RNA的生物合成有兩種方式，一種是轉錄，即以DNA為模板的RNA合成；另一種是以RNA為模板的RNA合成，即RNA的復制。

RNA復制主要發生在RNA病毒中。在所有的RNA病毒中，除逆轉錄病毒外，都需要RNA復制。這個過程需要RNA復制酶（RNA dependent RNA polymerase，RdRP），EC2.7.7.48。

生物體內合成核酸的聚合酶有多種，按照模板和底物（或產物）可以分為四大類。其它三類我們前面都已經接觸過，包括DNA復制用的DdDP，轉錄用的DdRP，以及逆轉錄用的RdDP。這些聚合酶雖然各有不同，但其基本結構與作用機制均有相似之處。

所有單亞基核酸聚合酶都具有類似於人類右手的分子外形，拇指和手指結構域從手掌結構域的側面升起。活性位點位於這些結構域之間，其中2個通用天冬氨酸殘基位於手掌中。

單亞基核酸聚合酶整體結構比較。RNA Biol. 2017; 14(10): 1314–1319.

與其它聚合酶不同，病毒RdRP的手指與拇指頂部相互作用，圍繞著活性位點。這種相互作用可能會促進RdRP的熱穩定性，但會限制手指域的大規模移動。

各種聚合酶的作用機制也類似，其延伸過程稱為核苷酸添加循環（nucleotide addition cycles，NAC）。大致過程是底物核苷酸的結合觸發酶的構象變化，封閉活性位點，然後形成磷酸二酯鍵，最後聚合酶轉移到模板下遊位置，清空活性位點用於下一個添加循環。即：結合-變構-成鍵（chemistry）-易位（translocation）。

RNA復制的核苷酸添加循環。Curr Top Microbiol Immunol. 2008; 320: 137–156.

得益於結構生物學和計算機技術的進步，目前已經可以用軟件模擬展示生物過程中的一些復雜事件。下圖是根據文獻（Viruses. 2018）提供的PyMOL會話文件制作的GIF動畫，展示瞭NAC易位過程中的一系列構象變化。

易位過程的構象變化。

進行RNA復制的RNA病毒，可按基因組分為三類：正鏈、負鏈和雙鏈RNA病毒。正鏈RNA可以作為mRNA，侵入細胞後先翻譯出復制酶，然後以正鏈為模板合成負鏈，再根據負鏈合成子代的正鏈。復制完成後再合成外殼蛋白等進行裝配。噬菌體Qβ和冠狀病毒、脊髓灰質炎病毒屬於此類。

噬菌體Qβ的復制酶是一種神奇的分子，它的全酶含有4個亞基，但其中三個來自宿主，病毒隻編碼β亞基。其α亞基是核糖體蛋白S1，γ和δ亞基是翻譯延伸因子EF-Tu和EF-Ts。

噬菌體Qβ復制酶結構。Biochemistry (Mosc). 2018 Jan;83(Suppl 1):S19-S32.

Qβ復制酶可以在體外進行高效的指數擴增。在37℃下，QβRNA（全長4217 nt）的復制時間約為2分鐘，可以在一小時內合成十億個拷貝（約2.5 ng RNA）。這一體外擴增記錄一直保持至今（Biochemistry (Mosc). 2018）。

有人用Qβ復制酶在瓊脂糖凝膠中擴增RNA，因為產物不能在溶液中擴散，所以形成瞭分子集落。這個方法甚至可以用來檢測空氣中懸浮的RNA分子。

檢測空氣中的RNA分子。Biochemistry (Mosc). 2018 Jan;83(Suppl 1):S19-S32.

這種分子集落中的遺傳物質可以復制和表達，性質有些類似於細胞。所以在生命起源過程中，多孔礦物中的分子集落有可能成為細胞前體的候選。

分子集落中的基因表達。Nucleic Acids Res. 2005; 33(17): e145.

負鏈RNA病毒（如狂犬病毒、流感病毒）和雙鏈RNA病毒（如呼腸孤病毒）均帶有復制酶，侵入後先合成正鏈（mRNA），用正鏈翻譯出病毒蛋白，然後根據正鏈復制出負鏈RNA。

流感病毒的RdRP有三個亞基，PB1亞基為核心酶，具有典型的右手結構；PB2亞基具有一個帽結合結構域，PA亞基具有內切核酸酶結構域。後兩個亞基負責一個有趣的功能：搶帽子（cap snatching）。

流感病毒的復制機制。Trends Microbiol. 2019 May; 27(5): 398–407.

流感病毒沒有自己的加帽酶。為瞭新合成的正鏈RNA能夠被宿主翻譯，需要給它搶一個帽子。病毒RdRP先結合宿主新生RNA的帽子結構，然後在帽子下遊10-13核苷酸處裂解，這樣就搶來一個帶有帽子結構的RNA片段。它被用作引物，啟動病毒基因組片段的復制（也有文獻將此過程稱為轉錄）。

搶帽過程中的構象變化。Trends Microbiol. 2019 May; 27(5): 398–407.

RdRP容易出錯，所以RNA病毒平均每輪復制產生一個突變。這使病毒能夠快速適應新的生存環境，如更換宿主、逃避宿主免疫系統、產生抗藥性等。所以流感病毒等每年都會產生新的突變株，大約每十年會由於出現一種重大突變而引起一次大流行。

現已發現，RdRP並非僅存在於病毒中。RdRP在植物和線蟲中都有發現，有報道稱果蠅的Elp1是一種新型的RdRP（Proc Natl Acad Sci USA. 2009）。人類端粒酶催化亞基（hTERT）可以與線粒體核糖核酸內切酶（RMRP）形成一種核糖核蛋白復合物，具有RdRP活性（Nature. 2009）。

以上研究表明，RdRP在真核生物中可能也有重要作用，例如調控非編碼RNA等。現在較為確定的是RdRP可以參與SiRNA介導的轉錄後基因沉默（PTGS）。

RdRP以兩種方式催化SiRNA形成。Cancer Sci. 2015 Nov; 106(11): 1486–1492.

RdRP可以通過Dicer依賴和非依賴的兩種途徑產生SiRNA。前者是RdRP先合成較長的雙鏈RNA，再被Dicer加工成SiRNA；後者是RdRP直接從頭合成SiRNA而無需酶切。

所以TERT可能具有雙重聚合酶活性，端粒酶活性可以保持端粒結構並有助於細胞永生化，而RdRP活性則介導RNA合成和異染色質維持，並調節有絲分裂進程和腫瘤幹細胞性狀。也就是說，TERT作為抗腫瘤治療的分子靶標可以通過兩種機制起作用（Cancer Sci. 2015）。

TERT可以作為抗癌靶標。Cancer Sci. 2015 Nov; 106(11): 1486–1492.

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