Рибозими: каталитични РНК, функции, произход и приложения

Рибозими: открийте каталитичните РНК — функции, произход и приложения в терапията, биосензори, геномиката и синтеза на РНК. Научете как РНК катализира живота.

Рибозимът (ензим на рибонуклеиновата киселина) е молекула РНК, която може да подпомогне определени биохимични реакции, подобно на действието на белтъчните ензими.

Наричани още каталитични РНК, рибозимите работят в рибозомата, за да свързват аминокиселините по време на синтеза на протеини. Те участват и в сплайсинга на РНК, вирусната репликация и биосинтеза на трансферна РНК.

Откриването на рибозимите през 1981 г. показва, че РНК може да бъде както генетичен материал (като ДНК), така и биологичен катализатор (като ензимите). Това доведе до хипотезата за света на РНК, според която РНК действа в еволюцията на пребиотични самовъзпроизвеждащи се системи.

Изследователите, които изучават произхода на живота, са създали рибозими в лаборатория, които могат да катализират собствения си синтез при определени условия, като например рибозим на РНК полимеразата. Разработени са усъвършенствани варианти на рибозима полимераза "Round-18". "В6.61" е в състояние да добави до 20 нуклеотида към праймерния шаблон за 24 часа, докато се разпадне чрез разцепване на фосфодиестерните му връзки. Рибозимът "tC19Z" може да добавя до 95 нуклеотида с голяма точност.

Някои рибозими могат да играят важна роля като терапевтични агенти, като ензими, насочени към определени РНК последователности за разцепване, като биосензори и за приложения в геномиката и откриването на гени.

Видове рибозими и примери

• Самосплайсващи интрони (групи I и II) — каталитични РНК, които извършват автокаталитично премахване на интрони и лигация на екзоните.
• Рибозимът на рибозомата — центърът за образуване на пептидни връзки в рибозомата е РНК-компонентът, което прави рибозомата самата по себе си рибозим.
• RNase P — ензим, при който РНК компонентът е каталитично активен и участва в обработката на предходници на тРНК.
• Малки каталитични мотиви — hammerhead, hairpin, hepatitis delta (HDV), twister и други, които извършват разцепване или лигация на РНК.
• Апатазими (aptazymes) — комбинации от аптамер (лигователна РНК последователност) и рибозим, използвани за сензинг и регулиране при присъствие на малки молекули.

Механизъм на катализа

Рибозимите ускоряват реакции чрез:

• оформяне на специфична триизмерна структура, която подрежда реактивните групи;
• използване на дивалентни йони (най-често Mg2+ или Mn2+) за стабилизиране на отрицателни заряди и подпомагане на транспорт на протони;
• участие на азотните основи на нуклеозидите като кислородно- или протон-приемащи/донорни групи (общо-киселинно/основно каталитично поведение);
• катализ на транскетализация, хидролиза или лигация на фосфодиестерни връзки.

Произход и еволюция

Откритието на каталитичните свойства на РНК подкрепя идеята за свет на РНК — еволюционен етап, в който РНК изпълнява както информационни, така и каталитични функции. В лабораторни условия чрез методи като in vitro селекция (например SELEX) и насочена еволюция изследователите са:

• създавали нови рибозими с желани каталитични способности;
• разработвали РНК-полимеразни рибозими, които могат да синтезират други РНК молекули, включително такива, които подпомагат собственото им възпроизвеждане;
• подобрявали процесивността и точността на рибозимите чрез множество цикли на мутация и селекция (примерите Round-18, B6.61 и tC19Z показват напредък, но също и ограничения по отношение на скорост и стабилност).

Приложения и предизвикателства

Приложения:

• Терапевтични рибозими — насочени към патологични или вирусни РНК за специфично разцепване; имало е клинични проучвания, но ефективността често зависи от доставката и стабилността в организма.
• Биосензори и синтетична биология — апатазимите и други конструкти могат да превръщат присъствието на малки молекули или метаболити в отчетлива каталитична реакция (например разцепване), полезно за диагностика и регулация в генетични схеми.
• Геномика и откриване на гени — рибозими могат да служат като инструменти за разпознаване и модифициране на РНК в изследователски приложения.
• Произход на живота и изкуствен живот — рибозимите осигуряват експериментално основание за модели на самовъзпроизвеждащи се молекули и за синтетични репликатори.

Предизвикателства:

• неустойчивост в клетъчни и екстрацелуларни среди (разграденост чрез хидролиза);
• доставяне до целевите клетки и органели;
• имуногенност и неспецифична свързаност;
• ограничена процесивност и точност при създаване на дълги РНК в сравнение с белтъчните ензими.

Технологични подходи за преодоляване на ограничения

За повишаване на стабилността и ефективността на рибозимите се използват:

• химически модификации на рибозомните нуклеотиди (2'-O-метил, флуоро-модификации и др.);
• конюгация с наночастици, липозоми или други векторни системи за по-добра доставка;
• интегриране в аптамерни сензорни платформи за повишаване на специфичността;
• насочена еволюция за подобряване на скоростта, процесивността и устойчивостта към разграждане.

В заключение, рибозимите представляват уникална и многопластова група молекули с важно значение за фундаменталната биология, проучванията за произхода на живота и за приложна наука. Напредъкът в инженерството на РНК и доставъчните технологии ще определи доколко широко ще бъдат използвани като лекарства, биосензори и инструменти в синтетичната биология.

Въпроси и отговори

В: Какво е рибозим?

В: Какви са някои от ролите на рибозимите?

В: Как откриването на рибозимите доведе до по-нататъшни изследвания?

Въпрос: Могат ли учените да създават изкуствени рибозими в лабораториите?

В: Има ли потенциални терапевтични приложения за рибозимите?

В: Какво предлага "хипотезата за света на РНК"?

Търсене по буква