I型内含子核酶研究进展

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《酶工程》课后知识题目解析

《酶工程》课后知识题目解析

《酶工程》课后知识题目解析第一章酶工程基础1.名词解释:酶工程、比活力、酶活力、酶活国际单位、酶反应动力学①酶工程:由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新技术,是工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件,利用酶的催化功能,在常温常压下催化化学反应,生产人类所需产品或服务于其它目的地一门应用技术。

②比活力:指在特定条件下,单位质量的蛋白质或RNA所拥有的酶活力单位数。

③酶活力:也称为酶活性,是指酶催化某一化学反应的能力。

其大小可用在一定条件下,酶催化某一化学反应的速度来表示,酶催化反应速度愈大,酶活力愈高。

④酶活国际单位: 1961年国际酶学会议规定:在特定条件(25℃,其它为最适条件)下,每分钟内能转化1μmol底物或催化1μmol产物形成所需要的酶量为1个酶活力单位,即为国际单位(IU)。

⑤酶反应动力学:指主要研究酶反应速度规律及各种因素对酶反应速度影响的科学。

2.说说酶的研究简史酶的研究简史如下:(1)不清楚的应用:酿酒、造酱、制饴、治病等。

(2)酶学的产生:1777年,意大利物理学家 Spallanzani 的山鹰实验;1822年,美国外科医生Beaumont 研究食物在胃里的消化;19世纪30年代,德国科学家施旺获得胃蛋白酶。

1684年,比利时医生Helment提出ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素(酵素);1833年,法国化学家Payen和Person用酒精处理麦芽抽提液,得到淀粉酶;1878年,德国科学家K?hne提出enzyme—从活生物体中分离得到的酶,意思是“在酵母中”(希腊文)。

(3)酶学的迅速发展(理论研究):1926年,美国康乃尔大学的”独臂学者”萨姆纳博士从刀豆中提取出脲酶结晶,并证明具有蛋白质的性质;1930年,美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶,确立了酶的化学本质。

3.说说酶工程的发展概况I.酶工程发展如下:①1894年,日本的高峰让吉用米曲霉制备淀粉酶,酶技术走向商业化:②1908年,德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶,皮革软化及洗涤;③1911年,Wallerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶,用于啤酒的澄清;④1949年,用微生物液体深层培养法进行-淀粉酶的发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕;⑤1960年,法国科学家Jacob和Monod 提出的操纵子学说,阐明了酶生物合成的调节机制,通过酶的诱导和解除阻遏,可显著提高酶的产量;⑥1971年各国科学家开始使用“酶工程”这一名词。

09-核酶

09-核酶
(a) 单金属氢氧化物离子模型,(b)双金属离子模型,(c)HDV 核酶中胞嘧啶 单金属氢氧化物离子模型, 双金属离子模型 双金属离子模型, 充当一般碱进行催化的反应机理
二 发夹型核酶
发夹型核酶的二级结构模型
50个碱基的核酶和14个碱基的底物形成了发夹状的二级结构,包括4 50个碱基的核酶和14个碱基的底物形成了发夹状的二级结构,包括4个 个碱基的核酶和14个碱基的底物形成了发夹状的二级结构 螺旋和5个突环。螺旋3 在核酶内部形成,螺旋1(6碱基对) 2(4碱基对 1(6碱基对 碱基对) 螺旋和5个突环。螺旋3和4在核酶内部形成,螺旋1(6碱基对)和2(4碱基对) 由核酶与底物共同形成,实现了酶与底物的结合。 由核酶与底物共同形成,实现了酶与底物的结合。核酶的识别顺序是 (G/C/U)NGUC,其中N代表任何一种核苷酸,这个顺序位于螺旋1 (G/C/U)NGUC,其中N代表任何一种核苷酸,这个顺序位于螺旋1和2之 间的底物RNA链上,切割反应发生在N RNA链上 之间。 间的底物RNA链上,切割反应发生在N和G之间。
核酸酶
剪接型 核酸酶
1、剪切型核酶 、 ——催化自身或者异体 催化自身或者异体RNA的切 催化自身或者异体 的切 相当于核酸内切酶。 割,相当于核酸内切酶。 ——主要包括锤头型核酶,发夹 主要包括锤头型核酶, 主要包括锤头型核酶 型核酶,丁型肝炎病毒(HDV)核酶, 核酶, 型核酶,丁型肝炎病毒 核酶 以及有蛋白质参与协助完成催化 的RNaseP
R. Symons等在比较了一些植 等在比较了一些植 物类病毒、 物类病毒、抗病毒和卫星病毒 RNA自身剪切规律后提出锤头结 自身剪切规律后提出锤头结 构(hammerhead structure)状二 ) 级结构模型。 级结构模型。

核酶的发现、结构、功能

核酶的发现、结构、功能

Although the self-cleavage occurs at different sites in the ASBV molecule for the plus and minusry structures with high sequence homology can be drawn at each site
这篇论文中的结构有23个保守核苷酸碱基和3个螺 旋区
核酶锤头结构
13个保守核苷酸碱基和3个螺旋区
谢谢大家!
Abstract
The RNA moieties of ribonuclease P purified from both E. coli (M1 RNA) and B. subtilis (P-RNA) can cleave tRNA precursor molecules in buffers containing either 60 mM Mg2+ or 10 mM Mg2+ plus 1 mM spermidine. The RNA acts as a true catalyst under these conditions whereas the protein moieties of the enzymes alone show no catalytic activity.
核糖核苷酸P
Cell. 1983 Dec;35(3 Pt 2):849-57. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme. Guerrier-Takada C, Gardiner K, Marsh T, Pace N, Altman S.
核酶

核酸药物及制药技术

核酸药物及制药技术

靶向Livin反义核 酸诱导肝癌HepG2细胞凋亡并提高其对卡铂.doc
RNA干扰药物
RNA干扰(RNA interference,RNAi) 是一种由双链RNA诱导的基因表达调控和基因沉默的过程 ,其广泛存 在于从植物、无脊椎动物到哺乳动物的各种生物。 RNAi的作用原理 双链RNA诱导诱导RNAi的过程主要分为两个阶段: Ⅰ启动阶段 Ⅱ执行阶段
siRNA的设计和制备
siRNA的制备
实验室制法: 构建目标基因两侧分别带有噬菌
正义链 反义链 混合 Dicer酶加工
体外转录
体T7、SP6等启动子的表达质粒 双链RNA siRNA
siRNA的设计和制备
siRNA的设计 应选取对于疾病发生具有至关重要作用,而对细 胞的其他功能影响不大的保守基因作为目标基因,再根据目标基 因的序列设计siRNA
核酶(Ribozyme)
核酶不是普通的蛋白质酶,而是一类具催化活性的核酸分子,1980年 Cech在嗜热四膜虫中首先发现。
目前已知具有催化功能的RNA结构可以分为5种 1. 发卡状核酶
2.
3. 4. 5.
锤头状核酶
Ⅰ型内含子核酶 RNaseP核酶 丁型肝炎病毒核酶
天然锤头状核酶示意图
5′ 3′ 底物位点 G U U CCUGUCACCGGA G GGACA UGGCCU U U U A CU G A A G AG U C G 催化活性位点 A U G C G C A G UU
RNAi的作用原理
启动阶段 当细胞中由于感染等原因出现双链RNA分子时,细胞中一 种称为Dicer的核酸酶就会识别这些双链RNA,并将其降解成2123bp长的小干扰RNA(siRNA),单链siRNA与一些蛋白形成复合 体,构成“RNA诱导的沉默小体” (RNA-induced silencing complex,RISC) 执行阶段 当目标mRNA与RISC中的siRNA完全配对时, RISC就 会切割目标RNA,并由细胞中的核酸酶将其进一步降解,从而抑制目 标基因的表达

核酶的发现与应用

核酶的发现与应用

姓名:乔艳红学号:**********年级:2010级班级:一班学院:生命科学学院时间:2011年11月9日核酶的发现与应用一、核酶的发现1981年,Thomas Cech和他的同事在研究四膜虫的26S rRNA前体加工去除基因内含子时获得一个惊奇的发现∶内含子的切除反应发生在仅含有核苷酸和纯化的26S rRNA前体而不含有任何蛋白质催化剂的溶液中,可能的解释只能是:内含子切除是由26S rRNA前体自身催化的,而不是蛋白质。

为了证明这一发现,他们将编码26S rRNA前体DNA克隆到细菌中并且在无细胞系统中转录成26S rRNA前体分子。

结果发现这种人工制备的26S rRNA前体分子在没有任何蛋白质催化剂存在的情况下,切除了前体分子中的内含子。

这种现象称为自我剪接(self-splicing),这是人类第一次发现RNA具有催化化学反应的活性,具有这种催化活性的RNA称为核酶。

这一发现之后不久,在酵母和真菌的线粒体mRNA和tRNA前体加工、叶绿体的tRNA 和rRNA前体加工、某些细菌病毒的mRNA前体加工中都发现了自我剪接现象。

Thomas Cech 因发现了核酶而获得1989年诺贝尔化学奖。

核酶的发现在生命科学中具有重要意义,在进化上使我们有理由推测早期遗传信息和遗传信息功能体现者是一体的,只是在进化的某一进程中蛋白质和核酸分别执行不同的功能。

核酶的发现为临床的基因治疗提供了一种手段,具有重要的应用前景。

二、核酶的概念核酶一词用于描述具有催化活性的RNA, 即化学本质是核糖核酸(RNA), 却具有酶的催化功能。

核酶的作用底物可以是不同的分子, 有些作用底物就是同一RNA分子中的某些部位。

核酶的功能很多,有的能够切割RNA, 有的能够切割DNA, 有些还具有RNA 连接酶、磷酸酶等活性。

与蛋白质酶相比,核酶的催化效率较低,是一种较为原始的催化酶。

U pA G pU 5'3'5'外显子3'外显子内含子三、核酶的分类剪接型( splicing )核酶:这类核酶具有核酸内切酶和连接酶两种活性。

核酶治疗HIV感染的研究进展

核酶治疗HIV感染的研究进展

状 结构 核酶 。
1 核酶 的结构 1 1 锤 头状结 构 .

