当前位置:首页 >> 医药卫生 >> 核酶的发现与应用

核酶的发现与应用


姓名: 姓名: 乔艳红

学号: 学号:1241410052

年级: 年级:2010 级

班级: 班级:一



学院:生命科学学院 学院:

时间:2011 年 11 月 9 日 时间:

I

核酶的发现与应用 核酶的发现与应用
一、核酶的发现
1981 年, Thomas Cech 和他的同事在研究四膜虫的 26S rRNA 前体加工去除基 因内含子时获得一个惊奇的发现∶内含子的切除反应发生在仅含有核苷酸和纯 化的 26S rRNA 前体而不含有任何蛋白质催化剂的溶液中,可能的解释只能是: 内含子切除是由 26S rRNA 前体自身催化的, 而不是蛋白质。 为了证明这一发现, 他们将编码 26S rRNA 前体 DNA 克隆到细菌中并且在无细胞系统中转录成 26S rRNA 前体分子。结果发现这种人工制备的 26S rRNA 前体分子在没有任何蛋白 质催化剂存在的情况下, 切除 了前体分子中的内含子。 这种 现象称为自我剪接 (self-splicing), 这是人类第一 次发现 RNA 具有催化化学反 应的活性, 具有这种催化活性 的 RNA 称为核酶。这一发现 之后不久, 在酵母和真菌的线 粒体 mRNA 和 tRNA 前体加 工、叶绿体的 tRNA 和 rRNA 前体加工、某些细 菌病毒的 mRNA 前体加工中都发现了自我剪接现象。Thomas Cech 因发现了 核酶而获得 1989 年诺贝尔化学奖。核酶的发现在生命科学中具有重要意义,在 进化上使我们有理由推测早期遗传信息和遗传信息功能体现者是一体的, 只是在 进化的某一进程中蛋白质和核酸分别执行不同的功能。 核酶的发现为临床的基因 治疗提供了一种手段,具有重要的应用前景。

二、核酶的概念
核酶一词用于描述具有催化活性的 RNA, 即化 学本质是核糖核酸(RNA), 却具有酶的催化功 能。核酶的作用底物可以是不同的分子, 有些作 用底物就是同一 RNA 分子中的某些部位。核酶 的功能很多,有的能够切割 RNA, 有的能够切割 DNA, 有些还具有 RNA 连接酶、 磷酸酶等活性。 与蛋白质酶相比,核酶的催化效率较低,是一种 较为原始的催化酶。

II

三、核酶的分类
剪接型( splicing )核酶:这类核酶具有核酸内切酶和连接酶两种活性。、 内含子 作用机制:通过既剪又接的方式除去内含子 (Intron)。需要鸟苷酸或鸟苷 及镁离子参与

剪接机制: 剪接机制:
I 型内含子的结构特点:

5'

5'外显子 外

3'外显子 外 U pA G pU 3'

1、拼接点序列为 5’U··· ···G3’ 2、中部核心结构 3、内部引导序列 4、剪接通过转酯反应进行
5' U pU
5' pGpA UOH

第 一次 转酯反 应

G pU

3'

第二 次转 酯反 应 5' pGpA 3'

剪切型(cleavage)核酶:这类核酶催化自身或者异体 RNA 的切割,相当于核 3' GOH 酸内切酶。 这类 RNA 进行催化反应时只切不接。类型:1) 自体催化剪切型 2) 异体催化剪 切型。 特点:在 Mg 2+ 或其他二价金属离子存在下,在特定的位点,自我剪切,产生 5‘-OH 和 2’, 3‘-环磷酸二酯末端。

剪 切 机 制:

