A ribozimek olyan RNS-molekulák, amelyek kémiai reakciókat katalizálnak. A legtöbb biológiai folyamat nem spontán módon megy végbe. Például egy molekula két részre hasításához vagy két molekula egyetlen nagyobb molekulává történő összekapcsolásához katalizátorokra , azaz segédmolekulákra van szükség, amelyek gyorsabbá teszik a reakciót. A biológiai katalizátorok többsége az enzimeknek nevezett fehérjék. A tudósok sokáig azt feltételezték, hogy a fehérjék önmagukban rendelkeznek a sejtekben specifikus katalizátorként való működéshez szükséges szerkezeti összetettséggel, de 1980 körül Tom Cech és Sidney Altman kutatócsoportjai egymástól függetlenül felfedezték, hogy egyes biológiai katalizátorok RNS-ből állnak. Ezt a két tudóst 1989-ben kémiai Nobel-díjjal tüntették ki felfedezésükért.
Szerkezet és működés
A ribozimeknek nevezett RNS-katalizátorok az eukarióta szervezetek sejtmagjában, mitokondriumaiban és kloroplasztiszaiban találhatók. Néhány vírus, köztük több baktériumvírus is rendelkezik ribozimokkal. Az eddig felfedezett ribozimeket különböző kémiai típusokba lehet csoportosítani, de minden esetben az RNS-hez fémionok, például magnézium (Mg2+) vagy kálium (K+) társulnak, amelyek fontos szerepet játszanak a katalízis során. Szinte valamennyi ribozim részt vesz az RNS feldolgozásában. Vagy molekuláris ollóként hasítják a prekurzor RNS-láncokat (az új RNS-lánc alapját képező láncokat), vagy “molekuláris tűzőgépként” két RNS-molekula összekapcsolását végzik. Bár a legtöbb ribozim célpontja az RNS, ma már nagyon erős bizonyítékok vannak arra, hogy az aminosavak fehérjékké történő összekapcsolását, amely a riboszómán történik a transzláció során , szintén az RNS katalizálja. Így a riboszómális RNS maga is ribozim.
Egyes ribozim által katalizált reakciókban az RNS hasítási és ligációs folyamatok összekapcsolódnak. Ilyenkor egy RNS-láncot két helyen hasítanak, és a középső darabot (az úgynevezett intront) elvetik, míg a két oldalsó RNS-darabot (az úgynevezett exonokat) ligálják össze. Ezt a reakciót splicingnek nevezzük. A ribozim-mediált splicing mellett, amelyben csak az RNS vesz részt, vannak olyan splicing-reakciók, amelyekben RNS-fehérje komplexek vesznek részt. Ezeket a komplexeket kis nukleáris ribonukleoprotein részecskéknek, röviden snRNP-knek nevezik. A splicingnek ez az osztálya nagyon gyakori jellemzője a hírvivő RNS (mRNS) feldolgozásának a “magasabb” eukariótákban, például az emberben. Még nem ismert, hogy az snRNP-mediált splicinget katalizálják-e az RNS-komponensek. Megjegyezzük azt is, hogy egyes RNS-splicing-reakciókat kizárólag fehérjéből álló enzimek katalizálnak.
Egyes prekurzor RNS-molekulák saját intronjába egy ribozim van beépítve, és ez a ribozim felelős annak az intronnak az eltávolításáért, amelyben található. Ezeket nevezzük önsplicing RNS-eknek. A splicing-reakció befejezése után az intron, beleértve a ribozimet is, lebomlik. Ezekben az esetekben minden ribozim csak egyszer működik, ellentétben a fehérjeenzimekkel, amelyek többször katalizálnak egy reakciót. Az önspilézett RNS-ek példái közé tartoznak a csillós egysejtűek riboszómális RNS-ei és az élesztő mitokondriumok bizonyos mRNS-ei.
