NAR︱黄林/苗智超/David Lilley团队合作开发第一个天然核酶数据库

撰文︱邓  洁

责编︱王思珍，方以一

编辑︱杨彬薇

40年前，“核酶” （ribozyme）分子的发现对生物学的基础“中心法则”进行了完善。核酶是具有催化功能的RNA分子，可与蛋白酶一样催化特定的化学反应但无需蛋白参与。核酶为研究RNA分子的“序列-结构-功能”提供了一个很好的研究系统，也为核酸药物设计和mRNA疫苗设计等研究提供重要基础。因为发现了“RNA 分子的催化特性”，Sidney Altman和Thomas Cech被授予 1989 年的诺贝尔化学奖，同时也推动了“RNA 世界假说”（The RNA World hypothesis）的发展[1,2]。

核酶存在于生命各个领域物种的基因组中，在肽键形成、RNA剪接、转移RNA生物合成和病毒复制等一系列重要的生物催化反应中发挥作用[3]。在过去的40年中，共21个天然核酶家族被陆续发现，这些核酶对于生物学研究的各个方面有重要的意义：例如，某些核酶可以序列靶向mRNA或病毒RNA序列，从而实现疾病的治疗或病毒的清除。但是在此之前没有一个天然核酶的综合数据资源平台，以便于研究者更深入的理解核酶，应用核酶。

2022年10月1日，中山大学孙逸仙纪念医院黄林课题组与广州实验室苗智超课题组以及英国邓迪大学David Lilley教授课题组合作在Nucleic Acids Research（NAR）上发表题为“Ribocentre: a database of ribozymes”的研究。该研究通过对多个数据库搜索、手工收集等方法对天然核酶的信息进行了完善的调查和收集。并且基于几个实验室对核酶的多年研究经验,对数据进行总结归纳。最终开发出了第一个核酶数据库：Ribocentre（https://www.ribocentre.org/）。Ribocentre可以作为一种资源服务于科学界，有助于帮助用户了解天然核酶及其性质，方便对不同核酶序列、结构和催化机理进行比较，其中对催化功能系统的总结也为研究者们发现和设计新的RNA功能提供了重要依据。

Ribocentre包含来自21个核酶家族的16886个序列，290多篇描述性参考文献，165个已经确定的核酶结构以及48种不同的核酶应用，这些数据将会不断的更新。Ribocentre的Home页面提供了完整的网站搜索功能，用户可以使用关键字搜索以访问感兴趣的核酶。

在工具栏点击“Ribozymes”进入核酶页面，作者以表格形式列出了所有核酶，显示了核酶名称、简要描述、发现年份以及Rfam名称和ID（图1A）。点击核酶的名称（例如hammerhead）将链接到该核酶的单一条目页面（图1B）。每个核酶的页面包含四个模块：该核酶的研究时间线（图1C）、核酶描述（图1D）、结构和催化机制（图1E）以及参考文献（图1F）。在时间线中，作者列出了每种核酶的重要进展，包括初步发现、序列测定、核酶重要结构域的鉴定、结构的首次解析以及催化机制的阐明。用户可以点击时间线上的年份，链接至PubMed以打开相应的文献参考。结构与催化机制部分依次列出了二级和三级结构、催化中心的结构以及催化机制。

图1 Ribocentre数据库中的Ribozymes页面

（图源：Deng J, et al., NAR, 2022）

为了让用户能更快速地学会数据库的使用，作者以twister核酶为例进行演示，如图2所示。在Structures页面的搜索框中输入“Twister”将显示所有解析的结构信息，可根据分辨率对搜索结果进行排序。点击PDB ID将链接到相关的PDB页面（图2A）所示。类似地，点击核酶的名称“Twister”会链接到该核酶的页面。在这一页面，用户可以获得Twister核酶的序列、结构和催化机制的所有信息。为了便于用户对核酶从序列到结构有整体的认识，核酶的特定区域都被统一着色成同一种颜色。用户可以使用Rfam ID了解到twister核酶序列由54个核苷酸组成（图2B）。图2C以交互图形式显示二级结构，可观察到远距离相互作用，核酶裂解位点用箭头表示。在催化机制中充当一般酸和碱的碱基分别以红色和蓝色突出显示。图2D显示了分辨率为2.3埃的三级结构（PDB ID，4OJI）[4]。催化活性中心被框出，用户可以放大结构以找到催化中心以及酸和碱的相对位置，如图2E所示。排除其他碱基干扰将催化中心分离如图2F所示。最后，图2G显示了推导出的催化机制示意图。Ribocentre为用户提供了一种互动模式，使他们更容易理解核苷酸折叠生成活性催化中心的过程。

图2 Ribocentre的使用：以Twister核酶为例

（图源：Deng J, et al., NAR, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究开发了第一个天然核酶数据库—Ribocentre，研究者将所有核酶的研究历史，序列，结构，机制以及有用的功能做了系统的整理存放在该数据库中，为用户提供了一种简单、灵活的方式来浏览过去40年来所有的天然核酶。其中通过序列搜索，用户可以浏览更广泛的核酶家族成员。结构是以交互形式存放，便于用户理解核酶“序列-结构-功能”之间的关系，以促进核酶的应用以及新核酶的发现。

40年的天然核酶研究，发表文章数以千计，难免有一些重要的文献可能遗漏。本研究团队将继续对Ribocentre进行检查和补充，避免内容有误或重要信息的遗漏。同时将会邀请相关核酶的资深研究者对相应核酶的网页进行点评，并进行修正。本研究团队也在不断完善Ribocentre的功能，例如添加blast同源搜索工具等，旨在让Ribocentre更好的服务于科学界。Ribocentre也非常鼓励用户发送反馈，以确保Ribocentre上发布的数据得到更新，错误得到纠正，以及与外部数据库的最新链接保持一致。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac840

中山大学硕士研究生邓洁、上海科技大学博士研究生石姚黄、中山大学博士研究生彭雪梅为论文共同第一作者。中山大学孙逸仙纪念医院黄林研究员、广州实验室苗智超研究员、英国邓迪大学英国皇家学会院士David Lilley教授为论文共同通讯作者。中山大学孙逸仙纪念医院黄林课题组与广州实验室苗智超课题组诚聘生命科学方向副研、博士后和研究助理，结构生物学、生物信息学、神经生物学、发育生物学背景优先。详细信息参见黄林实验室主页：https://lab.rjmart.cn/#/10109/NASRG苗智超实验室主页： www.rnacentre.org。

通讯作者：黄林（左）、苗智超（中）、David Lilley（右）、

（照片提供自：黄林/苗智超/David Lilley团队）

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参考文献（上下滑动阅读） [1] Kruger K,Grabowski P J,Zaug A J et al. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena.[J] .Cell, 1982, 31: 147-57.

[2] Guerrier-Takada C,Gardiner K,Marsh T et al. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme.[J] .Cell, 1983, 35: 849-57.

[3] Lilley David M J. Mechanisms of RNA catalysis.[J] .Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2011, 366: 2910-7.

[4] Liu Yijin,Wilson Timothy J,McPhee Scott A et al. Crystal structure and mechanistic investigation of the twister ribozyme.[J] .Nat Chem Biol, 2014, 10: 739-44.

本文完