RNA 중합효소

1. 개요

RNA 중합효소는 DNA를 주형으로 하여 RNA를 합성하는 효소로, 1960년에 발견되었다. 원핵생물, 진핵생물, 고균, 바이러스 등 다양한 생물에서 발견되며, 각기 다른 구조를 갖지만 기본적인 기능은 유사하다. RNA 중합효소는 여러 개의 서브유닛으로 구성된 복합 효소이며, 전사 과정을 돕는 보조 인자를 포함한다. 진핵생물의 RNA 중합효소는 RNA 중합효소 I, II, III, IV, V의 5가지 종류가 있으며, 각기 다른 종류의 RNA를 합성한다. RNA 중합효소는 유전자 전사를 조절하며, 전사 개시, 신장, 종결의 과정을 거쳐 mRNA, tRNA, rRNA, microRNA, 리보자임 등 다양한 RNA를 생성한다.

2. 역사

오드리 스티븐스 니요기(Audrey Stevens Niyogi), 찰스 로(Charles Loe^영어), 제라드 허위츠(Jerard Hurwitz)가 1960년 대장균 추출물에서 RNA 중합효소 활성을 독립적으로 발견하였다. 비슷한 시기(1959년)에 세베로 오초아가 RNA 중합효소 발견으로 노벨 생리학·의학상을 수상하였으나, 이후 그가 발견한 효소는 폴리뉴클레오타이드 가인산분해효소(polynucleotide phosphorylase^영어)로 밝혀졌다.

로저 콘버그(Roger D. Kornberg^영어)가 진핵생물 전사 과정 중 RNA 중합효소의 형태를 밝힌 공로로 2006년 노벨화학상을 수상하였다.

3. 구조

RNA 중합효소는 여러 개의 서브유닛으로 구성된 복합 효소이다. 1960년 찰스 로, 오드리 스티븐스, 제라드 허위츠가 대장균 추출물에서 RNA 중합효소 활성을 발견했다. RNA 중합효소는 특히 전사 과정을 돕는 아연 및 마그네슘 양이온과 같은 금속 보조 인자를 포함한다.

로저 콘버그는 진핵생물 전사 과정 중 RNA 중합효소의 형태를 밝힌 공로로 2006년 노벨화학상을 수상했다. 콘버그는 전사 과정의 다양한 단계에서 RNA 중합효소의 상세한 분자 이미지를 생성했다.

RNA 중합효소(RNAP)의 교정 메커니즘은 DNA 중합효소와 달리 최근에야 연구가 시작되었다. 교정은 잘못 삽입된 뉴클레오티드를 DNA 주형으로부터 분리하는 것으로 시작되며, 전사를 일시적으로 중단시킨다. 그 다음 중합효소는 한 자리 뒤로 이동하여 잘못 짝지어진 뉴클레오티드를 포함하는 다이뉴클레오티드를 절단한다. RNA 중합효소에서는 중합에 사용되는 동일한 활성 부위에서 교정이 일어나므로, 별개의 뉴클레아제 활성 부위에서 교정이 일어나는 DNA 중합효소와는 다르다. 전반적인 오류율은 대략 10⁻⁴에서 10⁻⁶ 사이이다.

--
--
:상동 서브유닛은 동일한 색상으로 표시됨:
::
::
::
::
::

세균에서 RNA 전사의 종결은 로(rho) 의존적 또는 로(rho) 비의존적일 수 있다. 로 의존적 종결은 DNA-RNA 이중 나선을 불안정하게 하고 RNA 방출을 유발하는 로 인자에 의존한다. 로 비의존적 종결은 내재적 종결이라고도 하며, DNA의 회문 영역에 의존한다. 이 영역을 전사하면 RNA 전사 루핑과 자체 결합으로 인해 "헤어핀" 구조가 형성된다. 이 헤어핀 구조는 종종 G-C 염기쌍이 풍부하여 DNA-RNA 하이브리드 자체보다 더 안정하다. 결과적으로 전사 복합체 내의 8 bp DNA-RNA 하이브리드는 4 bp 하이브리드로 이동한다. 이 마지막 4개의 염기쌍은 약한 A-U 염기쌍이며, 전체 RNA 전사체는 DNA에서 떨어져 나간다.

