化学本质为RNA的酶有哪些？

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化学本质为RNA的酶有哪些？
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大力水手

绝大多数的酶化学本质为蛋白质，少数是RNA，称为核酶。
【核酶的发现】

1982年，Thomas Cech等发现，四膜虫26SrRNA前体具有自我剪接功能。1986年，他们证实其内含子L-19IVS具有催化功能。对于这种具有催化活性的RNA，Thomas Cech实验室讨论创造出了一个新词“ribozyme”，源于ribonucleicacid(RNA)和enzyme（酶）两个词语，现正式译为“核酶”[1]。
1983年,Sidney Altman发现核糖核酸酶P由蛋白质和RNA构成,并证实RNA是活性酶的重要组成部分。两人共同获得1989年诺贝尔化学奖。


迄今为止共计发现核酶16种，主要存在于细菌和噬菌体中，目前绝大多数核酶的生理功能仍不太清楚,研究较为清楚的主要是肽酰转移酶、RNaseP以及第Ⅰ类和第Ⅱ类内含子核酶[1]。
【几类研究较为清楚的核酶】

1.肽酰转移酶

在原核生物蛋白质合成的过程中，催化肽键形成的酶被称为肽酰转移酶。原来一直认为核糖体大亚基的一个或多个蛋白质具有肽酰转移酶活性。后续研究证实，该反应实际上是由核糖体大亚基中23S rRNA催化完成[1]。


2.核糖核酸酶Р

核糖核酸酶Р(RNaseP)是由核糖核酸(RNA)和蛋白质两者构成的核糖核蛋白,是一类催化tRNA5’端成熟的加工酶，其酶活性位于组分RNA中，而蛋白质组分起辅助或支持作用[2]。
3.第Ⅰ类和第Ⅱ类内含子核酶

前体mRNA需要经过内含子剪除，外显子连接才能形成成熟RNA。有些类型的内含子能够发生分子内自我催化剪切，属于自剪切核酶。如低等真核生物的rRNA（如四膜虫前体rRNA）、线粒体基因、叶绿体基因的内含子[4]。



I型内含子的自我剪接过程

【核酶VS核糖核蛋白复合物】

核酶不一定只由RNA组成，比如前面提到的核糖核酸酶Р，其中的RNA需要与蛋白质组成复合体才能发挥功能；而含有RNA组分的酶不一定属于核酶，判断是否核酶的关键是：酶的催化作用是否由RNA完成，即其活性中心是否位于RNA[1]。
比如，真核生物特有的端粒酶由RNA和蛋白质组成，其蛋白质部分包括端粒酶逆转录酶等多种蛋白质。在端粒酶的组分中，仅蛋白质成分具有逆转录酶活性，而RNA成分并没有酶活性，仅在端粒合成过程中作为模板发挥作用。因此，端粒酶虽然包含RNA组分，但并不属于核酶，而是核糖核蛋白复合物[1]。


【核酶研究的意义】

1.生命的起源：核酶的发现对于探索生命起源具有重要启发。科学家认为,在生命进化早期,可能存在一个独领风骚的“RNA世界”。RNA不仅充当遗传物质,而且具有催化功能。随着生命的不断演化,RNA的这两个功能分别赋予DNA和蛋白质。而如今发现的保留催化活性的RNA堪称这种进化过程的“活化石”[1]。



RNA世界假说

2.基因治疗：大多数核酶具有剪切信使RNA的功能，可以利用它们调节基因表达,从而作为基因治疗的新手段[2]。


【是否存在以DNA为化学本质的酶？】

酶的化学本质可以是蛋白质，可以是RNA，那可以是DNA吗？
1994年，Breaker和Joyce通过体外筛选技术获得一种在Pb2+存在条件下具有切割RNA活性的DNA分子，称之为脱氧核酶。但到目前为止,脱氧核酶都为人工合成，尚未发现天然存在的脱氧核酶[1]。

• 参考文献
  
• [1]卜友泉.酶和核酶的词源学研究及现实意义[J].中国生物化学与分子生物学报,2020,36(04):475-480.
  
• [2]周耕民,刁勇,李三暑.核酶的发现及其在基因治疗中的应用[J].华侨大学学报(自然科学版),2017,38(04):509-514.
  
• [3]祁国荣,曹功杰. 论核糖核酸酶P[J]. 中国生物化学与分子生物学报, 1986, 2(04): 1-8.
  
• [4]郑用琏主编；罗杰，胡南副主编.基础分子生物学 第3版[M].北京：高等教育出版社.2018.
  

