核糖核酸酶Z

核糖核酸酶Z（Ribonuclease Z、RNase Z、3′ tRNase，在不同生物中的名稱包括ElaC、ZiPD、RNase BN、TRZ1等）是一種參與tRNA生合成的核糖核酸酶，為內切酶，屬鋅依賴型金屬水解酶，編碼此蛋白的基因於2002年被發現。 tRNA基因轉錄產生tRNA前驅物（pre-tRNA）後，其5′端會被核糖核酸酶P切割，3′端則被核糖核酸酶Z切割，隨後再由CCA tRNA核苷酸轉移酶（英语：CCA tRNA nucleotidyltransferase）在其3′端加上CCA三個鹼基，以生成成熟的tRNA。核糖核酸酶Z切割位點下游位點的CC會抑制其切割活性，因此已被加上CCA的成熟tRNA不會再被其切割，此外tRNA前驅物5′端序列的長度也可能影響核糖核酸酶Z切割的活性。 釀酒酵母、大腸桿菌、枯草桿菌、海栖热袍菌等生物的核糖核酸酶Z結構均已被解出。 三域生物皆有核糖核酸酶Z，已被定序的所有真核生物與古菌以及許多細菌皆有之，但變形菌門的細菌多不具此酵素。自然界中存在兩型的核糖核酸酶Z，較短的RNase ZS長280至360個氨基酸，見於三域生物；較長的RNase ZL長度約為前者兩倍，在演化上應是由前者經基因重複產生，只見於真核生物。RNase ZS會以二聚體的形式切割tRNA，RNase ZL則是以單體的形式作用，且有研究顯示後者的切割活性比前者的高許多。 脊椎動物與植物以外的真核生物（包括釀酒酵母、粟酒裂殖酵母、黑腹果蠅與秀麗隱桿線蟲等模式生物）經常只有RNase ZL；而同時具有RNase ZL和RNase ZS的生物中兩者在細胞中的位置可能不同，例如模式植物阿拉伯芥分別有兩個RNase ZS與RNase ZL，前者一個位於細胞質，一個位於葉綠體中，後者一個位於細胞核與粒線體，一個僅見於粒線體；釀酒酵母僅有RNase ZL，位於細胞核與粒線體中。 人類的RNase ZL（ELAC2）基因有兩個起始密碼子，可轉錄產生兩種不同的mRNA，其中較長者包含一粒線體導向序列，會被送入粒線體中，負責切割粒線體基因組編碼的tRNA前驅物；較短者則會被送入細胞核中，切割細胞核編碼的tRNA前驅物，除產生成熟tRNA外，也參與tRNA片段（tRNA fragment）的生成，進而影響細胞內各種小RNA量的平衡已知有ELAC2基因的突變與前列腺癌和心肌病變相關。人類的RNase ZS（ELAC1）則位於細胞質中，其功能仍不甚清楚，有研究指其可能參與解決轉譯中核糖體停滯的反應途徑，停滯的核糖體上P位點的tRNA 3′端會被內切酶ANKZF1（英语：ANKZF1）切割，將與其連結的多肽鏈和末端的CCA鹼基一起移除，造成tRNA最末端的核苷酸形成2′,3′-環磷酸（2′,3′-cyclic phosphate），ELAC1可能可切割此結構，使tRNA重新產生有活性的3′端，得以再被CCA tRNA核苷酸轉移酶作用接上CCA而重新利用。 除tRNA前驅物外，核糖核酸酶Z可能還可切割其他與tRNA前驅物結構相似的RNA。核糖核酸酶P與核糖核酸酶Z可切割MALAT1（一個長鏈非編碼RNA）的3′端，產生MALAT1相關胞漿小RNA（mascRNA）；另有一3′端和MALAT1高度相似的長鏈非編碼RNAMEN β RNA可能也可被核糖核酸酶P與核糖核酸酶Z切割，產生類似mascRNA的小RNA。阿拉伯芥編碼tRNAGly的基因下游緊接著編碼snoR43家族的snoRNA基因，兩者會共同轉錄成一RNA前驅物，並被核糖核酸酶Z切割，以產生成熟的tRNA與snoRNA。 核糖核酸酶E（英语：Ribonuclease E）：某些細菌具有的一種核糖核酸酶，亦為內切酶，tRNA前驅物的3′端可被其切割後，再經由其他外切酶切割產生成熟tRNA，為tRNA 3′成熟的另一機制，不依賴核糖核酸酶Z。部分真核生物可能也有類似機制。 此機制有許多例外情形，相較於真核生物tRNA末端的CCA皆是轉錄後才加上，許多細菌的tRNA基因末端即編碼CCA，意即tRNA前驅物中具有CCA，但仍可被核糖核酸酶Z以較低的活性切割。海栖热袍菌的核糖核酸酶Z可能不受CCA抑制，可正常切割含有CCA的tRNA前驅物。 分子与细胞生物学主题 Schiffer S, Rösch S, Marchfelder A. Assigning a function to a conserved group of proteins: the tRNA 3'-processing enzymes. The EMBO Journal. 2002, 21 (11): 2769–77. PMC 126033 . PMID 12032089. doi:10.1093/emboj/21.11.2769.  Redko Y, Li de la Sierra-Gallay I, Condon C. When all's zed and done: the structure and function of RNase Z in prokaryotes.. Nat Rev Microbiol. 2007, 5 (4): 278–86 [2022-06-21]. PMID 17363966. doi:10.1038/nrmicro1622. （原始内容存档于2022-06-21）.  Mayer M, Schiffer S, Marchfelder A. tRNA 3' processing in plants: nuclear and mitochondrial activities differ. Biochemistry. 2000, 39 (8): 2096–105. PMID 10684660. doi:10.1021/bi992253e.  