RNA酶中H2O前所未知的重要作用

生物通报道：目前，由美国密切根大学和捷克科学院（the Academy of Sciences of the Czech Republic，ASCR）研究人员组成的联合小组，发现在RNA酶中的水分子的前所未知的重大作用。研究结果发表于本周（8月）PNAS网络版。

　　

生物通报道：水分子是地球上所有生命形式构成的基础，并且具有“通用”溶解济的性质。RNA酶（RNA enzyme）也称为核酶（ribozyme），与蛋白质酶一样可以加速细胞中的化学反应，在细胞中发挥重大作用并且是潜在的医疗原材料。正如蛋白质酶是一种非静态结构一样，核酶也在活动和休眠状态（称之为conformations构型）之间不断变化形状。

 

目前，由美国密切根大学和捷克科学院（the Academy of Sciences of the Czech Republic，ASCR）研究人员组成的联合小组，发现在RNA酶中的水分子的前所未知的重大作用。研究结果发表于本周（8月）PNAS网络版。

 

在由U-M's Nils Walter化学副教授带领的研究小组的早期工作中，发现核酶分子的各个部分，甚至在远离化学反应发生的部位都存在修饰现象（modifications），并且这种修饰现象影响酶改变构象的速度和催化化学反应的速率，这些与蛋白质酶有相似之处，但在此之前的RNA酶研究中从来没有被发现过。这项刊登于两年前PNAS上的早期发现向研究工作者提示：核酶上较远距离部位发生的变化会沿着某种网络传递到分子的化学反应发生中心。最近的研究显示：在核酶中心被“捕获”的水分子就是此网络的重要组成部分。

 

如果将氢键作用薄弱、分子与分子之间或者分子各亚基之间发生静电吸引的区域比作鸡尾酒会的话，那么这种网络如同鸡尾酒会上拥挤的人流。核酶中“捕获”的水分子可以与其它水分子或者核酶分子的亚基形成氢键。

 

Walter 说：“总结一下就是说在核酶中，一个地方引发的化学修饰会使局部结构产生微妙地变化。”构成核酶的各亚基摆动进入不同的位置，并在此过程中解开某些氢键，重新形成另一些氢键，如同酒会上社交高手之间互换位置与各种人员打交道一样。

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 “结果，通过氢键与这些亚基结合的伙伴（有些是水分子）也被跟着重新改变‘造型’；继而通过氢键与这些伙伴相结合的伙伴的伙伴也不得不重新改变‘造型’……这种多米诺骨牌效应使局部的改变被传递到整个分子，分子各个部位的结构都被跟着改变了。”水分子能够在各部位灵活地形成氢键，使整个核酶看起来更像一个相互连接的整体，因此水分子对这种多米诺传递过程至关重要。

 

Walter及其同事证实核酶中水分子的另一大功效：水分子直接参与核酶的催化反应。通过将计算机仿真技术和单分子荧光能量共振转移技术（single-molecule fluorescence resonance energy transfer）联系起来，研究人员能够直接观察、测量核酶改变构型的速度以及这种速度随分子中发生变化的亚基不同而变化的情况。

 

这种情况与蛋白质酶中的不尽相同，蛋白质酶中各部分间构象改变的信息传递不需要水分子，水分子在酶发生作用时会被排出核心区域。而在核酶中则会出现一个由氢键形成的网络（network of hydrogen bonds），在分子内一处接一处地传递信号。

 

目前的研究只是集中在一种特异的核酶，Walter认为此研究结果适用于其它的RNA。假如真如Walter所想，那么此结果将会引起从事于寻找RNA不同功能的科研人员的广泛关注。RNA在初期一直被认为只是被动地传递遗传信息代码，现在看来RNA调节基因表达等重大细胞事件，而且具有传感器的作用——检测细胞信号并及时做出相应的反应。实际上，在细胞中除了mRNA外（人类大约25，000），还存在许多非编码蛋白的RNA（100，000）。

 

关于核酶的研究工作不仅处于理论研究阶段，目前世界上也已经有许多工业实验室致力于发掘RNA的医疗潜力。一种名为RNA aptamers的人工合成分子，可以与引发某种疾病的相关蛋白结合，阻止疾病发生过程的关键步骤。

 

Walter 说：“水分子调节这些aptamers与疾病相关靶标蛋白的结合，直至将蛋白从其致病部位彻底赶出去。所以我们得到的这些关于核酶中水分子作用的基础理论有助于改善这些疾病的治疗措施。”（生物通记者 子元）