核酶是一种RNA分子，其折叠形成的结构使它能够加速化学反应。大多数酶由蛋白质构成，而核酶则以RNA作为催化结构的基础。核酶的活性包括RNA切割、RNA连接、RNA加工，以及核糖体内的肽键形成。RNA催化作用的发现证实，核酸不仅能够携带生物信息，还能够执行化学反应。有些核酶在适宜的实验室条件下可以独立发挥作用；另一些则在含有必需辅助蛋白的复合物中发挥作用。(nobelprize.org)
发现与历史发展
在20世纪80年代初以前，生物催化作用通常被认为是由蛋白质完成的。1982年，托马斯·切赫及其同事证明，单细胞生物嗜热四膜虫（Tetrahymena thermophila）的核糖体RNA前体在去除蛋白质后仍能进行RNA剪接。其中的一段间隔序列，即内含子，能够自行切除，两侧的外显子则连接起来。这一反应需要适当的盐类和鸟苷作为辅助因子，但不需要蛋白质酶。这表明，催化活性是RNA本身固有的性质。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
1983年，西德尼·奥尔特曼及其同事证明，细菌核糖核酸酶P的RNA组分在适当的实验条件下，无须其蛋白质组分便能催化相应的加工反应；这种酶参与转运RNA的成熟过程。切赫和奥尔特曼因发现RNA的催化性质而共同获得1989年诺贝尔化学奖。这些发现拓展了酶的概念，使其不再局限于以蛋白质为基础的催化剂。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
结构与催化机制
RNA是由核苷酸组成的链，但其催化活性取决于这条链如何折叠。碱基配对形成螺旋，而环区和远距离相互作用则共同构建三维活性位点。对锤头核酶的研究表明，远离切割位点的相互作用可以使关键基团处于正确位置，从而显著增强催化作用。因此，经过截短的RNA构建体，其表现可能不同于对应的天然分子。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
核酶通过定位底物、转移质子以及与金属离子相互作用来加速反应。在酸碱催化过程中，RNA的官能团有助于活化参与反应的基团，或促进离去基团脱离。氢键及其他相互作用将这些基团组织在活性位点内。镁离子和其他阳离子能够稳定RNA的折叠结构，并参与化学反应，但它们的具体作用因核酶而异。并非每一种RNA催化反应在所有实验条件下都必须有二价金属离子参与。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
RNA切割的化学过程也各不相同。核糖核酸酶P进行的是水解反应，而丁型肝炎病毒核酶则通过相邻羟基进攻RNA骨架来完成切割，生成2′,3′-环磷酸基团和5′-羟基末端。因此，表面上相似的切割反应，其机制和产物并不一定相同。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
主要生物学实例
自剪接内含子。 I类内含子包括最初在四膜虫中发现的实例。其反应会切除RNA内部的一段序列，并重新连接两侧序列。II类内含子属于另一种结构类型；其分支反应途径会生成套索状内含子，其中含有一种不常见的2′–5′连接。结构研究揭示，它们的催化结构组织方式与剪接体存在相似之处。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
核糖核酸酶P。 以RNA为催化基础的核糖核酸酶P能够加工转运RNA前体，包括去除其5′端前导序列。细菌核糖核酸酶P的RNA组分在体外能够独立完成催化，清楚地展示了RNA酶不仅可以修饰自身，还能作用于独立的底物分子。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
自切割RNA。 锤头核酶和丁型肝炎病毒核酶具有紧凑的催化结构，能够在RNA骨架的特定位置进行切割。实验表明，丁型肝炎病毒的RNA片段具有内在的切割活性，证明催化性RNA也存在于病毒基因组中。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
核糖体。 核糖体在翻译（生物学）过程中催化肽键形成。结构分析证实，保守的核糖体RNA构成了核糖体大亚基的催化中心。因此，核糖体是一种含有核酶的RNA–蛋白质分子机器，而不是不含蛋白质的酶。其活性将RNA催化作用与蛋白质合成直接联系起来。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
剪接体。 剪接体从信使RNA前体中去除内含子。实验表明，U6小核RNA负责定位参与两步剪接反应的催化金属离子。尽管有众多蛋白质辅助剪接体的组装和重排，RNA仍直接参与催化过程中的化学反应。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
实验研究与工程改造
研究人员通过测量反应速率、改变RNA序列或化学基团，以及采用X射线晶体学等方法确定结构来研究核酶。将结构证据与生化证据结合起来非常重要：仅凭折叠结构，无法确定哪些基团承担催化作用，而活性位点之外的变化也可能间接影响活性。对全长锤头核酶的研究说明，这些方法如何帮助解释看似相互矛盾的观察结果。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
实验室中的定向进化已产生能够沿RNA模板延伸引物的RNA聚合酶核酶。2016年的一项研究展示了功能性RNA的合成，以及短模板的大幅扩增。其他实验还开发出了以三核苷酸为构件组装RNA的核酶。这些体系拓展了经实验证实的RNA功能范围，但其测得的性能仍取决于底物、序列和反应条件。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
进化意义
核酶为RNA世界假说的合理性提供了实验支持。该假说认为，在进化的早期阶段，RNA兼具遗传和催化功能，之后才出现现代生物中脱氧核糖核酸与蛋白质之间的分工。实验室中的RNA合成与扩增表明，这类体系的部分环节在化学上是可以实现的。不过，这些实验并不能证明历史上确实存在过某种特定的RNA世界；在生命出现之前的条件下，能否形成足够高效的复制机制，仍是另一个有待解决的问题。(nobelprize.org)