Minagawa A, Takaku H, Takagi M, Nashimoto M. A novel endonucleolytic mechanism to generate the CCA 3' termini of tRNA molecules in Thermotoga maritima. The Journal of Biological Chemistry. 2004, 279 (15): 15688–97. PMID 14749326. doi:10.1074/jbc.M313951200 .  Minagawa A, Takaku H, Takagi M, Nashimoto M. A novel endonucleolytic mechanism to generate the CCA 3' termini of tRNA molecules in Thermotoga maritima.. J Biol Chem. 2004, 279 (15): 15688–97 [2022-06-21]. PMID 14749326. doi:10.1074/jbc.M313951200. （原始内容存档于2022-06-21）.  Peng G, He Y, Wang M, Ashraf MF, Liu Z, Zhuang C; et al. The structural characteristics and the substrate recognition properties of RNase ZS1.. Plant Physiol Biochem. 2021, 158: 83–90 [2022-06-21]. PMID 33302124. doi:10.1016/j.plaphy.2020.12.001. （原始内容存档于2022-06-21）.  Pellegrini O, Nezzar J, Marchfelder A, Putzer H, Condon C. Endonucleolytic processing of CCA-less tRNA precursors by RNase Z in Bacillus subtilis.. EMBO J. 2003, 22 (17): 4534–43. PMC 202377 . PMID 12941704. doi:10.1093/emboj/cdg435.  Ma M, Li de la Sierra-Gallay I, Lazar N, Pellegrini O, Durand D, Marchfelder A; et al. The crystal structure of Trz1, the long form RNase Z from yeast.. Nucleic Acids Res. 2017, 45 (10): 6209–6216. PMC 5449637 . PMID 28379452. doi:10.1093/nar/gkx216.  Kostelecky B, Pohl E, Vogel A, Schilling O, Meyer-Klaucke W. The crystal structure of the zinc phosphodiesterase from Escherichia coli provides insight into function and cooperativity of tRNase Z-family proteins.. J Bacteriol. 2006, 188 (4): 1607–14. PMC 1367222 . PMID 16452444. doi:10.1128/JB.188.4.1607-1614.2006.  Li de la Sierra-Gallay I, Pellegrini O, Condon C. Structural basis for substrate binding, cleavage and allostery in the tRNA maturase RNase Z.. Nature. 2005, 433 (7026): 657–61. PMID 15654328. doi:10.1038/nature03284.  Ishii R, Minagawa A, Takaku H, Takagi M, Nashimoto M, Yokoyama S. Crystal structure of the tRNA 3' processing endoribonuclease tRNase Z from Thermotoga maritima.. J Biol Chem. 2005, 280 (14): 14138–44. PMID 15701599. doi:10.1074/jbc.M500355200.  Wang Z, Zheng J, Zhang X, Peng J, Liu J, Huang Y. Identification and sequence analysis of metazoan tRNA 3'-end processing enzymes tRNase Zs.. PLoS One. 2012, 7 (9): e44264. PMC 3433465 . PMID 22962606. doi:10.1371/journal.pone.0044264.  Rossmanith W. Of P and Z: mitochondrial tRNA processing enzymes.. Biochim Biophys Acta. 2012, 1819 (9-10): 1017–26. PMC 3790967 . PMID 22137969. doi:10.1016/j.bbagrm.2011.11.003.  