锤头 状 核酶 困其底 物结 合后 呈现
种 锤 头状 结 构 而 得 名 。 见图 1 锤 状 核 酶 长 约 。
3 0个 核苷酸 。该 酶可 分 为 3个部 分 , 间 足 以 单 链 中 形式存 在 的 保 守 核 苷 酸 和 螺旋 Ⅲ组 成 的 催 化 核 心。 锤头 状 桉 酶 催 化 中 心 序 列 为 5’ uG GA c Au Guc c c uGA GA GA 3 。 两 侧 的 螺 旋 1 3为 核 酶 的 侧 G c A’ / 翼序列 , 根据底 物 序 列 不 同而 灵 活调 整 , 碱 基 配 可 以 对的方 式 与靶 R A 结 合 , 而 决 定核酶 作 用 的 特 异 N 从 性 。核 酶通 过侧翼 序 列识 别 底 物 GUA位 电, 后 催 然 化核 心切 割底物 R 3 端 的 G NA ’ UA三联 体 。
王福祥 孙 永 涛
人 免 疫 缺 陷 病 毒 ( ma mmu o e c n y Hu n i n d f i e ie vrsHI 是 引起 艾 滋病 的病 原 。HI 分 类 J属 于 i , v) u V 二 逆 转录 病毒科 慢病 毒亚科 。HI 有两 种类 型 : v V HI 1 HI 和 V一2 。其 中 HI 1 引起全 球 艾滋 病 流 行 V 是 的主要 病原 , 因此 , 目前 关 于 HI 1的 防治研 究 主 V 要 针对 HI V一1进行 的 。近年 来, 人们联 合使用 HI V 1蛋 白酶抑 制剂 , 核苷 类逆 转 录 酶抑 制剂 和 非 核 苷 类 逆转 录酶 抑 制剂 治 疗 HI V一1感 染 并 取 得 了令 人 鼓 舞 的进展 。然 而, V一1 染 仍 旧是 整个 人类 所 HI 感 要 面临 的难题 , 且新 近 又 出现 了耐 抗 HI 感 染 药 并 V 物 的病毒 株。 这就 需要 人们 努 力 寻 找一 项 新 的 治疗 策略 以 治疗 这 种 耐 药 HI 1感 染 。2 V O世 纪 9 O年 代初 人 们 发 现 核 酶 可 以 有 效 地 在 细 胞 培 养 中抑 制 HI 1的 繁殖 , 那 时 起通 过 基 因 治 疗 策 略, 酶 V 从 核 治疗 HI 1 染逐渐 进入 人类 临床 阶段 。 V 感 核酶 (i zme 是 一类具 有催 化 活 性 的 R roy ) B NA分 子, 通过碱基 配对特异地 与相应 的 R 可 NA 底物 结 合 , 特 异地 切割 靶 R 可 NA序 列 , 形象 地 称为 “ 子 被 分 剪 刀” 它 在抗病 毒 , 肿瘤等 领域 有 广泛的 应用 。本 , 抗 文对 核酶 的结构 , 作用 机 理 及 核 酶 在抗 HI 感 染 方 V 面 的应用 作一综述 。 在 18 9 2年, eh T C c R从 四 膜虫 r NA 前 体 的 加 R 工研 究 中首 先 发 现 r N 前 体 有 自我 剪接 作 用 , R A 即 RN A本身 也 有 催 化 作 用 , 提 出 了 r o y 并 i zme一 词 。 b

内含子的比较

内含子的比较

核酶是一种金属离子依赖酶
金属离子的结作用: 特异的结构作用或参与活性部位的化学过程 促进RNA整体折叠 二价金属离子(Mg2+)与底物活性部位直接相
互作用或参与过渡中间复合物的产生
显子。
第三次转酯反应是线性内含子的环化,发生在已 切除的内含子片段中,内含子的3'-OH攻击其5'端附近的第15和第16核苷酸之间的磷酸二酯键, 从5'-端切除15nt的片段,并形成399nt的环状RNA。 环状RNA随即被切割生成线状RNA,由于切割 位置与环化位置相同,生成的线状RNA依然为 399nt。接着,再从5'-端切去4个核苷酸,最终产 物是395nt的线性RNA,由于这一产物比最初释 放的内含子少19个核苷酸,因而被称作L19。
structure); 3.内部引导顺序(Internal guide seguence
IGS); 4.剪接通过转酯反应(Transesterification).
8.5.2.1 II型内含子的特点
II型内含子主要存在于某些真核生物的线粒体和叶绿体rRNA 基因中,也具有催化功能,能够完成自我剪接.几乎所有的细 菌II型内含子能够编码逆转录酶,并可作为逆转录转座子,或 逆转录转座子的衍生物高频率插入特定区域,或低频率插入其 它区域。II型内含子是由内含子靠近3'-端的腺苷酸2'-羟基攻击 5'-磷酸基启动剪接过程,经过两次转酯反应连接两个外显子, 并切除形成套索结构的内含子(图8-17)。

在II型内含子剪接过程中,首 先由内含子靠近3'-端d6结构中 的分支点保守序列上A的2'OH向5'-剪接位点的磷酸二酯 键发动亲核攻击,形成外显子 1的3'-OH,内含子5'-端的磷酸 基与分支点A的2'-OH基形成2', 5'-磷酸二酯键,产生套索结构, 完成第一次转酯反应。接着, 外显子1的3'-OH亲核攻击3'-剪 接位点,切断3'-剪接位点的磷 酸二酯键,并形成外显子1与 外显子2之间的3', 5'-磷酸二酯 键,完成第二次转酯反应。经

酶工程选择题全部

酶工程选择题全部

第一章1.(C)证明了酶的本质是蛋白质A 施旺 B巴斯德 C 萨姆纳 D 芬恩 E 桑格2.1960年(A)提出操纵子学说。

A.Jacob和MonodB. Payen和PersonzC.Sumner和SangerD.Cech和Altmanard和Hans3.1个酶活力单位是指(B)A. 在特定条件(0℃,其它为最适条件)下,在1分钟内能转化1微摩尔底物的酶量B. 在特定条件(25℃,其它为最适条件)下,在1分钟内能转化1微摩尔底物的酶量C. 在特定条件(25℃,其它为最适条件)下,在1秒钟内能转化1微摩尔底物的酶量D. 在特定条件(25℃,其它为最适条件)下,在1分钟内能转化1摩尔底物的酶量E. 在特定条件(0℃,其它为最适条件)下,在1秒钟内能转化1摩尔底物的酶量4.酶促反映的初速度不受那个因素的影响(D)A.[S]B.[E]C.pHD.时间E.温度5.关于米氏方程常数Km,哪个是对的的(D)A.饱和底物浓度时的速度B.在一定酶的浓度下,最大速度的一半C.饱和底物浓度的一半D.速度达最大速度半数时的底物浓度E.减少一半速度时的克制剂浓度6.下面关于酶的描述,哪一项不对的?(A)A.所有的蛋白质都是酶B.酶是生物催化剂C.酶是在细胞内合成的,但是可以再细胞外发挥催化功能D.酶具有专一性E.酶在强碱、强酸条件下会失活7.下列哪一项不是Km值的功能(E)A.Km值是酶的特性物理常数,可用于鉴定不同的酶B.Km值可以表达酶与底物之间的亲和力,Km值越小、亲和力越大C.Km值可以预见系列反映中哪一步是限速反映D.用Km值可以选择酶的最适底物E.比较Km值可以估计不同酶促反映速度8.酶的活性中心是指(C)A.酶分子上的几个必须基团B.酶分子与底物结合的部位C.酶分子结合底物并发挥催化作用的关键性三维结构区D.酶分子中心部位的一种特殊结构E.酶分子催化底物变成产物的部位9.在一定温度范围内,反映速度随温度升高而加快,一般来说,温度每升高(D),反映速度大约增长一倍?A.1℃B.2℃C.5℃D.10℃E.15℃1.酶的催化特点(ABCD)A.极高的催化效率B.高度的专一性C.活性的可调节性D.活性的不稳定性E.活性的稳定性2.酶的专一性分为哪两个(BC)A.底物作用的专一性B.结构专一性C.立体异构专一性D.温度选择的专一性E.PH专一性3.酶的催化作用受哪些因素的影响?ABCDEA.底物浓度B.产物浓度C.酶浓度D.温度E.pH第四章1,下列关于酶应用过程中的一些缺陷错误的是(C)A酶的稳定性较差B酶的一次性使用C不溶于水,易于与底物、产物分离D产物的分离纯化较困难2,下列关于酶应用过程中的优点,错误的是(A):A;酶的自水解作用B可反复使用;C可连续化生产;D稳定性好。

核酶的应用研究进展

核酶的应用研究进展

酶性 R A 蝻 性 D A 膻 用 研究 N N
D A与 R A是生物细胞 中的信息分 子 , N N 包含着细 胞分 裂 、 增殖 和代谢所 必需 的信息 。蛋 白质 是 功能分
子 , 酶作 为 一 种 特 殊 的 蛋 白质 催 化 着 细 胞 内 的 生 理 而
组成 的单链 D A片 段 , N 能够 较 弱地水 解 R A磷 酸 二 N 酯键 。这些具有催 化功能的 D A分子称为酶性 D A, N N 又称脱 氧核 酶 ( exr oy e 。这 样 , 氧 核 酶作 为 doy bzm ) i 脱
酶 家 族 中 的一 个 成 员 也 被 正式 认 可 。 2 核 酶 的 结构 18 92年 , rgr 报 道 了在 没 有 蛋 白 质 存 在 的 条 Kue等 件 下 , 膜 虫 的 2 Sr N 的前 体 可 以 在 体 外 自我 剪 四 6 R A 接 , 所 含 的 I型 内 含 子 R A可 以催 化 核 酸 主链 上 的 它 N
生化 反应 。然而核酶的发现打破 了信息分 子和催化分 子的分工 。本文在简要 介绍核酶的发现 及结构 的基础
上 , 述 核酶 的应 用 研 究 。 综
1 核 酶 的发 现
具 有催化 功 能 的 R A称 为 酶性 R A, N N 又称 核酶
(i zm , z ; 有 催 化 功 能 的 D A 称 为 酶 性 D A, r oy e R ) 具 b N N 又称 脱 氧 核 酶 ( exr oy e D z , 者 统 称 核 酶 doyi zm , R ) 两 b
( u loy ) 。 n cezme [
磷酸二酯键 断裂和连接反应 , 被称为 I 内含 子核酶 。 型
I型内含 子核酶 的二级 结构呈现 出很高 的保守性 , 含

