核酶(ribozyme)是化学本质为核糖核酸(RNA)、具有催化功能的分子，又称催化性RNA[1][2]。1982年，科研人员在四膜虫核糖体RNA前体的加工研究中证实RNA自身即可完成剪接，改变了催化作用为蛋白质所独有的传统认识[3][4]。核酶既参与RNA的加工与成熟，也参与蛋白质合成，并在基因治疗与合成生物学中被用作工具[2][5]。
定义
核酶是化学本质为核糖核酸、能够加速特定生化反应的分子，名称由英文ribozyme译来，该词由核糖核酸与酶两词缩合而成[6][2]。它属于生物催化剂，可通过催化底物RNA链上磷酸二酯键的断裂，在特定位置把RNA切开，从而阻断相应基因的表达[2]。核酶的作用对象既可以是其他分子，也可以是同一RNA分子中的某些区段；功能上有的切割RNA，有的切割DNA，有些还具有RNA连接酶、磷酸酶等活性[2]。
按大小和反应机制，天然核酶一般分为小核酶与大核酶两类[7]。小核酶又称核酸酶类核酶，长度多在50至150个核苷酸之间，包括锤头核酶、发夹核酶、丁型肝炎病毒核酶、Varkud卫星核酶和glmS核酶等[8][9]。大核酶则包括I型内含子、II型内含子和核糖核酸酶P，以及核糖体和剪接体等，其中II型内含子的长度可达数百个核苷酸[8]。
原理
多数核酶催化的是RNA骨架中磷酸二酯键的断裂或形成[10]。以锤头核酶、发夹核酶和丁型肝炎病毒核酶等小核酶为例，反应属于分子内转酯反应：切割位点相邻核糖的2′-羟基被活化后，沿直线方向进攻磷原子，经五配位过渡态生成产物，5′端保留2′,3′-环磷酸，3′端带有自由羟基[9][10]。在条件适宜时，部分小核酶还能催化上述反应的逆过程，把两个RNA片段重新连接起来[9]。
核酶的活性依赖其折叠形成的三维结构。晶体结构显示，发夹、锤头、丁型肝炎病毒和glmS等核酶各自以不同方式把底物嵌在活性位点裂隙中，而构成活性位点的核苷酸在原序列上往往彼此相距很远[9]。在催化过程中，核碱基可以充当广义酸或广义碱参与质子转移，金属离子则通过中和磷酸基团非桥氧上的负电荷、稳定过渡态等方式协助反应[10][7]。
发展历程
20世纪80年代初，美国科罗拉多大学的托马斯·切赫研究原生动物四膜虫核糖体RNA前体的剪接，发现去除内含子并连接外显子的过程在没有蛋白质存在时也能发生，由此判断RNA自身具有催化能力[3][4]。1982年，有关自我剪接RNA的结果正式发表[11]。为区别于传统的蛋白质酶，切赫把这类具有催化活性的RNA命名为ribozyme，中文译名定为核酶[2][4]。
与此同时，耶鲁大学的西德尼·阿特曼研究细菌的核糖核酸酶P，该酶由RNA和蛋白质两部分组成，负责剪切tRNA前体[12]。1983年，他的研究组证实除去蛋白质后，RNA部分仍能催化这一反应，说明RNA是起催化作用的亚基[12]。1989年，切赫与阿特曼因发现RNA的催化性质共同获得诺贝尔化学奖[3]。
此后新的核酶陆续被发现。1986年，在烟草环斑病毒的卫星RNA中找到了迄今最小的天然核酶锤头核酶，同年还发现了发夹核酶[8][13]。2004年，在枯草芽孢杆菌等革兰氏阳性细菌中发现了glmS核酶[13]。2014年至2015年，借助生物信息学方法又鉴定出twister、twister sister、hatchet和pistol等新型小核酶[10]。
核酶的发现也推动了对生命起源的思考，有学者据此提出RNA可能是比DNA和蛋白质更早出现的生命物质，即“RNA世界”假说[14][15]。1990年，首个通过进化方法获得的人工核酶问世，此后体外筛选成为获取具有新催化活性核酶的重要途径[16]。结构研究进一步显示，催化肽键形成的肽基转移酶中心完全由rRNA构成，核糖体本身因此被视为一种核酶[17][8]。
应用
核酶能识别底物RNA的特定序列并在专一位点进行切割，其特异性接近DNA限制性内切酶，高于一般的核糖核酸酶，因此在分子生物学中可用于定点切割RNA[1][14]。基于这一性质，人们把设计好的核酶导入细胞，通过切断病毒或肿瘤相关基因的mRNA来阻断其表达，探索用于艾滋病、肝炎、白血病等疾病的基因治疗[2][14]。
在合成生物学中，核酶因其模块化、便于按序列进行理性改造而被用作调控元件[5]。例如把RiboJ核酶插入mRNA的5′非翻译区，可使基因表达不受上游序列影响；核酶与适体结合形成的aptazyme能在配体存在时触发切割，用于构建基因线路和生物传感器，与之相关的核糖开关同样以RNA的构象变化实现调控[5]。核酶还被用于分子检测和环境分析等场景[16]。
进入临床的核酶数量有限，迄今只有两个核酶进入临床试验，一个是经过化学合成与修饰、靶向血管内皮生长因子受体mRNA的锤头核酶，另一个是把锤头核酶与TAR诱饵等元件组合、用于对抗HIV-1的载体系统[18]。总的来看，多数核酶疗法仍处于细胞和动物实验阶段[18]。
局限
与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，被认为是一种较为原始的催化分子[2]。天然核酶的种类和催化范围也比较有限，除核糖体外，它们大多只能切割或连接核酸骨架上的磷酸酯键，可催化的反应类型远少于蛋白质酶[7][16]。
稳定性是核酶应用的另一难点。未经化学修饰的RNA在血清中很容易被核酸酶降解，为保持活性往往需要引入锁核酸、胆固醇等修饰，或借助纳米颗粒、脂质体等载体来提高稳定性和递送效率[19][20]。部分核酶还依赖镁离子等二价金属离子维持折叠与催化活性，glmS核酶则必须结合葡萄糖胺-6-磷酸才能起作用，这些条件限制了它们在不同环境中的适用性[19]。
作为药物使用时，核酶还必须被递送到目标器官和细胞，并在明显短于目标RNA自然半衰期的时间内把它破坏掉；靶序列可及性、正确折叠和体内脱靶切割等因素都会影响实际效果，这些都构成其走向临床的障碍[20]。
参见
参考资料
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- [科普中国]-核酶 . kepuchina.cn [引用日期2026-09-29]
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- 这道高考单选题有两个可选项，知识点是 . sohu.com [引用日期2026-09-29]
- Ribozymes☆ . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
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- NEWS . nature.com [引用日期2026-09-29]
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- S0734975019301521 . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
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- Chapter 30. Catalytic RNA (Ribozymes) as Drugs . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T11:26:34Z
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