【6.8.4.4】核糖核酸酶（Ribonuclease）

核糖核酸酶（Ribonuclease，通常缩写为RNase）是一类核酸酶，可催化RNA降解成更小的成分。核糖核酸酶可分为内切核糖核酸酶和外切核糖核酸酶，并包含 EC 2.7（对于磷酸水解酶）和 EC 3.1（对于水解酶）酶类中的几个子类。

一、功能

所有研究的生物体都含有许多两种不同类别的 RNase，这表明 RNA 降解是一个非常古老且重要的过程。除了清除不再需要的细胞 RNA 之外，RNA 酶在所有 RNA 分子的成熟中也发挥着关键作用，无论是携带制造蛋白质的遗传物质的信使 RNA，还是在各种细胞过程中发挥作用的非编码 RNA。此外，主动RNA降解系统是针对RNA病毒的第一道防御，并为更先进的细胞免疫策略（例如RNAi）提供了基础机制。

一些细胞还分泌大量非特异性 RNase，例如 A 和 T1。因此，RNA 酶极为常见，导致任何不在受保护环境中的 RNA 的寿命都非常短。

值得注意的是，所有细胞内的RNA都受到多种策略的保护，免受RNase活性的影响，

1. 包括5’末端加帽、3’末端多聚腺苷酸化、RNA·RNA双链体的形成以及RNA蛋白复合物（核糖核蛋白颗粒或RNP）内的折叠。
2. 另一种保护机制是核糖核酸酶抑制剂(RI,ribonuclease inhibitor )，在某些细胞类型中，它包含相对较大比例的细胞蛋白质 (~0.1%)，并且以任何蛋白质-蛋白质相互作用中最高的亲和力与某些核糖核酸酶结合； RI-RNase A 复合物在生理条件下的解离常数约为20 fM。大多数研究 RNA 的实验室都使用 RI，以保护其样品免受环境 RNA 酶的降解。

与切割高度特异性的双链DNA序列的限制性内切酶类似，最近已对识别和切割单链 RNA 的特定序列的 多种核糖核酸内切酶进行了分类。

核糖核酸酶在许多生物过程中发挥着关键作用，包括开花植物（被子植物）的血管生成和自交不亲和性。原核毒素-抗毒素系统 的许多应激反应毒素已被证明具有RNase活性和同源性。

二、分类

2.1 核糖核酸内切酶的主要类型

• EC 3.1.27.5：RNase A是研究中常用的 RNase。 RNase A（例如牛胰核糖核酸酶 A：PDB：2AAS ​）是实验室常用的最坚固（hardiest）的酶之一；一种分离方法是煮沸粗制细胞提取物，直到除 RNase A 之外的所有酶都变性。它对单链 RNA 具有特异性。它切割3' 末端未配对的 C 和 U 残基 ，最终通过 2',3'-环状单磷酸中间体形成 3'-磷酸化产物。它的活性不需要任何辅助因子

• EC 3.1.26.4：RNase H是一种核糖核酸酶，可切割 DNA/RNA 双链体中的 RNA 以产生 ssDNA。 RNase H 是一种非特异性核酸内切酶，在酶结合的二价金属离子的帮助下，通过水解机制催化 RNA 的裂解。 RNase H 留下 5'-磷酸化产物。

• EC 3.1.26.3：RNase III是一种核糖核酸酶，可从原核生物中转录的多顺反子 RNA 操纵子中裂解 rRNA（16s rRNA 和 23s rRNA）。它还消化双链 RNA (dsRNA)-RNAse 的 Dicer 家族，在特定位点切割 pre-miRNA（60-70bp 长）并将其转化为 miRNA（22-30bp），积极参与转录调节和 mRNA 寿命。