진핵생물에서의 전사 종결은 세균보다 덜 알려져 있지만, 새로운 전사체의 절단과 그 후 템플릿에 의존하지 않는 아데닌의 새로운 3' 말단 부가 과정인 폴리아데닐화를 포함한다.

원핵생물, 진핵생물, 고균, 바이러스의 RNA 중합효소는 각각 다른 구조를 가지지만, 기본적인 기능 단위는 유사하다. 특히 진핵생물의 RNA 중합효소는 세균의 RNA 중합효소와 구조적으로 유사하며, 여러 추가적인 서브유닛을 가진다.

3.1. 원핵생물 (세균) RNA 중합효소

세균의 RNA 중합효소는 mRNA와 비번역 RNA(ncRNA)를 모두 합성한다. 중심 효소(core enzyme^영어)는 5개의 소단위(β', β, α^I, α^II, ω)로 구성된다. 각 소단위의 역할은 다음과 같다.

* β' 소단위: 가장 큰 소단위로 RNA를 합성하는 부분이다. DNA와 초기 RNA가 결합하기 위한 서열과 무관한 상호작용의 결정 요인이 이 소단위에 있다.
* β 소단위: 두 번째로 큰 소단위로 RNA를 합성하는 효소 활성 자리의 나머지 부분과 서열에 비특이적인 상호작용을 결정하는 요인이 있다.
* α^I 와 α^II 소단위: 세 번째로 큰 소단위이며 RNA 중합효소에 두 개가 존재한다. 각 α 소단위는 N 말단과 C 말단 두 개의 도메인을 포함한다. N 말단 도메인은 RNA 중합효소를 조립하는 결정 요인을 가지고 있다. C 말단 도메인은 프로모터와는 서열에 비특이적인 상호작용을 하고, 5' 방향에 있는 요소(upstream element^영어)를 포함하는 프로모터와는 서열 특이적인 상호작용을 한다. 또한 조절인자와 상호작용한다.
* ω 소단위: 가장 작은 소단위로 RNA 중합효소를 조립하고 안정화한다.

전사 개시를 위해서는 중심 효소에 시그마 인자(σ)가 결합하여 전효소(holoenzyme^영어)를 형성해야 한다. 시그마 인자는 RNA 중합효소가 비특이적인 DNA와 결합하는 활성을 낮추고 프로모터에 특이적으로 결합하는 활성을 높여 전사가 적절한 자리에서 시작되도록 돕는다. 대장균(E. coli)에서 σ⁷⁰은 정상적인 조건에서 발현되어 하우스키핑 유전자의 프로모터를 인식하며, σ³²는 고온에서 필요한 유전자("열 충격 유전자")에 대한 프로모터를 인식한다.

DNA에 결합한 후 RNA 중합효소는 닫힌 복합체에서 열린 복합체로 전환된다. 이러한 변화에는 DNA 가닥이 분리되어 약 13 bp의 풀린 DNA 구역, 즉 "전사 버블"이 형성된다. 초나선은 DNA의 풀림 및 재결합 때문에 중합효소 활성에 중요한 역할을 한다. RNAP 앞쪽의 DNA 영역은 풀려 있으므로 상쇄적인 양성 초나선이 존재한다. RNAP 뒤쪽 영역은 다시 결합되고 음성 초나선이 존재한다.

대장균의 RNA 중합효소 코어는 게의 집게발과 같은 구조를 하고 있다.

3.1.1. σ (시그마) 인자

세균에서 작용하는 RNA 중합효소는 전사를 시작할 때 σ(시그마) 인자가 필요하다. σ 인자는 프로모터 -35 및 -10 요소(element^영어, promoter)를 포함하는 중심 프로모터 영역을 인식하는 것을 돕는다.