核酶在我国植物抗病毒领域的研究和应用现状

核酶在我国植物抗病毒领域的研究和应用现状
刘萍 , 喜涛 , 建广 , 峰 , 祁 胡 2丁义 常云霞 , 德果 , 乐 韩 赵
(. 1 河南师范大学生命科学学院, 河南新 乡 430;. 5 72广东省农业科学院作物研究所 , 0 广东广州 504) 1 0 6
摘要 简要介绍 了锤 头型和发 夹型核 酶 的结构 、 能及 催化机 制 , 我 国利 用核 酶抗 植物病 毒病 害方面的研 究和应 用现状 作一概 述。 功 并对 关键词 锤 头型核 酶 ; 夹型核酶 ; 物病毒病 发 植 中 图分类 号 ¥3 . 421 文献标 识码 A 文章编号 01 — 6 1 061 — 90 0 57 61( 0) 24 — 4 2 3
S u y a d ple t n fRio y e0 ln tvm si 1 t d n At i ai o o b zm n P a tAn ii n a i 瑚
L U P l e a ( o ee f i i c , ea o a U i r t, n ̄ , ea 30 ) I i t l C lg f S e e H nnN r l n e i X x l g l oLe c n m v sy a H nn 51 7 4 3
最佳活 性 ; 是 , 但 拥有长 sm Ⅲ和短 s 工 t e t 比拥 有长 s m工 m e t 和 e
短 s m Ⅲ活性 好 【_ t e l。 2 .
酶 、SNu s m Vr dsei h ̄ ) V ( e o o a u tl ro rp k a le i t 核酶和肝炎 8 病毒 ( V 核酶【。根据分子大小将它们分为 2 : 皿 ) 3 J 类 ①大分子核
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安徽农业科学. u a 0 A hi . c. 0 . ( ) 9 — 93 J r lf nu A Si O63 1 - 4 2 o n 2 4 3' 0 4 2

核酶 (英文及中文) 最终成稿

核酶 (英文及中文) 最终成稿

RibozymeRibozyme 核酶(Catalytic RNA molecule)制作:cz120620081.1.What is a Ribozyme?What is a Ribozyme? Ribozymes are true enzymes.. Ribozymes are true enzymesA ribozyme is an RNA molecule(分子) that is capable(能力)of catalyzing (催化)a chemical reaction.NOT PROTEIN(蛋白)discovered First Ribozyme discovered First Ribozyme上世纪80年代,美国科罗拉多大学博尔德分校的Thomas Cech(The intron inTetrahemena isthe pre-rRNA of Tetrahemena isThe intron in the pre-rRNA ofSidnery Altan n(The M1 self-spliced)和美国耶鲁大学的Sidnery Altain ribonuclease P is catalytic)各自独立地发现RNA具有RNA in ribonucleaseRNA生物催化功能.从而改变了生物催比剂的传统概念。

1989 Nobel PrizeIn ChemistrySid Altman Tom CechI型内含子剪接型核酶II型内含子 锤头核酶剪切型核酶发夹核酶 自体催化 丁型肝炎病毒(HDV)核酶 RNaseP RNaseP 异体催化 2.核酶的分类通过既剪又接的方式除去内含子(Intron)自身催化的反应是只切不接。

异体催化能剪切所tRNA前体的5‘端How many ribozyme ?the hammerhead ribozyme (plant virus)the hammerhead ribozyme (plant virus)锤头状核酶(来源:植物病毒)- the hairpin ribozyme (plan virus)- the hairpin ribozyme (plan virus)发夹状核酶- hepatitis delta ribozyme (human virus)- hepatitis delta ribozyme (human virus)丁型肝炎核酶(来源:人类病毒)- neurospora VS ribozyme (mitochondrial RNA)- neurospora VS ribozyme (mitochondrial RNA)孢VS核酶(来源:线粒体RNA)- group I and group II intron ribozyme (rRNA and mt RNA)- group I and group II intron ribozyme (rRNA and mt RNA) 内含子I和II核酶(来源:rRNA和MT RNA)- RNAse P (tRNA maturation)核糖核酸酶P(来源:tRNA的成熟)- Ribosome (translation)核糖体(翻译)- Spliceosome (splicing)剪接(拼接)Ribozym Ribozym Sequenced Sequenced Sequenced Size (nt) Size (nt) Size (nt) Activity Activity Activity SourceSource (核酶) (测序) (大小) (功能) (来源)Group I intron >1>1’’500 210 self-splicing via 3self-splicing via 3self-splicing via 3’’-OH -OH eukayotic pre-mRNA,eukayotic pre-mRNA, of G; transesterificationof G; transesterification organelles, few bacteria Group II intron >700 500 self-splicing via 3 self-splicing via 3’’-OH organelles, few prokaryotes organelles, few prokaryotesof A; transesterificationof A; transesterification Hammerhead 11 40 self-cleavage via self-cleavage via plant virusesplant viruses Hepatitis delta virus Hepatitis delta virus 2 90 transesterification hepatitis B virus hepatitis B virus hepatitis B virus (RNAgen.)(RNAgen.)Hairpin 1 70 (2 70 (2’’,3,3’’-cyclic phosphate) satellite RNA of plant virussatellite RNA of plant virus RNAse P >500 >500 300 300 pre-tRNA processing pre-tRNA processing pre-tRNA processing prokaryotes and organelles prokaryotes and organelles prokaryotes and organellesvia hydrolysis (3via hydrolysis (3via hydrolysis (3’’-OH) of eukaryotes of eukaryotes of eukaryotesSpliceosomepre-mRNA splicing via eukaryotic pre-mRNAs (U2 + U6 snRNAs) (U2 + U6 snRNAs) 70; 5070; 50 180; 100 ransesterification (3 180; 100 ransesterification (3’’OH)Ribosome Ribosome >900>900 2 2’’600 peptidyl transfer (amide) prokaryotes and eukaryotes (23S rRNA)(23S rRNA)Naturally occurring ribozymes and ribonucleoprotein enzymes (2002)peptidyl transfer (amide)转移肽(酰胺) self-splicing 自我剪接self-cleavage self-cleavage 自我裂解 22’,3,3’’-cyclic phosphate -cyclic phosphate 2',3' -环磷酸 transesterification transesterification 酯交换 prokaryotes and eukaryotes prokaryotes and eukaryotes prokaryotes and eukaryotes原核生物和真核生物 pre-tRNA processing via hydrolysis (3pre-tRNA processing via hydrolysis (3’’-OH)处理经水解的前氨酰- tRNA (3' - OH )天然核酶及核糖酶3.结构(Structure )As with proteins, we consider...Primary:GGCCGAACUGGUA一级Secondary二级:Tertiary三级:3.1 3.1 Primary StructurePrimary Structure 一级结构Limited to ribonucleotides 核苷酸 (base 碱基 + ribose 核糖 + phosphate 磷酸):Common Bases:常见碱基Uncommon Bases:罕见碱基N N N N O N N N NN NN N O N N N OO A G C UN N O O N NN N O Pseudouridine假尿苷Inosine 肌苷 etc...3.2 3.2 Secondary Structure Secondary Structure (二级结构)Watson-Crick Base Pairing 沃森-克里克碱基配对Helix Formation 螺旋形成B-DNA RNARNA usually assumesA-form helices A-form helices……DNA 常常假设A-型螺旋Small pore along helical axis 沿螺旋轴形成个小孔“Rungs Rungs”” stack obliquely to axis 阶梯式的斜上升的中心轴A-DNA3′5′-5BVC U GYGG A A-5BVI10GAAACCUUAAHA403050202-2 发卡型核酶二级结构Secondary Structure (二级结构)Conserved base-pairing interactions result in...保守的碱基配对相互作用的导致:• Three Three ““stem stem”” regions 三个结构域• Uridine-containing turn旋转而封闭的尿苷• AnAn ““augmenting helix augmenting helix”” joining stems II and III结构域II 与 III 连接形成的增强螺旋结构vs.Ribozyme vs.vs. tRNA Phe 核酶 苯丙氨酸tRNAfolding折叠The hammerhead ribozyme (锤头状核酶) - discovered in small RNA satellites of small viruses (1986)是小病毒携带的小的RNA- replication by rolling circle mechanism通过不断循环机制进行复制折叠Secondary structureRNAse P(核糖核酸酶P) is ais a ribozyme RNAse P cleaves the 5’’ end of pre-RNAse P cleaves the 5tRNAs(核糖核酸酶P切割5'前体tRNA的末段)It is composed of 12 kDa P protein and about 400 nt long RNA(它是由12 kDa蛋白质和长约400元的RNA组成)The catalytic activity lies entirely within RNA part(催化活性中心位于RNA上)is a ribozyme RNAse P(核糖核酸酶P) is aEnzyme is efficient without P protein but in high salt conditions(在高的盐条件,酶在没有P蛋白时还是有活性的)P protein or high salt is thought to screen the repulsive electrostatic interactions between RNAse P RNA and substrate pre-tRNA(P 蛋白质或高盐被认为是核糖核酸酶P RNA 与前体tRNA表面之间静电排斥反应的屏障。

核酶

核酶

Sidney Altman
奥尔特曼(S.Altman) 奥尔特曼(S.Altman)(1939-) 美国 人,因发现RNA的生物催化作用而获 奖. 1978年和1981年奥尔特曼与切赫分 别发现了核糖核酸(RNA)自身具有的 生物催化作用,这项研究不仅为探索 RNA的复制能力提供了线索,而且说 明了最早的生命物质是同时具有生物 催化功能和遗传功能的RNA,打破了 蛋白质是生物起源的定论。
核酶的发现: T.Cech的工作 核酶的发现: T.Cech的工作
T.Cech的重要发现开始于1982年 T.Cech的重要发现开始于1982年 研究目的:细胞中DNA转录成r 研究目的:细胞中DNA转录成rRNA 后,rRNA中一些无意义的序列,或 后,rRNA中一些无意义的序列,或 “内含子”(intron),如何从RNA 内含子” intron),如何从RNA 分子中剪切下来的。根据过去传统 分子中剪切下来的。根据过去传统 的概念,这一过程必须要有蛋白质 酶来完成。
T.Cech的工作 T.Cech的工作
研究对象:原生动物四膜虫(Tetrahymena 研究对象:原生动物四膜虫(Tetrahymena Thermophila):含有一种RNA,其组成中除 Thermophila):含有一种RNA,其组成中除 了核糖体RNA外还有一个由413个核苷酸组 了核糖体RNA外还有一个由413个核苷酸组 成的插入序列(interveningsequenc,IVS)。 成的插入序列(interveningsequenc,IVS)。 研究发现:转录产物rRNA前体很不稳定, 研究发现:转录产物rRNA前体很不稳定, 在鸟苷和Mg 存在下切除自身的413个核苷 在鸟苷和Mg2+存在下切除自身的413个核苷 酸的内含子(IVS),使两个外显子拼接起 酸的内含子(IVS),使两个外显子拼接起 来,变成成熟的rRNA分子。催化反应是在 来,变成成熟的rRNA分子。催化反应是在 没有任何蛋白质酶的存在下发生的,称为自 我剪接。

