转录的起始位置，并使RNA聚合酶结合在启动子部位。

    核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酯键的形成，不论有无σ存在。

    如果全酶为球状，则可计算其直径约为100A，即约为双链DNA的30bp的长度。然而全酶可结合约60个核苷酸，提示其形状应为椭圆球形。

    利福平（rifampicin）和利福霉素（rifamycin）能结合在β亚基上，而对此酶发生强烈的抑制作用。它抑制RNA合成的起始而不抑制其延长。

    β亚基的基因rpoB的突变可使细菌对利福平有抗性。

    而另一种抗生素链霉溶菌素（streptolydigin）能抑制RNA链的延长，rpoB的突变却可使细胞对链霉溶菌素亦发生抗性。总的看来β亚基似乎是酶和核苷酸底物结合的部位。

    肝素能与DNA竞争与RNA聚合酶相结合。肝素是一种多价阴子，能和β'亚基结合，从而在体外抑制转录作用。可见β'亚基的碱性较强，适于与模板DNA相结合。

    β：有着聚合酶的活动，负责催化RNA的合成。

    β'：与DNA结合

    ω：还未清楚它的功能。但是它在耻垢分枝杆菌中似乎是提供保护功能予β'亚基。

    2.病毒RNA聚合酶

    某些噬菌体特有的RNA聚合酶则要小得多，仅由一条多肽链组成。

    然而这种酶只能识别噬菌体本身所有的少数几个启动子；它们不能识别其他启动子。例如噬菌体T3和T7的RNA聚合酶分子很相似，二者都不过是一条多肽链，分子量约11000 RNA聚合酶。它们能很快合成RNA。其速率在37℃时可达约200核苷酸/秒。

    T7噬菌体在转录的时序调控中不是采用σ因子的级联取代，也不是像T4噬菌体那样对核心酶进行修饰，而是根据自动的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行时序转录的调控。

    在感染后的前6分钟，T7噬菌体的RNAPol尚未表达，因此仍使用了宿主E.coli的RNA聚合酶，转录的基因主要有10个（0.3,0.4,0.5,0.6,0.65,0.7,1,1.1,1.2,1.3），其0.3基因编码宿主限制酶的抑制蛋白，使T7进入宿主免遭降解；0.7基因编码一种蛋白激酶，能将E.coli的RNA聚合酶磷酸化，为抑制宿主RNAPol作准备；基因1编码T7RNAPol聚合酶，分子量为98KDa，是一条单链肽，它所识别的启动子是由23bp组成的保守顺序（-17～16）。

晚期转录分为二组（Ⅱ和Ⅲ）。感染后6～12分钟后T7就利用自己的RNA聚合酶转录第Ⅱ组转录物。这一组约含（1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,2,2.5,2.8,3,3.5,3.8,4,5,5.7,6），其中对转录调控有关系的是基因2，其产物是E.coli聚合酶抑制剂。宿主的RNA聚合酶先受到基因0.7产物的磷酸化，再经抑制完全失去了作用，此时T7已不再需要I组的转录物了，因此废除了宿主RNA聚合酶的功能，而将自己编码的RNA聚合酶取而代之。

甲型流感Ｈ１Ｎ１亚型病毒的核糖核酸聚合酶由３个亚单位组成，其中任何一个亚单位缺失，在流感病毒复制过程中发挥核心作用的核糖核酸聚合酶就无法工作

    3.原核转录因子 

    相比之下，原核宿主细胞的RNA聚合酶能转录细胞内的许多转录单位(>1000个）中的任意一个。这些转录单位中有一些可由RNA聚合酶直接转录，不需要其他因子的帮助。但大多数这些转录单位仅在更多的蛋白质因子存在下才能被该RNA聚合酶所转录。

