自1926年，Sumner结晶尿酶并揭示它属于蛋白质以来，有众多的酶得到了纯化，毫无疑问它们的本质全都是蛋白质。至于在目前地球上生息的生物中还存在蛋白质以外的生物催化剂之说，不久以前还是无人置信，1981年，塞奇（Cech）等发表“具有催化功能的RNA”论文时，许多人对他们的实验结果都持怀疑态度。以后有关RNA有催化作用的实验证据越积越多，并进一步发现了几种其他种类有催化功能的RNA，现在RNA可具有催化功能已成为无可非议的事实。从第一次发现到如今已有四年了，谈论RNA可能是酶的话题不会再令人“惊讶”。为了让更多的人，尤其是生化界以外的人了解RNA酶的存在，下面想就RNA酶的研究近况作一些简单介绍。

一、四膜虫的核糖体RNA前体的剪接

第一例具有催化活性的RNA，是在研究四膜虫核糖体RNA（rRNA）前体剪接中被发现的。

真核生物的许多基因，是由不编码基因产物任何部分的DNA顺序（插入顺序或内含子）分割的。内含子同样被RNA转录，不过转录后经RNA剪接反应会被切除。RNA剪接，在一系列的切断连接反应中，具有按准确顺序使编码部分（外显子）的端与端相连接的机构。现在已清楚大体存在三种不同的RNA剪接系。一是核的转移RNA（tRNA）前体的剪接，二是核的位使RNA（mRNA）前体的剪接，三是原生动物核的rRNA前体、霉菌和酵母的线粒体RNA前体以及植物叶绿体RNA前体的剪接。四膜虫的rRNA剪接属于第三种类型。

喜温四膜虫（Tetrahymena thermophila）的26 S rRNA基因是具有413碱基对的内含子。塞奇等对这rRNA基因在体外的转录和剪接进行研究，于1981年发现剪接反映在清除了蛋白质的rRNA前体自身中进行。但在那时，虽说是清除了蛋白质的rRNA前体，但很难排除用现时蛋白质清除技术不可能除净的蛋白质或多肽参与的可能性，所以不能最终确定剪接反应是在RNA自身中进行的结论。因此，他们将含内含子的r DNA片断连接在大肠杆菌质粒lac UV5增进子的下游，并利用大肠杆菌RNA多聚酶在体外合成了含内含子顺序的RNA，结果这RNA无蛋白质地引起剪接反应。也就是，通过这实验可以完全排除四膜虫的rRNA中有蛋白质（酶）混入的可能性，进而证实rRNA前体自身存在能促进剪接反应的活性。

已证明在这剪接反应中需要一价阳离子（75mM(NH₄)SO₄）和二价阳离子（5 ~ 10 mMMgCcl₂），以及鸟嘌呤核苷或鸟嘌呤（GMP、GDP或GTP），不需要蛋白质酶和ATP类能源。在rRNA前体中的内含子5'末端切断磷酸二酯键，5'末端磷酸转移到鸟嘌呤核苷的3'位。然后内含子的3'末端也一样，在切断的同时，下游外显子部分同上游外显子的3'末端羟基结合，就此完成内含子的切除和上游外显子和下游外显子的准确连接。另外，内含子再一次通过切断连接反应切除一部分，最后形成环状DNA。这些全都是切断和连接合为一体的反应，不发生磷酸二酯水解，磷酸酯通常以转移到其他3'末端羟基上的机制进行反应。

用这磷酸二酯转移机制，可以从热力学角度说明剪接反应为何不需要ATP能量。这内含子RNA在反应前后使自身发生变化，另外无“转移”功能（不催化其他分子的剪接），所以还不能说是真正的催化剂。但至今的研究又表明：内含子RNA跟鸟嘌呤核苷有特异性的相互作用；内含子RNA的高级结构能降低反应激活能量，因此可以说在rRNA前体中的内含子具有酶的性质。