内含子的比较

内含子的比较

II型内含子主要的转座事件是归巢(homing),归巢的实质是 以内含子RNA作为模板,将逆转录合成的DNA插入靶位点。 逆转录反应由与RNA内含子结合的RT催化,属于靶位点为 引物的逆转录(target-primed reverse transcription)。如图8-20 所示,归巢反应开始于双链DNA外显子连接点上RNA内含子 在靶位点的反拼接(reverse splicing)插入,这一步由RNA催化, RT协助,相当于由成熟酶协助的拼接反应的逆反应。随后, RT的En结构域在下游9 bp~10 bp的位置切开DNA的另一条 链,再由RT催化,以被切开的DNA链作为引物进行逆转录 反应。最后,通过DNA的修复合成和连接完成内含子的插入 过程。
核酶是一种金属离子依赖酶
金属离子的结作用: 特异的结构作用或参与活性部位的化学过程 促进RNA整体折叠 二价金属离子(Mg2+)与底物活性部位直接相 互作用或参与过渡中间复合物的产生
I型内含子与II型内含子都能够完成自我剪接, 不像III型内含子那样需要结构复杂的剪接体。 正因为如此,I型内含子与II型内含子剪接的 效率和调控远远比不上III型内含子。I型内含 子的剪接反应使用外源鸟苷酸或鸟苷,II型内 含子的转酯反应无需游离鸟苷酸或鸟苷的启 动,由内含子内部的腺苷酸引起,也许II型内 含子剪接的效率和精确度比I型内含子更好一 些。
8.6.1 核酶的发现 1982年Cech等研究原生动 物嗜热四膜虫rRNA的转录 后加工,发现rRNA的前体 可以在鸟苷与镁离子存在下 切除自身的内含子,将两个 外显子拼接为成熟的rRNA 分子,该反应不需要任何蛋 白质类型的酶参与,因此 Cech认为该rRNA前体具有 催化功能,并将其命名为核 酶(ribozyme). Cech和Altman因发现 Ribozyme而获得1989年度诺 贝尔化学奖。

Sirt1基因的研究进展

Sirt1基因的研究进展

Sirt1基因的研究进展Sirtuin 1(Sirt1)是一种存在于真核生物中的NAD+依赖性脱乙酰酶,它在许多生物过程中发挥重要作用,包括能量代谢、细胞凋亡和衰老等。

近年来,Sirt1基因的研究取得了很大进展,特别是在衰老、疾病发生发展方面。

本文将综述Sirt1基因的研究现状、研究方法、研究成果以及未来研究方向。

Sirt1基因位于染色体10q31,全长195 kb,包含19个外显子和18个内含子。

Sirt1在多种组织中表达,如大脑、心脏、肝脏和骨骼肌等。

其表达受到多种因子的调控,如营养物质、应激和激素等。

Sirt1具有多种生物学功能,如调节细胞周期、抗炎、抗氧化和抗凋亡等。

研究Sirt1基因的方法主要包括传统文献调研、实验设计和数据收集及处理等。

文献调研可以帮助研究者了解Sirt1基因的背景、研究现状及未来研究方向。

实验设计包括细胞实验、动物实验和人类临床试验等,旨在探讨Sirt1基因在各种生物过程中的作用及其机制。

数据收集和处理包括统计和分析实验结果,以阐明Sirt1基因与各种疾病之间的关系。

在神经科学方面,Sirt1基因通过调节神经元凋亡和突触可塑性参与认知和记忆功能。

在心血管疾病方面,Sirt1基因通过调节心肌细胞凋亡和自噬,抑制动脉粥样硬化的发展。

在糖尿病方面,Sirt1基因通过调节胰岛素分泌和敏感性,改善血糖控制。

在炎症反应方面,Sirt1基因通过抑制NF-kB和MAPK信号通路,减轻炎症反应。

Sirt1基因在衰老和疾病发生发展过程中发挥重要作用。

然而,关于Sirt1基因的研究仍存在许多不足之处。

未来研究方向应包括深入研究Sirt1基因的上游调控机制、探究Sirt1基因在不同组织中的功能差异以及开展针对Sirt1基因的药物研发和临床试验等。

加强跨学科合作,整合多学科资源,将有助于推动Sirt1基因的研究进展。

白桦脂酸通过SIRT1-FoxO1信号通路抑制自噬改善脑缺血再灌注损伤机制的研究脑缺血再灌注损伤(CIRI)是一种常见的神经性疾病,其机制十分复杂,涉及多个因素和信号通路。

一型内含子与二型内含子自我剪接机制

一型内含子与二型内含子自我剪接机制

一型内含子与二型内含子自我剪接机制内含子(intron)是指在RNA转录后的剪接过程中被切除的一段非编码片段。

内含子剪接是指在RNA转录后,内含子被切除,从而形成成熟的mRNA。

内含子剪接可以分为一型内含子与二型内含子两种类型,它们分别具有不同的自我剪接机制。

本文将对这两种内含子剪接机制进行详细介绍,并探讨它们在生物学中的重要意义。

一、一型内含子自我剪接机制一型内含子通常存在于真核生物的tRNA和原核生物的RNA中,它们通常由两个特征性序列组成:5'内含子末端剪接位点和3'内含子末端剪接位点。

在一型内含子的自我剪接机制中,内含子本身具有催化活性,可以在没有外源酶的情况下进行切割和连接操作。

一型内含子自我剪接是通过特异的RNA二级结构进行的,它通常包括两个特征性结构:延伸环结构和内部嵌套结构。

通过这两个结构的相互作用,一型内含子可以进行自我剪接,形成成熟的RNA。

二、二型内含子自我剪接机制二型内含子与一型内含子不同,它们通常存在于植物类生物和原核生物的RNA中。

二型内含子具有更为复杂的自我剪接机制,它包括多个辅助因子的参与,如RNA辅助蛋白和异烯腺甙。

在二型内含子的自我剪接机制中,内含子本身并不具有催化活性,而是依赖于辅助因子的协助才能完成剪接过程。

二型内含子的自我剪接机制通常涉及到较为复杂的RNA-RNA相互作用和RNA-蛋白相互作用,通过这些相互作用,内含子得以进行自我剪接。

三、内含子自我剪接在生物学中的意义内含子自我剪接机制在生物学中具有重要的意义。

它是维持生物体正常生长发育的重要机制之一。

内含子剪接可以调控基因的表达,影响蛋白质的合成,从而影响细胞的功能和特性。

内含子自我剪接机制还参与了细胞的信号传导和调控过程,对细胞的代谢和分化起着重要的作用。

内含子自我剪接机制还在生物体抗逆性和适应性中发挥作用,帮助生物体适应外界环境的变化和压力。

一型内含子与二型内含子自我剪接机制是RNA剪接过程中重要的机制,它们分别具有不同的特征和自我剪接机制。

基因治疗新药核酶的研究进展

基因治疗新药核酶的研究进展

基因治疗新药核酶的研究进展核酶(ribozyme)是一类具有催化活性的RNA分子,可通过碱基配对特异性地与相应的RNA底物结合,在特定的位点切割底物RNA分子,是一类很有希望的基因功能阻断剂,被形象地称为“分子剪刀”.它在抗病毒、抗肿瘤等领域的应用已有较深入的探讨迄今所发现的核酶主要有Ⅰ类内含子、Ⅱ类内含子、RNA酶P的RNA亚基、锤头状核酶(hammerhead ribozyme)、发夹状核酶(hairpin ribozyme)及丁型肝炎病毒核酶(hepatitis dvirus ribozyme,HDV ribozyme)等.核酶结构主要分为锤头状结构、发夹状结构和假结样结构(pseudoknot structure)三类.目前用于基因治疗的主要是锤头状核酶和发夹状核酶.与反义寡核苷酸等相比,核酶作为基因治疗新药具有如下优点:1)一个核酶分子可切割多个病毒核酸分子.2)其作用是切断,不是单纯抑制,停药后复发的可能性小.3)与底物通过碱基配对结合,因而有较好的特异性.4)针对多个靶位设计串状排列的核酶,可提高切割效率,减少变异病毒逃逸的机会.5)兼具反义抑制效果〔1〕. 人工设计核酶来特异切割病毒RNA,如人类免疫缺陷病毒Ⅰ型(human immunodeficiency virus type Ⅰ,HIV-Ⅰ)、肝炎病毒等,或切割肿瘤细胞mRNA的实验研究已取得一定成功,有的甚至已开始临床试用.在治疗遗传性疾病及研究发育生物学时,核酶也显示出广阔的应用前景.核酶抗肝炎病毒的研究当前治疗病毒性肝炎的药物包括干扰素在内,效果均不理想.反义寡核苷技术、核酶技术等基因治疗被认为是有希望的抗肝炎病毒措施.目前人们已进行了核酶抗甲型肝炎病毒(Hepatitis A virus,HA V)、乙型肝炎病毒(Hepatitis B virus,HBV)、丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus,HCV)以及HDV作用的研究.目前设计的核酶多为锤头状结构,少部分是采用发夹状核酶,大多数研究是在体外无细胞系中进行,但已证实核酶也可在细胞内发挥切割活性〔5〕.抗HA V核酶HA V感染呈急性过程,感染后多能顺利康复并获得持久保护性免疫,甲肝疫苗的预防效果也较好,所以抗HA V核酶的研究不多.针对HA V-RNA第599nt后的位点、两侧底物结合区各长8nt的锤头状核酶A-1,可将123nt长的底物(含HA V-RNA第533-633nt)切割成49nt和74nt两部分.靶位在HA V-RNA第796nt等后的核酶A-2能将长443nt的底物(含HA V-RNA第533-953nt)切割成157nt和286nt两部分.用两种核酶同时切割长433nt的底物,得到49nt、157nt、237nt、286nt、394nt 5个片段,故串联排列的核酶可更有效杀伤HAV〔6〕. HBV pgRNA中含有一加帽信号ε(encapsidation singal,ε),高度保守,对pgRNA的包装和逆转录十分重要.Beck等体外转录出含ε序列的长约170nt的底物,以pgRNA第3136-38ntGUC 三体后的磷酸二酯键为靶位,设计4组锤头状核酶,在合适条件下,可切割60%~90%以上底物.进一步将Rz与ε共转染到HuH7细胞上,发现在细胞内Rz活性明显降低;而细胞溶解并用蛋白酶K消化和酚抽提后,又观察到明显的切割效应.此现象产生的确切原因尚不清楚,紫外交联(UV-cross-linking)实验提示细胞内某种蛋白质可与ε结合,妨碍核酶活性的发挥〔。