σ 인자에는 여러 종류가 있으며 서로 교환 가능하고, 서로 다른 프로모터를 인지한다. 대장균(E. coli)의 σ⁷⁰은 정상적인 상태에서 발현되어 항존유전자(housekeeping gene^영어)의 프로모터를 인지한다. σ⁷⁰은 열충격단백질(heat-shock protein^영어, HSP) 유전자의 프로모터를 인지한다.

모든 원핵생물은 성장 기능에 관한 유전자(일반적인 증식에 필요한 유전자)를 전사하는 주요 σ 인자 (primary σ factor, σ^A)를 갖는다. 예를 들어 대장균에서는 σ⁷⁰이고, 고초균에서는 σ⁴³이다. 각각 70 kD와 43 kD로, 오른쪽 위의 숫자는 분자량에서 유래한다. 그 외에도 열 충격 유전자나 포자 형성 유전자 등도 특수한 σ 인자가 담당한다.

σ 인자의 종류가 많은 것은 환경 조건에 따라 적절한 유전자군을 발현하기 위한 것이며, 이 구별은 특히 고초균을 이용한 연구를 통해 밝혀졌다. 평소에는 σ⁴³이 전사 조절을 담당하지만, 영양 상태가 나빠진 경우 등에는 다른 σ 인자(σ^H 등)가 발현되어 포자 형성 준비를 시작한다. 그 후 모세포에서는 E, K로 변화하고, 포자에서는 F, G가 사용된다.

모든 진정세균에서의 σ인자의 아미노산 서열은 영역 1부터 4로 분류할 수 있다. 허먼(Helmann)과 챔벌린(Chamberlin)은 각 영역의 기능을 다음과 같이 제창했다.

* 영역 1은 주요 σ인자에만 존재한다. σ인자가 RNA 중합효소를 동반하지 않고 프로모터와 결합하는 것을 억제한다.
* 영역 2는 모든 σ인자에 존재하며, 모든 생물에서 가장 공통성이 높다. 영역 2.1부터 2.4로 분류된다. 특히 중요한 것은 영역 2.4로, 이는 -10 박스에 특이적으로 강하게 결합한다.
* 영역 3은 코어 효소와 DNA 모두의 결합에 관여한다.
* 영역 4는 4.1과 4.2로 나뉘며, 홀로효소의 프로모터 인식에서 중요하다고 생각된다. 영역 4.2는 나선-회전-나선이라는 DNA 결합 도메인을 포함하며, -35 박스에 강하게 결합한다.

σ 인자가 있으면 RNA 중합효소는 특정되지 않은 DNA 부위(느슨한 결합 부위)에 약하게 결합한다. 미끄러지면서 이동하여 프로모터를 만나거나 그대로 해리된다. σ 서브유닛은 또한 RNA 중합효소와 프로모터를 반감기가 수 시간이 될 정도로 강력하게 결합시킨다.

신장 단계로 이행할 때 RNA 중합효소는 입체 구조를 바꾸지만, 이때 σ 인자의 결합은 극단적으로 약해진다. 트래버스 (Travers)와 버제스 (Burgess)의 연구에 따르면 σ 인자가 신장을 촉진하는 것은 아니다. 1969년 두 사람의 논문에서는 떨어진 σ 인자가 다른 코어 효소와 결합하고, 또한 그것이 DNA의 정상적인 전사를 수행하는 것이 증명되었다. 이로부터 σ 인자는 재사용된다고 생각된다.

3.2. 진핵생물 RNA 중합효소

진핵생물 핵 RNA 중합효소는 여러 종류가 있어 각각 다른 종류의 RNA를 합성한다. 중합효소는 세균의 RNA 중합효소와 구조적으로나 기작이 유사하다.