    在大肠杆菌中，已确认超过100个因子可以修饰RNA聚合酶的活动。有部份蛋白质可以与RNA聚合酶结合，并修饰其活动。例如大肠杆菌的greA及greB可以促进RNA聚合酶劈开接近链末端RNA模板的能力。这可以夺回陷入了的聚合酶分子，并且可以校对RNA聚合酶偶然的错误。另一种辅助因子Mfd涉及在转录合并修复中，而其他辅助因子则都是负责调节作用，即帮助RNA聚合酶选择是否表现某些基因。

    所以，可以想像宿主细胞所以要求这样高和复杂，至少部分反映了它需要和许多其他因子相互作用，而不是其催化活性的固有的要求。

    二.真核生物的RNA聚合酶

    真核生物的RNA聚合酶分三类。RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁中，转录rRNA顺序。RNA聚合酶Ⅱ存在于核质中，转录大多数基因，需要“TATA”框。RNA聚合酶Ⅲ存在于核质中，转录很少几种基因，如tRNA基因，如5SrRNA基因。有些重复顺序如Alu顺序可能也由这种酶转录。上面提到的“TATA”框又称Goldberg –Hogness顺序，是RNA聚合酶Ⅱ的接触点，是这种酶的转录单位所特有的。它在真核生物的转录基因的5’端一侧，在转录起点上游20至30个核苷酸之间有一段富含AT的顺序。如以转录起始点为0，则在-33到-27个核苷酸（或-27至-21核苷酸）之间，有一个“TATA”框。一般是7个核苷酸。原核生物中也类似“TATA”框的结构。RNA聚合酶作用在“TATAAT”（Pribnow）盒和“TTGA－CA”框附近。

    启动环（triggerloop，TL）结构是真核生物和原核生物RNA聚合酶中的一个高度保守区域，但它在转录过程的确切功能目前还不甚了解。美国斯坦福大学的Kaplan等人的最新研究发现，TL在底物选择过程中发挥重要功能，是真菌毒素α鹅膏覃碱（α-amanitin）的直接作用位点。

    TL结构直接与新合成RNA的3'端和NTP相互作用，其中一个保守的组氨酸残基直接与NTP底物相结合。α鹅膏覃碱能够抑制RNA聚合酶Ⅱ的延伸速率，降低其底物选择性，但His1085被替代后的RNA聚合酶Ⅱ对α鹅膏覃碱则具有较高的抗性。

    转录模板上有被RNA聚合酶辨认和结合的位点。在转录起始之前被RNA聚合酶结合的DNA部位称为启动子。典型的原核生物启动子序列是-35区的TTGACA序列和-10区的Pribnow盒即TATAAT序列。真核生物的转录上游调控序列统称为顺式作用元件，主要有TATA盒、、CG盒、上游活化序列（酵母细胞）、增强子等等。和顺式作用元件结合的蛋白质都有调控转录的作用，统称为反式作用因子。反式作用因子已发现数百种，能够归类的称为转录因子（TF），相应于RNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ的是TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ。TFⅡ又有A、B、C、D、E、F多种及其亚类。

    真核生物起始，生成起始前复合物（PIC）。例如RNA-pol-Ⅱ转录，是由各种TFⅡ相互辨认结合，再与RNA聚合酶结合，并通过TF结合到TATA盒上.

    所有真核RNA聚合酶都是大分子蛋白质，分子量可达500KDa或更多。它们典型的有8-14个亚基。提纯的酶能依赖模板从事转录RNA，却不能在启动子上选择起始，还没有一个真核的RNA聚合酶由提纯的亚基进行重建过，这就产生一个问题，所有的亚基是否都是重要的成份。只有在啤酒酵母中鉴定出10-11亚基是转录所必要的。

    真核RNA pol Ⅱ的一般构成，最典型是啤酒酵母，RNA pol Ⅱ有三个大亚基和细菌的RNA聚合酶同源的，他们构成了基本的催化装置，具有特殊反应的能力。两个大亚基带有催化位点。

