دزآزما

علی بختیاری، رشته : پزشکی

ریبوزیم(Ribonocleic acid enzyme)   یک مولکول RNA با توانایی کاتالیز واکنش­های بیوشیمیایی خاص،مانند عملی که آنزیم های پروئینی انجام می دهند، است. برای مدت ها دانشمندان تصور می کردند که پروتئین ها تنها مولکول هایی هستند که ترکیب ساختاری مورد نیاز برای کاتالیز واکنش های زیستی را دارا هستند. اما کشفی که در سال 1982 صورت گرفت نشان داد که RNA ها می توانند هم مانند DNA ماده ژنتیک باشند و هم مانند پروتئین ها عملکرد آنزیمی داشته باشند.

ریبوزیم ها در واکنش های مختلفی از جمله اتصال آمینواسیدها به هنگام سنتز پروتئین در ریبوزوم ها و انواعی از واکنش­های پردازش RNA شامل اسپلایسینگ(پیرایش) RNA، همانندسازی ویروس ها و بیو سنتز tRNAها نقش دارند.

کشف

در سال 1967 کارل ووس،فرانسیس کریک ولزلی ارگل اولین کسانی بودند که بیان کردند Rnaها می توانند به عنوان یک کاتالیزگر عمل کنند.این نظریه یر پایه ی این که RNA می تواند ساختار دوم تشکیل دهد شکل گرفت. اولین ریبوزیم ها در دهه ی 80 ،به طور جداگانه، توسط توماس چک،که بر روی اسپلایسینگ RNA یک تک یاخته مژه دار مطالعه می کرد، و سیدنی آلتمن،که بر روی ترکیب RNase P باکتریایی کار می کرد، کشف شدند. این ریبوزیم ها در اینترون حذف شده ی یک رونوشت RNA و همچنین در جزء RNAای ترکیب RNase P یافت شدند.

در دهه ی70 توماس چک در دانشگاه کلرادو بر روی حذف اینترون یک ژن RNAریبوزومی(rRNA)  در تک­یاخته مژه­دار(Tetrahymena thermophila) کار می کرد. او در حین تلاش برای جداسازی(خالص سازی) آنزیم مسئول واکنش های اسپلایسینگ متوجه شد که حذف اینترون حتی بدون اضافه کردن عصاره ی سلولی(حضور پروتئین) رخ می دهد.تلاش های وی و همکارانشش برای یافتن پروتئینی که به واکنش اسپلایسینگ کمک کند بی نتیجه ماند و سرانجام او چس از کار بیشتر این موضوع را پیشنهاد داد که بخشی از توالی اینترون RNA می تواند پیوند فسفودی استر را بشکند یا ایجاد کند. تقریبا در همین زمان سیدنی آلتمن،استاد دانشگاه یل،که در حال مطالعه ی راه پردازش tRNa در سلول ها و تبدیل tRNaاولیه به tRNaفعال و بالغ بود، دریافت که آنزیم RNase Pکه مسئول انجام این واکنش است،علاوه بر بخش پروتئینی از یک RNA تشکیل شده است و همین RNA جزء اصلی آنزیم فعال است. در سال های بعد آلتمن با نمایش اینکه بخش RNAای RNase P حتی در غیاب بخش پروتئینی می تواند پردازش tRNA را کاتالیز کند،نشان داد که RNA میتواند به عنوان یک کاتالیزگر عمل کند.

توماس چک و سیدنی آلتمن در سال 1989 موفق به دریافت جایزه ی نوبل شیمی به دلیل کشف خاصیت آنزیمی RNA شدند.

 ساختار و عملکرد

ریبوزیم ها در هسته،میتوکندری وکلروپلاست یوکاریوت ها یافت می شوند. برخی ویروس ها نیز ریبوزیم دارند. ریبوزیم هایی که تا کنون کشف شده اند می توانند در انواع مختلفی کروه بندی شوند اما در همه ی موارد ریبوزیم ها با یون های فلزی مانند منیزیم(Mg2+) و پتاسیم(K+) همراه هستند که نقش مهمی در طول کاتالیز دارند.

