Wetenschap
RNA's verborgen potentieel:nieuwe studie onthult zijn rol in het vroege leven en toekomstige bio-engineering
DNA fungeert als de blauwdruk van de cel en bevat genetische informatie die nodig is voor de synthese van functionele eiwitten. Omgekeerd zijn eiwitten nodig voor de synthese van DNA. Daarom blijft de vraag of DNA als eerste ontstond of eiwit een kwestie van discussie blijft.
Deze moleculaire versie van de ‘kip-en-ei’-kwestie leidde tot het voorstel van een ‘RNA-wereld’. RNA's in de vorm van 'ribozymen' of RNA-enzymen dragen genetische informatie over die vergelijkbaar is met DNA en bezitten ook katalytische functies zoals eiwitten.
De ontdekking van ribozymen voedde verder de RNA World-hypothese waarin RNA dubbele functies vervulde:'opslag van genetische informatie' en 'katalyse', waardoor primitieve levensactiviteiten uitsluitend door RNA werden vergemakkelijkt. Hoewel moderne ribosomen een complex zijn van RNA's en eiwitten, kunnen ribozymen tijdens de vroege evolutionaire stadia in elkaar zijn gezet door de assemblage van individuele functionele RNA-eenheden.
Om deze hypothese te testen voerde professor Koji Tamura samen met zijn team van onderzoekers van de afdeling Biologische Wetenschappen en Technologie van de Tokyo University of Science een reeks experimenten uit om de assemblage van functionele ribozymen te decoderen. Hiervoor ontwierpen ze een kunstmatig ribozym, R3C-ligase, om te onderzoeken hoe individuele RNA-eenheden samenkomen om een functionele structuur te vormen.
Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Life .
Prof. Tamura geeft verder inzicht in hun onderzoek en stelt:"De R3C-ligase is een ribozym dat de vorming van een 3',5'-fosfodiesterkoppeling tussen twee RNA-moleculen katalyseert. We hebben de structuur aangepast door specifieke domeinen toe te voegen die kunnen interageren met verschillende effectoren."
Binnen ribosomen, die de plaats zijn van eiwitsynthese, assembleren RNA-eenheden zich om te functioneren als peptidyltransferasecentra (PTC's) op een zodanige manier dat ze een schavot vormen voor de rekrutering van aminozuren (individuele componenten van een peptide/eiwit) die aan tRNA's zijn gehecht. .
Dit is een belangrijk inzicht in de evolutionaire geschiedenis van eiwitsynthesesystemen, maar het is niet voldoende om het evolutionaire pad te volgen op basis van de RNA World-hypothese.
Om te onderzoeken of de verlenging van RNA, bereikt door individuele RNA-eenheden aan elkaar te koppelen, allosterisch wordt gereguleerd, veranderden de onderzoekers de structuur van de R3C-ligase. Ze deden dit door korte RNA-sequenties op te nemen die adenosinetrifosfaat (ATP), een essentieel energiedragermolecuul in cellen, in het ribozym binden. Het team merkte op dat de activiteit van R3C-ligase afhankelijk was van de concentratie ATP, waarbij een hogere activiteit werd waargenomen bij hogere concentraties ATP.
Verder kan een verhoging van de smelttemperatuur (Tm waarde) gaf aan dat de binding van ATP aan R3C-ligase de structuur stabiliseerde, wat waarschijnlijk de ligase-activiteit beïnvloedde.
Op dezelfde manier merkten ze bij het fuseren van een L-histidine-bindende RNA-sequentie aan het ribozym een toename van de ligase-activiteit op bij toenemende concentraties van histidine (een sleutelaminozuur). Met name was de toename in activiteit specifiek voor toenemende concentraties ATP of histidine; er werden geen veranderingen waargenomen als reactie op andere nucleotidetrifosfaten of aminozuren.
Deze bevindingen suggereren dat ATP en histidine werken als effectormoleculen die structurele conformationele veranderingen in het ribozym veroorzaken, die de stabiliteit en activiteit van het enzym verder beïnvloeden.
ATP is de centrale energiedrager van de cel die talrijke moleculaire processen ondersteunt, terwijl histidine het meest voorkomende aminozuur is dat wordt aangetroffen op de actieve plaats van enzymen en de zuur-base-chemie ervan in stand houdt. Gezien de belangrijke rol van ATP en histidine in RNA-interacties en moleculaire functies, bieden deze resultaten nieuwe inzichten in de rol van RNA in de vroege evolutie, inclusief de oorsprong van de genetische code.
Bovendien zijn gemanipuleerde ribozymen, zoals die welke in dit onderzoek zijn ontwikkeld, veelbelovend in een groot aantal toepassingen, waaronder gerichte medicijnafgifte, therapieën, nanobiosensoren, enzymtechnologie en de synthese van nieuwe enzymen met gebruik in verschillende industriële processen.
Over het geheel genomen kan deze studie inzicht bieden in hoe de overgang van de RNA-wereld naar de moderne ‘DNA/Proteïne-wereld’ plaatsvond. Een fundamenteel begrip van de RNA-wereld kan op zijn beurt het gebruik ervan in toepassingen in de praktijk verbeteren.
“Deze studie zal leiden tot de opheldering van het proces van ‘op allostericiteit gebaseerde verwerving van functie en coöperativiteit’ in de evolutie van RNA. De RNA-RNA-interacties, RNA-aminozuurinteracties en allostericiteit die in dit onderzoek worden toegepast, kunnen de fabricage van willekeurige RNA-nanostructuren, met verschillende toepassingen”, besluit prof. Tamura.