Ribozymen zijn RNA-moleculen die chemische reacties katalyseren. De meeste biologische processen vinden niet spontaan plaats. Zo zijn voor het splitsen van een molecuul in twee delen of het koppelen van twee moleculen tot één groter molecuul katalysatoren nodig, dat wil zeggen hulpmoleculen die een reactie sneller laten verlopen. De meeste biologische katalysatoren zijn eiwitten, enzymen genaamd. Jarenlang gingen wetenschappers ervan uit dat alleen eiwitten de structurele complexiteit bezaten die nodig is om als specifieke katalysatoren in cellen te dienen, maar rond 1980 ontdekten de onderzoeksgroepen van Tom Cech en Sidney Altman onafhankelijk van elkaar dat sommige biologische katalysatoren van RNA zijn gemaakt. Voor hun ontdekking kregen deze twee wetenschappers in 1989 de Nobelprijs voor de scheikunde.
Structuur en functie
De RNA-katalysatoren, ribozymen genaamd, worden aangetroffen in de kern, mitochondriën en chloroplasten van eukaryote organismen. Sommige virussen, waaronder een aantal bacteriële virussen, hebben ook ribozymen. De tot op heden ontdekte ribozymen kunnen in verschillende chemische types worden ingedeeld, maar in alle gevallen is het RNA geassocieerd met metaalionen, zoals magnesium (Mg2+) of kalium (K+), die een belangrijke rol spelen bij de katalyse. Bijna alle ribozymen zijn betrokken bij de verwerking van RNA. Zij fungeren ofwel als moleculaire scharen om voorloper-RNA-ketens (de ketens die de basis vormen van een nieuwe RNA-keten) te knippen, ofwel als “moleculaire nietmachines” die twee RNA-moleculen aan elkaar lijmen. Hoewel de meeste ribozymen RNA als doelwit hebben, zijn er thans zeer sterke aanwijzingen dat de koppeling van aminozuren tot eiwitten, die tijdens de translatie in het ribosoom plaatsvindt, ook door RNA wordt gekatalyseerd. Het ribosomale RNA is dus zelf ook een ribozyme.
In sommige door ribozymen gekatalyseerde reacties zijn de RNA-splitsing en -binding aan elkaar gekoppeld. In dit geval wordt een RNA-keten op twee plaatsen gesplitst en wordt het middelste stuk (intron genoemd) verwijderd, terwijl de twee flankerende RNA-stukken (exonen genoemd) aan elkaar worden geligeerd. Deze reactie wordt “splicing” genoemd. Naast ribozym-gemedieerde splicing, waarbij alleen RNA betrokken is, zijn er ook splicingreacties waarbij RNA-eiwitcomplexen betrokken zijn. Deze complexen worden kleine nucleus ribonucleoproteïnedeeltjes genoemd, afgekort als snRNPs. Deze klasse van splitsing is een zeer algemeen kenmerk van de verwerking van boodschapper-RNA (mRNA) bij “hogere” eukaryoten zoals de mens. Het is nog niet bekend of snRNP-gemedieerde splitsing door de RNA-componenten wordt gekatalyseerd. Merk ook op dat sommige RNA splicing reacties worden gekatalyseerd door enzymen die alleen uit eiwit bestaan.
Sommige precursor RNA moleculen hebben een ribozyme ingebouwd in hun eigen intron, en dit ribozyme is verantwoordelijk voor verwijdering van het intron waarin het zich bevindt. Dit worden zelf-knippende RNA’s genoemd. Nadat de splitsingsreactie is voltooid, wordt het intron, inclusief het ribozyme, afgebroken. In deze gevallen werkt elk ribozym slechts één keer, in tegenstelling tot eiwit-enzymen die een reactie herhaaldelijk katalyseren. Voorbeelden van zelfgesplitste RNA’s zijn de ribosomale RNA’s van gecilieerde protozoa en bepaalde mRNA’s van gist-mitochondriën.