* RNA 중합효소 I은 전구체 rRNA(pre-rRNA^영어) 45S(효모의 경우 35S)를 합성한다. 후에 전구체 rRNA는 리보솜을 구성하는 주요 RNA인 28S, 18S, 5.8S rRNA가 된다.
* RNA 중합효소 II는 mRNA 전구체와 snRNA, microRNA을 합성한다. 가장 많이 연구된 중합효소이고, 강한 통제를 받는다. 프로모터에 결합하기 위해서는 다양한 전사인자가 필요하다.
* RNA 중합효소 III은 tRNA와 rRNA 5S, 기타 세포질과 핵에서 발견되는 작은 RNA(small RNA)를 합성한다.
* RNA 중합효소 IV는 식물의 siRNA를 합성한다.
* RNA 중합효소 V는 식물의 siRNA에 의한 이형염색질(heterochromatin^영어) 형성에 관여하는 RNA를 합성한다.

--

진핵생물의 미토콘드리아와 엽록체는 구조 및 기작이 세균의 RNA 중합효소와 다른 RNA 중합효소를 가진다. 진핵생물 엽록체는 다중 서브유닛 RNAP("PEP, plastid-encoded polymerase")를 포함한다. 세균 기원 때문에 PEP의 구조는 현재의 세균 RNA 중합효소와 유사하다. 엽록체는 또한 구조적으로나 기계적으로 관련이 없는 두 번째 단일 서브유닛 RNAP("nucleus-encoded polymerase, NEP")를 포함한다. 진핵생물 미토콘드리아는 POLRMT(인간)를 사용하는데, 이는 핵 암호화된 단일 서브유닛 RNAP이다.

3.3. 고균 RNA 중합효소

고균은 단일 종류의 RNA 중합효소를 가지고 있으며 이 중합효소가 모든 RNA를 합성한다. 고균의 RNA 중합효소는 구조나 기작 면에서 세균의 RNA 중합효소와 진핵생물 RNA 중합효소 I-V와 유사하다. 특히 진핵생물 핵 RNA 중합효소 II에 가깝다.

고세균 RNA 중합효소의 발견 역사는 비교적 최근이다. 고세균 RNAP에 대한 최초의 분석은 1971년에 극한의 할로필인 Halobacterium cutirubrum의 RNAP를 분리하고 정제하면서 수행되었다. Sulfolobus solfataricus와 Sulfolobus shibatae의 RNAP 결정 구조는 확인된 고세균 서브유닛의 총 수를 13개로 설정했다.

고세균은 진핵생물 Rpb1에 해당하는 서브유닛을 둘로 나누어 가지고 있다. S. shibatae 복합체에는 진핵생물 Rpb9 (POLR2I)에 해당하는 상동체는 없지만, TFS(TFIIS 상동체)가 유사성을 기반으로 제안되었다. Rpo13으로 불리는 추가 서브유닛이 있으며, Rpo5와 함께 세균 β′ 서브유닛(Taq의 1,377–1,420)에서 발견되는 삽입에 의해 채워지는 공간을 차지한다. S. solfataricus 구조에 대한 이전의 더 낮은 해상도 연구에서는 Rpo13을 찾지 못했고 Rpo5/Rpb5에만 공간을 할당했다. Rpo3은 철-황 단백질이라는 점에서 주목할 만하다. 일부 진핵생물에서 발견되는 RNAP I/III 서브유닛 AC40은 유사한 서열을 공유하지만, 철에는 결합하지 않는다. 이 도메인은 어느 경우든 구조적 기능을 수행한다.

고세균 RNAP 서브유닛은 이전에 "RpoX" 명명법을 사용했는데, 여기서 각 서브유닛은 다른 시스템과 관련이 없는 방식으로 문자가 할당되었다. 2009년에는 진핵생물 Pol II 서브유닛 "Rpb" 번호를 기반으로 한 새로운 명명법이 제안되었다.

