RNase H1是一种核糖核酸内切酶，专门用于RNA-DNA杂交体中RNA片段的内部降解，其核糖核酸酶活性在核酸代谢的多个方面不可或缺。然而，RNase H1介导的杂交裂解的分子机制仍然没有得到充分的阐明。
2024年8月29日，
上海科技大学
孙博
及广州医科大学
李卫共同通讯
在
Nature Communications
在线发表题为
“
RPA transforms RNase H1 to a bidirectional exoribonuclease for processive RNA–DNA hybrid cleavage
”
的研究论文，
该研究
揭示了RNase的前所未有的特性，并提供了RNase H1增强的过程杂交切割的动态视图。
研究采用单分子方法，研究了酿酒酵母RNase H1的杂交裂解动力学。值得注意的是，单个RNase H1酶显示3 '至5 '外核糖核酸酶活性。定向RNA降解过程是渐进而离散的，其中解绕大约6-bp杂化体作为两个连续3-nt RNA切除的先决条件，限制了每个催化循环内的总速率。此外，复制蛋白A (RPA)增强RNase H1的3′- 5′核分解速率和加工能力，并刺激其5′- 3′外核糖核酸酶活性。
这种刺激主要是通过杂交体的预分离来实现的，从而将RNase H1转移到双向外核糖核酸酶上，进一步增强了其切割效率。
核酸酶是一个磷酸二酯酶家族，其任务是催化核酸内连接核苷酸的磷酸二酯键的裂解。
根据酶的裂解方式，核酸酶可分为内切酶和外切酶。它们的主要区别在于内切酶在内部沿着核酸引入裂解位点，而外切酶则从末端连续地消化核酸，产生单核苷酸或寡核苷酸作为产物。RNase H是一类进化上保守的核酸酶，普遍存在于细菌、古细菌和真核生物中。自发现以来，RNase H已被广泛认为是核糖核酸内切酶，它以序列非特异性的方式特异性催化RNA-DNA杂交体和R环的RNA片段的消除。
RNase H一般参与维持基因组的稳定性，如R环抑制、DNA复制、同源重组(HR)导向的DNA双链断裂(DSB)修复、核糖核苷酸切除修复等。线粒体DNA复制缺陷和一种叫做AGS的严重神经系统疾病的遗传联系强调了它们的重要性。在其多方面的细胞功能中，RNase H必须处理不同长度杂化和R环，从单个碱基对到数千个碱基对。在过去的几十年里，RNase H的许多重要功能和性质已经被揭示出来。
然而，一个有趣的问题仍未得到解答，即RNase H如何在几个纳摩尔范围的生理浓度下有效降解细胞中的RNA-DNA杂交体或R环的长链。
基于序列相似性和生化特性，真核生物RNase H可分为RNase H1和RNase H2两种类型。
虽然它们的精确细胞功能可能仍在争论中，但一个共识似乎已经出现，即RNase H1和H2在水解非法杂交种中具有重叠和专门的作用。与RNase H2相比，RNase H1可以独立于细胞周期发挥作用，并且更有效地抑制稳定的R-环。值得注意的是，与其他RNase H分散切割杂交不同，人类RNase H1在加工RNA-DNA杂交种方面是独特的。结构和生化分析表明，RNase H1独特的N端杂化结合域(HBD)可能通过可变长度的连接器连接到C端催化结构域(RNase HC)。这一特征为理解RNase H在体内降解长杂交体和R环提供了希望。
然而，RNase H1的动态分子机制仍然缺乏。
RNase H1介导的双向过程RNA-DNA杂交切割的力学模型（图源自
Nature Communications
）
人们普遍认为RNase H1的核酸酶活性可以通过相关蛋白进行调控。
RNase H1的关键伙伴是单链DNA结合蛋白复制蛋白A (RPA)，这是一种由RPA70、RPA32和RPA14亚基组成的异源三聚体蛋白复合物，在DNA复制和重组中也起着至关重要的作用。一项体内研究表明，人类RPA在细胞中与RNase H1和R-loop共定位，表明这两种蛋白在R-loop调控中共同起作用。此外，生物化学研究表明，人类RPA不仅与RNase H1发生物理相互作用，还能刺激其核酸酶活性。值得注意的是，这种相互作用是特异性的，因为在RNase H2和RPA之间无法检测到。同样，大肠杆菌单链DNA结合蛋白(SSB)也被证明与RNase HI (RNase H1的原核对应物)相互作用，并刺激其核酸酶活性。因此，RPA与RNase H1协调处理长杂交似乎是合理的。
深入了解RPA在RNase H1介导的杂交切割中的调节作用将有助于对基因组维持的认识。
研究利用单分子方法探索了酿酒酵母RNase H1介导的RNA-DNA杂交切割的动力学。
研究发现scRNase H1(以下简称RNase H1)表现出浓度依赖性的核酸酶活性。大量的RNase H1蛋白主要作为内切酶发挥作用，充分结合长杂交体并引入多个裂解位点，使RNA和核酸酶与DNA快速分离。另一方面，在RNA切割之后，单个RNase H1核酸酶具有类似马达的作用，在解离之前，在3 '到5 '方向上持续降解杂交体中数千个碱基对的RNA。在每个核外溶周期中，在两个连续的3-nt RNA切除之前解绕大约6-bp的杂合体，这是主要的限速步骤。重要的是，除了增强RNase H1的3 '到5 '杂交降解外，RPA还有助于捕获热磨损的ssDNA，使RNase H1能够进行相反的5 '到3 ' RNA降解。RNase H1的双向外切酶活性允许进行快速的杂交降解。
总的来说，研究揭示了独特的RNase特征，并为细胞中长RNA-DNA杂交体和R环的切割提供了见解。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51984-5
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