核酶与抗体酶

核酶与抗体酶第一页，共四十五页，2022年，8月28日核酶（Ribozyme)一、概述二、剪接型核酶三、剪切型核酶四、核酶的应用五、核酶技术面临的问题六、脱氧核酶（deoxyribozyme)第二页，共四十五页，2022年，8月28日1、对酶及生物催化剂的认识的发展一、概述生物催化剂（Biocatalyst）蛋白质类：天然酶

enzyme极端酶extremozyme抗体酶abzyme生物工程酶其它：模拟酶核酸类:克隆酶遗传修饰酶蛋白质工程新酶、RibozymeDeoxyribozyme第三页，共四十五页，2022年，8月28日2、长期以来，人们认为只有某些蛋白质才有生物催化功能。但近些年研究发现，某些RNA分子也具有生物催化功能，被称为Ribozyme。1982年Cech等发现四膜虫细胞大核期间26SrRNA前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子L-19IVS具有多种催化功能。1984年Altman等发现RNaseP的核酸组分M1RNA具有该酶的活性，而该酶的蛋白质部分C5蛋白并无酶活性。Cech和Altman因发现Ribozyme而获得1989年度诺贝尔化学奖。第四页，共四十五页，2022年，8月28日3、核酶作用的特点化学本质RNA底物RNA肽键ā-葡聚糖分支酶反应特异性(专一性）碱基催化效率低产物第五页，共四十五页，2022年，8月28日剪切型核酶剪接型核酶根据催化反应锤头核酶I内含子II内含子发夹核酶丁型肝炎病毒（HDV)核酶RNaseP4.核酶的分类第六页，共四十五页，2022年，8月28日二、剪接型核酶剪接型核酶的作用机制是通过既剪有接的方式除去内含子（Intron).剪接型核酶分类1、I类内含子2、II类内含子第七页，共四十五页，2022年，8月28日1.I类内含子的自我剪接(Self-splicing)剪接机制L-19IVS在体外的多种酶活性核酶是一种金属依赖酶结构与功能的关系引导序列：IVS中的6个嘌呤核苷酸序列5‘CUCUCU3’3’GGGAGG5’G结合位点:IVS中的P7茎区空间结构第八页，共四十五页，2022年，8月28日核酶是一种金属依赖酶金属离子的作用：1、特异的结构作用，或参与活性部位的化学过程2、促进RNA的总体折叠3、二价金属离子（如Mg2+）与底物活性部位直接相互作用，参与过渡中间复合物的形成第九页，共四十五页，2022年，8月28日2、Ⅱ类内含子的自我剪接剪接机制结构与功能的关系第十页，共四十五页，2022年，8月28日三、剪切型核酶1、自身催化剪切型RNA1、1剪切机制1、2结构与功能的关系

锤头结构

(Hammerhead)

发夹结构(Hairpin)

斧头结构(Axehead)

假结样结构(Pseudoknot-like)1、3影响核酶活性的因素第十一页，共四十五页，2022年，8月28日2、异体催化剪切型RNA

核糖核酸酶P(RNaseP)是内切核酸酶，是核糖核蛋白体复合物，能剪切所有tRNA前体的5‘端，除去多余的序列，形成3’-OH和5’-磷酸末端。RNaseP由M1RNA和蛋白质亚基组成。体外：M1RNA具催化作用蛋白质作为辅助因子体内：M1RNA和蛋白质对酶活性都是必需的。2、1剪切机制

Mg2+2、2结构与功能的关系M1RNA5‘端完整结构对维持催化活性是必需的。第十二页，共四十五页，2022年，8月28日RNaseP可剪切前体5‘端41nt,5’端成熟。不同tRNA的5’端没有顺序共同性，剪切的准确性与剪切部位周围的核苷酸顺序无关，表明在RNaseP的组分内没有引导序列，RNaseP所识别的是底物的高级结构。RNaseP底物的二级结构剪切位点第十三页，共四十五页，2022年，8月28日第十四页，共四十五页，2022年，8月28日1、转核苷酸作用2CpCpCpCpCCpCpCpCpCpC+CpCpCpC2、水解作用CpCpCpCpCCpCpCpC+pC3、转磷酸作用CpCpCpCpCpCp+UpCpUCpCpCpCpCpC+UpCpUp4、去磷酸作用CpCpCpCpCpCpCpCpCpC+Pi5、限制性内切酶作用

CpUpCpUpN+GCpUpCpU+GpN第十五页，共四十五页，2022年，8月28日核酶在医学上的应用1、核酶抗肝炎病毒的研究目前人们已进行了核酶抗甲型肝炎病毒（HAV)、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV）以及HDV作用的研究。人工设计核酶多为锤头状结构，少部分是采用发夹状核酶。2、抗人类免疫缺陷病毒Ⅰ型（HIV-Ⅰ)核酶1998年，美国加利福尼亚大学Wong-Staal等利用发夹核酶抑制HIV-Ⅰ基因表达，并率先进入临床Ⅰ期。3、抗肿瘤治疗核酶能在特定位点准确有效地识别和切割肿瘤细胞的mRNA,抑制肿瘤基因的表达，达到治疗肿瘤的目的。第十六页，共四十五页，2022年，8月28日