3.4. 바이러스 RNA 중합효소

일부 바이러스는 자체 RNA 중합효소를 암호화하여 RNA를 합성한다. 오쏘폭스바이러스(Orthopoxvirus^영어)는 바이러스에 암호화된 RNA 중합효소를 이용하는데, 이는 세균, 고균 및 진핵생물의 핵 RNA 중합효소 I-V와 구조 및 기작이 유사하다. 핵-세포질 거대 DNA 바이러스도 바이러스가 암호화한 다중 서브유닛 RNAP를 사용하며, 진핵생물의 RNAP와 유사하지만 일부 서브유닛은 축소되거나 제거되었다.

다른 바이러스들은 세균, 고균, 진핵생물의 RNA 중합효소와 관련성이 없는 RNA 중합효소를 사용한다. 많은 바이러스는 단일 소단위 DNA 의존적 RNA 중합효소를 사용하는데, 이는 진핵생물의 엽록체나 미토콘드리아의 단일 소단위 RNA 중합효소와 구조 및 기작이 유사하다. 가장 널리 연구되는 단일 소단위 RNA 중합효소는 박테리오파지의 T7 RNA 중합효소이다.

(-)ssRNA 바이러스와 제 3형 dsDNA 바이러스처럼 RNA 의존적 RNA 중합효소를 사용하는 바이러스도 있다. 이들은 RNA를 합성하는 주형으로 DNA 대신 RNA를 사용한다. (+)ssRNA 바이러스 또한 RNA 의존적 RNA 중합효소를 가지고 있다.

4. 전사 조절

유전자 전사를 조절하는 것은 유전자 발현 패턴에도 영향을 미쳐서 세포가 환경에 적응하고, 생체 내에서 주어진 역할을 하며, 생존을 위해 필요한 대사를 할 수 있도록 한다. 따라서 RNA 중합효소의 활성은 오래 지속되고 복잡하게 조절된다. 대장균(Escherichia coli)에서만 100여 개가 넘는 전사인자가 발견되었다. 전사인자는 RNA 중합효소의 활성에 변화를 일으킨다.

5. RNA 중합효소의 활성

RNA 중합효소는 프로모터라는 특수한 DNA 서열에서 전사를 개시한다. 주형 DNA 가닥에 상보적인 RNA 사슬을 만든다. 뉴클레오타이드를 RNA 사슬에 더하는 과정을 신장(elongation^영어)이라고 한다. 진핵생물의 RNA 중합효소는 길게는 240만 개 뉴클레오타이드 길이의 RNA를 만들 수 있다. RNA 중합효소가 종결인자(terminator)라는 유전자 끝을 알리는 DNA 서열에 도달하면 RNA 전사물이 중합효소에서 분리된다.

RNA 중합효소는 다음과 같은 RNA들을 생산한다.

* 전령 RNA(mRNA): 리보솜이 단백질 합성을 하기 위한 주형
* 비번역 RNA: 단백질로 번역되지 않는 유전자들에 의해 전사된 RNA들의 총칭. 운반 RNA와 리보솜 RNA가 대표적이다.
* 운반 RNA(tRNA): 안티코돈에 따라 아미노산을 신장 중인 폴리펩티드 사슬에 운반하는 RNA.
* 리보솜 RNA(rRNA): 리보솜을 구성한다.
* microRNA(miRNA): 유전자 발현을 조절
* 리보자임: 효소 활성을 가진 RNA

RNA 중합효소는 새롭게(de novo) 합성을 한다. 이는 전사를 개시할 때 뉴클레오타이드와 상호작용을 통해 RNA 중합효소가 제자리에 붙어 있을 수 있기 때문이다. DNA 중합효소와는 다르게, RNA 중합효소는 헬리케이스 활성을 가진다.

