催化RNA的结构与功能

在核酶被发现以前, RNA 就因为可以像蛋白质一样折叠成高度有序的结构而被预测可能具有催化的功能. 该猜想在20 世纪80 年代得到了证明, 四膜虫的Ⅰ型内含子RNA与负责tRNA成熟的核糖核酸酶RNase P 的 RNA组分被发现具有催化功能. 近年来, 在核酶的结构和功能研究方面取得了很大进展, 包括核糖体在内的多个核酶的高分辨率晶体结构被解析出来.文中介绍了这方面的最新研究成果.

中国科学 C辑:生命科学 2009年 第39卷 第1期: 78 ~ 90 http://www.77cn.com.cn http://www.77cn.com.cn

《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

催化RNA的结构与功能

吴启家, 黄林, 张翼

武汉大学生命科学学院, 病毒学国家重点实验室, 武汉 430072 E-mail: wuqijia@http://www.77cn.com.cn

收稿日期: 2008-10-21; 接受日期: 2008-12-25

国家自然科学基金(批准号: 30330170)和国家重点基础研究发展计划(批准号: 2005CB724604)资助项目

摘要 在核酶被发现以前, RNA就因为可以像蛋白质一样折叠成高度有序的结构而被预测可能具有催化的功能. 该猜想在20世纪80年代得到了证明, 四膜虫的Ⅰ型内含子RNA与负责tRNA成熟的核糖核酸酶RNase P的 RNA组分被发现具有催化功能. 近年来, 在核酶的结构和功能研究方面取得了很大进展, 包括核糖体在内的多个核酶的高分辨率晶体结构被解析出来. 本文介绍了这方面的最新研究成果.

关键词

核酶 结构 催化

在核酶被发现以前, RNA分子因被发现可以像蛋白质一样形成高度有序的二级结构而被认为其可能具有催化活性. 此假设在20世纪80年代, 因 Tetrahymena Ⅰ型内含子和RNase P核酶的发现得到 了完全的证实

[1,2]

发现并参与多种多样的生物学反应. 小核酶主要存在于病毒、类病毒和微卫星的RNA基因组中, 加工 滚环复制获得的中间产物到基因组长度[3]. Ⅰ型和 Ⅱ型内含子在低等真核生物和植物的细胞器基因组 中富集存在[4], 它们的准确剪接对其宿主基因所编码的RNA的成熟至关重要[5,6]. 目前为止, 发现两类核酶在三界生物中普遍存在, 起看家功能. 一类是负责加工tRNA成熟的核糖核酸酶RNase P(ribonuclease P), 它由蛋白质和RNA共同组成, 但其催化功能由RNA组分独立完成, 因此称为RNase P核酶[7]. 另外, 在生物体最重要的生物学过程——多肽的合成中, 肽键的形成是由核糖体RNA的肽酰转移酶活性催化的, 这意味着核糖体也是一个核酶[8].

在过去的26年中, 科研人员在揭示核酶如何行使酶的功能这一基本的问题上进行了不懈的努力. 在研究核酶的精细结构方面, 核磁共振(NMR)和结晶是两个基本的手段. 直到1994年, 即核酶被发现10年之后, 第1个原子水平的核酶结构(锤头核酶)才被发现[9]. 从那时起, 特别在最近几年, 在研究核酶催化的结构基础方面取得了巨大的进展. 几乎所

. 核酶(ribonucleic acid enzyme, 简

称ribozyme), 用来指代那些具有催化活性的RNA分子, 它与酶(enzyme), 即具有催化功能的蛋白质分子相应而生. 在过去近30年中, 有十几种核酶被发现. 根据一级序列的大小不同, 核酶可以被分成小核酶和大核酶. 小核酶包括锤头核酶、发卡核酶、VS (varkud satellite)核酶以及HDV(hepatitis delta virus)核酶, 它们的序列长度都在200个核苷酸以下. RNase P,Ⅰ型内含子, Ⅱ型内含子以及核糖体属于大核酶, 它们的序列长度从几百到几千核苷酸不等. 而根据其催化的反应的不同, 核酶可以被分成4类: 核苷水解核酶(nucleolytic ribozyme), 它们催化的是位点特 异性的切割反应; Ⅰ型内含子和Ⅱ型内含子催化的 都是两步连续的转酯反应, 可以被归为一类; RNase P在加工tRNA成熟时使用的是一个水解反应; 催化肽转移反应的核糖体是最后一类.

