知乎日報:細胞是如何殺死病毒的?

  最近玩了一個遊戲,裏面有一種物質叫 slicer enzyme 可以消滅病毒注入的 RNA。

  1.是真的有這種酶嗎?2.他的中文名字叫什麼?

  首先確實有這種酶,它的中文名你直接翻譯就可以了,它中文叫什麼對你理解它本身也不重要。

  你説的這種酶(確切説是這類酶)在一類 RNAi 過程中起重要作用。

  RNA 干擾(RNA interference,RNAi)是真核生物中由雙鏈 RNA (double stranded RNA,dsRNA)分子在 mRNA 水平上關閉相應序列基因表達或使其沉默的過程。slicer enzyme 是 RNAi 在關閉相應序列基因表達層面上作用過程的一環。下面先由一張示意圖來簡要説明 RNAi 的過程:

  Dicer 是觸發 dsRNA 切割為短片段的酶,被切割後的短的 dsRNA 就是 siRNA 了,RNA-induced silencing complex (RISC)就是利用單鏈的 siRNA 作引導,特異性地切割其它完整 mRNA 的蛋白複合體。

  那麼 slicer enzyme 在哪裏呢?

  它是 RNA 誘導的沉默複合體(RISC)中的一個重要組分。在果蠅中 slicer enzyme 的結構如下示意圖所示:

  果蠅中的 slicer enzyme 叫做 Argonaute,它有 4 個特徵性的結構域,其中 PAZ 與 PIWI 結構域起最重要的作用,如上圖所示:PAZ 將單鏈的 siRNA”固定“在整個slicer enzyme 上,PIWI 與 RNA 酶 H(RNase H)結構相似,負責切割 siRNA 與 mRNA 雜合體中的 mRNA 鏈,這個 mRNA 雜合鏈就可以是 RNA 病毒的基因組。

  這兩幅圖基本回答了 slicer enzyme 的問題了,其中還有一些細節問題,如雙鏈的 siRNA 如何轉變為單鏈的 siRNA?RISC 複合體中除slicer enzyme 外其他的部分是怎麼發揮作用的?這些對本問題的回答幫助不大,我就不細説了。感興趣的知友請見下圖:

  一般來説,只要真核生物細胞內出現雙鏈 RNA(ds RNA)且這個細胞能夠有表達並維持 RISC 的能力,RNAi 就會被激發。而 RNA 病毒,不管其基因組是雙鏈的(ds RNA)還是單鏈的(ss RNA),在其基因組複製過程中總會出現部分或完整的 ds RNA(RNA 病毒具體複製過程在此回答中沒必要給出,感興趣的知友可以閲讀幾篇關於 RNA 病毒的複製過程的 paper 或近年出版的討論 RNA 病毒的英文書來了解),這會激發 RNAi,細胞主要利用依賴 RISC 的 slicer enzyme 切斷 RNA 病毒的基因複製及翻譯過程來打擊病毒。

  知友 @張瀟月 在評論下對我的 RNAi 定義提出了質疑,十分感謝!我就引用回覆中的部分話來對原答案中 RNAi 的定義以及我為何判定遊戲中發生的是一類 RNAi 過程做出解釋:

  這句話的表述確實有些含糊,更加準確且詳細的描述應該是:RNAi 是依賴 dsRNA 的,或通過降解其(dsRNA)同源的 mRNA(這一途徑是本答案的論述重點),或通過作用於其同源的着絲粒的 otr(outermost centromere region)等區域並招募組蛋白甲基轉移酶(HMT)引發着絲粒異染色質化,或通過直接作用於單個基因的調控區招募 DNA 甲基轉移酶(DNMT)而引發 DNA 甲基化等多種途徑來關閉相應基因(可以是內源的或外源的)的表達過程或使其沉默的過程。

  生物學的不少新興概念是很難全面定義的(RNAi 就是一例)。此回答中為了避免各知友糾結於 RNAi 的概念而困惑,我便使用了這個簡單定義。

  在這個回答中,題主在遊戲中所使用的是 RNA 病毒且被名為 slicer enzyme 的酶消滅,只要不是逆轉錄 RNA 病毒(大多數 RNA 病毒都不是)在其複製過程中都會產生 dsRNA(請參考 +RNA、-RNA 以及 dsRNA 病毒的複製過程)。slicer 必定是存在於 RISC 複合體中才能發揮作用的,更重要的是,需要依賴 RISC 的途徑必然是 siRNA 或 microRNA 途徑(兩者的作用機制雖不完全相同但及其相似),通過這兩者打擊 RNA 病毒都要使用前述 RNAi 的第一條途徑。考慮到 microRNA 序列的高度保守且主要是作用於細胞自身基因表達的轉錄後調控,而 siRNA 更為靈活,故這個遊戲內的過程最有可能的就是 RNAi 的第一條作用途徑。

  逆轉錄 RNA 病毒本就是 RNA 病毒的少數,更重要的是,逆轉錄 RNA 病毒的整個整合複製過程幾乎不產生 dsRNA(只是在 RT 過程中,病毒的 ssRNA 與引物 tRNA 的配對區形成了極短的、RNAi 體系識別不了的雙鏈區域,具體過程請參考逆轉錄 RNA 病毒的複製),不會由 slicer enzyme “消滅”它們。

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