    余下的亚基有3种是所有真核RNA pol所共有的。大部分亚基是以单拷贝存在的，但有3种亚基有2个拷贝。

    RNA pol Ⅱ的大亚基有一个羧基末端功能区（carboxy-terminal domain CTD），它含有一个多次重复的一致序列Tyr-Ser-Pro-Ser-Pro-Ser，这个序列是RNA pol独有的。在酵母中有26个重复，在哺乳动物中有～50个重复。此重复数是重要的，因为如果切去其一半以上就会致死。此CTD在Ser或Thr残基上可高度磷酸化，这个酶带有非磷酸化亚基叫做RNA pol Ⅱa，而带磷酸化亚基叫做RNA pol Ⅱo，CTD涉及起始反应较少。

    目前研究较成熟的，是酵母RNA聚合酶II,其分子质量为500kD,由12个亚单位(Rpb1～12)组成,分别由RPB1～RPB12基因所编码,这12个亚单位在真核细胞中高度保守。它能分解成为一个由10个亚单位组成的酶核心和一个由Rpb4和Rpb7组成的二聚体。近来,科学家已获得了这12个亚单位的三维晶体结构。

    事实上,人类RNA聚合酶II中的6个亚单位在功能上相当于酵母中的类似结构。RNA聚合酶II中,2个最大的亚单位Rpb1(～200kD)和Rpb2(～150kD)是高度保守的亚单位。而且,Rpb1和Rpb2分别与细菌RNA聚合酶的β′和β亚单位有类似之处。Rpb1,Rpb2和细菌的β′,β亚单位在一个保守的区域有相似的序列,在Rpb1指定为A到H,在Rpb2指定为A到I。在所有已研究的真核生物中,其RNA聚合酶II的2个最大亚基均表现为这种结构相似。

    Rpb1/β′和Rpb2/β的结构相似导致其功能相似。Rpb1和β′亚基参与DNA的结合,而Rpb2和β亚基则用于与核苷底物的结合。Rpb3与细菌RNA聚合酶α亚单位有关。

    RNA聚合酶II中没有哪一个亚单位表现出与细菌RNA聚合酶的σ亚单位相似,但已证实σ亚单位与某些通用转录因子(GTFs)在结构和功能上相似。

    Rpb1,Rpb2,Rpb3和Rpb11与RNA聚合酶I和III的亚单位同源。Rpb5, Rpb6, Rpb8, Rpb10和Rpb12是三种RNA聚合酶共有的。仅Rpb4,Rpb7和Rpb9为RNA聚合酶II所特有。

    因此,3种RNA聚合酶均由共有的和特有的亚单位装配而成。

    编码酵母RNA聚合酶II的10个亚单位的基因是必不可少的,它们对细胞的生存能力有影响,仅仅RPB4和RPB9是非必需的,而任何基因的删除将导致在生长过程中的条件性显型。

    真核生物mRNA的合成由RNA聚合酶II来承担。在转录过程中,RNA聚合酶II需要与各种不同的因子(存在时间短暂)协同作用,其中包括基本转录因子(如TFIIB,IID,IIE,IIF,和IIH等)、延长因子和一些多蛋白因子(对转录终止等起作用)。因此,对转录过程机制的认识，还需要RNA聚合酶II及其转录因子共同的结构信息。

    但由于RNA聚合酶II复合物分子较大，及其存在时间短暂的特征,导致对其结构的分析研究有很大困难。2000年已获得RNA聚合酶II和RNA聚合酶II结合一个转录因子的晶体模型。这为后来深入研究转录的分子机制奠定了基础。

    三.真核细胞器的RNA聚合酶 

    激活线粒体和叶绿体转录的RNA pol是较小的，更类似于细菌的RNA pol。当然细胞器的基因很小，RNA pol只要转录少数几个基因，转录控制也好像很简单。因此这些酶和噬菌体酶相似，具有单一固定的功能，而无需具有对更为复杂的环境反应的能力。