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RNA的生物合成有两种方式，一种是转录，即以DNA为模板的RNA合成；另一种是以RNA为模板的RNA合成，即RNA的复制。 RNA复制主要发生在RNA病毒中。在所有的RNA病毒中，除逆转录病毒外，都需要RNA复制。这个过程需要RNA复制酶（RNA dependent RNA polymerase，RdRP），EC2.7.7.48。 生物体内合成核酸的聚合酶有多种，按照模板和底物（或产物）可以分为四大类。其它三类我们前面都已经接触过，包括DNA复制用的DdDP，转录用的DdRP，以及逆转录用的RdDP。这些聚合酶虽然各有不同，但其基本结构与作用机制均有相似之处。 所有单亚基核酸聚合酶都具有类似于人类右手的分子外形，拇指和手指结构域从手掌结构域的侧面升起。活性位点位于这些结构域之间，其中2个通用天冬氨酸残基位于手掌中。  与其它聚合酶不同，病毒RdRP的手指与拇指顶部相互作用，围绕着活性位点。这种相互作用可能会促进RdRP的热稳定性，但会限制手指域的大规模移动。 各种聚合酶的作用机制也类似，其延伸过程称为核苷酸添加循环（nucleotide addition cycles，NAC）。大致过程是底物核苷酸的结合触发酶的构象变化，封闭活性位点，然后形成磷酸二酯键，最后聚合酶转移到模板下游位置，清空活性位点用于下一个添加循环。即：结合-变构-成键（chemistry）-易位（translocation）。  得益于结构生物学和计算机技术的进步，目前已经可以用软件模拟展示生物过程中的一些复杂事件。下图是根据文献（Viruses. 2018）提供的PyMOL会话文件制作的GIF动画，展示了NAC易位过程中的一系列构象变化。 进行RNA复制的RNA病毒，可按基因组分为三类：正链、负链和双链RNA病毒。正链RNA可以作为mRNA，侵入细胞后先翻译出复制酶，然后以正链为模板合成负链，再根据负链合成子代的正链。复制完成后再合成外壳蛋白等进行装配。噬菌体Qβ和冠状病毒、脊髓灰质炎病毒属于此类。 噬菌体Qβ的复制酶是一种神奇的分子，它的全酶含有4个亚基，但其中三个来自宿主，病毒只编码β亚基。其α亚基是核糖体蛋白S1，γ和δ亚基是翻译延伸因子EF-Tu和EF-Ts。  Qβ复制酶可以在体外进行高效的指数扩增。在37℃下，QβRNA（全长4217 nt）的复制时间约为2分钟，可以在一小时内合成十亿个拷贝（约2.5 ng RNA）。这一体外扩增记录一直保持至今（Biochemistry (Mosc). 2018）。 有人用Qβ复制酶在琼脂糖凝胶中扩增RNA，因为产物不能在溶液中扩散，所以形成了分子集落。这个方法甚至可以用来检测空气中悬浮的RNA分子。  这种分子集落中的遗传物质可以复制和表达，性质有些类似于细胞。所以在生命起源过程中，多孔矿物中的分子集落有可能成为细胞前体的候选。  负链RNA病毒（如狂犬病毒、流感病毒）和双链RNA病毒（如呼肠孤病毒）均带有复制酶，侵入后先合成正链（mRNA），用正链翻译出病毒蛋白，然后根据正链复制出负链RNA。 流感病毒的RdRP有三个亚基，PB1亚基为核心酶，具有典型的右手结构；PB2亚基具有一个帽结合结构域，PA亚基具有内切核酸酶结构域。后两个亚基负责一个有趣的功能：抢帽子（cap snatching）。  流感病毒没有自己的加帽酶。为了新合成的正链RNA能够被宿主翻译，需要给它抢一个帽子。病毒RdRP先结合宿主新生RNA的帽子结构，然后在帽子下游10-13核苷酸处裂解，这样就抢来一个带有帽子结构的RNA片段。它被用作引物，启动病毒基因组片段的复制（也有文献将此过程称为转录）。  RdRP容易出错，所以RNA病毒平均每轮复制产生一个突变。这使病毒能够快速适应新的生存环境，如更换宿主、逃避宿主免疫系统、产生抗药性等。所以流感病毒等每年都会产生新的突变株，大约每十年会由于出现一种重大突变而引起一次大流行。 现已发现，RdRP并非仅存在于病毒中。RdRP在植物和线虫中都有发现，有报道称果蝇的Elp1是一种新型的RdRP（Proc Natl Acad Sci USA. 2009）。人类端粒酶催化亚基（hTERT）可以与线粒体核糖核酸内切酶（RMRP）形成一种核糖核蛋白复合物，具有RdRP活性（Nature. 2009）。 以上研究表明，RdRP在真核生物中可能也有重要作用，例如调控非编码RNA等。现在较为确定的是RdRP可以参与SiRNA介导的转录后基因沉默（PTGS）。  RdRP可以通过Dicer依赖和非依赖的两种途径产生SiRNA。前者是RdRP先合成较长的双链RNA，再被Dicer加工成SiRNA；后者是RdRP直接从头合成SiRNA而无需酶切。 所以TERT可能具有双重聚合酶活性，端粒酶活性可以保持端粒结构并有助于细胞永生化，而RdRP活性则介导RNA合成和异染色质维持，并调节有丝分裂进程和肿瘤干细胞性状。也就是说，TERT作为抗肿瘤治疗的分子靶标可以通过两种机制起作用（Cancer Sci. 2015）。  参考文献： 1. Ng KK, et al. Structure-Function Relationships Among RNA-Dependent RNA Polymerases. Curr Top Microbiol Immunol. 2008; 320: 137–156. 2. Shu B, Gong P. The uncoupling of catalysis and translocation in the viral RNA-dependent RNA polymerase. RNA Biol. 2017 Oct 3;14(10):1314-1319. 3. Wu J, Gong P. Visualizing the Nucleotide Addition Cycle of Viral RNA-Dependent RNA Polymerase. Viruses. 2018 Jan; 10(1): 24. 4. Chetverin AB. Thirty Years of Studies of Qβ Replicase: What Have We Learned and What Is Yet to Be Learned? Biochemistry (Mosc). 2018 Jan;83(Suppl 1):S19-S32. 5. Samatov TR, et al. Expressible molecular colonies. Nucleic Acids Res. 2005; 33(17): e145. 6. Walker AP, Fodor E. Interplay between Influenza Virus and the Host RNA Polymerase II Transcriptional Machinery. Trends Microbiol. 2019 May; 27(5): 398–407. 7. Lipardi C, Paterson BM. Identification of an RNA-dependent RNA polymerase in Drosophila involved in RNAi and transposon suppression. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:15645–15650. 8. Maida Y, Yasukawa M, Furuuchi M et al An RNA‐dependent RNA polymerase formed by TERT and the RMRP RNA. Nature 2009; 461: 230–5. 9. Maida Y, Masutomi K. Telomerase reverse transcriptase moonlights: Therapeutic targets beyond telomerase. Cancer Sci. 2015 Nov; 106(11): 1486–1492. |
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来自： lcy1971 > 《RNA的生物合成》