酶工程的研究进展简述

酶工程的研究进展简述

2001年6月韶关学院学报(自然科学版)J un.2001第22卷 第6期Journal of Shaoguan University(Natural Science)Vol.22 No.6酶工程的研究进展简述郑 成(广州大学生物与化工学院,广东广州,510091)摘要:简述了酶工程的最新研究进展,其中包括人工合成酶和模拟酶,核酸酶与抗体酶,非水系酶,以及极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种等.关键词:酶;酶工程;进展中图分类号:Q55 文献标识码:A 文章编号:1007-5348(2001)06-0039-06酶工程是研究酶的生产和应用的一门新兴学科,它的应用范围已遍及工业、农业、医药卫生行业、环保、能源开发和生命科学等各个方面.作为工业应用来说,主要目的就是利用酶的催化作用,在较为温和的条件下,如低温、低压等,就可高效地将反应物转化为产物.但目前工业上直接利用酶制剂时还存在一些缺点,如稳定性差、使用效率低,不能在有机溶剂中使用,寿命不长等,造成了使用酶的成本升高.世界上围绕着解决这些问题开展了大量的研究.本文通过查阅大量资料,对酶工程的研究发展进行简述.1 人工合成酶和模拟酶[1~2]人工合成酶在结构上具有两个特殊部位,一个是底物结合位点,一个是催化位点.业已发现,构建底物结合位点比较容易,而构建催化位点比较困难.2个位点可以分开设计.但是已经发现,如果人工合成酶有一个反应过渡态的结合位点,则该位点常常会同时具有结合位点和催化位点的功能.人工合成酶通常也遵循Michaelis2Menten方程.例如.高分子聚合物聚-4-乙烯基吡啶-烷化物,具有糜蛋白酶的功能,含辅基或不含辅基的高分子聚合物,具有氧化还原酶、参与光合作用的酶和各种水解酶等功能.在模拟酶方面,固氮酶的模拟最令人瞩目.人们从天然固氮酶由铁蛋白和铁钼蛋白2种成分组成得到启发,提出了多种固氮酶模型.如过渡金属(铁、钴、镍等)的氮络合物,过渡金属(钒、钛等)的氮化物,石墨络合物,过渡金属的氨基酸络合物等.此外,利用铜、铁、钴等金属络合物,可以模拟过氧化氢酶等.近来,国际上已发展起一种分子压印(molecular i m pri nti ng)技术,又称为生物压印(bioi m pri nti ng)技术.该技术可以借助模板在高分子物质上形成特异的识别位点和催化位点.目前,此项技术已经获得广泛的应用.例如,模拟酶可以用于催化反应,分子压印的聚合物可用作生物传感器的识别单元等.2 核酸酶和抗体酶[3~5]近年来,人们发现除去蛋白质具有酶的催化功能以外,RNA和DAN也具用催化功能.1982年Cech发现四膜虫的26SrNAD的前体,在没有蛋白质存在的情况下,能够进收稿日期:2000-12-05作者简介:郑成(1955-),广东遂溪人,广州大学轻化系教授,博士生,主要从事酶生物工程与化学工程方面的研究与教学工作.行内含子的自我剪接,形成成熟的rRNA ,证明RNA 分子具有催化功能,并将其称为核酸酶(ridozyme ,有人译为核酶).1995年Cuenoud 又发现某些DNA 分子也具有催化功能.这就改变了只有蛋白质才具有催化功能的传统观念,也为先有核酸,后有蛋白质提供了进化的证据.进一步的研究发现核酸酶的一种多功能的生物催化剂,不仅可以作用于RNA 和DNA ,而且还可以作用于多糖、氨基酸酯等底物.核酸酶还可以同时具用信使编码功能和催化功能,实现遗传信息的复制、转录和翻译,是生命化过程中最简单、最经济、最原始的、催化核酸自身复制和加工的方式.核酸酶具有核酸序列的高度特异性.这种特异性使核酸酶具有很大的应用价值.只要知道某种核酸酶的核苷酸序列,就可以设计合成催化其自我切割和断裂的核酸组成.根据这些基因组的全部序列,就可设计并合成出防治有这些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶,如能够防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病等.核酸酶也可以用来治疗某些遗传病和癌病.核酸酶还可以用作研究核酸图谱和基因表达的工具.一般说来,人工合成的模拟酶与天然酶的催化效率相差较大,而且,反应类型大都为水解反应.人们从酶与底物过渡态中间物紧密结合是酶催化过程中的关键一步得到启发,联想到抗原引起生物内抗体的合成,以及抗原和抗体紧密结合,进而考虑利用抗原抗体相互作用的原理来模拟酶的催化作用.人们设想以一些底物过渡态中间物的类似物作为半抗原,诱导合成与其构象互补的相应的抗体,试图得到能够催化上述物质进行活性反应的酶.1986年这种努力在实验室里获得了成功,为人工合成酶和模拟酶,开创了一条崭新的途径.人们将这种具有催化活性的抗体称为抗体酶(abz yme )又称催化抗体(catalytic antibody ).抗体酶在本质上是免疫球蛋白,人们在其易变区赋予了酶的催化活性.抗体是目前已知的最大的多样性体系,原始抗体大家族有1×108个结合部位,体细胞变异学可以增加1×104个结合部位.抗体有极高的亲和力,解离常数为10-4~10-14mol/L ,其与抗原结合的结合部位与酶的结合部位相似,但无催化活性.制备抗体酶的方法主要有诱导法、拷贝法、插入法、化学修饰法和基因工程法.抗体酶的催化效率远比模拟酶高.同时,从原理上讲,只要能找到合适的过渡态类似物,几科可以为任何化学反应提供全新的蛋白质催化剂———抗体酶.目前抗体酶催化的反应、闭环反应,还能催化合成反应、交换反应、闭环反应、异构化反应、氧化还原反应等.此外,与模拟酶相比,抗体酶已经用于酶作用机理的研究,手性药物的合成和拆分,抗癌药物的制备.目前人们正致力于进一步提高抗体酶的催化效率,期望在深入了解酶的作用机理,以及抗体和酶的结构和功能的基础上,能够真正按照人们的意愿,构建出具有特定催化活性和专一性的、催化效率高的、能满足各种用途需要的抗体酶.3 非水系酶[6~7]酶反应通常在水为介质的系统中进行.但是,酶反应也能在非水系统内进行.1984年以来,美国麻省理工学院以Zaks 和K libanov 教授为首的研究小组,一直从事非水系统内酶反应的研究,取得了引人注目的成果,并由此产生了一个全新的分支学科———非水酶学.他们发现这类反应具有如下特点:(1)绝大多数有机化合物在非水系统内溶解度很高;(2)根据热力学原理,一些在水中不可能进行的反应,有可能在非水系统中进行;・04・韶关学院学报(自然科学版)2001年(3)与水中相比,非水系统内酶的稳定性比较高;(4)从非水系统内回收反应产物比水中容易;(5)在非水系统内酶很容易回收和反复使用,不需要进行固定化.实验结果证明,在几乎没有水的系统内,仍可进行各种酶反应.例如,在含有013mol/L 丁酸和013mol/L 庚醇的已烷中,可以进行脂及酶催化的酯化反应,2h 后酯化率达90%以上.如果在水中进行酯化反应,酯化率为011%以下.此外,在非水系统内,还能进行酶催化的酰胺水解、酰基交换、硫酸根交换和肟水解等反应.众所周知,酶不能改变反应的平衡常数(K eq ).但是,利用水-有机溶剂两相系统,可以引起实践上很有用的“表现”K eq 很大的改变.前已述及,在非水系统内酶的稳定性提高.水溶性更高、亲水性更强的酶的稳定性,似乎取决于微环境内存在水的薄层,大约几个水分子厚.水的数量非常微小.每个酶分子需要50~500个水分子.酶也可以在几乎完全无水的状态下起催化作用.在这样微小的、不含游离氢离子的环境中的p H ,是无法直接测量和控制的.然而,酶有一种“记忆”功能.当酶从水溶液中向有机溶剂中转移时,似乎能够“记住”,即保留住它最后所处环境中的p H ,以及在该p H 的功能.如果酶结合的水被除去,或被易于与水混溶的有机溶剂稀释,则酶一般会失去活性.但是,在不发生失活的条件下,只要有极微量的水以及与之有关的水的活度的降低,会大大降低酶热失活的速度.这一现象可以用于绝大多数酶.例如,猪胰脏脂肪酶在含有0102%水的三丁酸甘油酯内,100℃时的半衰期为12h ;当水分为018%时,凌晨衰期下降到12min.而在100%的水中,酶将立即失活.此外,在水-有机溶剂两相系统内,水的冰点下降,这样,就可以在非常低的温度下,使用对热特别不稳定的酶.降低水的活度可以使酶分子更具有刚性,这就可能影响到酶的K m 和V max .在极端情况下,可能引起酶的催化功能的改变.以往,人们都是从酶的最适p H 的水溶液中回收酶.然后,将其研磨成粉末.再分散在合适的有机溶剂中,制成酶的悬浮液,以便在水-有机溶剂两相系统中进行酶的催化反应.近来K libanov 为首的研究组又探索出一种新方法,可以使酶溶解而不是悬浮在有机溶剂中.而且,找到很多能够溶解酶有机溶剂,并阐明了导致有机溶剂中较高蛋白质浓度的规律.