脫氧核酶（deoxyribozyme）是利用體外分子進化技術合成的一種具有催化功能的單鏈DNA片段，具有高效的催化活性和結構識別能力。自 1994年首次發現脫氧核酶以來，迄今已發現了幾十種脫氧核酶。根據其功能可分為7大類：具有RNA切割活性，具有DNA連線酶活性，具有卟啉金屬化酶和過氧化酶活性，具有DNA水解活性，具有DNA激酶活性，具有N-糖基化酶活性，具有DNA戴帽活性。
基本介紹
- 中文名：脫氧核酶
- 外文名：deoxyribozyme
- 發現：1994年
- 發現者：Gerald.F.Joyce
簡介,分類,功能,研究前景,
簡介
1994年，Gerald.F.Joyce等報導了一個人工合成的35bp的多聚脫氧核糖核苷酸能夠催化特定的核糖核苷酸或脫氧核糖核苷酸形成的磷酸二酯鍵，並將這一具有催化活性的DNA稱為脫氧核酶或DNA酶（DNA enzyme，DE）。
1995年，Cuenoud等在Nature報導了一個具有連線酶活性的DNA，能夠催化與它互補的兩個DNA片斷之間形成的磷酸二酯鍵。迄今已經發現了數十種脫氧核酶。
儘管到目前為止，還未發現自然界中存在天然的脫氧核酶，但脫氧核酶的發現仍然使人類對於酶的認識又產生了一次重大飛躍，是繼核酶發現後又一次對生物催化劑知識的補充。這將有助於了解有關生命的一個最基本問題，即生命如何由RNA世界演化為今天的以DNA和蛋白質為基礎的細胞形式。這項發現也揭示出RNA轉變為DNA過程的演化路徑可能也存在於其它與核酸相似的物質中，有助於了解生命基礎結構及其進化過程。
分類
根據催化功能的不同，可以將脫氧核酶分為5大類：切割RNA的脫氧核酶、切割DNA的脫氧核酶、具有激酶活力的脫氧核酶、具有連線酶功能的脫氧核酶、催化卟啉環金屬螯合反應的脫氧核酶。其中以對RNA切割活性的脫氧核酶更引人注意，不僅能催化RNA特定部位的切割反應，而且能從mRNA水平對基因進行滅活，從而調控蛋白的表達。
功能
1、RNA切割作用
脫氧核酶最重要的一種性質，也是目前研究最活躍的一個方面，是具有通過酯化作用而切割RNA分子的功能。DNA這種獨特的性質，使其有可能套用於破壞體內細胞和病毒的RNA，具有潛在的體內治療作用。脫氧核酶發揮RNA切割作用有以下幾種形式：
（1）以金屬離子為輔因子：用“催化洗脫”的方法從一個隨機序列庫中篩選出一系列二價金屬離子依賴的具有 RNA切割作用的脫氧核酶，分別以Mg2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+等作為輔因子。使用Ca2+、Cd2+為輔因子，同樣篩選出具有RNA切割作用的脫氧核酶，擴展了金屬輔因子的範圍。每一種結構脫氧核酶依賴的二價金屬離子種類和程度都有差別，具有特異性，這種特異性表明脫氧核酶存在一個或幾個對幾何形狀和大小尺寸有嚴格要求的金屬離子結合位點。金屬離子的作用可能是促進DNA正確摺疊以形成催化中心，保持脫氧核酶處於活性狀態，穩定反應物的中間過渡態，以及禁止寡核苷酸所帶的負電荷，以利於酶與RNA底物雜交等。另外，三價的稀土元素鑭系金屬離子（鋱、銩、鑭）也可作為輔因子，協助脫氧核酶空間摺疊和發揮催化作用。特別已篩選出的兩個Mg2+依賴的脫氧核酶，能切割所有RNA底物，分別命名為“8-17”和“10-23”，都由結合部位和催化部位組成，結合部位通過Watson-Crick鹼基配對與底物RNA分子結合，而催化部位在RNA分子的一個未配對的嘌呤和一個已配對的嘧啶鹼基處切割RNA，改變結合部位的鹼基序列就可作用於不同底物RNA靶分子。
