Ribozimai — katalizinė RNR: apibrėžimas, veikimo mechanizmas ir taikymai

Ribozimas (ribonukleorūgšties fermentas) — tai RNR molekulė, kuri gali katalizuoti specifines biochemines reakcijas be baltymų fermentų pagalbos. Ribozimai gali skatinti fosfodiesterinių ryšių skilimą arba jungimą, taip pat atlikti kitokias modifikacijas RNR grandinėse.

Kas jie yra ir kur randami

Ribozimai, dar vadinami katalizinėmis RNR, veikia ribosomoje ir sujungia aminorūgštis baltymų sintezės metu: ribosomoje esančioji rRNR įvykdo peptidiltransferazės funkciją, t.y. katalizuoja peptidinių ryšių susidarymą tarp aminorūgščių. Be to, ribozimai dalyvauja RNR rišimo, virusų replikacijos ir transferinės RNR biosintezės procesuose bei kituose RNR apdorojimo įvykiuose.

Trumpa istorija ir reikšmė evoliucijai

XX a. pradžioje (1982–1983 m.) buvo atrasta, kad kai kurios RNR molekulės turi katalitinį aktyvumą; už šiuos atradimus 1989 m. Nobelio premija buvo suteikta Thomasui Cechui ir Sidney Altmanui. Šie atradimai parodė, kad RNR gali būti ir genetinė medžiaga (kaip DNR), ir biologinis katalizatorius (kaip fermentai), todėl sustiprėjo idėja apie vadinamąjį RNR pasaulį — hipotezę, pagal kurią ankstyvojoje Žemės biologijoje RNR galėjo atlikti tiek informacijos saugojimo, tiek katalizės funkcijas.

Veikimo mechanizmas

• Fosfodiesterinių ryšių skilimas ir jungimas: dauguma ribozimų katalizuoja trans- arba cis-skaldymo reakcijas, kuriose vyksta 2'-OH nukleofilinis ataka ir susidaro naujas 3'–5' arba kiti ryšiai.
• Metalų jonų vaidmuo: daugelis ribozimų naudoja metalų katijonus (pvz., Mg2+) stabilizuoti perėjimo būsenas ir neutralizuoti neigiamą fosfato krūvį.
• Bendro charakterio katalizė: kai kurie ribozimai naudoja RNR bazes kaip bendrus rūgščių/bazių katalizatorius (general acid–base catalysis), pakeisdami protonų pusiausvyrą reakcijos eigoje.

Pagrindinės ribozimų klasės (pavyzdžiai)

• Grupei I ir II intronai: saviškai šalinantys intronai, atliekantys sudėtingas splicing reakcijas.
• Hammerhead (plaktuko) ribozimas: mažas, struktūriškai gerai ištirtas modelinis ribozimas, naudojamas tiek fundamentaliems mechanizmo tyrimams, tiek biotechnologijai.
• Hepatito delta viruso (HDV) ribozimas: katalizuoja savadarbių RNR grandinių skaidymą replikacijos metu.
• RNase P: riboziminė RNR, kuri kartu su baltyminiu komponentu pjauna pre-tRNR galinius regionus — tai vienas iš pavyzdžių, kur RNR dalyvauja esminėje ląstelės funkcijoje.
• Ribosominė rRNR: peptidiltransferazės centras ribosomoje yra RNR pobūdžio katalitinis elementas, atsakingas už peptidinių ryšių formavimą.

Laboratorinė evoliucija ir polimerazės ribozimai

Gyvybės kilmę tiriantys tyrėjai laboratorijoje sukūrė ribozimų, kurie tam tikromis sąlygomis gali katalizuoti savo pačių sintezę, pavyzdžiui, RNR polimerazės ribozimą. Buvo sukurti patobulinti "Round-18" polimerazės ribozimo variantai. "B6.61" per 24 valandas gali pridėti iki 20 nukleotidų prie pradinio šablono, kol suyra dėl fosfodiesterinių ryšių skilimo. "tC19Z" ribozimas gali labai tiksliai pridėti iki 95 nukleotidų. Tokie pasiekimai rodo, kad ribozimai gali būti in vitro evoliucionuojami iki sudėtingų katalitinių funkcijų, nors vis dar egzistuoja apribojimų (stabilumas, greitis, ilgos grandinės sintezė).

Taikymai ir potencialas

• Gydymas: ribozimai gali būti projektuojami taip, kad specifiškai perskeltų patologines RNR (pvz., virusų ar mutuotų genų transkriptus). Nors kai kurie klinikiniai bandymai (pvz., su hammerhead ribozimais) parodė potencialą, pagrindiniai iššūkiai lieka — tinkamas pristatymas į ląsteles ir RNR stabilizavimas.
• Biotechnologija ir sintetinė biologija: dirbtiniai ribozimai naudojami reguliuoti genų ekspresiją, kurti logines grandines ir valdymo elementus ląstelėse bei kaip komponentai in vitro sintezės sistemose.
• Diagnostika ir biojutikliai: ribozimai arba ribozyme-sukelti signalai naudojami jautriems biosensorams, kurie aptinka tam tikras RNR sekas arba cheminius žymenis.
• Genomikos ir genų atradimas: ribozimai gali būti panaudoti funkcinei RNR analizės priemonei arba kaip įrankiai naujų genų funkcijų atskyrimui.
• RNR pasaulio tyrimai: ribozimų studijos suteikia įžvalgų apie galimą ankstyvosios gyvybės cheminę evoliuciją ir molekulinius mechanizmus, kurie galėjo lemti gyvybės atsiradimą.

Iššūkiai ir sprendimo kryptyss

• Stabilumas: RNR yra jautri RNazėms ir hidrolinei degradacijai; sprendimai apima chemines modifikacijas (pvz., 2'-O-methyl, LNA), nanodalelių ar vektorių naudojimą pristatant ribozimus į ląsteles.
• Specifiškumas ir off-target efektai: ribozimai turi būti kruopščiai projektuojami, kad nekristų į sveikas transkriptų sritis.
• Efektyvumas in vivo: nors in vitro evoliucionuoti ribozimai kartais demonstruoja puikų aktyvumą, jų veikimas gyvose sistemose dažnai kompromituojamas aplinkos sąlygomis ir pristatymo problema.

Išvados

Ribozimai — unikalūs biologiniai katalizatoriai — jungia informacijos nešėjos ir enziminių savybių pasaulius. Jie yra svarbūs fundamentalioms ląstelių funkcijoms, atveria kelią eksperimentinei RNR evoliucijai ir turi platų potencialių taikymų spektrą medicinoje bei biotechnologijoje. Tolimesni tyrimai, gerinant stabilumą ir pristatymo metodikas, gali išlaisvinti platesnį ribozimų panaudojimą praktikoje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra ribozimas?

K: Kokias funkcijas atlieka ribozimai?

K: Kaip ribozimų atradimas paskatino tolesnius tyrimus?

Klausimas: Ar mokslininkai laboratorijose gali sukurti dirbtinius ribozimus?

Klausimas: Ar yra kokių nors potencialių terapinių ribozimų taikymo galimybių?

K.: Ką pasiūlė "RNR pasaulio hipotezė"?

Paieška pagal raidę