词语大全 > 脱氧核酶

脱氧核酶

脱氧核酶(deoxyribozyme)是利用体外分子进化技术合成的一种具有催化功能的单链DNA片段,具有高效的催化活性和结构识别能力。自 1994年首次发现脱氧核酶以来,迄今已发现了几十种脱氧核酶。根据其功能可分为7大类:具有RNA切割活性,具有DNA连接酶活性,具有卟啉金属化酶和过氧化酶活性,具有DNA水解活性,具有DNA激酶活性,具有N-糖基化酶活性,具有DNA戴帽活性。

1994年,Gerald.F.Joyce等报道了一个人工合成的35bp的多聚脱氧核糖核苷酸能够催化特定的核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸形成的磷酸二酯键,并将这一具有催化活性的DNA称为脱氧核酶或DNA酶(DNA enzyme,DE)。

1995年,Cuenoud等在Nature报道了一个具有连接酶活性的DNA,能够催化与它互补的两个DNA片断之间形成的磷酸二酯键。迄今已经发现了数十种脱氧核酶。

尽管到目前为止,还未发现自然界中存在天然的脱氧核酶,但脱氧核酶的发现仍然使人类对于酶的认识又产生了一次重大飞跃,是继核酶发现后又一次对生物催化剂知识的补充。这将有助于了解有关生命的一个最基本问题,即生命如何由RNA世界演化为今天的以DNA和蛋白质为基础的细胞形式。这项发现也揭示出RNA转变为DNA过程的演化路径可能也存在于其它与核酸相似的物质中,有助于了解生命基础结构及其进化过程。

根据催化功能的不同,可以将脱氧核酶分为5大类:切割RNA的脱氧核酶、切割DNA的脱氧核酶、具有激酶活力的脱氧核酶、具有连接酶功能的脱氧核酶、催化卟啉环金属螯合反应的脱氧核酶。其中以对RNA切割活性的脱氧核酶更引人注意,不仅能催化RNA特定部位的切割反应,而且能从mRNA水平对基因进行灭活,从而调控蛋白的表达。

1、RNA切割作用

脱氧核酶最重要的一种性质,也是目前研究最活跃的一个方面,是具有通过酯化作用而切割RNA分子的功能。DNA这种独特的性质,使其有可能应用于破坏体内细胞和病毒的RNA,具有潜在的体内治疗作用。脱氧核酶发挥RNA切割作用有以下几种形式:

(1)以金属离子为辅因子:用“催化洗脱”的方法从一个随机序列库中筛选出一系列二价金属离子依赖的具有 RNA切割作用的脱氧核酶,分别以Mg2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+等作为辅因子。使用Ca2+、Cd2+为辅因子,同样筛选出具有RNA切割作用的脱氧核酶,扩展了金属辅因子的范围。每一种结构脱氧核酶依赖的二价金属离子种类和程度都有差别,具有特异性,这种特异性表明脱氧核酶存在一个或几个对几何形状和大小尺寸有严格要求的金属离子结合位点。金属离子的作用可能是促进DNA正确折叠以形成催化中心,保持脱氧核酶处于活性状态,稳定反应物的中间过渡态,以及屏蔽寡核苷酸所带的负电荷,以利于酶与RNA底物杂交等。另外,三价的稀土元素镧系金属离子(铽、铥、镧)也可作为辅因子,协助脱氧核酶空间折叠和发挥催化作用。特别已筛选出的两个Mg2+依赖的脱氧核酶,能切割所有RNA底物,分别命名为“8-17”和“10-23”,都由结合部位和催化部位组成,结合部位通过Watson-Crick碱基配对与底物RNA分子结合,而催化部位在RNA分子的一个未配对的嘌呤和一个已配对的嘧啶碱基处切割RNA,改变结合部位的碱基序列就可作用于不同底物RNA靶分子。

(2)以氨基酸为辅因子:除了金属辅因子外,脱氧核酶还可利用氨基酸作为辅因子。筛选出了一个以L-组氨酸为辅因子的脱氧核酶,只有在L-组氨酸存在的条件下才发挥RNA切割作用,而D-组氨酸不能有效促进脱氧核酶的切割功能,说明DNA 能够形成精确的空间结构以识别底物分子和辅因子。组氨酸作为一般碱催化剂起着独特作用,起主要作用的是分子内的咪唑基团。另外精胺也可作为辅助因子,依赖精胺的脱氧核酶的切割机制与锤头状核酶相似,产生游离的5′-OH和2′,3′-环磷酸基团。