四、核酶的应用
核酶是在对多种植物病毒卫星 RNA 及类 病毒 RNA 的自我剪接研究中 发现的,数 量

III

较少,常见于 rRNA 的内含子。 核酶的具体作用主要有: 核苷酸转移作用。 水解反应,即磷酸二酯酶作用。 磷酸转移反应,类似磷酸转移酶作用。 脱磷酸作用,即酸性磷酸酶作用。 RNA 内切反应,即 RNA 限制性内切酶作用。核 酸内切酶可以催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯 键。有些核酸内切酶仅水解 5′磷酸二酯键,把磷 酸基团留在 3′位置上, 称为 5′-内切酶; 而有些 仅水解 3′-磷酸二酯键,把磷酸基团留在 5′位置上,称为 3′-内切酶。能专一 性地识别并水解双链 DNA 上的特异核苷酸顺序,称为限制性核酸内切酶(restr iction endonuclease,简称限制酶)。当外源 DNA 侵入细菌后,限制性内切酶 可将其水解切成片段,从而限制了外源 DNA 在细菌细胞内的表达,而细菌本身 的 DNA 由于在该特异核苷酸顺序处被甲基化酶修饰, 不被水解, 从而得到保护。 限制性核酸内切酶可被分成三种类型。Ⅰ型和Ⅲ型限制酶水解 DNA 需要消耗 A 全酶中的部分亚基有通过在特殊碱基上补加甲基基团对 DNA 进行化学修饰 TP, 的活性。 Ⅱ型限制酶水解 DNA 不需要 ATP 也不以甲基化或其它方式修饰 DNA, 能在所识别的特殊核苷酸顺序内或附近切割 DNA。因此,被广泛用于 DNA 分子 克隆和序列测定。 核酶

四、核酶的具体应用实例
(一) 抗病治疗 一
随着对核酶的深入研究, 已经认识到核酶在遗传病, 肿瘤和病毒性疾病上的潜力。

IV

比如,对于艾滋病毒 HIV 的转录 信息来源于 RNA 而非 DNA,核 酶能够在特定位点切断 RNA,使 得它失去活性。如果一个能专一 识别 HIV 的 RNA 的核酶存在于被 病毒感染的细胞内,那么它就能 建立抵抗入侵的第一防线。甚至, HIV 确实进入到了细胞并进行了 复制,RNA 也可以在病毒生活史 的不同阶段切断 HIV 的 RNA 而不 影响自身的 RNA。又如,白血病 是造血系统的恶性肿瘤,目前尚缺 少有效的治疗方法。核酶的发现, 尤其是锤头状核酶,为白血病的 基因治疗带来了新的希望。近些 年,在国外的一些国家已经在小 白鼠体内得到较好的效果。
核酶

(二) 反义核酸技术
反义核酸反义核酸是指能与特定 mRNA 精确互补、 特异阻断其翻译的 RNA 或 D NA 分子。利用反义核酸特异地封闭某些基因表达,使之低表达或不表达,这种 技术即为反义核酸技术[1-3]。它包括反义 RNA、反义 DNA 和核酶(ribozymes) 三大技术。反义核酶作为一种基因下向调节作用因子,在抑制一些有害基因的表 达和 失控基因的过度表达上发挥着重要作用。 随着反义核酶技术的发展和成熟, 已逐渐应用于抗某些人体寄生虫病的研究。 作用原理 反义核酸目前有三种来源: 一是利用固相亚磷酰胺法人工合成的短小反义寡聚核 苷酸(antisense oligodeoxyncleotides,AON),这是反 义核酸最普遍的应用方式,包括未修饰 AON 和硫代磷 酸酯化(PS)、磷酸二酯化(PO)和甲基化等修饰 AON 二 类,其中以 PSAON 应用最广泛。ANO 设计合成简单, 只要其顺序与靶 mRNA 部分顺序互补即可,而对基因 的读码框无要求;二是更具有实用价值的工人表达载 体,包括单个基因和多个基因的联合反义表达载体[3], 它是利用基因重组技术将靶基因序列反向持插入到载体的启动子和终止子之间,
V

