核酶的22年

[ 4] Fujimoto K et al . J Am Chem S oc, 2000, 122, 5646 5647
[ 5] Elghanian R et al . Science , 1997, 277, 1078 1081
[ 6] Tat on TA et al . Science , 2000, 289, 1757 1760 [ 7] 王柯敏 等, 见: 梁文平, 庄乾坤主编, 分析化学的明 天
酶。自然界核酶的底物主要是带有磷酸二酯键的核 酸( 非 核酸底 物的 核酶 自然 界是 否存 在? 仍无 定 论) 。但人造核酶的催化对象包括有: 酯键、酰胺键、 碳 碳键, 以及一些特殊的键等。与 6 大类酶相比,
道, 如白 血病( 包 括慢性 骨髓 型、早 幼粒 细胞 白血 病) 、各类肿瘤( 如前列腺癌、肺癌、乳腺癌、神经胶质 瘤等) 。也 有针 对遗 传 疾病 设计 核 酶 的研 究 , 如慢性溶血贫血、肌强直营养不良、成骨不全、
个体 系 可以 在 3 min 之 内 检测 到 10 fmol 的 目 标 DNA。
参考文献
[ 1] Xu YZ et al . N ucleic Acid Res, 1999, 27, 875 881 [ 2] Xu YZ et al . J Am Chem Soc , 2000, 122, 9040 9041 [ 3] Sando S et al . J Am Chem Soc, 2002, 124, 2096 2097
自从上世纪 90 年代初建立了核酶体外筛选法 ( 通常称作 SELEX 法) [ 5, 6] 以来, 产生了大量人造核
上面提 到 的 RNase P 和 核糖 体 外, 其 他如 剪 接体 ( spliceosome) 、编辑体( editosome) 、1, 4 葡萄糖分支 酶、马铃薯邻苯二酚氧化酶等, 是否都是以 RNA 为 主体行使生物功能? 已经有一些实验室正在开展这 方面的工作, 并取得一些肯定的结果。
发现 RNA 催化功能的会议上, 他们 一边喝着香槟, 一边给能为专一生化反应降低活化能的 RNA 分子 起了许多 名字 , 就在这时, 他们 创造 了一个名词 ribozyme 来表 示具 有酶活 性的 RNA ( 见 Cech 的 诺贝尔演 讲 ) 。Ribozyme 的定名, 直至 1985 年后 才逐渐为人们所接受( 见本文表 1 和表 2) 。Enzyme ( 具有催化功能的蛋白质) 和 ribozyme( 具有催化功能 的 RNA) 是两个很好的对应名词。关于 ribozyme 的 汉文名, 作者曾经在 中国科学报 ( 1990 年 5 月) 和 生命的化学 ( 1990 年 10 卷 3 期) 撰文建议创造一 个与酶对应的新字( 词) : 酉+ 亥= ( 理由略) 。当 时同意者有之, 反对者居多。经过了 10 来年的译名 混乱应用后, 大约在 1995 年前后, 比较多的使用 核 酶 , 因为当时的 863 和 国家基金委 的项目申请 中用了 这个词。具有 催化功 能的 RNA 英文叫 ri bozyme, 现在汉文定名为核酶, 这是约定俗成。这里 附带指出, 在英文名词中, RNA enzyme = ribozyme ribonuclease ( RNase ) , 而 在 汉 文 中, ribonuclease ( RNase) 已译作核糖核酸酶, 即 RNA 酶, 所以, 为了 避免混淆, RNA enzyme 不能译作 RNA 酶, 虽然按字 面上直译它就是 RNA 酶。其后, 大约始 于 1995 年
摘要: 核酶发现至今已 22 年了。1989 年的诺贝尔化学奖授于核酶的发现者 S. Altman 和 T. Cech。至 2004 年 2 月发表 有 5000 多篇有 关核酶的研究论文和综述。自然界留存的核酶不多, 但已 能制造出 许许多多人 工核酶。从 1997 年 人 造出 肽基转移核酶 到 2000 年根据一系列证据提出 核 糖体是一种 核酶 , 在理 论上和 应用上 都具有深 远意义。 核 酶出现早于酶( 蛋白质) , 后来让位于酶的 观点, 已为 多数人所 接受。在 应用上, 人们 已经设 计和制 造出各 种各样 的 核酶对付各种各样的疾病, 但目前临床应 用的极少或几乎没有。 关键词: 核酶; RNA 催化剂 ; 核糖核蛋白复合体 中图分类号: Q55