这些都是围绕体外的反应开展的研究。最近已建立起这一剪接反应的体内系统。帕利斯（Price）等人分别利用大肠杆菌质粒pUC8和噬菌体MBmp83，在这些载体的β - 半乳糖苷酶α片断基因中导入四膜虫的rRNA内含子顺序，研究结果表明它在大肠杆菌细胞内被准确剪接，且β - 半乳糖苷酶能表达。这体内的剪接实验很重要，因为它是在大肠杆菌细胞内环境这一体内状态下完成的，并且表明四膜虫的rRNA内含子完全不需要蛋白质酶，能准确地自我剪接。使用这大肠杆菌系和选择位点定向突变技术，将推进在剪接中起重要作用的内含子的内部部位和二级结构研究。

最近有报道说，红色面包霉和酵母的线粒体rRNA和mRNA前体在体外的情况也跟四膜虫的rRNA前体大致相同，能无蛋白质地自我剪接。为了完成这些反应，必须提供能稳定维持RNA高级结构的条件，即高浓度的镁离子或1 mM的精脒和20 mM以下的镁离子。另外，以前知道通过核突变，或位于这些基因内含子内的开放阅读框（open reading frame）突变，这剪接就会停止，在体内一般认为这一剪接有蛋白质（内含子内开放阅读框所编码的成熟酶（maturase）等）参与。但是，这些内含子在体外如果能很好地保持高级结构，就能自己进行剪接，因此说明成熟酶等蛋白质无化内含子自身剪接的活性，化活性在内含子RNA中，成熟酶等也许是起维持内含子RNA中有活性高级结构的作用。

米切尔（Michel）等根据内含子碱基排列顺序和二级结构、将霉菌和酵母线粒体以及植物叶绿体中的许多内含子分类在四膜虫的rRNA内含子组。这些内含子取跟四膜虫rRNA内含子相似的二级结构，同时如上所述，红色面包酶和酵母线粒体的内含子可在体外发生自我剪接反应。因此，假定在体内由蛋白质促进或控制反应，那么属于该组的所有内含子的剪接反应化部位很可能都在RNA中。有鉴于此，原先以为自我剪接的特殊反应机制仅限于四膜虫的rRNA，可现在已开始认识到这一机制可能相当广泛地存在于自然界中。

二、RNase P的RNA成分

虽说四膜虫的rRNA内含子具有化功能，但如前所述，还不能说是真正的化剂。第一例真正具有化功能的RNA是由爱特曼（Altman）等于1983年发现报道的。那化剂就是大肠杆菌核糖核酸酶P（RNase P）的RNA成分，大肠杆菌的tRNA先由其基因转录为tRNA前体，经特异性核酸内切酶和核酸外切酶的作用形成3'末端，5'末端则由叫做RNase P的核酸内切酶切齐。RNase P由RNA成分和蛋白质成分组成，两种成分在体内是缺一不可的，在体外也都是必需的成分。这酶的RNA成分功能就是同基质tRNA前体形成特异的碱基时，提供应该在酶化部位切断tRNA前体的部位，其化部位原以为就是蛋白质成分。的确，镁离子浓度在10 mM以下，哪一种成分单独都无活性。如果将镁离子调节成60 mM，或在10 mM镁离子条件下加入1 mM精脒，那么在体外只要有RNase P的RNA成分就能切断tRNA前体，形成tRNA的5'末端。单有这RNA成分的反应和同RNase P的反应的Km值都取相同的值，因此可以说只是这RNA成分在同基质的结合上起作用。

与四膜虫的rRNA内含子不同，RNase P的RNA成分有“转移”功能，能将基质切断为2个以上分子，在反应的前后不发生自身变化，因此，这显然是化剂，可称之为RNA酶。这RNA成分二级结构模型依据对RNase和单链特异性核酸酶敏感部位的描图，有意义的是，有可能跟tRNA的共同顺序5'-GTψCPu-3'结合的互补顺序恰好位于环的外部，但它是否实际参与同基质的结合？催化部位在哪里？这些问题还都不清楚。

像这样，在体外，已明确RNA成分有化活性，而在体内，坂野等发现RNase P的蛋白质成分基因发生突变，所有tRNA处理都受到影响，从而表明在体内RNase P的活性必须要有蛋白质成分，但是，跟上述参与线粒体RNA剪接的成熟酶相似，RNase P的蛋白质成分本身不具备自身化能力，可能在同RNA成分结合之后起维系有活性高级结构的作用。