• EC 编号3.1.26.-??： RNase L是一种干扰素诱导的核酸酶，激活后会破坏细胞内的所有 RNA

• EC 3.1.26.5：RNase P是核糖核酸酶的一种，其独特之处在于它是一种核酶——一种核糖核酸，与酶一样充当催化剂。其功能之一是从一条链前tRNA的 5' 端切下前导序列。 RNase P 是自然界中两种已知的多次周转核酶之一（另一种是核糖体）。在细菌中，RNase P 还负责全酶的催化活性，全酶由脱辅基酶组成，通过与辅酶结合形成活性酶系统，并决定该系统对底物的特异性。最近发现了一种不含 RNA 的蛋白质RNase P。

• EC 编号3.1.??：RNase PhyM是单链 RNA 的特异性序列。它切割未配对的 A 和 U 残基的 3' 端。

• EC 3.1.27.3：RNase T1是单链 RNA 的特异性序列。它切割 3' 端未配对 G 残基。

• EC 3.1.27.1：RNase T2 是单链 RNA 的特异性序列。它切割3'-末端所有 4 个残基的 ，但优先切割3'-末端的 As 。

• EC 3.1.27.4：RNase U2是单链 RNA 的特异性序列。它切割3' 端未配对的 A 残基。

• EC 3.1.27.8：RNase V对聚腺嘌呤和聚尿苷 RNA 具有特异性。

• EC 3.1.26.12：RNase E 是一种植物来源的核糖核酸酶，可调节细菌中的 SOS 反应，通过 RecA/LexA 依赖性信号转导途径激活 SOS 机制来响应 DNA 损伤应激，从而抑制转录多样性导致细胞分裂转运停滞以及 DNA 修复启动的基因。

• EC 3.1.26.-：RNase G它参与加工 5s rRNA 的 16' 端。它与染色体分离和细胞分裂有关。它被认为是细胞质轴丝束的组成部分之一。人们还认为它可以调节这种结构的形成。

2.2 核糖核酸外切酶的主要类型

• EC号 EC 2.7.7.8： 多核苷酸磷酸化酶(PNPase)起到核酸外切酶和核苷酸转移酶的作用。

• EC 编号 EC 2.7.7.56：RNase PH具有 核酸外切酶和核苷酸转移酶的功能。

• EC编号3.1.??：RNase R是RNase II的密切同源物，但与RNase II不同，它可以在不借助辅助因子的情况下降解具有二级结构的RNA。

• EC 编号 EC 3.1.13.5：RNase D参与前tRNA的3' 至 5' 加工。

• EC 编号3.1.??：RNase T是许多稳定 RNA 3' 至 5' 成熟的主要贡献者。

• EC 3.1.13.3：寡核糖核酸酶将短寡核苷酸降解为单核苷酸。

• EC 3.1.11.1：外切核糖核酸酶 I将单链 RNA 从 5'-降解为 3'，仅存在于真核生物中。

• EC 3.1.13.1：核糖核酸外切酶 II是核糖核酸外切酶 I 的密切同源物。

三、核糖核酸酶特异性

活性位点看起来像一个裂谷（ rift valley），所有活性位点残留物形成了谷壁和谷底。裂痕非常薄，小基板（small substrate）完美地贴合在活性位点的中间，从而可以与残基完美相互作用。实际上，它相对于substrate 也有一点曲率。尽管通常大多数外切核糖核酸酶和内切核糖核酸酶都不是序列特异性的，但最近天然识别和切割 DNA 的CRISPR /Cas 系统被设计为以序列特异性方式切割 ssRNA。

四、RNA提取过程中的RNase污染

分子生物学实验中RNA 的提取因普遍存在且耐久的核糖核酸酶的存在而变得非常复杂，这些酶会降解 RNA 样品。某些 RNase 非常顽强，与中和DNase相比，灭活它们非常困难。除了释放的细胞 RNase 之外，环境中还存在多种 RNase。核糖核酸酶已进化为在各种生物体中具有许多细胞外功能。例如，RNase 7 是RNase A超家族的成员，由人类皮肤分泌，可作为有效的抗病原体防御。在这些分泌的 RNase 中，RNase 酶活性对于其新的、适应的功能来说甚至可能不是必需的。例如，免疫核糖核酸酶通过破坏细菌细胞膜的稳定性来发挥作用。

参考资料

• https://en.wikipedia.org/wiki/Ribonuclease