Current Topics
CHEMISTRY OF LIFE 2004, 24( 3)
表 1 核酶的分类, 结 构和性质研究论文数
数, 并分年和分类归纳整理了两个表( 由于选用组合 词的原因, 表中的数字是偏高的) 。表 1 主要是核酶 的理论研究, 表 2 是应用研究方面的。表 1 的 1~ 4 是核酶的主要类别 自剪接核酶( 型和 型内 含子)源自文库、RNase P RNA 核酶、自剪切核酶 ( 类病毒, 拟
对维护 rRNA 的功能是 重要的。所以, 核糖体是一 种核酶( the ribosome is a ribozyme) [ 11] ( 也参阅 文献 [ 12, 13] ) 。这里又提出一个问题, 自然界有少数功 能性的核糖核蛋白颗粒( ribonucleoprotein particle) 和 核糖核蛋白复合体酶( ribonucleoprotein enzyme) , 除了
早已知道, 具有催化功能的蛋白质叫做 酶( en zyme) 。具 有催 化功能 的 RNA, 开始时 叫做 RNA enzyme , 1982 年, Cech 实验室在一次小规模的庆祝
收稿日期: 2004 02 07 作者简介: 祁国荣( 1935 ) , 男, 研究员, E mail : qigr@ sibs. ac. cn
人造核酶除了这两类外, 还得到 异构核酶 和 连接 核酶 。如果和酶的分类作比较, 留下的问题是 氧 化还原核酶 和 裂合核酶 尚未被发现和人工制造
核酶发现至今 22 年了, 在这段期间, 几度轰动, 几经起伏。经查阅, 至 2004 年 2 月 24 日发 表与核 酶有关的论文 有 5059 篇( 不包括 1985 年以 前的文 章, 因为尚未使用 ribozyme 这个词) , 其中综述 1613 篇。Cech 发表核酶论文和综述 85 篇, 他在 2002 年 11 月发表了 Ribozymes, the first 20 years 一文, 回顾 核酶, 主要是 I 型内含子核酶的 20 年历史, 并展望 核酶研究的未来[ 1] 。
核酶 ( ~ 90 nt ) [ 9] 和 1997 年的 肽基转移核酶 ( ~ 200 nt ) [ 10] , 曾轰动一时, 因为它们都与蛋白质生物 合成有关, 前者可催化氨基酸与 RNA 连接, 后者在 RNA 上催化肽基生成。这是对 RNA 世界 假说的 大力支持。近几年对核糖体 RNA( rRNA) 及核糖体 本身不断深入研究, 发现在核糖体内催化肽键生成 的是 rRNA, 而非核糖体蛋白质, 当然核糖体蛋白质
发展前言与挑战, 北京: 科学出版社, 2003, 268 281 页
学科
[ 8] Du H et al . J Am Chem Soc , 2003, 125, 4012 4013
[ 9] Saghatelian A et al . J Am Chem Soc , 2003, 125, 344 345
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生命的化学 2004 年 24 卷 3 期 CHEMISTRY OF LIFE 2004, 24( 3)
核 酶 的 22 年
Current Topics
祁国荣
( 中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所, 上海 200031 )
定义 具有催化功能的 RNA 具有催化功能的 DNA 具有催化功能的核酸 具有催化功能的蛋白质 具有催化活性的抗体
英文 名 ribozyme, RNA enzyme deoxyribozyme, DNA enzyme
