基因转录和复制分子是生物遗传和进化中最基本和核心的过程,主要由负责转录和复制的分子马达即RNA/DNA聚合酶来完成。T7噬菌体RNA聚合酶(T7RNAP)由于其相对简单的结构以及自给自足的强大转录活性,被作为一个典型的系统用以研究单分子转录的一般物理机制。转录延伸过程的产物焦磷酸离子(PPi)的释放和聚合酶在DNA上的易位是每个核苷酸循环中的标志性和必要的步骤。该过程的动力学,能量以及伴随该过程的聚合酶复合体的大幅度构象变化决定了转录延伸过程的机械化学耦合机制。本文实施全原子分子动力学(MD)模拟的方法,研究T7单体RNA聚合酶的产物PPi释放和聚合酶在DNA上的易位过程的动力学细节。利用大量的纳秒长度的短MD模拟构建马尔科夫状态模型(MSM),获得了产物PPi释放从活性位点释放的动力学模型。本文发现T7 RNA聚合酶中PPi释放起始于PPi与两个催化的天冬胺酸分离,紧随其后的是一个相对缓慢的从活性位点跳出的激活过程。结合若干微秒长度的长MD模拟,还发现带电残基的关联作用以及一些中性残基在局域范围内的空间位阻和氢键相互作用阻碍了这个激活过程。这个机制可以一般应用到具有相似分子结构和关键残基的单体RNA聚合酶和DNA聚合酶。研究表明,一个高度保守并具有灵活侧链的赖氨酸Lysine或精氨酸Arginine是一个协助PPi释放的通用模块,甚至在多电荷促进跳跃式产物释放的多体RNA聚合酶中也存在这个残基。根据微秒长度的MD模拟,我们也注意到PPi释放并没有同T7 RNA聚合酶的手指区域(fingers domain)的一个O-helix的打开运动以及聚合酶的易位相耦合。我们的研究从而支持了在单体聚合酶的转录延伸中产物释放和聚合酶易位的布朗棘轮模型。接下来,类似的采用全原子MD模拟并结合MSM的构建来研究T7RNA聚合酶的易位机制。构建的MSM揭示了与O-helix从闭合到打开紧密耦合的主要易位路径,并且表明O-helix的打开推动了正在生成的RNA单链的3’末端,从而促进转录酶上游DNA-RNA的易位。另一方面我们研究为什么T7RNA聚合酶不能像其他真核生物的RNA聚合酶那样在其转录延伸过程中发生后退(back-tracking),提出O-helix的打开抑制后退发生的机制,并设计聚合酶变异蛋白(mutant)同实验结合来进行验证。