유전자 전사를 조절하는 것은 유전자 발현 패턴에도 영향을 미쳐서 세포가 환경에 적응하고, 생체 내에서 주어진 역할을 하며, 생존을 위해 필요한 대사를 할 수 있도록 한다. 따라서 RNA 중합효소의 활성은 복잡하게 조절된다. 대장균(Escherichia coli)에서만 100여 개가 넘는 전사인자가 발견되었다.

5.1. 개시 (Initiation)

세균에서 RNA 중합효소는 시그마(σ) 인자가 필요하며, 때로는 α 소단위의 C-말단 도메인이 필요하다. 시그마 인자와 α 소단위는 프로모터 -35 및 -10 요소(element^영어)를 포함하는 중심 프로모터 영역을 인지한다. 시그마 인자에는 여러 종류가 있으며 서로 교환 가능하고, 서로 다른 프로모터를 인지한다. 대장균(E. coli)의 σ⁷⁰은 정상적인 상태에서 발현되어 항존유전자(housekeeping gene^영어)의 프로모터를 인지한다. σ⁷⁰은 열충격단백질(heat-shock protein^영어, HSP) 유전자의 프로모터를 인지한다.

RNA 중합효소가 DNA에 결합하면 닫힌 형태에서 열린 형태가 된다. DNA에 결합했을 시 헬리케이스(Helicase) 활성이 일어나 혼자서도 DNA 이중나선을 풀어낼 수 있다. DNA 이중나선은 13 bp 정도 풀리는데 이를 전사 거품(transcription bubble^영어)이라 한다. 전사 거품을 시작점으로 리보뉴클레오타이드가 주형 DNA 가닥에 왓슨-크릭 염기쌍에 맞춰 배열된다. 이 과정에서 DNA에 걸리는 변형 압력(strain)을 해소하기 위해 생성되는 초나선이 RNA 중합효소의 활성에 중요한 역할을 한다. DNA가 풀리지 않은 RNA 중합효소의 앞부분은 양성 초나선이, 다시 이중나선이 생기는 RNA 중합효소 뒷부분은 음성 초나선이 존재한다.

RNA 중합효소는 프로모터 영역과 상호작용하여 안정화된다. 그런데 RNA 중합효소가 안정화되면 계속해서 RNA를 전사하는 것을 저해한다. RNA 중합효소 열린 복합체가 안정화되면 RNA를 합성하여 길이 ~9 bp의 DNA-RNA 이형이중가닥(heteroduplex^영어)을 생산하고, 이로 인해 전사 개시 복합체가 안정화된다. RNA가 계속해서 중합되려면 RNA 중합효소가 프로모터와의 상호작용을 유지하면서 진행 방향의 DNA 이중나선을 풀고, 개시 복합체 내로 DNA를 "구겨넣어야(DNA scrunching)" 한다. DNA 이중나선을 풀고 압축하는 것으로 인해 RNA 중합효소는 열역학적으로 불안정한 중간체 같은 상태가 된다. DNA-RNA 이형이중가닥의 길이가 적당히 길어지면 RNA 중합효소는 프로모터와의 상호작용을 끊고 신장 단계로 나아간다.

RNA 중합효소는 프로모터와의 상호작용을 끊는 대신에 진행 방향(downstream)으로 나아가는 상호작용을 끊고 열역학적 압력을 해소할 수도 있다. 이 경우 전사는 멈추게 되며, 전사 중이던 전사물(transcript^영어)을 방출하고 새로 프로모터에서 시작하거나, RNA 중합효소의 활성으로 전사 중이던 전사물의 활성 자리(active site^영어)에 새로운 3'-OH기를 만들고 프로모터를 벗어나기 위한 추진력을 얻어야 한다.

이렇게 프로모터를 벗어나기 전에 RNA 중합효소가 비생산적으로 돌아가는 것을 미성숙 개시(abortive initiation)라 한다. 미성숙 개시의 지속 정도는 전사인자의 유무와 프로모터와의 상호작용의 강도에 따라 달라진다.