Egyes RNS-vírusok, például a hepatitis delta vírus, szintén tartalmaznak egy ribozimet az öröklött RNS-molekulájuk részeként. A vírus-RNS replikációja során az RNS-genom (vírus genetikai információ) ismétlődéseit tartalmazó hosszú szálak szintetizálódnak. A ribozim ezután a hosszú multimer molekulákat darabokra hasítja, amelyek egy genommásolatot tartalmaznak, és ezt az RNS-darabot beilleszti a vírusrészecskébe.
Más ribozimek más RNS-molekulákon működnek. Az egyik ilyen típusú ribozim az RNáz P, amely egy RNS-láncból és egy vagy több fehérjéből áll (az organizmustól függően). Az RNáz P katalitikus mechanizmusát különösen jól tanulmányozták baktériumokban. Ez a ribozim a prekurzor transzfer RNS-t (tRNS) úgy dolgozza fel, hogy eltávolít egy hosszabbítást az 5-prime végéről, hogy létrehozza az “érett” tRNS 5-prime végét (az RNS-molekula két vége kémiailag különbözik egymástól, és az 5-prime és 3-prime végeknek nevezik őket, utalva a terminális nukleotidok cukorrészének specifikus szénatomjaira). Amikor a bakteriális RNáz P RNS-molekulát megtisztítják a fehérjétől, még mindig képes hasítani a prekurzor tRNS célpontját, bár nagyon lassú ütemben, ami azt bizonyítja, hogy az RNS a katalizátor. Mindazonáltal az RNáz P fehérjé(i)nek is fontos funkciói vannak, például az RNáz P RNS megfelelő konformációjának fenntartása és a prekurzor tRNS-szel való kölcsönhatás.
Egy “RNS-világ”
Sok biológus feltételezi, hogy a ribozimek egy ősi, prebiotikus világ maradványai, amely megelőzte a fehérjék evolúcióját. Ebben az “RNS-világban” az RNS-ek voltak az olyan funkciók katalizátorai, mint az RNS-molekulák replikációja, hasítása és ligálása. A feltételezések szerint a fehérjék később fejlődtek ki, és fejlődésük során átvették a korábban az RNS-molekulák által végzett funkciókat. Ez azért történhetett, mert a fehérjék sokoldalúbbak és hatékonyabbak katalitikus funkcióikban.
A mai világban a tRNS prekurzorok feldolgozását a legtöbb esetben a ribozim RNáz P végzi, a fent leírtak szerint, de egyes kloroplasztiszokban ezt a funkciót egy olyan fehérje látja el, amely nyilvánvalóan nem tartalmaz RNS-t. Ez példa lehet a ribozimokat helyettesítő fehérjeenzimek evolúciójára.
A ribozimek intenzív tanulmányozása során szabályokat kaptunk arra vonatkozóan, hogyan ismerik fel a célpontjaikat. E szabályok alapján a ribozimokat úgy lehetett módosítani, hogy új célpontokat ismerjenek fel és hasítsanak meg olyan RNS-molekulákban, amelyek normális esetben nem képezik ribozim hasítás tárgyát. Ezek az eredmények felvetik a ribozimek humán terápiában való alkalmazásának izgalmas lehetőségét. Például mesterséges ribozimokkal lehetne csökkenteni a betegségeket okozó RNS-molekulák, például az AIDS-et okozó HIV molekulák mennyiségét. Jelentős sikereket értek el e ribozimek modellsejtekben történő tesztelése során. A legnagyobb megoldásra váró kérdés azonban az, hogyan lehet ezeket a potenciális “betegség-ellenes” ribozimokat a betegbe juttatni és a megfelelő sejtekbe felvenni.”
sd. még Evolution, Molecular; Proteins; RNA; RNA Processing.
Lasse Lindahl
Bibliográfia
Cech, T. R. “RNA as an Enzyme”. Scientific American 255 (1986): 64-75.
Karp, Gerald. Cell and Molecular Biology, 3. kiadás, New York: John Wiley & Sons, 2002.