(3)自身具有RNA切割作用:不需要任何辅因子,单链DNA分子依靠自身的结构变化也具有RNA切割作用。已用二价金属离子螯合剂EDTA排除二价金属离子的污染,并进行准确的微量金属分析,在确认没有二价金属离子或其他适合辅因子存在的条件下,通过“催化洗脱”的方法筛选到一个具有RNA切割作用的脱氧核酶,命名为 “G3”。与不加酶的反应相比,它提高催化效率108倍。此研究表明DNA分子自身也能提供具有活性的化学基团而发挥催化效应。

2、DNA切割作用

脱氧核酶不仅具有RNA切割作用,而且也能切割DNA 分子。已筛选出了两类具有DNA自我切割作用的脱氧核酶,Ⅰ类自我切割脱氧核酶需要Cu2+维生素C参与,而Ⅱ类脱氧核酶只需要Cu2+。Ⅱ类脱氧核酶以顺式方式切割DNA靶分子,与不加酶的反应相比,它提高催化效率106倍。多数脱氧核酶只能与底物形成二联体形式,而Ⅱ类脱氧核酶能与底物形成二联体或三联体形式,结合并切割DNA底物,通过改变二联体或三联体的识别位点,就可以切割不同核苷酸序列的单链DNA分子。因此脱氧核酶还可以作为简单的限制性内切酶,位点特异性地切割单链 DNA分子。

3、卟啉金属螯合作用和过氧化物酶活性

已筛选出一个只有24 nt富含鸟嘌呤G的脱氧核酶“PS5M”,PS5M形成一个G四聚体结构的催化活性中心,结合一个扭曲的卟啉分子,使卟啉分子类似于金属螯合反应的中间过渡态,从而促进了金属的螯合作用,PS5M还能与血红素结合,形成的复合物具有过氧化物酶活性,能催化氯高铁血红素-氢过氧化物的分解。

4、DNA激酶活性

脱氧核酶还具有DNA激酶活性,类似T4多核苷酸激酶的作用,能把NTP或dNTP上的γ-磷酸基团转移到DNA的5′-OH上。从一个随机单链DNA库中筛选出50个不同序列类型的具有自我磷酸化作用的脱氧核酶,都能把NTP或dNTP上的γ-磷酸基团转移到DNA的5′-OH上,实现DNA分子5′-OH端自我磷酸化。通过优化反应条件,脱氧核酶还能区分NTP和dNTP,其中一个优化的ATP依赖的脱氧核酶能特异性地选择ATP,高出CTP、GTP及UTP 4000倍,相对于不加酶的ATP水解反应,脱氧核酶提高催化效率106倍。

对于脱氧核酶的研究有望成为基因功能研究、核酸突变分析、治疗肿瘤、对抗病毒及肿瘤等疾病的新型基因治疗药物的新型核酸工具酶。

尽管自然界没有发现脱氧核酶,但实验已证明DNA具有酶活性。由于脱氧核酶比核酶更加稳定,且相对生产成本低廉,脱氧核酶的开发应用已成为新药开发的热门课题。目前对脱氧核酶的结构和功能已有初步了解,但多数研究仍处于实验阶段,还必须继续寻找新的催化效率更高的脱氧核酶,进一步了解其结构和功能特点。目前最具有应用前景的是脱氧核酶10-23,作为一种潜在的强有力的RNA特异性切割工具,无论是在体外应用于RNA限制性内切酶,还是在体内作为RNA水平上的基因失活剂,具有很好的应用前景。脱氧核酶10-23由29个核苷酸组成,其中催化中心有15个核苷酸(GGCTAGCTACAACGA),催化中心的两侧各连有7个核苷酸的结合臂,用于结合底物RNA。切割反应发生在RNA分子的嘌呤(G或A)与嘧啶(U或C)之间,切割反应产生的5′端产物带有2′-3′环型磷酸基团,3′端产物含有自由的5′-OH。脱氧核酶10-23的酶动力学研究表明,其催化效率可达到109 mol/ L-1min-1以上,比RNase、发夹型核酶及锤头型核酶的催化效率更高,其催化效率以及与靶分子结合的特异性与结合臂的长度和序列相关。

相关解释:

词语大全 8944.net

copyright ©right 2010-2021。
词语大全内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com