세균에서 RNA 중합효소 결합은 −35 및 −10 요소(전사될 염기서열 시작 전에 위치)를 포함하는 핵심 프로모터 부위를 인식하는 시그마 인자를 포함하며, 일부 프로모터에서는 α 소단위 C-말단 도메인이 프로모터 상류 요소를 인식한다. 여러 개의 상호 교환 가능한 시그마 인자가 있으며, 각 시그마 인자는 별개의 프로모터 세트를 인식한다. 예를 들어, 대장균(E. coli)에서 σ⁷⁰은 정상적인 조건에서 발현되어 정상적인 조건에서 필요한 유전자("하우스키핑 유전자")에 대한 프로모터를 인식하며, σ³²는 고온에서 필요한 유전자("열 충격 유전자")에 대한 프로모터를 인식한다. 고세균과 진핵생물에서 세균 일반 전사 인자 시그마의 기능은 함께 작용하는 여러 개의 일반 전사 인자에 의해 수행된다. RNA 중합효소-프로모터 닫힌 복합체는 일반적으로 "전사 개시 복합체"라고 한다.

DNA에 결합한 후 RNA 중합효소는 닫힌 복합체에서 열린 복합체로 전환된다. 이러한 변화에는 DNA 가닥이 분리되어 약 13 bp의 풀린 DNA 구역, 즉 "전사 버블"이 형성된다. 초나선은 DNA의 풀림 및 재결합 때문에 중합효소 활성에 중요한 역할을 한다. RNAP 앞쪽의 DNA 영역은 풀려 있으므로 상쇄적인 양성 초나선이 존재한다. RNAP 뒤쪽 영역은 다시 결합되고 음성 초나선이 존재한다.

5.2. 신장 (Elongation)

열린 복합체(Open complex^영어)가 전사 복합체로 전환되고 뉴클레오타이드가 중합되면서 전사가 신장 단계로 들어선다. 처음에 RNA 중합효소는 프로모터에 강력하게 결합하고 있어서 완전한 전사물을 만들어내지 못하고 9 bp 정도의 짧은 RNA 조각을 만든다. 이 단계를 미성숙 개시(abortive initiaion)라 한다. RNA 중합효소가 계속해서 긴 전사물을 만들어내기 위해서는 프로모터, -10, -35 요소(promoter)와의 접촉이 끊어지고 시그마 인자가 RNA 중합효소에서 떨어져야 한다. 시그마 인자가 RNA 중합효소를 제자리에 붙들고 있는 작용을 하므로 시그마 인자가 분리되면 RNA 중합효소는 움직일 수 있게 된다.

17 bp 길이의 전사 복합체에는 8 bp DNA-RNA 이형이중가닥이 포함되어 있다. 리보뉴클레오타이드가 RNA 전사물의 3' 말단에 중합되고 RNA 중합효소는 DNA 가닥을 따라 움직인다. RNA 중합효소는 DNA 중합효소가 가지고 있는 3' 핵산 외부 가수분해 효소 활성, 즉 교정(proofreading^영어) 활성을 가지고 있다.

RNA 중합효소의 아스파르트산 잔기는 Mg²⁺ 이온과 결합하여 리보뉴클레오타이드의 인산기와 배위한다. 처음 Mg²⁺는 중합될 리보뉴클레오타이드(NTP)의 α-인산기에 결합하여 RNA 전사물 3' 말단의 -OH기가 친핵성 공격을 할 수 있게 한다. 두 번째 Mg²⁺는 NTP의 파이로인산에 결합한다. 전체 반응식은 다음과 같다.

:(NMP)_n + NTP --> (NMP)_n+1 + PP_i

--
전사가 진행됨에 따라 리보뉴클레오타이드가 RNA 전사체의 3' 말단에 추가되고 RNAP 복합체는 DNA를 따라 이동한다. 원핵생물과 진핵생물에서의 전형적인 신장 속도는 약 10~100nts/초이다. 17bp 전사 복합체는 8bp DNA-RNA 하이브리드를 가지며, 이는 RNA 전사체가 DNA 주형 가닥에 결합된 8개의 염기쌍을 포함한다.