通过转录可源源不断产生反义 RNA 分子;三是天然存在的反义核酸分子,但目 前分离纯化尚存在困难。 作用特点 反义核酸作为基因治疗药物之一,与传统药物相比具有诸多优点。1) 高度特异性:反义核酸药物通过特异的碱基互补配对作用于靶 RNA 或 DNA,犹 如“生物导弹” 。2)高生物活性、丰富的信息量;反义核酸是一种携带特定遗 传信息的信息体,碱基排列顺序可千变万化,不可穷尽。3)高效性:直接阻止疾 病基因的转录和翻译。4)最优化的药物设计:反义核酸技术从本质上是应用基因 的天然顺序信息,实际上是最合理的药物设计。5)低毒、安全:反义核酸尚未发 现其有显著毒性,尽管其在生物体内的存留时间有长有短,但最终都将被降解消 除,这避免了如转基因疗法中外源基因整合到宿主染色体上的危险性。 反义核酸技术反义核酸技术是 20 世纪 70 年代末发展起来的系统应用新技术, 在人类基因组计划取得成果的基础上得到了快速发展。 反义核酸化妆品是在生物 技术药物研究的基础上最新发展起来的,与传统化妆品相比,具有高效、高选择 性、安全环保的特点。反义核酸技术在化妆品领域异军突起,代表了化妆品发展 的一个重要方向。 反义技术是应用碱基配对的原理,以体内表达某种特定蛋白 质的靶基因为基础,人工设计一段与之互补的基因片段封闭该靶基因,直接阻断 该蛋白质的产生。针对有害基因,突变基因,非正常基因及其过度表达的基因, 科学家设计了反义核酸,使这些基因关闭或者低表达。反义核酸是人工合成的 D NA 片段(简称寡核苷酸),它与待封闭基因的某一区段互补,能够抑制或封闭 靶细胞基因的表达。由于它与基因序列(称为正义链)碱基互补,或者说具有某 种意义上的“镜象”关系,因此,这类寡核苷酸称为“反义核酸”。 自 1978 年反义核酸概念提出,到 1998 年 10 月第一个反义核酸药物在美国问世,标志 着反义核酸理论已趋于成熟。 人类基因组计划的进展为反义核酸技术的发展奠定 了坚实基础。近年来,国际著名的大型制药公司纷纷以各种方式介入反义技术研 究,并且有多个反义核酸药物进入三期临床试验,这些都表明反义核酸技术及其 产品的发展前景十分广阔。反义核酸技术在药物研究方面的发展日臻成熟,随着 基因组学的发展,在其他方面的应用也开始受到关注。包括农业育种、功能基因 研究、化妆品等方面都已经有了成功应用的例子。 反义核酸在应用领域不断扩 展,同时其生产技术也在不断发展,反义序列筛选技术、寡核苷酸合成纯化技术 逐步完善,并已有专业公司提供商业化服务,作为基因功能研究的工具已实现商 业化,合成成本不断下降,促进了反义核酸产业的高速发展。 反义技术是继基 因克隆和重组技术之后在分子生物学领域中兴起的一门全新的基因工程技术。