由此,可以进一步研究溶解在有机溶剂中的天然酶的结构和催化特性.因而,必将大大拓宽酶在非水系统中的应用范围.近来,核磁共振、x -射线衍射和傅立叶变换红外光谱的研究表明,在非水相中,酶分子结构中α-螺旋含量减少,β-折叠含量增加,二级结构的有序性增加,因而,提高了酶的稳定性.目前,非水系统中酶的催化作用已广泛地用于药物、生物大分子、肽类、手性化合物化学中间体和非天然产物等有机合成,引起人们的极大的关注.4 极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种[8~9]自然界蕴藏着巨大的微生物资源.据测算,1g 土壤中含有1×108个微生物.美国华盛顿大学的James Staley 教授说过:“未知的微生物世界或许是地球上最大的未开发的自然资源,能够利用这个微生物资源的国家,势必会取得技术上的优势.”自Kuhne 从希腊语借用“酶”(“en -zyme ”)一词以来,随着研究工作的深入,酶的种类在不断增加.迄今为止,还不知道自然界究竟有多少种酶.同样,也不清楚,每个细胞内究竟有多少种酶.有人估计,大肠杆菌(Escherichia coli )细胞中有3000种蛋白质,而真核细胞・14・第6期郑 成:酶工程的研究进展简述中有50000种蛋白质.这些蛋白质中的大多数是酶.如果估计可靠,酶的种类将达到几万种.近来,人们从生产实践的需要出发,非常重视开发新的酶种.迄今为止,人们对极端环境微生物(ex2t remophiles)和不可培养微生物(uncult urable m icroorganisms)的研究还很不够.这2个资源宝库值得人们好好开发.人们首先注意从极端环境条件下生长的微生物内筛选新的酶种.其中主要研究嗜热微生物(thermophiles)、嗜冷微生物(psy2chrophiles)、嗜盐微生物(halophiles)、嗜酸微生物(aci dophiles)、嗜碱微生物(alkalophiles)、嗜压微生物(barophiles)等.目前,人们已经发现能够在250~350℃条件下生长的嗜热微生物,能够在-10~0℃条件下生长的嗜碱微生物,能够在p H215条件下生长的嗜酸微生物,能够在p H11条件下生长的嗜碱微生物,能够在饱和食盐溶液(含盐32%或512mol/L)中生长的嗜盐微生物,能够在1101×105kPa 条件下生长的嗜压微生物,以及在高温(105℃)和高压(41053×107Pa)条件下生长的嗜热嗜压微生物等.这就为新酶种和酶的新功能的开发,提供了广阔的空间.其中人们对嗜热嗜压微生物的研究最多,大量专著不断涌现.耐高温的α-淀粉酶和DNA聚合酶等已获得广泛的应用.所谓不可培养微生物是指在实验室内,采用常规培养方法培养不出的微生物.而这类微生物竟约占全部微生物的99%!今天,我们完全可以绕开菌种分离、纯化的步骤,应用最新分子生物学方法,直接从这类微生物中,探索、寻找有开发价值的、新的微生物基因和新的酶种.5 酶的修饰[10~11]酶有稳定性差、活力不够理想及具有抗原性等缺点,这些不足使酶的应用受到限制,为此常需对酶进行适当再修饰加工,以改善酶的性能.酶的修饰可分为化学修饰和选择性遗传修饰两类.511 酶的化学修饰对自然酶的化学结构进行修饰以改善酶的性能的方法很多,现举例说明如下.例如,α-淀粉酶一般有Ca2+、Mg2+、Zn2+等金属离子,属于杂离子型,若通过离子置换法将其他离子都换成Ca2+,则酶的活性提高3倍,稳定性也大大增加;胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖酐结合,酶的空间结构发生某些细微改变,使其催化活力提高4倍;抗白血病药物天冬酰的游离氨作用、酰化反应进行修饰后,该酶在血浆中的稳定性得到很大的提高.表1 酶性质随着经定点突变而改变酶修饰修饰部位原氨基酸残基→新氨基酸残基酶性质的改变酷氨酰-TRNA合成酶5151苏→丙苏→脯对底物ATP的新合力提高100倍B-内酰胺酶70~71丝.苏→苏.丝完全失活70~71苏.丝→丝.丝恢复活性二氢叶酸还原酶27天冬→天胺活性降低为正常酶的011%・24・韶关学院学报(自然科学版)2001年512 酶的选择性遗传修饰这是在弄清酶的一级结构和空间结构的基础上,设计出选择性遗传性修饰位点.上表列出了几种经定点突变后,酶性质发生改变的例子.通过基因突变技术,把酶分子修贮在DNA 中,经过基因克隆和表达,就可以通过生物合成方法不断获得具有新的特性和功能的酶.6 酶的固定化技术[12~14]固定化酶在工业、临床、分析和环境保护等方面有着广泛的应用.但是,在大多数情况下,酶固定化以后活性部分失去,甚至全部失去.一般认为,酶活性的失去是由于酶蛋白通过几种氨基酸残基在固定化载体上的附着(Attchment )造成的.这些氨基残基主要有:赖氨酸氨基和N -未端氨基,半胱氨酸的巯基,天门冬氨酸和谷氨酸的基C -未端基,酪氨酸的苯甲基以及组氨酸的咪唑基.由于酶蛋白多点附着在载体上,引起了固定化酶蛋白无序的定向和结构变形的增加.近来,国外的研究者们在探索酶蛋白的固定化技术方面,已经寻找到几条不同的途径,使酶蛋白能够以有序方式附着在载体的表面,实现酶的定向固定化而使酶活性的损失降低到最小程度.这种定向固定化技术具有以下一些优点:(1)每一个酶蛋白分子通过其一个特定的位点以可重复的方式进行固定化;(2)蛋白质的定向固定化技术有利于进一步研究蛋白质结构;(3)这种固定化技术可以借助一个与酶蛋白的酶活性无关或影响很小的氨基酸来实现.目前,文献中涉及的定向固定化方法有如下几种:(1)借助化学方法的位点专一性固定化;(2)磷蛋白的位点专一性固定化;(3)糖蛋白的位点专一性固定化;(4)抗体(免疫球蛋白)的位点专一固定化.这种有序的、定向固定技术已经用于生物芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计.参考文献:[1]K Mosbach.Program of Enzyme Engineering[M ],Beijing ,1988.0-36.[2]居乃琥.生物工程进展[J ],1987,(4):17-27.[3]黎高翔.二十一世纪酶工程研讨会论集[M ],黄山,1999.13-19.[4]S J Bencovic.Ann Rev Biochem[J ],1992,61:29-54.[5]RH Symons.Ann Rev Biophs Acta[J ],1981,658(1):76-89.[6]K Martinek ,etal.Biochem Biophys Acta[J ],1981,658(1):76-89.[7]AM K libanov.Chemtech[J ],1986,16(2):354-9.[8]孟广震.二十一世纪酶工程研讨会论集,黄山,1999.26-27.[9]J W kozarich ,DHRich.Current Opinion Chem Biol[J ],1997,1:149-50.[10]J E Smith.Biotechnogy[M ],3rded ,Cambridge Univ press[M ],1996.[11]李再资.生物化学工程基础[M ],北京:化工出版社,1999.108[12]D Thomas ,AFriboulet.Program of Enzyme Engineering[M ],Beijing ,1998.0-37[13]C.Wandrey ,Program of Enzyme Engineering[M ],Beijing ,1998.[14]RD Johnson ,FE Arnold ,Biotechnol Bioeng[J ],1995,48(2):43-45,45-47・34・第6期郑 成:酶工程的研究进展简述A Brief R evie ws about R esearching Progressin Enzymatic EngineeringZHEN G Cheng(Biological and Chemical Engineering College ,Guangzhou University ,Guangzhou 510091,China )Abstract :The research progress in enzymatic engineering ,including synzymes ,enzyme mi 2mics ,ribozyme ,abzyme ,nonaqueous enzymology ,etc.was reviewed.K ey w ords :enzymatic engineering ;progress ;enzyme ・44・韶关学院学报(自然科学版)2001年。

