σ因子和RNA聚合酶

σ因子和RNA聚合酶分分合合的关系

在细菌中，如大肠杆菌的RNA聚合酶主要由五个亚基组成，即2αββ，ωσ，其中α亚基与RNA聚合酶的四聚体核心的形成有关，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，而σ因子只与RNA转录的起始有关，与链的延伸无关，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催化。

σ因子的特异性决定了它在细菌基因表达转录调控阶段的重要性，即σ因子和启动子与RNAP的结合具有竞争性，对此，人们提出了σ循环模式，它参与形成延伸复合物，并形成转录延伸的结构基础，其中σ因子在起始和延伸阶段均发挥作用，但其主要在起始阶段起作用。此循环的主要过程是，①σ因子竞争性的与核心酶结合形成全酶②全酶与启动子DNA结合形成开放型复合物③σ因子从延伸阶段的全酶中释放，同时NusA与复合物结合④NusA释放，转录产物RNA释放，转录终止⑤释放的σ因子又竞争性的与核心酶结合形成σ循环。这一循环的主要特征是σ因子能快速的重新发挥作用，此循环在生物学在得到支持，即噬菌体在体外培养时σ因子能与五个或更多的核心酶结合介导转录的调控。参与此循环的σ因子的数量不定，其数量主要取决于σ合成和降解的速率，以及翻译后的修饰与加工，即其活性与非活性形式之间的转变。此循环的作用是细胞在面对外界的变化和细胞信号时，此循环能快速的调整转录的形式以优化细胞的代谢，使用不同启动特异性的σ因子来调控不连续的基因。其中主要有两大类，第一类是介导管家基因有关的转录，如大肠杆菌中的σ70，第二类主要是其它的因子，如大肠杆菌中的σ32，热激因子只介导合成蛋白质固定和折叠所需的蛋白等。

然而关于σ循环主要有两个版本，第一种是固定性释放，采用色谱或电泳法比较结合RNAP或延伸复合物的启动子的不同，可以识别结合紧密但易于解离的σ因子，即转录产物RNA-DNA杂交链的长度到达8-9bp之前，σ因子就完全的解离，此后核心酶参与链

的延伸过程，σ因子进入σ循环。第二种是随机释放，发现的机制是改变RNA合成的速度（通过改变转录所需的原料NTP的浓度），但σ因子释放的动力学不变，其主要机理即由于延伸复合物上的σ因子与核心酶的亲和力降低，核心酶启动转录后σ因子释放就会发生，能降低σ因子的有效浓度，基于对解离所需时间的运动学的测量，RNA合成的速率不会影响σ因子解离的运动学时间，新生的RNA对σ因子的解离也无影响，解离是相对随机，此种机制中可能发生第一种版本，即固定性释放。此外还有一些其他大的版本，如σ因子不解离或部分解离 全酶纯化技术，能用来解释大多数的转录在指数期，而σ70介导的转录大部分在稳定期，同样这也引发了一些思考，比如，因子的保留存在于体内还是在细胞溶解和RNAP纯化过程中形成的。

因子释放和保留的结构基础，与管家基因有关的σ因子被分成四个保守的序列区，它们又被分为4个独立的结构域即σ1.1 σ2 σ3 和σ4 ,相邻的结构域灵活连接，它们与RNAP至少有五个不连续的结合区，如，σ1.1位于或靠近于下游的DNA通道，σ2与β，形成卷曲螺旋的结构，这些相互作用既能稳定也能破坏百个以上氨基酸链的相互作用。因子与RNAP不同部分之间的同时但又各自独立的结合，增加了σ因子与酶的亲和力，但会引起结构的改变，单个σ因子不同结构域之间易于解离，例如从全酶到开放型起始复合物的过程中，σ1.1与RNAP间的作用会消失。

σ因子在体内随机释放但可能重新结合延伸复合物，循环中因子被称作暂停-加强的延伸因子。染色体免疫沉淀反应表明，σ因子和RNAP与DNA的相互作用直接支持了σ因子随机释放模型，实验中对剪切的DNA片段定量分析以及甲醛化交联的免疫沉淀，得到核蛋白。在细菌生长的指数期，σ因子与启动子DNA 结合，但不与下游的乳糖操纵子等编码区的DNA结合。在体内因子的有效浓度对于与RNAP的结合是必需的，高的因子浓度可能是细胞中的分子较多，比较拥挤，这种浓度下σ因子与起始复合物的结合是快速的。一简单的动力学模型的结果表明在体内因子σ70充当延伸因子的角色来调控转录的延伸，

但是它并不需要作为起始复合物一部分的因子σ70持续不断的保留。

最近一篇报道提出一种假设，即起始复合物对σ因子分子留有记忆，这种记忆能改变起始复合物对暂停和终止信号的识别和反应，σ因子对于RNAP的印记作用能保证二者结合的高效性、快速性，尽管不能消除暂停行为中的差别，但是起始复合物的纯度越高这种差别就越小。目前起始复合物长寿命的构象模式被提出，在每一轮新核苷酸加入过程中，这种复合物的结构都会重新组合，这种改变可能是因为RNA折叠的改变，或者是RNAP分子间微妙的差别等。

对σ因子的体内外的实验表明大多数的因子是随机的从延伸复合物上解离的，使得转录复合物精巧的重组，同时优化调控的灵活性。在细菌基因调控中存在一种包罗万象的进化，即自然能抓住每一个可能的机会依据细胞内外环境的变化来协调基因的表达。