Ribozymer är RNA-molekyler som katalyserar kemiska reaktioner. De flesta biologiska processer sker inte spontant. För att till exempel klyva en molekyl i två delar eller för att länka ihop två molekyler till en större molekyl krävs katalysatorer , det vill säga hjälpmolekyler som får en reaktion att gå snabbare. De flesta biologiska katalysatorer är proteiner som kallas enzymer. Under många år antog forskarna att enbart proteiner hade den strukturella komplexitet som krävs för att fungera som specifika katalysatorer i cellerna, men runt 1980 upptäckte forskargrupperna Tom Cech och Sidney Altman oberoende av varandra att vissa biologiska katalysatorer består av RNA. Dessa två forskare fick Nobelpriset i kemi 1989 för sin upptäckt.
Struktur och funktion
RNA-katalysatorer som kallas ribozymer finns i kärnan, mitokondrier och kloroplaster i eukaryota organismer. Vissa virus, inklusive flera bakterievirus, har också ribozymer. De ribozymer som hittills upptäckts kan delas in i olika kemiska typer, men i samtliga fall är RNA associerat med metalljoner, t.ex. magnesium (Mg2+) eller kalium (K+), som spelar viktiga roller under katalysen. Nästan alla ribozymer är involverade i bearbetningen av RNA. De fungerar antingen som molekylära saxar för att klyva prekursor-RNA-kedjor (de kedjor som utgör grunden för en ny RNA-kedja) eller som ”molekylära häftapparater” som sammanfogar två RNA-molekyler. Även om de flesta ribozymmål är RNA finns det nu mycket starka bevis för att kopplingen av aminosyror till proteiner, som sker vid ribosomen under översättning , också katalyseras av RNA. Således är det ribosomala RNA i sig självt också ett ribozym.
I vissa reaktioner som katalyseras av ribozym är RNA-klyvnings- och ligeringsprocesserna kopplade till varandra. I detta fall klyvs en RNA-kedja på två ställen och den mittersta biten (kallad intron) kasseras, medan de två flankerande RNA-bitarna (kallade exoner) ligeras ihop. Denna reaktion kallas för splicing. Förutom ribozym-medierad skarvning, som involverar enbart RNA, finns det några skarvningsreaktioner som involverar RNA-proteinkomplex. Dessa komplex kallas små ribonukleoproteinpartiklar i kärnan, förkortat snRNPs. Denna klass av skarvning är ett mycket vanligt inslag i bearbetningen av messenger RNA (mRNA) i ”högre” eukaryoter som t.ex. människor. Man vet ännu inte om snRNP-medierad splicing katalyseras av RNA-komponenterna. Observera också att vissa RNA-splicingreaktioner katalyseras av enzymer som endast består av protein.
Vissa prekursor-RNA-molekyler har ett ribozym inbyggt i sitt eget intron, och detta ribozym ansvarar för avlägsnandet av det intron i vilket det finns. Dessa kallas för självsplicerande RNA:er. När spliceringsreaktionen är avslutad bryts intronet, inklusive ribozymet, ner. I dessa fall fungerar varje ribozym endast en gång, till skillnad från proteinenzymer som katalyserar en reaktion upprepade gånger. Exempel på självsplicerade RNA:er är ribosomala RNA:er från cilierade protozoer och vissa mRNA:er från jästmitokondrier.
Vissa RNA-virus, t.ex. hepatit-delta-viruset, innehåller också ett ribozym som en del av sin nedärvda RNA-molekyl. Under replikationen av det virala RNA:t syntetiseras långa strängar som innehåller upprepningar av RNA-genomet (viral genetisk information). Ribozymet klyver sedan de långa multimera molekylerna i bitar som innehåller en kopia av arvsmassan och passar in den RNA-biten i en viruspartikel.
Andra ribozymer fungerar på andra RNA-molekyler. Ett ribozym av denna typ är RNas P, som består av en RNA-kedja och ett eller flera proteiner (beroende på organismen). Den katalytiska mekanismen hos RNas P har studerats särskilt väl i bakterier. Detta ribozym bearbetar prekursor transfer-RNA (tRNA) genom att ta bort en förlängning från 5-prime-änden för att skapa 5-prime-änden av det ”mogna” tRNA:t (de två ändarna av en RNA-molekyl är kemiskt distinkta och kallas 5-prime- och 3-prime-ändar, vilket hänvisar till specifika kolväten i sockerkomplexet i de terminala nukleotiderna). När RNA-molekylen från bakteriens RNas P renas bort från sitt protein kan den fortfarande klyva sitt prekursor tRNA-mål, om än i en mycket långsam takt, vilket bevisar att RNA är katalysatorn. Trots detta har proteinet/proteinerna i RNas P också viktiga funktioner, t.ex. upprätthållande av RNas P RNA:s korrekta konformation och interaktion med prekursorn tRNA.
Relikter från en ”RNA-värld”
Många biologer ställer sig bakom hypotesen att ribozymerna är kvarlevor från en uråldrig, prebiotisk värld som föregick evolutionen av proteiner. I denna ”RNA-värld” var RNA:erna katalysatorer för sådana funktioner som replikering, klyvning och ligering av RNA-molekyler. Proteiner antas ha utvecklats senare, och när de utvecklades tog de över funktioner som tidigare utförts av RNA-molekyler. Detta kan ha skett på grund av att proteiner är mer mångsidiga och effektiva i sina katalytiska funktioner.
I dagens värld utförs den mesta bearbetningen av prekursor tRNA av ribozymet RNas P, som beskrivs ovan, men i vissa kloroplaster utförs denna funktion av ett protein som uppenbarligen inte innehåller något RNA. Detta kan vara ett exempel på evolutionen av proteinenzymer som ersätter ribozymer.
Intensiva studier av ribozymer har gett regler för hur de känner igen sina mål. Baserat på dessa regler har det varit möjligt att ändra ribozymer så att de känner igen och klyver nya mål i RNA-molekyler som normalt inte är föremål för ribozyms klyvning. Dessa resultat ger upphov till den spännande möjligheten att använda ribozymer för behandling av människor. Till exempel skulle förekomsten av sjukdomsframkallande RNA-molekyler som HIV, orsaken till aids, kunna minskas med hjälp av konstgjorda ribozymer. Betydande framgångar har uppnåtts när det gäller att testa dessa ribozymer i modellceller. Den största frågan som återstår att lösa är dock hur dessa potentiella ”sjukdomsbekämpande” ribozymer kan föras in i en patient och tas upp av lämpliga celler.
Se även Evolution, molekylär; Proteiner; RNA; RNA-processing.
Lasse Lindahl
Bibliografi
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.