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清风寡欲

当然非核酶（ribozyme）莫属啦，因为核酶的定义就是具有催化功能的RNA分子 。
1967年，Carl Woese, Francis Crick和 Leslie Orgel 首次提出RNA可以作为催化剂，理由是RNA可以形成复杂的二级结构。1982年，美国科学家Thomas R.Cech和他的同事在对“四膜虫编码rRNA前体的DNA序列含有间隔内含子序列”的研究中发现，自剪接内含子的RNA具有催化功能。
与此同时，耶鲁大学教授Sidney Altman正在研究细胞中tRNA分子的加工方式，他和他的同事们分离出一种叫做RNase P的酶，这种酶负责将前体tRNA转化为有活性的tRNA。  令他们惊讶的是，他们发现RNase P除了蛋白质之外，还含有RNA，而且RNA是该酶的不可或缺的部分。  二者也因此获得了1989年诺贝尔化学奖。为了与酶（enzyme）区分，Cech将它命名为核酶（ribozyme）。  
核酶分类

天然核酶主要有：

（1）异体催化剪切型，如RNaseP
（2）自体催化的剪切型，如植物类病毒、拟病毒和卫星RNA
（3）Group I 内含子自我剪接型，如四膜虫大核26S rRNA
（4）Group II 内含子自我剪接型
（5）核糖体中的rRNA
人工筛选的核酶：
（1）可以对tRNA进行氨酰化的Flexizyme
（2）基于riboswitch的 glmS
（3）Class I ligase

同花顺

化学本质为RNA的酶，在生物学上有一个明确对应的定义，那就是核酶（Ribozyme）；
维基百科上有对应的词条：Ribozyme - Wikipedia
然而有一点需要指明的是，有相当一部分RNA酶并不是独立发挥功能的，他们往往需要与蛋白质组成复合体（Complex）发挥功能。
其中，有很多著名的RNA酶在这里可以作为例子科普：

首先，是大名鼎鼎的端粒酶，也就是各种护肤品（没错我就是能分得清护肤品和化妆品的优秀男孩子）广告中所生成的提高端粒酶活性，延长端粒，抗衰老……的那个端粒酶（Telomerase）。
然而很有意思的是，我们所熟知的端粒酶实际上是一种逆转录酶，它本身携带一个特定的RNA分子：3′-CCCAAUCCC-5′（布氏锥虫中），然后发挥逆转录酶活性将这段序列反复地添加到染色体的末端形成一条DNA单链，随后会有真核生物中的DNA聚合酶合成互补链——这里的端粒酶是一种RNA指导的DNA聚合酶，而其中的RNA只是起到了模板的作用，发挥DNA聚合功能的还是端粒酶的蛋白质部分。



图为端粒酶的作用机制，图片来自Wiki

B站有个很萌的小视频可以给大家展示端粒酶的工作机制：
https://www.bilibili.com/video/av25910816?from=search&seid=653309588104321128

其次，是所谓的最典型的核酶（正如很多国内教材所描述的那样剪接DNA的酶叫核酶），RNA剪接体（Spliceosome）当中的核酶snRNA，以及其他类型的RNA剪切和剪接的酶RNase P 等。
这里补充一个关于剪接体Spliceosome的小视频，视频中所用的例子是由施一公教授团队解析的酵母RNA剪接体：
https://www.bilibili.com/video/av8746513?from=search&seid=1494690639325656369

除此之外，Wiki上还给出了大量的被发现的RNA酶：


其中，包括rRNA也可以被看做是核酶（实际上翻译过程中将氨基酸一个一个连起来的反应就是16s rRNA催化的）。
核酶的催化机制十分多样化，在多数情况下它们可以模仿与他们功能相似的蛋白质酶的催化机制，比如在大多数的自剪切核酶中，它们可以利用自身的2'羟基来作为亲核试剂进攻二磷酸键桥完成自剪切。



核酶的三种结构：铅酶、斧头型核酶、扭转核酶，图片来自WIki

最后，值得一提的是人类肝炎病毒HDV的核酶，在其繁殖过程中起到了重要的剪切作用，同时还是被发现的自剪切速度最快的核酶。
<hr/>这样的回答我还有一百多个，你真的不看看嘛？╰(￣▽￣)╮

队长是我

自然界中大部分酶的本质是蛋白质，但是蛋白质不是生物催化领域中唯一的物质，有些RNA分子也具有催化能力，我们称这些本质为RNA的酶为核糖酶，有时也称为RNA。RNA酶很适于去识别并转化单链核酸，因为它们与所作用的核酸底物享用着共同的碱基配对语言。例如端粒酶，核酶等。端粒酶是在细胞中负责端粒的延长的一种酶，是基本的核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端，把DNA复制损失的端粒填补起来，藉由把端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗，使得细胞分裂的次数增加。端粒在不同物种细胞中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用，端粒酶能延长缩短端粒(缩短的端粒其细胞复制能力受限)，从而增强体外细胞的增殖能力。核酶是具有催化功能的小分子RNA ，属于生物催化剂，可降解特异的mRNA序列。
核酶可通过催化靶位点RNA链中磷酸二酯键的断裂，特异性地剪切底物RNA分子，从而阻断靶基因的表达。这两种酶是比较常见的化学本质为RNA的酶。
祝好！欣贝莱~盛

长长的路

端粒酶