内含子

内含子

内含子的分类
1、根据内含子存在的宿主不同可以分为:mRNA 内含子、tR2NA 内含子、rRNA 内含子、snoRNA 内含子和snRNA 内含子等; 2、根据其核苷酸序列和RNA 潜在折叠方式不同,可分成四种类 型: I 类内含子、Ⅱ类内含子、Ⅲ类内含子和Ⅳ类内含子 •Ⅰ类内含子(group I introns) 存在于线粒体、叶绿体及某些低等 真核生物的rRNA 基因中,极个别的Ⅰ类内含子存在于原核生物的 噬菌体中。 •Ⅱ类内含子(group Ⅱintrons) 主要见于细胞器(如线粒体) 、细菌 中。 •Ⅲ类内含子(group Ⅲintrons , 又称核mRNA前体内含子) 最为常 见,即绝大多数真核细胞前mRNA 中的内含子。 •Ⅳ类内含子(group Ⅳ introns) ,又称核tRNA 前体内含子,是tRNA 的基因及其初级转录产物中的内含子。
2、逆转录剪接:内含子Ⅱ可读框架编码蛋白 质具有成熟酶、核酸内切酶和逆转录酶活性, 三者参与内含子的逆转录酶剪接,内含子Ⅱ的 逆转录酶剪接是内含子自我剪接的逆过程。第 Ⅱ类内含子中常含有能翻译成蛋白的开放阅读 框, 主要编码核酸内切酶, 逆转录酶等, 这使它 们成为可移运元件(mobile element)。
第二类内含子( groupⅡ introns )的功能 1、自我剪接机制:内含子Ⅱ的自我剪接不 需要鸟苷酸的参与,首先,位于V结构域中 的3‘内含子外显子剪接点上游7~8个核苷酸 处A残基的2’-OH,进攻5‘磷酸基,形成2’5‘磷酸二脂键连接的套环结构;接着发生第 二步转脂反应,被剪接的外显子3’核苷酸的 3‘-OH,进攻3’内含子外显子剪接点的第一 个核苷酸的5‘磷酸基;最后在3’内含子处剪 接点处断开,伴随着2个外显子连接。
内含子的起源
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型内含子核酶研究进展*李志杰 张 翼**(武汉大学生命科学学院,武汉430072)摘要 型内含子核酶作为最早被发现的RNA 催化剂,在过去20年里得到了深入研究.相关研究成果使人们在RNA 的生物学功能、催化特征、结构与折叠特征等方面的认识有了革命性更新.回顾了 型内含子核酶研究的主要进展,重点对近年来在 型内含子核酶的结构和折叠方面所取得的重要成果进行了介绍,分析和总结.关键词 型内含子,核酶,催化,结构,折叠学科分类号 Q71在 型内含子核酶被发现之前,蛋白质一直被认为是唯一具有催化功能的生物大分子.1982年,Krug er 等[1]报道了在没有蛋白质存在的条件下,四膜虫(T etr ahymena ther mop hilia )26S rRNA 的前体可以在体外自我剪接(autoex cision 或self splicing ),它所含的 型内含子RNA 可以催化核酸主链上的磷酸二酯键断裂和连接反应.在随后的几年中,更多的实验事实证明四膜虫 型内含子具有和蛋白质酶相似的催化能力[2].几类其他的RNA 也相继被证明具有催化活性.为了与蛋白质酶类相区别,化学本质为RNA 的具有催化功能的生物大分子被统称为核酶(ribozyme).除了 型内含子核酶之外,过去十几年里陆续发现的核酶主要包括:锤头状核酶(hammerhead ribozyme),发卡状核酶(hairpin ribozyme),HDV 核酶(hepatitis delta virus ribozyme),Neurosp ora v arkud satellite 核酶,RNase P 核酶,以及 型内含子核酶等[3].近两年来,人们又发现两种重要的有催化活性的RNA:一种是真核生物剪接体所包含的U2和U 6RNA [4],另一种是核糖体大亚基rRNA [5].核糖体大亚基rRNA 是目前发现最大的核酶,它所具有的肽键转移酶活性在已经发现的各种核酶中也显得很特殊,因为无论其他核酶所催化的反应有多复杂,其本质都是磷酸酯键转移反应.另外,人们通过体外演化(in vitro evolution)的方法得到了一些可以催化其他生化反应的人工核酶.1 型内含子核酶的体外催化1 1 天然 型内含子核酶所催化的反应型内含子核酶所催化的典型反应是包括两步磷酸酯键转移反应的RNA 剪接反应.在这个反应中需要镁离子、外源鸟苷或其磷酸化衍生物(GM P 、GDP 、GTP).首先,一个外源鸟苷的3!羟基攻击5!剪接位点的磷原子,并与内含子5!的第一个核苷酸形成3!,5!磷酸二酯键;然后,5!外显子的3!羟基攻击3!剪接位点的磷原子,导致内含子的释放和外显子的连接(图1).这个反应机制是由体外剪接研究得到的,实验证明此反应中间产物在体内也存在,表明 型内含子在体内的剪接是通过同样的反应机制.剪接反应释放出5!端连有外源G 的内含子是 型内含子自剪接反应的显著特征[6].Fig 1 Self splicing mechanism of group introns [6]图1 型内含子的自剪接反应[6]圆圈∀#∃所在处为剪接位点.*国家自然科学基金资助项目(30170213).**通讯联系人.武汉大学生命科学学院生物技术系. Tel:027 ********,Fax:027 ******** E mail:yi z hang@ 收稿日期:2002 11 20,接受日期:2002 12 28在剪接反应完成之后,许多内含子还会催化自身的环化反应.由内含子3!羟基攻击接近5!端的一个核苷酸,经过一个转酯反应完成.另外,带有 型内含子的前体RNA在3!剪接位点上,还特别容易发生位点特异性自发水解,水解反应无需外源G的参与[6].1 2 型内含子核酶衍生物所催化的反应天然四膜虫内含子核酶所催化的自剪接反应和环化反应均属分子内转酯反应,并不象典型的蛋白质酶那样能够把多个底物转化为产物.但是对 型内含子进行少量的改造所获得的一些RNA分子则具有多次转化底物的能力,这些RNA包括具有位点特异内切酶活性的L 21Sca (去掉四膜虫 型内含子的前21个核苷酸和最后5个核苷酸)[7]和具有连接酶活性的四膜虫内含子核酶[8]等.这些 型内含子核酶衍生物不但可以多次转换底物,还具有与蛋白质酶相当的催化效率[3].2 型内含子的结构2 1 核苷酸序列目前,在Comparative RNA数据库(http:// w w )已收录了1600余种 型内含子序列. 型内含子的核苷酸序列长度分布于约140~4200nt的范围内,其序列保守性很小.许多长度在1000nt以上的 型内含子里有编码蛋白质的开放阅读框(ORF).研究表明这些冗长的编码序列经常编码具有重要生物学活性的蛋白质.例如,有些ORF编码帮助 型内含子剪接的蛋白质因子,即成熟酶(maturase),对内含子在体内的有效剪接非常重要[6].2 2 二级结构型内含子的二级结构呈现出很高的保守性.所有的 型内含子都含有9个特征性的配对区.这些配对区由5!至3!方向被命名为P1~P9(图2),在两个配对区Pm和Pn之间的部分被命名为Jm/n.在一些配对区的顶端是未配对的RNA单链环状区,以与之相邻的配对区来命名,称为Lm.在不同的 型内含子里,保守的配对区之间常会有额外的配对区,这些配对区按照其上游的保守配对区可以依次命名为Pm.1,Pm.2等等[9].对催化活性很重要的P3与P7是两个远程配对区,它们的两条配对链从核苷酸序列来看相隔很远(图2).Tetrahy mena核酶折叠动力学的研究表明,P3与P7的形成是整个核酶形成活性构象的限速步骤[10].Fig 2 The conserv ed secondary structure o f g ro up introns[6]图2 型内含子的二级结构[6]箭头所指处为剪接位点,各结构域以阴影标出.2 3 三级结构对四膜虫 型内含子空间结构的研究表明,整个分子可以分为3个结构域,即P1~P2结构域(含P1、P2),P4~P6结构域(含P4、P5、P6), P3~P9结构域(含P3、P7、P8、P9)[11,12].保守配对区中间的非保守配对区也包括在相应的结构域内.在这3个结构域中,P4~P6与P3~P9构成了核酶的催化核心.最初的 型内含子核酶空间结构模型是由序列同源比较推测得到的.通过对比87种 型内含子的序列,M ichel等[12]发现,一些发生了协同变异的位点并不能用二级结构解释,因此推测它们在核酶的空间构象中相互接触,起到了稳定空间构象的作用.由此推得的 型内含子核心结构模型是一个紧密的RNA分子.这个模型的主要空间结构特征与后来通过X射线晶体学方法获得的结构基本一致.1996年,T etrahy mena内含子P4~P6区的晶体结构被解析出来.晶体结构显示,P4~P6区RNA在P5部分有一个150&的弯折.被称为P5abc 的部分与P4、P5和P6并排靠在一起,形成了一个紧密的发夹形状.为这种形状提供稳定力量的是一个由2个镁离子介导的主链接触和一个核糖介导的主链接触[13].1998年,构成Tetrahy mena核酶催化核心的P4~P6与P3~P9结构域的晶体被解析出来.这个结构表明核酶RNA折叠成了规则紧密的形状,非常类似蛋白质酶的构造.P4~P6与单独结晶时的构象相比没有大的改变,仍旧呈发夹状.P3~P9绕在P4~P6的一边,两个结构域一起形成了一个裂隙,可以容纳包含5!剪接位点的短双螺旋.P7没有采取正常RNA 双螺旋的A 构象,而是形成了一个适合结合鸟苷的口袋形状.这清楚地显示了一个在没有底物情况下已预先折叠好的催化结构[11](图3a~h).这些结构充分证明了大RNA 分子可以形成紧密有序的空间构象来执行其催化功能.2 4 与催化相关的结构要素2 4 1 5!剪接位点的选择∋∋∋内部引导序列(internal guiding sequence,IGS): 型内含子核酶对于底物的识别,和对于切割位点的选择,是通过与底物进行碱基配对实现的.参与形成P1的两条链中,3!链完全来自于内含子,称为内部引导序列(IGS),它与底物序列配对,形成的P1伸入核酶的催化中心,使位于底物链5!剪接位点上的磷原子暴露在亲核基团的附近,导致位点特异的RNA 分子内部切割.在5!剪接位点前的外显子碱基通常为U ,与之相配对的内含子IGS 碱基为G,它们形成的U %G 配对是剪接位点的特征碱基对.这个位置的U %G 碱基对在所有的 型内含子中均是保守的,说明其在剪接中的重要性[12].对四膜虫内含子的研究表明,Watson Crick 标准碱基配对不能代替这个U %G 对.若用G %C 取代U %G,虽然可以保持剪接位点不变,但是剪接反应的K cat /K m 减小到原来的1/100.唯一可以较好取代这个U %G 配对的也是一个非标准的碱基配对,即C %A 配对[6].2 4 2 3!剪接位点的选择:序列分析显示,与IGS 有部分重叠的一段短序列可以与接近剪接位点的3!外显子形成称为P10的配对区.虽然P10对3!剪接位点的定位有所贡献,但3!剪接位点的选择并不依赖于P10的形成.由3!剪接位点上游和P7下游的几个核苷酸形成的远距配对P9 0对3!剪接位点的定位起很重要的作用. 型内含子的3!最后一个核苷酸通常是一个G,称为 G.突变研究证实 G 与3!剪接位点的选择密切相关[6].Fig 3 Stereo view of the crystal structure o f T etrahymena intron P4~P6and P3~P9do mains with the G binding site being depicted[11,14]图3 四膜虫 型内含子P4~P6与P3~P9结构域的晶体结构及鸟苷结合位点[11,14](a)正面;(b)背面;(c)左面;(d)右面;(e)顶面;(f)底面;(g)左:P4~P6结构域,右:P3~P9结构域;(h)相应的二级结构,彩色示结晶中相应的区域,其中绿色为非配对区,其余为各配对区;(i)鸟苷在 型内含子上的结合[14].图中核苷酸编号对应四膜虫 型内含子序列,晶体结构数据来源于 ,(a)~(g)的检索号为IGRZ ,(i)的检索号为IK2G.所有分子结构图用Accelr ys V iew erLite 5 0生成.2 43 鸟苷结合位点(G binding site):包含在P7配对区内的一个非常保守的G%C对,被证实是结合外源G的位点.外源G与这个G%C对形成氢键,借助形成三体的方式结合在这个位点上[6]. NM R研究显示,外源G的核糖和碱基与空间临近的核苷酸形成了许多额外的氢键(图3i),这些作用进一步增强了核酶与外源G的结合力[14].型内含子的剪接反应包括5!和3!两个位点连续的切割和连接反应,其中5!剪接需要外源G 的参与,3!剪接反应需要 G帮助定位剪接位点,而环化反应则需要 G的3!羟基参与.现在已经证明,G结合位点是外源G与 G共同的结合位置[6].2 4 4 镁离子在 型内含子的结构与催化中的作用:RNA的某些特性很不利于它成为有效的催化剂.其中一个很重要的因素就是RNA所带的大量负电荷会阻挠核酸主链之间的靠近和活性构象的形成.