Sommige RNA-virussen, zoals het hepatitis-deltavirus, bevatten ook een ribozym als onderdeel van hun geërfde RNA-molecule. Tijdens de replicatie van het virale RNA worden lange strengen met herhalingen van het RNA-genoom (virale genetische informatie) gesynthetiseerd. Het ribozym splitst vervolgens de lange multimere moleculen in stukken die één genoomkopie bevatten, en past dat RNA-stuk in een virusdeeltje.
Andere ribozymes werken op andere RNA-moleculen. Een ribozym van dit type is RNase P, dat bestaat uit een RNA-keten en een of meer eiwitten (afhankelijk van het organisme). Het katalytische mechanisme van RNase P is bijzonder goed bestudeerd in bacteriën. Dit ribozym verwerkt voorloper-transfer-RNA (tRNA) door een verlenging van het 5-prime uiteinde te verwijderen, zodat het 5-prime uiteinde van het “rijpe” tRNA ontstaat (de twee uiteinden van een RNA-molecuul zijn chemisch verschillend en worden de 5-prime en 3-prime uiteinden genoemd, verwijzend naar specifieke koolhydraten in het suikergedeelte van de eindnucleotiden). Wanneer het RNA-molecuul van het bacteriële RNase P van zijn eiwit wordt gezuiverd, kan het nog steeds zijn precursor tRNA-doel splijten, zij het in een zeer laag tempo, hetgeen bewijst dat het RNA de katalysator is. Niettemin heeft (hebben) het eiwit (de eiwitten) in RNase P ook belangrijke functies, zoals het handhaven van de juiste conformatie van het RNase P RNA en de interactie met het precursor tRNA.
Relica van een “RNA-wereld”
Veel biologen stellen de hypothese dat ribozymen overblijfselen zijn van een oude, prebiotische wereld die voorafging aan de evolutie van eiwitten. In deze “RNA-wereld” waren RNA’s de katalysatoren van functies als replicatie, splitsing en binding van RNA-moleculen. Van eiwitten wordt verondersteld dat zij pas later zijn geëvolueerd, en toen zij evolueerden namen zij functies over die voorheen door RNA-moleculen werden vervuld. Dit kan zijn gebeurd omdat eiwitten veelzijdiger en efficiënter zijn in hun katalytische functies.
In de wereld van vandaag wordt de meeste verwerking van precursor tRNA uitgevoerd door het ribozyme RNase P, zoals hierboven beschreven, maar in sommige chloroplasten wordt deze functie uitgevoerd door een eiwit dat kennelijk geen RNA bevat. Dit kan een voorbeeld zijn van de evolutie van eiwit-enzymen die ribozymen vervangen.
Intensieve studies van ribozymen hebben regels opgeleverd voor de manier waarop zij hun doelwitten herkennen. Op basis van deze regels is het mogelijk gebleken ribozymen zo te veranderen dat zij nieuwe doelwitten herkennen en splijten in RNA-moleculen die normaal gesproken niet door ribozymen worden gesplitst. Deze resultaten bieden de opwindende mogelijkheid ribozymen te gebruiken voor therapie bij de mens. Zo zou bijvoorbeeld de overvloed aan ziekteveroorzakende RNA-moleculen, zoals HIV, de oorzaak van AIDS, met kunstmatige ribozymen kunnen worden teruggedrongen. Er zijn reeds aanzienlijke successen geboekt bij het testen van deze ribozymen in modelcellen. De grootste vraag die echter nog moet worden opgelost is hoe deze potentiële “ziektebestrijdende” ribozymen in een patiënt kunnen worden ingebracht en door de juiste cellen kunnen worden opgenomen.
zie ook Evolutie, Moleculair; Eiwitten; RNA; RNA-verwerking.
Lasse Lindahl
Bibliografie
Cech, T. R. “RNA as an Enzyme.” Scientific American 255 (1986): 64-75.
Karp, Gerald. Cell and Molecular Biology, 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2002.