核酶（核酶,，ribozyme）能夠完成合成新RNA分子所需的基本反應(yīng),，加州大學(xué)研究人員最近確立了核酶的三維結(jié)構(gòu),，為探索生命起源過(guò)程中首個(gè)具有自我進(jìn)化能力的分子提供了參考。
當(dāng)今所有生命形式中，DNA和RNA分子的合成是由蛋白酶完成的,，而編碼這些蛋白酶的指令又包含在DNA和RNA中,，這種類似先有蛋還是先有雞的過(guò)程，向生命起源理論提出了挑戰(zhàn),。
“誰(shuí)先出現(xiàn)的呢,，核酸還是蛋白？這個(gè)問(wèn)題先前被看作是一個(gè)極難處理的矛盾,，但隨著核酶的發(fā)現(xiàn),，現(xiàn)在可以想象一個(gè)生命起源以前的‘RNA世界’，那里自我復(fù)制的酶執(zhí)行兩種功能,，”UC Santa Cruz化學(xué)和生化副教授William Scott說(shuō),。
Scott 與博士后研究員Michael Robertson確立功能（將兩個(gè)RNA亞基組合在一起）與RNA聚合酶相似的酶的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果刊登于3月16日《Science》,。
“一種RNA依賴的RNA聚合酶核酶是整個(gè)RNA世界假說(shuō)的基礎(chǔ),，” Robertson說(shuō)，“有了它,，就可以產(chǎn)生能夠自我復(fù)制的RNA,，某些拷貝中的突變或者錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生達(dá)爾文自然選擇所強(qiáng)調(diào)的變異，并且該分子將進(jìn)化為更大更好的核酶,。這些是該結(jié)構(gòu)如此迷人的原因,。”
Robertson和Scott所研究的這種核酶并非完全自我復(fù)制，但具有將兩個(gè)RNA亞基鍵合起來(lái)的“連接酶”的功能,。在德克薩斯大學(xué)生化學(xué)家Andrew Ellington的實(shí)驗(yàn)室完成研究生論文時(shí),，Robertson通過(guò)一種試管演變實(shí)驗(yàn)得到了這種連接酶核酶。以隨機(jī)合成的RNA分子的混合物為起始點(diǎn),，選擇目的特征,，研究人員能夠從中得到RNA酶。在Ellington實(shí)驗(yàn)室,，Robertson得到連接酶核酶（L1連接酶）,，并確定了功能部分和非關(guān)鍵部分。
到加州大學(xué) Santa Cruz后,，Robertson開始嘗試制造核酶的晶體,，以便利用X射線結(jié)晶學(xué)確定結(jié)構(gòu)。使RNA分子結(jié)晶非常困難,，通過(guò)摸索各種條件和更換這種核酶的形式,，Robertson和Scott終于利用X射線結(jié)晶學(xué)，確立了該核酶的三維結(jié)構(gòu),。
該核酶有三個(gè)從中心發(fā)射出的莖干,。發(fā)生連接反應(yīng)的活性位點(diǎn)位于其中一個(gè)莖干上,。結(jié)構(gòu)圖顯示，分子的另一莖干的一部分折疊在連接位點(diǎn)之上,，形成一個(gè)發(fā)生反應(yīng)的口袋,。一個(gè)鎂離子結(jié)合在一個(gè)莖上，落在口袋里,，在反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,。這種結(jié)構(gòu)提示這種人工選擇的核糖體的反應(yīng)機(jī)制與天然酶的相似。
Robertson 說(shuō)L1連接酶利用的過(guò)渡狀態(tài)穩(wěn)定性機(jī)制（transition-state stabilization）和酸堿催化作用,，似乎與天然核酶和蛋白酶所利用的相似。”
部分英文原文：
Science 16 March 2007:
Vol. 315. no. 5818, pp. 1549 - 1553
DOI: 10.1126/science.1136231
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The Structural Basis of Ribozyme-Catalyzed RNA Assembly
Michael P. Robertson and William G. Scott*
Life originated, according to the RNA World hypothesis, from self-replicating ribozymes that catalyzed ligation of RNA fragments. We have solved the 2.6 angstrom crystal structure of a ligase ribozyme that catalyzes regiospecific formation of a 5' to 3' phosphodiester bond between the 5'-triphosphate and the 3'-hydroxyl termini of two RNA fragments. Invariant residues form tertiary contacts that stabilize a flexible stem of the ribozyme at the ligation site, where an essential magnesium ion coordinates three phosphates. The structure of the active site permits us to suggest how transition-state stabilization and a general base may catalyze the ligation reaction required for prebiotic RNA assembly.
The Center for the Molecular Biology of RNA and Department of Chemistry and Biochemistry, Robert L. Sinsheimer Laboratories, University of California, Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