研究表明,许多种单价或多价阳离子对 型内含子核酶三级结构的形成具有重要的作用,但不同阳离子的作用效果不同[15].毫摩尔浓度的二价金属离子即可以促使 型内含子核酶RNA折叠成稳定的三级结构,而达到同样的稳定程度则需要上百倍的一价阳离子浓度[15].另外,镁离子等二价金属离子被证明直接参与 型内含子核酶的催化反应,是核酶催化核心的组分之一[16].值得注意的是,并不是所有稳定的三级结构都具有催化活性,研究发现镁离子和其他一些阳离子也可以稳定 型内含子核酶RNA的错误构象,从而影响其催化活性[17,18].3 型内含子的折叠核酶的发现大大激发了人们对RNA折叠问题的研究兴趣,RNA分子如何形成其具有催化活性的空间结构是核酶研究的核心问题之一.由于对四膜虫 型内含子核酶催化和结构等方面的研究已经有了很好的基础,同时该核酶分子具有相当的复杂性,它已经成为RNA折叠的重要模型,并在这些年来得到了深入的研究.虽然RNA与DNA都是核酸,分别由4种不同的核苷酸组成,但它们的生物化学特性却非常不同.作为遗传物质的DNA是由相互配对的双链组成,双螺旋结构赋予它非常高的稳定性.通常以单链形式存在的RNA则具有很高的分子柔性,可以形成多种空间结构并承担不同的生物学功能,包括识别多种信号和催化多样的生物反应等.所以,在分子折叠方面RNA更接近蛋白质.RNA的折叠有两个核心问题:一是如何从RNA的序列预测其结构,二是RNA分子如何折叠成正确构象.参照蛋白质折叠的理论和四膜虫核酶RNA折叠研究的成果,Woodson[17]和T hirumalai等[19]先后几次提出RNA折叠的理论.下文讨论其中两个核心理论对 型内含子核酶折叠的解释和相关实验证据.3 1 型内含子核酶折叠的开始带负电荷的RNA分子要折叠成紧密构象,首先要克服由负电荷所引起的静电斥力.因此,各种带正电荷离子的介入对RNA折叠非常重要.反离子的存在可以大大缓和RNA负电荷所引起的静电斥力,通常高价离子比低价离子更加有效. Thirumalai等[19]提出,与蛋白质折叠和DNA condensation类似,RNA折叠的起始事件是处于伸展状态的RNA大分子迅速塌陷(Collapse)成较紧密的三级结构.此理论与Buchmueller等[20]的实验结果相符.Collapse所形成较紧密的RNA三级结构要进一步折叠才能形成紧密的三级结构.对小分子RNA而言,快速Collapse与进一步折叠可能同步发生,例如,四膜虫内含子的P5abc亚结构域(56nt)的折叠约在20~35ms内完成[21].对大分子RNA,进一步折叠则需要较长的时间,譬如四膜虫内含子的P4~P6结构域(约160nt)的折叠在1s以内完成,而全长的内含子(约400nt)的折叠则需要数分钟才能完成[10].不过,并不是所有折叠成的紧密RNA三级结构都是活性构象.有些RNA分子在折叠中会形成错误的紧密结构而进入折叠的动力学陷阱.3 2 型内含子核酶折叠的途径Thirumalai等[19]提出RNA折叠的动力学分流机制(kinetic partition mechanism,KPM)理论认为:大分子RNA在折叠的初期可能会产生分化,有一部分RNA通过快途径,迅速折叠成活性构象;而一些RNA则通过慢途径形成正确构象(图4).对于四膜虫内含子核酶折叠的单分子研究有力地支持了这个理论,发现大约有12%的核酶RNA可以较快地折叠成活性构象,而剩余的核酶分子则需要通过很长时间才能折叠成活性构象[22].结合Collapse理论和相关实验证据,对四膜虫内含子RNA的折叠过程可以描述为:在镁离子存在的情况下,少部分四膜虫内含子Collapse成含正确碱基配对的类活性结构(I S),然后迅速转化成活性构象(N),整个过程约在1min内完成,即快途径折叠;大部分内含子RNA分子Collapse成含有错误碱基配对的非活性构象(I NS),I NS迅速转化成错误的折叠中间体(I i),此中间体因为需要解开错误配对才能形成活性结构,所以转化过程需要很长的时间(数小时)[19,22],即慢途径折叠(图4).慢途径中错误而稳定的折叠中间体(I i)常被称为折叠的动力学陷阱.Fig 4 Tetrahymena ribozyme f olding pathway[19~22]图4 四膜虫 型内含子的折叠过程[19~22]值得一提的是,以前的研究中较多偏重于所折叠成的紧密结构而忽略了对其催化活性的跟踪,导致许多结论的偏差.这个局面的改变要特别归功于Zhuang等[22]用单分子荧光共振能量转移(FRET)的方法来检测四膜虫核酶RNA分子的折叠,发现人们用其他方法[11]研究认为已经折叠完全的核酶分子大部分并不具有催化活性.前面已经提到,RNA的长度、序列与其Collapse成的构象有密切关系.长度和序列各异的 型内含子很可能由于Collapse形成不同性质的构象,而采取与四膜虫 型内含子核酶大相径庭的折叠途径.与此推测一致的是,研究发现四膜虫内含子核酶的一些突变体以降低P4~P6折叠速度为代价使大部分核酶分子不进入动力学陷阱[23].另外,人们发现 型内含子b 5的折叠并不进入动力学陷阱.相反地,此核酶折叠的限速步骤是从类活性构象转化成活性构象的过程.原因可能是活性结构的稳定性差(自由能高),有趣的是其特异性结合蛋白CBP2的作用就在于稳定其活性结构[20].由此可见,RNA折叠机制的研究需要更加深入,而对不同 型内含子RNA的研究可为RNA折叠机制的阐明提供新线索.4 型内含子在体内的剪接虽然有些 型内含子核酶可以在无蛋白质的条件下独立完成催化反应,但这种体外剪接通常需要比活细胞内浓度高很多的镁离子,而且剪接效率也比体内剪接效率低.另外,无论镁离子浓度多高,有许多 型内含子在体外不能自我剪接,而这些内含子的体内剪接均是非常有效的,例如啤酒酵母的线粒体内含子b 4,a 4 ,a 5等.所以,一个显而易见的问题是 型内含子在体内是如何剪接的.研究表明,一些蛋白质辅助因子对 型内含子的体内外剪接均有重要作用.目前已经发现的对 型内含子体内外剪接功能很重要的蛋白质因子可以分为两类.一类是RNA结合蛋白,这类蛋白质是通过与RNA特异性结合而稳定RNA的正确构象.例如前面所提到的酵母线粒体的 型内含子b 5的特异结合蛋白CBP2[20].另一类帮助RNA正确折叠的蛋白质是RNA Chaperone.与RNA结合蛋白不同的是,它们是通过非特异性结合来阻止RNA的错误折叠或解除RNA的错误构象[24,25]. 型内含子自己所编码的成熟酶[6]以及一些由其他基因所编码的蛋白质,对一些 型内含子体内剪接的有效进行是必不可少的,这些蛋白质的具体作用机制目前还不清楚.5 型内含子核酶的应用除了极个别的 型内含子存在于原核生物的噬菌体中,几乎所有的 型内含子都存在于低等真核生物中.大部分 型内含子存在于真菌体内.一些病源真菌,如引起严重机遇型真菌感染的白色念珠菌和卡氏肺囊虫的核糖体RNA基因内含有 型内含子.人们也发现一些其他病原体,如阿米巴虫的核糖体RNA基因内也含有 型内含子.因为 型内含子的有效和准确剪接是这类病原菌生存的必要条件, 型内含子有望成为抗真菌感染的靶基因[26].型内含子的IGS具有底物结合和识别功能,通过改变IGS的序列可以改变它的底物特异性.利用这一特点,人们设计出带有特定IGS的核酶来纠正一些疾病相关的错误mRNA,这就是由 型内含子核酶介导的基因治疗,例如利用 型内含子纠正镰刀形细胞贫血等[27].6 总结与展望综上所述,在过去20年的研究里,科学家们对 型内含子核酶的体外催化机制,折叠和结构进行了系统和深入的研究,这些研究的重要发现逐渐揭开了这些核酶分子的结构与功能的紧密关系.对RNA折叠问题的研究是近年来大分子结构与功能研究的一个新热点,而 型内含子RNA已成为这个领域里最重要的研究模型.在以前研究的基础上,对 型内含子核酶折叠的深入研究将进一步揭开RNA折叠的奥秘.而对其结合蛋白和Chaperone的研究及其在体内折叠的研究将成为本领域的新亮点.同时,对其他 型内含子核酶(四膜虫 型内含子核酶以外)的深入研究,以及通过生物信息学方法对已经发现的1600多种 型内含子进行系统分析和研究也是尤为重要的.因为这些研究不但会加快人们对RNA折叠研究的进程,帮助我们对 型内含子结构和功能的关系做出更准确的诠释,并且可以为了解 型内含子的起源,及其在生物发展历史中所扮演过的重要角色提供一些重要线索.参 考 文 献1 Kruger K,Grabow ski P J,Zaug A J,et al.Self splici ng RNA:autoexcision and autocyclization of the ri bosomal RNA i ntervening sequence of Tetrahy mena.Cell,1982,31(1):147~1572 Zaug A J,Cech T R.T he interveni ng sequence RNA ofTetrahymena is an enzyme.Science,1986,231(4737):470~ 4753 Doudna J A,Cech T R.T he chemical repertoire of naturalribozym es.Nature,2002,418(6894):222~2284 Valadkhan S,M anley J L.Splicing related catalysis by protein freesnRNAs.Nature,2001,413(6857):701~7075 Nissen P,Hansen J,Ban N,et al.T he structural basis ofribosome activity in peptide bond synthesis.Science,2000,289 (5481):920~9306 Cech T R.S elf splicing of group introns.Annu Rev Biochem,1990,59:543~5687 Zaug A J,Grosshans C A,Cech T R.Sequence specificendoribonuclease activity of the Tetrahymena ri bozyme:enhanced cleavage of certain oligonucleotide substrates that form mismatched ribozym e substrate com plexes.Biochem i stry,1988,27(25): 8924~89318 Doudna J A,Szostak J W.RNA catalysed synth esis ofcomplementary strand RNA.Nature,1989,339(6225):519~5229 Burke J M,Belfort M,Cech T R,et al.Structural con ventionsfor group introns.Nucleic Acids Res,1987,15(18):7217~ 722110Sclavi B,S ul li van M,Chance M R,e t al.RNA folding at millisecond intervals by s ynchrotron hydroxyl radical footprinting.Scien ce,1998,279(5358):1940~194311Golden B L,Gooding A R,Podell E R,et al.A preorganized active site in the crystal structure of the T etrahymena ribozyme.Scien ce,1998,282(5387):259~26412M ichel F,Westhof E.M odelling of the three dimensional architecture of group catalytic introns based on comparative sequence analysis.J M ol Biol,1990,216(3):585~61013Cate J H,Gooding A R,Podell E,et al.Crystal structure of a group ribozyme domain:principles of RNA packing.S cience, 1996,273(5282):1678~168514Kitamura A,M uto Y,Watanabe S,et al.Solution structure of an RNA fragment w ith the P7/P9 0region and the3! 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