五、核酶技术面临的问题1、核酶催化切割反应的可逆性问题2、提高催化效率3、寻找合适载体将核酶高效、特异地导入靶细胞4、使核酶在细胞内有调控地高效表达5、增强核酶在细胞内的稳定性6、对宿主的损伤问题有待进一步考察第十七页，共四十五页，2022年，8月28日六、脱氧核酶的研究1、体外选择技术筛选脱氧核酶分子脱氧核酶分子的体外选择是通过优先扩增事先固定在固相载体上的具有自我裂解功能的活性分子来实现的。通过这一技术已有两种具有RNA裂解活性的脱氧核酶被筛选出来。8-17，10-23。2、脱氧核酶催化特征10-23裂解位点为嘌呤、嘧啶连接双链稳定性越高，酶活性越高结合臂的长度影响酶催化转换性RNA-DNA比RNA-RNA稳定性差。对Mg2+,Zn2+,Ca2+,Mn2+有依赖性组氨酸，精氨酸促进催化活性极强的切割特异性（单碱基错配即可大幅降低切割活性）第十八页，共四十五页，2022年，8月28日10-23型脱氧核酶作用机理RYRRNAsubstrate切割点R=AorGY=CorUdeoxyribozyme53第十九页，共四十五页，2022年，8月28日手枪型脱氧核酶自我剪切作用机理茎II(催化部位)茎I(结合部位)5‘3‘3‘CA切割点10203040第二十页，共四十五页，2022年，8月28日p3’HO-Gp3’pP-GOHpP-G3‘HO

Ⅰ类内含子的剪接机制Mg2+或Mn2+GMP,GDP,GTP外显子内含子或居间序列（Interveningsequence,IVS)5‘第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日p2‘HO-Ap

p-Ap3’OHpP-AHO3’Ⅱ类内含子的剪接机制Mg2+套环的形成5‘3‘外显子连接第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日BAA5‘BBABAPCRPCR5‘5‘5‘StreptavidinColumnNaOHcofactor体外选择技术筛选具有自我裂解功能的DNA分子N50(DNA分子库）第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日

Ⅰ类内含子二级结构通式保守序列G结合位点剪接部位引导序列第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日Ⅱ类内含子有一个保守的二级结构：结构域Ⅰ：两个保守内含子结构序列EBS1,EBS2与两个外显子结构序列IBS1,IBS2互相配对。结构域Ⅴ：高度保守，催化活性必需。结构域Ⅵ：A提供2‘-OHⅡ类内含子二级结构模式5’3’第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日5个环和4个螺旋形成两个结构域剪切反应发生在底物识别序列GUC的5‘端两个内部环中的碱基及在螺旋区Ⅱ的G11和底物中的G+1都是酶发挥作用所必需的。5‘3‘发夹二级结构模型剪切位点第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日HDVRNA斧头结构模式

三个碱基对的茎需要二价阳离子，产生5‘-OH和2’,3’-环磷酸剪切部位剪切部位第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日

这类RNA进行自身催化的反应是只切不接。特点：在Mg2+

或其他二价金属离子存在下，在特定的位点，自我剪切，产生5‘-OH和2’，3‘-环磷酸二酯末端。

剪切机制核酶自身剪切反应第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日

mRNA剪接过程

mRNA剪接反应是在剪接体（splicesome)上进行的.5种snRNA剪接体50多蛋白质第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日锤头结构的五种类型R示酶，S示底物，箭头示剪切位点第三十页，共四十五页，2022年，8月28日建议的L19RNA催化机理第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日锤头型核酶对切割位点的识别位点遵守NHH规则（N代表任意核苷酸，H代表A,U或C）。催化过程需要二价金属离子参与。单金属离子催化双金属离子催化第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日锤头型核酶的二级结构和空间立体结构示意图三个双螺旋区13个核苷酸残基保守序列剪切反应在右上方GUX序列的3‘端自动发生第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日UCUAAAIVSGUAAPre-rRNAUCU

AAAGUAAUCUoH3’5‘GAAAGUAAUCUUAA5’GAAAGOH3’G-IVSL-19IVS19nt5‘3‘rRNA5‘3‘5‘pGOH3‘5‘3‘四膜虫rRNA前体自我剪接反应第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日CCCUCUOP+HOG

3’OAoooCCCUCUOPOAoOGCCCUCUOH+P-oGoAoo过渡态第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日CCCUCUOPOAoOGoCCCUCUOPOAoOGMg2+Mg2+o过渡态金属离子催化第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日锤头（Hammerhead)结构二级结构模型锤头二级结构编号锤头结构的类型锤头核酶的催化反应机制第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日17位（X）的核苷酸残基多数是C,不能是U,G.7位核苷酸残基的置换不会对酶活性产生很大影响锤头二级结构编号7位核苷酸17位核苷酸第四十页，共四十五页，2022年，8月28日发夹（hairpin）结构发夹核酶发现于三种不同植物RNA病毒，即烟草环点病毒，菊苣黄色斑点病毒型和筷子芥花叶病毒。三种发夹核酶分别是这些RNA病毒卫星RNA的负链，英文缩写分别是sTRSV,sCYMVT,sARMV,均为单链RNA。

发夹核酶结构模型

发夹核酶催化机制金属离子在催化反应中起结构作用，其剪切活性比锤头结构核酶高。第四十一页，共四十五页，2022年，8月28日GUACGGCCGGUGCCGGCUGGGGCAUUCCGAGGGGACCAAGUAAUGGCUCCCCUGcCGGGUCCAGCCUUCCGCCUCAGGUAAGCG3‘5‘剪切位点HDV核酶假结样结构