Rybozymy to cząsteczki RNA, które katalizują reakcje chemiczne. Większość procesów biologicznych nie zachodzi spontanicznie. Na przykład, rozszczepienie cząsteczki na dwie części lub połączenie dwóch cząsteczek w jedną większą wymaga katalizatorów, czyli pomocniczych cząsteczek, które przyspieszają reakcję. Większość biologicznych katalizatorów to białka zwane enzymami. Przez wiele lat naukowcy zakładali, że same białka mają strukturalną złożoność potrzebną do pełnienia roli specyficznych katalizatorów w komórkach, ale około 1980 roku grupy badawcze Toma Cecha i Sidneya Altmana niezależnie odkryły, że niektóre biologiczne katalizatory są zbudowane z RNA. Ci dwaj naukowcy zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 1989 roku za swoje odkrycie.
Struktura i funkcja
Katalizatory RNA zwane rybozymami znajdują się w jądrze, mitochondriach i chloroplastach organizmów eukariotycznych. Niektóre wirusy, w tym kilka wirusów bakteryjnych, również posiadają rybozymy. Odkryte do tej pory rybozymy można podzielić na różne typy chemiczne, ale we wszystkich przypadkach RNA wiąże się z jonami metali, takimi jak magnez (Mg2+) lub potas (K+), które odgrywają ważną rolę podczas katalizy. Prawie wszystkie rybozymy biorą udział w przetwarzaniu RNA. Działają one jako molekularne nożyczki rozcinające prekursorowe łańcuchy RNA (łańcuchy, które stanowią podstawę nowego łańcucha RNA) lub jako „molekularne zszywacze”, które wiążą ze sobą dwie cząsteczki RNA. Chociaż większość celów rybozymów to RNA, istnieją obecnie bardzo mocne dowody na to, że łączenie aminokwasów w białka, które zachodzi w rybosomie podczas translacji, jest również katalizowane przez RNA. Tak więc rybosomalny RNA sam w sobie jest również rybozymem.
W niektórych reakcjach katalizowanych przez rybozymy procesy rozszczepiania i wiązania RNA są ze sobą powiązane. W tym przypadku łańcuch RNA jest rozcinany w dwóch miejscach i środkowy fragment (zwany intronem) jest odrzucany, podczas gdy dwa boczne fragmenty RNA (zwane eksonami) są ligowane razem. Reakcja ta nazywana jest splicingiem. Oprócz splicingu z udziałem rybozymów, w którym uczestniczy sam RNA, istnieją reakcje splicingu z udziałem kompleksów RNA-białko. Kompleksy te nazywane są małymi jądrowymi cząsteczkami rybonukleoproteinowymi, w skrócie snRNP. Ta klasa splicingu jest bardzo powszechną cechą przetwarzania posłańczego RNA (mRNA) u „wyższych” eukariontów, takich jak człowiek. Nie wiadomo jeszcze, czy splicing mediowany przez snRNP jest katalizowany przez składniki RNA. Należy również pamiętać, że niektóre reakcje splicingu RNA są katalizowane przez enzymy zbudowane wyłącznie z białka.
Niektóre prekursorowe cząsteczki RNA mają rybozym wbudowany we własny intron, a rybozym ten jest odpowiedzialny za usunięcie intronu, w którym się znajduje. Są to tzw. samosplicingowe RNA. Po zakończeniu reakcji splicingu intron, wraz z rybozymem, ulega degradacji. W takich przypadkach każdy rybozym działa tylko raz, w przeciwieństwie do enzymów białkowych, które katalizują reakcję wielokrotnie. Przykładem samosplicowanego RNA jest rybosomalne RNA pierwotniaków z gromadami i niektóre mRNA mitochondriów drożdży.
Niektóre wirusy RNA, takie jak wirus zapalenia wątroby typu delta, również zawierają rybozym jako część ich dziedziczonej cząsteczki RNA. Podczas replikacji wirusowego RNA syntetyzowane są długie nici zawierające powtórzenia genomu RNA (wirusowej informacji genetycznej). Rybozym następnie rozszczepia długie multimeryczne cząsteczki na kawałki, które zawierają jedną kopię genomu, i dopasowuje ten kawałek RNA do cząsteczki wirusa.
Inne rybozymy działają na inne cząsteczki RNA. Jednym z tego typu rybozymów jest RNaza P, która składa się z jednego łańcucha RNA i jednego lub więcej białek (w zależności od organizmu). Mechanizm katalityczny RNazy P został szczególnie dobrze zbadany u bakterii. Rybozym ten przetwarza prekursorowy transferowy RNA (tRNA) poprzez usunięcie przedłużenia z końca 5-prime, aby utworzyć 5-prime koniec „dojrzałego” tRNA (dwa końce cząsteczki RNA są chemicznie odrębne i nazywane są 5-prime i 3-prime, odnosząc się do określonych węgli w cząsteczce cukru końcowych nukleotydów). Kiedy cząsteczka RNA z bakteryjnej RNazy P jest oczyszczona z białka, nadal może rozszczepiać swój prekursor docelowy tRNA, aczkolwiek w bardzo wolnym tempie, co dowodzi, że RNA jest katalizatorem. Niemniej jednak, białko(a) w RNazie P również pełni ważne funkcje, takie jak utrzymywanie właściwej konformacji RNA RNazy P i interakcja z prekursorem tRNA.
Relics of an „RNA World”
Wielu biologów wysuwa hipotezę, że rybozymy są śladami starożytnego, prebiotycznego świata, który poprzedził ewolucję białek. W tym „świecie RNA”, RNA były katalizatorami takich funkcji jak replikacja, rozszczepianie i łączenie cząsteczek RNA. Hipotezuje się, że białka wyewoluowały później, a w miarę ewolucji przejęły funkcje wcześniej wykonywane przez cząsteczki RNA. Mogło się tak stać, ponieważ białka są bardziej wszechstronne i wydajne w swoich funkcjach katalitycznych.
W dzisiejszym świecie, większość przetwarzania prekursora tRNA jest wykonywana przez rybozym RNase P, jak opisano powyżej, ale w niektórych chloroplastach, funkcja ta jest wykonywana przez białko, które najwyraźniej nie zawiera RNA. Może to być przykład ewolucji enzymów białkowych, które zastępują rybozymy.
Intensywne badania rybozymów dostarczyły reguł dotyczących tego, jak rozpoznają one swoje cele. Bazując na tych regułach, możliwe stało się zmienienie rybozymów tak, aby rozpoznawały i rozszczepiały nowe cele w cząsteczkach RNA, które normalnie nie podlegają rozszczepieniu przez rybozymy. Wyniki te podnoszą ekscytującą możliwość wykorzystania rybozymów w terapii człowieka. Na przykład, obfitość chorobotwórczych cząsteczek RNA, takich jak HIV, który jest przyczyną AIDS, mogłaby zostać zredukowana przy pomocy sztucznych rybozymów. Osiągnięto już znaczne sukcesy w testowaniu tych rybozymów w modelowych komórkach. Jednak największym pytaniem pozostającym do rozwiązania jest to, jak te potencjalne „zwalczające choroby” rybozymy mogą być wprowadzone do pacjenta i pobrane przez odpowiednie komórki.
Zobacz także Ewolucja, Molekularna; Białka; RNA; Przetwarzanie RNA.
Lasse Lindahl
Bibliografia
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.
Karp.