VI

采用反义技术开发新的生物医学美容产 品,使生物医学美容从生理上完成人体 的延缓衰老、抗皱、去痘、美白与健康, 已经成为高科技化妆品研究的一个热 点。 与疾病的产生原因相同,人体美的 外在表现同样离不开基因。基因通过其 表达产物——蛋白质调节人体各种生理 和生化过程,从而产生影响人体美的结 果。应用反义核酸技术筛选出表达影响 人体美的蛋白质基因,设计一段与之互 补的反义片段,将其封闭,从源头上抑 制这种蛋白质的产生,借此达到美容效 果。 目前,国外已有多个化妆品产品应 用了反义技术,包括 Christian Dior、日本 SK-II、朗斯国际等,国内进行反义技 术化妆品开发的企业还很少。 反义核酸技术系统应用于化妆品开发的特点 设计 简单——根据碱基互补原理,只要知道某种美损性皮肤问题的靶基因序列,就可 设计相应的反义核酸 DNA,进行系列化妆品产品的开发。 特异性高——反义核 酸通常为 20 个碱基左右的寡核苷酸,它通过多点与靶基因结合,因而具有非常 高的特异性。 靶点丰富——人类基因组计划研究成果为反义技术提供了丰富的 靶点,可以不断开发出新的美容产品。 反义核酸技术化妆品的特点 与传统化妆 品相比,反义核酸技术化妆品突破了传统化妆品的界限。 安全性——反义核酸 DNA 与人皮肤亲和性和同源性高,对人体皮肤不产生毒、 副作用。 参与皮肤细胞的生命活动——反义核酸化妆品直接参与人体皮肤细胞 的生命活动,阻断致病 mRNA 翻译为致病蛋白质的过程,从本质上改善皮肤质 量,达到美容目的。而传统产品是利用化学物质的腐蚀遮盖或物理摩擦作用,对 人体皮肤进行外部侵蚀和剥离,其中的重金属(铅、汞等)经皮肤细胞吸收后, 皮肤会因中毒而逐渐遭到破坏,从而也加快了皮肤衰老。 促进健康基因生长, 达到综合美容效果——明确了与美容相关的功能基因后,利用反义技术,对功能 基因进行正向或负向调控,使皮肤细胞达到健康平衡的良好生理水平,达到综合 美容效果。从而使肌肤呈现健康状态。 生物技术时代,美丽体现在人体的内外 平衡,更体现在人与自然的和谐共处。在经济发展迅速,人们健康意识增强的今 天, 对化妆品的环保、 高效要求更加强烈。 反义核酸技术应用于美容化妆品行业, 顺应行业发展趋势,并将极大推动民族化妆品产业向前发展。
核酶

VII

(三)核酶在医学上的应用
1、核酶抗肝炎病毒的研究 目前人们已进行了核酶抗甲型肝炎病毒(HAV)、乙型肝炎病毒( HBV)、 丙型肝炎病毒( HCV)以及 HDV 作用的研究。人工设计核酶多为锤头状结构, 少部分是采用发夹状核酶。 2、抗人类免疫缺陷病毒Ⅰ型(HIV-Ⅰ)核酶 1998 年,美国加利福尼亚大学 Wong-Staal 等利用发夹核酶抑制 HIV-Ⅰ基 因表达,并在Ⅰ期临床实验中受到良好效果。 3、抗肿瘤治疗 核酶能在特定位点准确有效地识别和切割肿瘤细胞的 mRNA,抑制肿瘤基 因的表达,达到治疗肿瘤的目的。

五、核酶技术面临的问题
1、核酶催化切割反应的可 逆性问题 2、催化效率低,如何提高催化效率 3、寻找合适载体将核酶高效、特异地导入靶细胞 4、使核酶在细胞内有调控地高效表达 5、增强核酶在细胞内的稳定性 6、对宿主的损伤问题有待进一步考察

VIII


赞助商链接
更多相关文档:

...并因此获得1989年诺贝尔奖.下列有关核酶的说法正确...

1982年科学家在四膜虫体内发现一种基本组成单位为核苷酸的核酶,并因此获得1989年诺贝尔奖.下列有关核酶的说法正确的是( )_答案解析_2012年生物_一模/二模/三模/...

...并结合前沿进展讨论核酶与rRNA的关系及发现核酶的重...

比较mRNA、tRNA、rRNA在功能上的共性特性,并结合前沿进展讨论核酶rRNA的关系及发现核酶的重要意义。 _答案解析_2016年_一模/二模/三模/联考_图文_百度高考

细胞生物学填空复习题

细胞生物学填空复习题 - 第一章:细胞概述 一、填空题: 4 誉为 19 世纪自然科学的三大发现:能量守恒定律,细胞学说,达尔文进化论 6 前发现最小最简单的原核...

第六章核糖体和核酶

第六章核糖体和核酶 - 1. 发现核糖体及核糖体功能鉴定的两个关键技术是什么? 答: 核糖体最早是 Albert Claude 于 1930s 后期用暗视野显微镜观察细胞的匀浆物 ...

更多相关标签:
网站地图

文档资料共享网 nexoncn.com copyright ©right 2010-2020。
文档资料共享网内容来自网络,如有侵犯请联系客服。email:zhit325@126.com