Canino G, Bocian E, Barbezier N, Echeverría M, Forner J, Binder S; et al. Arabidopsis encodes four tRNase Z enzymes.. Plant Physiol. 2009, 150 (3): 1494–502. PMC 2705019 . PMID 19411372. doi:10.1104/pp.109.137950.  Siira SJ, Rossetti G, Richman TR, Perks K, Ermer JA, Kuznetsova I; et al. Concerted regulation of mitochondrial and nuclear non-coding RNAs by a dual-targeted RNase Z.. EMBO Rep. 2018, 19 (10). PMC 6172459 . PMID 30126926. doi:10.15252/embr.201846198.  Rossmanith W. Localization of human RNase Z isoforms: dual nuclear/mitochondrial targeting of the ELAC2 gene product by alternative translation initiation.. PLoS One. 2011, 6 (4): e19152. PMC 3084753 . PMID 21559454. doi:10.1371/journal.pone.0019152.  Takaku H, Minagawa A, Takagi M, Nashimoto M. A candidate prostate cancer susceptibility gene encodes tRNA 3' processing endoribonuclease.. Nucleic Acids Res. 2003, 31 (9): 2272–8. PMC 154223 . PMID 12711671. doi:10.1093/nar/gkg337.  Haack TB, Kopajtich R, Freisinger P, Wieland T, Rorbach J, Nicholls TJ; et al. ELAC2 mutations cause a mitochondrial RNA processing defect associated with hypertrophic cardiomyopathy.. Am J Hum Genet. 2013, 93 (2): 211–23. PMC 3738821 . PMID 23849775. doi:10.1016/j.ajhg.2013.06.006.  Yip MCJ, Savickas S, Gygi SP, Shao S. ELAC1 Repairs tRNAs Cleaved during Ribosome-Associated Quality Control.. Cell Rep. 2020, 30 (7): 2106–2114.e5. PMC 7067598 . PMID 32075755. doi:10.1016/j.celrep.2020.01.082.  Seki M, Komuro A, Takahashi M, Nashimoto M. Transcription from the proximal promoter of ELAC1, a gene for tRNA repair, is upregulated by interferons.. Biochem Biophys Res Commun. 2021, 585: 162–168. PMID 34808499. doi:10.1016/j.bbrc.2021.11.037.  Wilusz JE, Freier SM, Spector DL. 3' end processing of a long nuclear-retained noncoding RNA yields a tRNA-like cytoplasmic RNA. Cell. 2008, 135 (5): 919–32. PMC 2722846 . PMID 19041754. doi:10.1016/j.cell.2008.10.012.  Sunwoo H, Dinger ME, Wilusz JE, Amaral PP, Mattick JS, Spector DL. MEN epsilon/beta nuclear-retained non-coding RNAs are up-regulated upon muscle differentiation and are essential components of paraspeckles. Genome Res. 2009, 19 (3): 347–359. PMC 2661813 . PMID 19106332. doi:10.1101/gr.087775.108.  Kruszka K, Barneche F, Guyot R, Ailhas J, Meneau I, Schiffer S; et al. Plant dicistronic tRNA-snoRNA genes: a new mode of expression of the small nucleolar RNAs processed by RNase Z.. EMBO J. 2003, 22 (3): 621–32. PMC 140725 . PMID 12554662. doi:10.1093/emboj/cdg040.