nucleozyme enzyme abzyme
汉文名 核酶
脱氧核酶 核酶(3) 酶 抗体酶
注解 不能叫 RNA 酶(1) 不能叫 DNA 酶(2)
化学本质是蛋白质
( 1) RNA 酶的对应英文名是: RNase, 即 ribonuclease。(2)DNA 酶的对应英文名是: DN ase, 即 deoxyribonuclease。( 3) 也只能定名为 核酶 。
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生命的化学 2004 年 24 卷 3 期
本文从美 国 Stanford 大 学图书馆 创立的 High Wire 和美 国国 立医学 图书馆 建立 Medline 文献 库 ( 一共收录约 4500 种期刊) 查阅 ribozyme 发表 文章
出。 用体外筛选法也已制造出脱氧核酶( 见综述[ 7] )
和 RNA / DNA 嵌合核酶( 近期报道见文献[ 8] ) 。 在人造核酶中, 1996 年人造出 RNA 酰基转移
表 2 归纳了核酶的应用研究发表论文数。主要 是核酶的抗病毒研究, 包括各类肝炎病毒、HIV、HPV ( 人乳头状瘤病毒) , 以及流感病毒、昆虫核多角体病 毒等。其中以抗 HIV 核酶研究最多, 很早以前就报 道进行 期临床试验, 但迄今仍未发表明显疗效的 报道。抗肝炎病 毒研究中, 主要是抗 HDV、HCV 和 HBV 核酶等研究。作者实验室开展抗 HBV 核酶研 究, 结果表明还需进行更多工作才能用于临床。设 计核酶针对/ 阻断下列疾病的基因表达也有很多报
1981 年 T. Cech 发现四膜虫 rRNA 前体 在鸟苷 ( G) 或其衍 生物存在下能够 进行自剪接 ( self splic ing) , 这是一种分子内催化反应。到了 1986 年, 证实 该 rRNA 前体的内含子能催化分子间反应。1983 年 S. Altman 等确认大肠杆菌 RNase P( 一种核糖核蛋白 复合体酶) 中的 RNA 组分在较高 Mg2+ 浓度 下具有 类似全酶的催化活性。在上世纪 80 年代初, 自然界 的 RNA 催化功能不断被发现, 包括不同来源的不同 内含子的自剪接, 以及在类病毒和拟病毒中发现的 RNA 自 剪切 ( self clevage, 也 是一 种分 子 内催 化 反 应) 。1986 年 ~ 1988 年, 使用体外转录方法得到一 批具有催化活性( 主要是切割活性) 的 RNA, 并测得 它们的动力学常数后, 完全得到了包括一些曾经怀 疑过 RNA 催化功能的酶学家在内的广泛承认。结 果导致了 S. Altman 和 T . Cech 荣获 1989 年诺贝尔化 学奖。
知识介绍
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CHEMISTRY OF LIFE 2004, 24( 3)
人造出具有催化功能的 DNA, 称作 deoxyribozyme , 自然界核酶类有 转移核酶 和 水解核酶 两类; 而
可译作 脱氧核酶 。ribozyme 与 deoxyribozyme 一起 统称 nucleozyme。已知几类生物催化剂的关系如下 页表列。
病毒) , 5~ 6 是核酶的高级结构研究, 7~ 9 是有关核 酶的作用机制论文数。从中可以看出核酶的各类研
究的逐年发展趋势和倾向。
自然界的三大类核酶中, 自剪接的 型内含子 为 400 多核苷酸残基( nt ) , RNase P RNA 约 350 nt, 而 自剪切核酶在 100 nt 以下( HDV 核酶约 90 nt、发夹 核酶约 50 nt 、锤头核酶约 35 nt) 。对这些核酶的结 构( 尤其是二级结构) 及其与功能关系已经比较情楚 了。它们的催化机制, 包括金属离子、活性部位研究 也很深入。用 X 衍射法已经解析了锤头核酶[ 2] 、 型内含子中活性部位的 247 nt[ 3] 和发夹核酶突变体 64 nt [ 4] 的三维结构。