核酶在自然界中广泛存在, 在三界生物中都被

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在核酶被发现以前, RNA 就因为可以像蛋白质一样折叠成高度有序的结构而被预测可能具有催化的功能. 该猜想在20 世纪80 年代得到了证明, 四膜虫的Ⅰ型内含子RNA与负责tRNA成熟的核糖核酸酶RNase P 的 RNA组分被发现具有催化功能. 近年来, 在核酶的结构和功能研究方面取得了很大进展, 包括核糖体在内的多个核酶的高分辨率晶体结构被解析出来.文中介绍了这方面的最新研究成果.

中国科学 C辑: 生命科学 2009年 第39卷 第1期

有类型核酶的晶体结构都已被解析, 而核糖体的高分辨率的晶体结构也为其RNA催化的结构机制提供了直接的证据. 这些晶体结构成功地揭示了核酶催化的结构基础: 虽然不同种属核酶的一级序列及其三级结构是非常不同的, 但是它们的催化大都采用了广义酸碱的催化机制.

本文将讨论在探索核酶高级结构, 以及核酶结构与功能之间关系的研究进展, 也涉及部分核酶在抗病毒方面的应用.

1 核苷水解核酶

1.1 核苷水解核酶的催化

核苷水解核酶催化位点特异性的切割反应将滚环复制的中间产物进行加工成基因组长度. 该切割反应是一个转酯反应, 切割位点处的2′-羟基攻击其相邻的3′磷酸, 在3′末端形成一个2′, 3′环化磷酸, 并在其5′-末端形成一个自由的羟基[3]. 该催化反应的化学本质是一个Sn2反应(图1(E)). 首先切割位

图1 小核苷水解核酶的结构、活性中心及其催化机制

(A)~(C) 核苷水解核酶的结构和活性中心. 二级结构示意图中各结构域的灰度与三级结构保持一致, 核酶的切割位点用箭头表示(左栏). 三级结构是根据已发表的晶体结构, 用pyMOL软件(0.99)重建(中间栏). 活性中心的原子水平视图是从相应的晶体结构中摘出独立显示(右栏). (A) 垂头核酶, 其三级结构根据PDB文件2GOZ重建; (B) 发卡核酶, 其三级结构根据PDB文件1M5K重建. 双向虚线箭头表示这些碱基参与形成核糖拉链; (C) HDV核酶, 三级结构是根据一个C75U突变的核酶的晶体结构(PDB文件1SJ3)重建; (D) VS核酶的二级结构, 环Ⅰ和环Ⅴ之间的远距配对用虚线标注; (E) 核苷水解核酶的催化机制, A示广义酸; B示广义碱. 双面三棱锥的中间态中4个共平

面的原子用灰色填充(http://www.77cn.com.cn/pictures/sup4review.htm)

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在核酶被发现以前, RNA 就因为可以像蛋白质一样折叠成高度有序的结构而被预测可能具有催化的功能. 该猜想在20 世纪80 年代得到了证明, 四膜虫的Ⅰ型内含子RNA与负责tRNA成熟的核糖核酸酶RNase P 的 RNA组分被发现具有催化功能. 近年来, 在核酶的结构和功能研究方面取得了很大进展, 包括核糖体在内的多个核酶的高分辨率晶体结构被解析出来.文中介绍了这方面的最新研究成果.

吴启家等: 催化RNA的结构与功能

点处的2′羟基被去质子化, 形成的2′-氧负离子与临近的3′磷原子形成一个较弱的键, 切割位点处形成一个三棱锥式的中间态, 其中2′-氧负离子亲核试剂和5′-离去基团位于三棱锥的两个顶端, 与3′磷酸处在一条直线上(in-line). 该反应结束后, 切割位点处的3′, 5′磷酸二酯键被打断, 2′-氧负离子与3′磷酸之间则形成共价键连接[10,11]. 总体而言, 这些核酶也可以催化这个切割反应的逆反应——连接反应, 利用5′-羟基作为亲核攻击基团对环化的磷酸进行攻击.

该切割反应是一个广义酸碱反应, 其中需要一个广义碱对2′-羟基进行去质子化以激活2′-氧负离子, 以及一个广义酸对离去基团5′-氧原子进行质子化. 核苷水解核酶之所以这样命名是因为在它们的反应中, 广义酸和广义碱都是核苷, …… 此处隐藏：30399字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……