RNAP 내의 아스파르틸(asp) 잔기는 Mg²⁺ 이온을 붙잡고, 이는 차례로 리보뉴클레오타이드의 인산기를 조절한다. 첫 번째 Mg²⁺는 추가될 NTP의 α-인산기를 붙잡을 것이다. 이것은 RNA 전사체에서 3'-OH의 친핵성 공격을 허용하여 사슬에 다른 NTP를 추가한다. 두 번째 Mg²⁺는 NTP의 피로인산기를 붙잡을 것이다. 전체 반응식은 다음과 같다.

:(NMP)_n + NTP → (NMP)_n+1 + PP_i

DNA 중합효소의 교정 메커니즘과 달리 RNA 중합효소(RNAP)의 교정 메커니즘은 최근에야 연구가 시작되었다. 교정은 잘못 삽입된 뉴클레오티드를 DNA 주형으로부터 분리하는 것으로 시작된다. 이 과정은 전사를 일시적으로 중단시킨다. 그 다음 중합효소는 한 자리 뒤로 이동하여 잘못 짝지어진 뉴클레오티드를 포함하는 다이뉴클레오티드를 절단한다. RNA 중합효소에서 이는 중합에 사용되는 동일한 활성 부위에서 발생하므로, 교정이 별개의 뉴클레아제 활성 부위에서 일어나는 DNA 중합효소와는 현저히 다르다. 전반적인 오류율은 대략 10⁻⁴에서 10⁻⁶ 사이이다.

5.3. 종결 (Termination)

원핵생물의 경우 RNA 전사 종결은 로(ρ) 의존성 혹은 비의존성 방법으로 일어난다. 로-비의존성 전사 종결은 로 인자(ρ factor^영어)의 도움 없이 전사가 종결되는 것이다. DNA 회문 서열이 전사되면 RNA 전사물은 자체적으로 루프 구조를 만들고 결합하여 헤어핀 구조를 형성한다. 헤어핀 구조에는 대개 G-C 염기쌍이 많아 DNA-RNA 이형이중가닥보다 안정하다. 그 결과 8 bp DNA-RNA 혼성체는 4 bp 혼성체가 되고, 마지막 4 bp는 약한 A-U 염기쌍이므로 RNA 전사물이 DNA에서 떨어지게 된다.

6. RNA 중합효소의 생산물

RNA 중합효소는 다음과 같은 RNA들을 생산한다.

* 전령 RNA(mRNA): 리보솜이 단백질을 합성할 때 주형으로 사용된다.
* 비번역 RNA: 단백질로 번역되지 않는 RNA들을 통칭한다.
* 운반 RNA(tRNA): 안티코돈에 대응하는 특정 아미노산을 폴리펩티드 사슬에 운반한다.
* 리보솜 RNA(rRNA): 리보솜의 구성 성분이다.
* microRNA(miRNA): 유전자 발현을 조절한다.
* 리보자임: 효소 활성을 갖는 RNA이다.

RNA 중합효소는 전사를 새로 시작(de novo)할 수 있다. 이는 전사 개시 과정에서 뉴클레오타이드와의 상호작용을 통해 RNA 중합효소가 제자리에 고정되기 때문이다. 이러한 특성으로 인해 RNA 중합효소는 전사 시작시 ATP, GTP, UTP, CTP 순으로 선호한다. DNA 중합효소와 달리, RNA 중합효소는 자체적으로 헬리케이스 활성을 갖는다.

7. RNA 중합효소 정제

RNA 중합효소는 다음 기술이나 여러 기술을 혼합하여 분리할 수 있다.

* 인산셀룰로오스 관 크로마토그래피
* 글리세롤 기울기 원심분리
* DNA 컬럼
* 이온 크로마토그래피