（2）以胺基酸為輔因子：除了金屬輔因子外，脫氧核酶還可利用胺基酸作為輔因子。篩選出了一個以L-組氨酸為輔因子的脫氧核酶，只有在L-組氨酸存在的條件下才發揮RNA切割作用，而D-組氨酸不能有效促進脫氧核酶的切割功能，說明DNA 能夠形成精確的空間結構以識別底物分子和輔因子。組氨酸作為一般鹼催化劑起著獨特作用，起主要作用的是分子內的咪唑基團。另外精胺也可作為輔助因子，依賴精胺的脫氧核酶的切割機制與錘頭狀核酶相似，產生游離的5′-OH和2′,3′-環磷酸基團。
（3）自身具有RNA切割作用：不需要任何輔因子，單鏈DNA分子依靠自身的結構變化也具有RNA切割作用。已用二價金屬離子螯合劑EDTA排除二價金屬離子的污染，並進行準確的微量金屬分析，在確認沒有二價金屬離子或其他適合輔因子存在的條件下，通過“催化洗脫”的方法篩選到一個具有RNA切割作用的脫氧核酶，命名為 “G3”。與不加酶的反應相比，它提高催化效率108倍。此研究表明DNA分子自身也能提供具有活性的化學基團而發揮催化效應。
2、DNA切割作用
脫氧核酶不僅具有RNA切割作用，而且也能切割DNA 分子。已篩選出了兩類具有DNA自我切割作用的脫氧核酶，Ⅰ類自我切割脫氧核酶需要Cu2+和維生素C參與，而Ⅱ類脫氧核酶只需要Cu2+。Ⅱ類脫氧核酶以順式方式切割DNA靶分子，與不加酶的反應相比，它提高催化效率106倍。多數脫氧核酶只能與底物形成二聯體形式，而Ⅱ類脫氧核酶能與底物形成二聯體或三聯體形式，結合併切割DNA底物，通過改變二聯體或三聯體的識別位點，就可以切割不同核苷酸序列的單鏈DNA分子。因此脫氧核酶還可以作為簡單的限制性內切酶，位點特異性地切割單鏈 DNA分子。
3、卟啉金屬螯合作用和過氧化物酶活性
已篩選出一個只有24 nt富含鳥嘌呤G的脫氧核酶“PS5M”，PS5M形成一個G四聚體結構的催化活性中心，結合一個扭曲的卟啉分子，使卟啉分子類似於金屬螯合反應的中間過渡態，從而促進了金屬的螯合作用，PS5M還能與血紅素結合，形成的複合物具有過氧化物酶活性，能催化氯高鐵血紅素-氫過氧化物的分解。
4、DNA激酶活性
脫氧核酶還具有DNA激酶活性，類似T4多核苷酸激酶的作用，能把NTP或dNTP上的γ-磷酸基團轉移到DNA的5′-OH上。從一個隨機單鏈DNA庫中篩選出50個不同序列類型的具有自我磷酸化作用的脫氧核酶，都能把NTP或dNTP上的γ-磷酸基團轉移到DNA的5′-OH上，實現DNA分子5′-OH端自我磷酸化。通過最佳化反應條件，脫氧核酶還能區分NTP和dNTP，其中一個最佳化的ATP依賴的脫氧核酶能特異性地選擇ATP，高出CTP、GTP及UTP 4000倍，相對於不加酶的ATP水解反應，脫氧核酶提高催化效率106倍。
研究前景
對於脫氧核酶的研究有望成為基因功能研究、核酸突變分析、治療腫瘤、對抗病毒及腫瘤等疾病的新型基因治療藥物的新型核酸工具酶。
儘管自然界沒有發現脫氧核酶，但實驗已證明DNA具有酶活性。由於脫氧核酶比核酶更加穩定，且相對生產成本低廉，脫氧核酶的開發套用已成為新藥開發的熱門課題。目前對脫氧核酶的結構和功能已有初步了解，但多數研究仍處於實驗階段，還必須繼續尋找新的催化效率更高的脫氧核酶，進一步了解其結構和功能特點。目前最具有套用前景的是脫氧核酶10-23，作為一種潛在的強有力的RNA特異性切割工具，無論是在體外套用於RNA限制性內切酶，還是在體內作為RNA水平上的基因失活劑，具有很好的套用前景。脫氧核酶10-23由29個核苷酸組成，其中催化中心有15個核苷酸（GGCTAGCTACAACGA），催化中心的兩側各連有7個核苷酸的結合臂，用於結合底物RNA。切割反應發生在RNA分子的嘌呤（G或A）與嘧啶（U或C）之間，切割反應產生的5′端產物帶有2′-3′環型磷酸基團，3′端產物含有自由的5′-OH。脫氧核酶10-23的酶動力學研究表明，其催化效率可達到109 mol/ L-1·min-1以上，比RNase、髮夾型核酶及錘頭型核酶的催化效率更高，其催化效率以及與靶分子結合的特異性與結合臂的長度和序列相關。