现在已清楚，除了大肠杆菌以外，枯草杆菌和伤寒沙门氏菌中RNase P的RNA成分在体外也都具有催化活性。另外推测相当于RNase P中RNA成分的其他生物种RNA（例如酵母线粒体的9 S RNA）也可能具有催化活性。

三、自我切断的RNA

具有化功能的RNA除了上述二种RNA以外，爱皮农（Apirion）等报道了噬菌体T4的Species1 RNA前体。species1 RNA前体为RNase E - 大肠杆菌感染T4-?27（缺失大部分T4 tRNA基因丛的T4噬菌体）后获得的T4 tRNA基因丛所编码，是一种功能不明的RNA。已知道这RNA接受蛋白质酶RNase F的特异部位切断，它的另一特性是即使无RNase F存在，假如在有170 mM NH₄Cl和非离子界面活性剂（0.5%Brij58）的反应液中保温这RNA前体，它仍能在特异部位发生跟有RNase F作用时一样的自我切断。爱皮农等表示这反应液完全不含蛋白质，用热处理和尿素处理法使RNA变性，则反应停止。他们据此断定RNA自身有进行切断反应的活性。这切断反应发生在C₁₃₉~ A₁₄₀。之间，生成物变成3'末端为磷酸基、5'末端为羟基的形式（_Cp和HOA_）。

菊池洋等以前报道过线状类病毒分子（马铃薯纤块茎病毒、PSTV）在5'末端有羟基、3'末端有2'，3' - 环状磷酸基，成切断环状类病毒分子中特定C-A键的形式。将这C-A键周围的二级结构和T4 species 1 RNA前体自我切断部位的二级结构比较一下，可发现二者很相似，所以线状类病毒也很可能是环状类病毒RNA或其前体RNA通过自我切断而生成的。

这T4 species 1 RNA前体的自我切断表明，即使假定机体内存在蛋白质属性的BNA处理酶，其特异性也是由基质RNA固有性质造成的。这提示在RNA处理系进化上有基质RNA的主动性作用，很有意义。

四、RNA酶的展望

今后还能发现作为催化剂的或有催化功能的RNA吗？第一候补当推参与mRNA剪接的UI低分子核糖核蛋白复合体（Ul sn RNP）中的RNA（UI RNA）。UI RNA的结构在种间保存很完整，例如人和牛的UI RNA具有完全相同的碱基顺序。在人和果蝇之间，虽只有72%的相似性，但它们的二级结构保存完整。如果考虑高级结构对RNA的化作用很重要，那么以二级结构保存完整的UI RNA为主的所有sn RNA都将是新RNA化剂的有力竞争者。其中，包括参与小泡体中蛋白质输送的信号识别粒子（SRP）的7S RNA、参与向线粒体输送蛋白质的RNA、衣藻和小球藻的δ - 氨基乙酰丙酸合成酶系的RNA、以及马铃薯O - 联苯酚氧化酶和兔肌肉α-1，4葡聚糖分枝生成酶中的RNA，它们是否都有化功能？看来都有研究的必要。另外，rRNA和tRNA在蛋白质合成反应中，与现时的理解相比，也许起着更主动的作用。实际上，清水等正在开展tRNA和氨基酸直接相互作用的研究。

克利克（Crick）和奥格尔（Orgcl）十七年前在有关遗传密码起源的论文中，假想了完全不含蛋白质，仅由RNA组成的原始的核糖体。也就是，生命的起源是遗传密码的起源问题，描画了RNA产生蛋白质的构图。他们在构图中的设想是：氨基酸同原始的tRNA微弱结合，持有这氨基酸的tRNA排列在原始的rRNA上，借助非生命性缩合剂生成肽键。现在，尚未见RNA酶作用RNA以外基质的实例，但如果发现化肽键生成的RNA，那么将给这些假说提供有力的根据。

原先认为特殊的RNA，今后，尤其是在RNA处理和剪接系统中将被陆续发现。通过对它们的详细研究，不仅可以弄清楚RNA的新作用和化机制，而且也许能把握清楚解答生命起源问题的重要关键。

追记：最近，Cech等发现四膜虫的rRNA内含子能在体外化其他分子的磷酸酯转移反应，报道了这RNA能起真正的酶的作用。

[生化学（日），1985年57卷12期]