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核糖核酸酶Z

核糖核酸酶Z（Ribonuclease Z、RNase Z、3′ tRNase，在不同生物中的名称包括ElaC、ZiPD、RNase BN、TRZ1等）是一种参与tRNA生合成的核糖核酸酶，为内切酶，属锌依赖型金属水解酶，编码此蛋白的基因于2002年被发现[1][2]。

核糖核酸酶Z
枯草杆菌的核糖核酸酶Z与tRNA结合的结构图
识别码
EC编号 3.1.26.11
CAS号 98148-84-6
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tRNA基因转录产生tRNA前驱物（pre-tRNA）后，其5′端会被核糖核酸酶P切割，3′端则被核糖核酸酶Z切割，随后再由CCA tRNA核苷酸转移酶（英语：CCA tRNA nucleotidyltransferase）在其3′端加上CCA三个碱基，以生成成熟的tRNA[1][3][4]。核糖核酸酶Z切割位点下游位点的CC会抑制其切割活性，因此已被加上CCA的成熟tRNA不会再被其切割[2][注 1]，此外tRNA前驱物5′端序列的长度也可能影响核糖核酸酶Z切割的活性[6][7]。

酿酒酵母[8]、大肠杆菌[9]、枯草杆菌[10]、海栖热袍菌[11]等生物的核糖核酸酶Z结构均已被解出[6]。

演化与功能

三域生物皆有核糖核酸酶Z，已被测序的所有真核生物与古菌以及许多细菌皆有之，但变形菌门的细菌多不具此酵素。自然界中存在两型的核糖核酸酶Z，较短的RNase ZS长280至360个氨基酸，见于三域生物[2]；较长的RNase ZL长度约为前者两倍，在演化上应是由前者经基因重复产生，只见于真核生物[2]。RNase ZS会以二聚体的形式切割tRNA，RNase ZL则是以单体的形式作用，且有研究显示后者的切割活性比前者的高许多[6]。

脊椎动物与植物以外的真核生物（包括酿酒酵母、粟酒裂殖酵母、黑腹果蝇与秀丽隐杆线虫等模式生物[2]）经常只有RNase ZL[12]；而同时具有RNase ZL和RNase ZS的生物中两者在细胞中的位置可能不同[2]，例如模式植物拟南芥分别有两个RNase ZS与RNase ZL，前者一个位于细胞质，一个位于叶绿体中，后者一个位于细胞核与线粒体，一个仅见于线粒体[13][14]；酿酒酵母仅有RNase ZL，位于细胞核与线粒体中[8]。

人类的RNase ZL（ELAC2）基因有两个起始密码子，可转录产生两种不同的mRNA，其中较长者包含一线粒体导向序列，会被送入线粒体中，负责切割线粒体基因组编码的tRNA前驱物；较短者则会被送入细胞核中，切割细胞核编码的tRNA前驱物，除产生成熟tRNA外，也参与tRNA片段（tRNA fragment）的生成，进而影响细胞内各种小RNA量的平衡[2][15][16]已知有ELAC2基因的突变与前列腺癌和心肌病变相关[6][8][17][18]。人类的RNase ZS（ELAC1）则位于细胞质中，其功能仍不甚清楚，有研究指其可能参与解决翻译中核糖体停滞的反应途径，停滞的核糖体上P位点的tRNA 3′端会被内切酶ANKZF1（英语：ANKZF1）切割，将与其连结的多肽链和末端的CCA碱基一起移除，造成tRNA最末端的核苷酸形成2′,3′-环磷酸（2′,3′-cyclic phosphate），ELAC1可能可切割此结构，使tRNA重新产生有活性的3′端，得以再被CCA tRNA核苷酸转移酶作用接上CCA而重新利用[19][20]。

切割其他RNA

除tRNA前驱物外，核糖核酸酶Z可能还可切割其他与tRNA前驱物结构相似的RNA。核糖核酸酶P与核糖核酸酶Z可切割MALAT1（一个长链非编码RNA）的3′端，产生MALAT1相关胞浆小RNA（mascRNA）[21]；另有一3′端和MALAT1高度相似的长链非编码RNAMEN β RNA可能也可被核糖核酸酶P与核糖核酸酶Z切割，产生类似mascRNA的小RNA[22]。拟南芥编码tRNAGly的基因下游紧接着编码snoR43家族的snoRNA基因，两者会共同转录成一RNA前驱物，并被核糖核酸酶Z切割，以产生成熟的tRNA与snoRNA[23]。

参见

  • 核糖核酸酶E（英语：Ribonuclease E）：某些细菌具有的一种核糖核酸酶，亦为内切酶，tRNA前驱物的3′端可被其切割后，再经由其他外切酶切割产生成熟tRNA，为tRNA 3′成熟的另一机制，不依赖核糖核酸酶Z。部分真核生物可能也有类似机制[2]。

注脚

  1. ^ 此机制有许多例外情形，相较于真核生物tRNA末端的CCA皆是转录后才加上，许多细菌的tRNA基因末端即编码CCA，意即tRNA前驱物中具有CCA，但仍可被核糖核酸酶Z以较低的活性切割。海栖热袍菌的核糖核酸酶Z可能不受CCA抑制，可正常切割含有CCA的tRNA前驱物[2][5]。

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 Schiffer S, Rösch S, Marchfelder A. Assigning a function to a conserved group of proteins: the tRNA 3'-processing enzymes. The EMBO Journal. 2002, 21 (11): 2769–77. PMC 126033  . PMID 12032089. doi:10.1093/emboj/21.11.2769. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Redko Y, Li de la Sierra-Gallay I, Condon C. When all's zed and done: the structure and function of RNase Z in prokaryotes.. Nat Rev Microbiol. 2007, 5 (4): 278–86 [2022-06-21]. PMID 17363966. doi:10.1038/nrmicro1622. （原始内容存档于2022-06-21）. 
  3. ^ Mayer M, Schiffer S, Marchfelder A. tRNA 3' processing in plants: nuclear and mitochondrial activities differ. Biochemistry. 2000, 39 (8): 2096–105. PMID 10684660. doi:10.1021/bi992253e. 
  4. ^ Minagawa A, Takaku H, Takagi M, Nashimoto M. A novel endonucleolytic mechanism to generate the CCA 3' termini of tRNA molecules in Thermotoga maritima. The Journal of Biological Chemistry. 2004, 279 (15): 15688–97. PMID 14749326. doi:10.1074/jbc.M313951200  . 
  5. ^ Minagawa A, Takaku H, Takagi M, Nashimoto M. A novel endonucleolytic mechanism to generate the CCA 3' termini of tRNA molecules in Thermotoga maritima.. J Biol Chem. 2004, 279 (15): 15688–97 [2022-06-21]. PMID 14749326. doi:10.1074/jbc.M313951200. （原始内容存档于2022-06-21）. 
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