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核酸内切酶家族RNase H酶结构与功能详解

作者:Magigen


什么是RNase H?


RNase H, 英文名称Ribonuclease H,中文名称核糖核酸酶H,是一个非序列特异性内切酶家族,又称核酸内切酶RNase H。RNaseH通过水解机制催化RNA/DNA底物中RNA的切割。从细菌到古细菌到真核生物, 核糖核酸酶H家族的成员几乎可以在所有生物中找到。

RNase H分类和命名法

RNase H家族被分为进化相关的组,大致分为RNase H1和RNase H2两个亚型。按照惯例,在真核生物中用阿拉伯数字命名,在原核生物中用罗马数字命名。因此,大肠杆菌RNase HI是智人RNase H1的同源物。与RNase H2密切相关的第三种RNaseH类型HIII仅在少数原核生物中发现,而RNase H1和RNase H2出现在生命的所有领域。

核糖核酸酶H是一个核酸内切酶家族,对RNA-DNA双链体的RNA链具有共同的底物特异性, 他们的底物偏好略有不同。人类基因组编码RNase H1和RNase H2。

在大肠杆菌和许多其他原核生物,rnhA基因编码RNAse HI,rnhB基因编码RNase HII。第三个相关类RNase HIII,发现在一些细菌和古细菌中;它与原核RNase HII酶密切相关。

核酸内切酶RNase H的3D结构

图1. RNase H的3D结构


RNase H的结构

RNase H的一级结构有助于核苷酸的结合,因为许多残基与RNA和DNA链形成氢键。

核糖核酸酶H包含一个约100个残基的核心,在不同物种(如大肠杆菌和HIV)的核糖核酸酶H分子中都可以看到。

RNase H的结构通常由被α-螺旋分布包围的5链β-折叠组成。所有RNase H都具有以由天冬氨酸和谷氨酸残基组成的保守序列基序为中心的活性位点,通常称为DEDD基序。这些残基与催化所需的镁离子相互作用。二级结构也在核苷酸底物的结合中起间接作用。


RNase H2比 RNase H1大,通常具有其他螺旋。酶的结构域组织各不相同;RNase H1的一些原核和大多数真核成员在N端都有一个额外的小结构域,称为“杂合结合域”,它促进了与RNA:DNA杂合双链的结合,而H1组的所有成员和H2组的原核成员都作为单体发挥作用,而真核H2酶是专性异源三聚体。原核RNase HIII酶是更广泛的H2基团的成员,并且与H2共享大多数结构特征,并添加了N末端TATA盒结合结构域。发生在多结构域逆转录酶蛋白中的逆转录病毒RNase H结构域具有与H1组非常相似的结构。

RNase H1已被广泛研究和使用,尤其是大肠杆菌同源物,作为研究蛋白质折叠的模型系统。在RNase H1组中,已确定较高的底物结合亲和力与存在由螺旋和柔性环组成的结构元件之间的关系,该螺旋和柔性环提供更大和更基本的底物结合表面。C-螺旋具有分散的分类分布;它存在于大肠杆菌和人类RNase H1同源物,在HIV RNase H结构域中不存在,但存在具有C-螺旋的逆转录病毒结构域的实例。

人的RNase H2是由三个亚基组成的异三聚体复合物,其中任何一个突变都是造成罕见疾病Aicardi-Goutières综合征的遗传原因。此外,RNase H1类逆转录病毒RNase H结构域存在于多结构域逆转录酶蛋白中,该蛋白由HIV等逆转录病毒编码,是病毒复制所必需的。

在真核生物中,核糖核酸酶H1参与线粒体基因组的DNA复制。RNase H1和RNase H2都参与基因组维护任务,如R-环结构的处理。



RNase H的反应原理



几乎所有RNase H的活性位点都含有四个带负电荷的氨基酸残基,称为DEDD基序;通常是组氨酸,如HIV-1、人体中的组氨酸,大肠杆菌也有。

带电残基结合催化所需的两种金属离子;在生理条件下,这些是镁离子,但锰通常也支持酶活性,而钙或高浓度的Mg2+抑制活性。

基于实验证据和计算机模拟,这种酶激活水分子,这些水分子与一种具有保守组氨酸的金属离子结合。这种过渡状态本质上是关联的,它与质子化磷酸盐和脱质子化醇盐形成中间体。

离开基团通过谷氨酸质子化,谷氨酸具有较高的pKa,很可能被质子化。该机制类似于Cas9酶中的RNase T和RuvC亚基,两者都使用组氨酸和双金属离子机制。



RNase H的功能


RNase H酶在双链RNA:DNA杂交中切割RNA的磷酸二酯键,在切割位点的两端留下一个3'羟基和一个5'磷酸基团,具有双金属离子催化机制,其中两个二价阳离子,如Mg2+和Mn2+直接参与催化功能。根据氨基酸序列的不同,这些核糖核酸酶H分为1型和2型RNase H。1型RNase H有原核和真核核糖核酸酶H1和逆转录病毒核糖核酸酶H。2型RNase H有原核和真核RNaseH2和细菌RNase H3。这些RNaseH以单体形式存在,但真核RNase H2以异源三聚体形式存在. 核糖核酸酶H1和H2在细胞中具有不同的底物偏好和不同但重叠的功能。在原核生物和低等真核生物中,两种酶都不是必需的,而在高等真核生物中,这两种酶都被认为是必需的。因为R-环的RNA成分的酶降解,H1和H2酶的联合活性与维持基因组稳定性有关。


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