تقریبا همه ی ریبوزیم ها در پردازش RNA نقش دارند. آن ها مانند قیچی های مولکولی برای قطع کردن پیش سازهای RNA عمل می کنند و یا همچون منگنه های مولکولی دو قطعه RNA را به هم متصل می کنند. اگرچه اغلب هدف های ریبوزیم ها RNAهستند اکنون شواهد محکمی وجود دارد که اتصال آمینواسیدها به هنگام سنتز پروتئین در ریبوزوم ها توسط ریبوزیم ها کاتالیز می شوند،بنابراین rRNAها خود نیز ریبوزیم هستند.

در برخی از واکنش هایی که با ریبوزیم کاتالیز می شوند، فرآیندهای شکستن و اتصال RNA با هم رخ می دهد. در این موارد یک رشته ی RNA در دو قسمت شکسته می شود و قسمت میانی(اینترون) حذف می شود و دو قسمت بیرونی(اگزون) به هم متصل می شوند. به این واکنش اسپلایسینگ(پیرایش) گفته می شود.

برخی از مولکول های پیش ساز RNA یک ریبوزیم در بخش اینترون خود دارند که این ریبوزیم مسئول حذف اینترون است. این RNAها را خود پیرایش(self-splicing) می گویند. بعد از کامل شدن واکنش اسپلایسینگ اینترون که شامل خود ریبوزیم نیز می شود حذف می شود. در این موارد هر ریبوزیم تنها یک بار عمل می کند(برخلاف آنزیم های پروتئینی). rRNAهای تک یاخته های مژه دار و mRNAهای میتو کندری مخمر از مثال های RNAهای خود پیرایش هستند.

بعضی ویروس های RNAدار مانند ویروس دلتا هپاتیت، در RNA ژنوم خود نیز ریبوزیم دارند. درطول همانندسازی RNAویروس، رشته های بلندی که شامل تکرارهایی از ژنوم ویروس است سنتز می شود، سپس ریبوزیم، مولکول مولتی مری را به قسمت هایی که هرکدام یک کپی از ژنوم ویروس دارند تقسیم می کند.

یک نوع ریبوزیم دیگرRAase Pاست که از یک رشته ی RNA و یک یا چند پروتئین تشکیل می شود. این ریبوزیم پیش سازهای tRNAرا ،باحذف یک قسمت اضافی از انتهای 5پریم tRNAبرای ساخت انتهای 5پریم بالغ، پردازش می کند.

کاربردها

مطالعات متمرکز درمورد ریبوزیم ها قاعده هایی را در مورد این که آن ها چگونه هدف خود را شناسایی می کنند ارائه داده است. بر اساس این قواعد امکان تغییر ریبوزیم ها،برای ساخت ریبوزیم هایی که به طور خاص مولکول های RNA رابشکند، وجوددارد. این نتایج احتمال استفاده از ریبوزیم ها برای درمان در انسان را افزایش می دهد. برای مثال یک ریبوزیم مصنوعی برای شکستن(cleave) RNA HIV،طراحی شده است. اگر این ریبوزیم ها توسط سلول مورد نظر ساخته شود همه ی RNAویروس های ورودی شکسته می شود و به این طریق از عفونت جلوگیری به عمل می آید.

RNA و پیدایش حیات  

اعتقاد محکمی که در زیست شناسی مبنی بر اختصاص عملکرد کاتالیزی به پروتئین ها وجود داشت سوالی در مورد پیدایش حیات ایجاد می کردکه : آنزیم هایی که کار سلول هارا انجام می دهند اول به وجود آمده اند؟ یا نوکلوئیک اسیدهایی که اطلاعات مورد نیاز تولید آنزیم هارا حمل می کنند؟ ماهیت دوگانه ی RNA به عنوان ماده ی ژنتیک و کاتالیزگر پاسخ این سوال است.

زیست شناسان امروزه بر این باورند که قبل از تکامل پروتئین ها RNAها کاتالیز سازوکارهایی مانند همانندسازی، شکستن و پیوند مولکول های RNA را برعهده داشتند و پس از تکامل پروتئین ها به علت کارآمدی وتطبیق پذیری بیشتر با عملکرد آنزیمی، عملکردهایی که قبلا توسط RNAها صورت می گرفت را به دست گرفتند.

منابع

Cech, T. R. “RNA as an Enzyme.” Scientific American 255 (1986): 64

Karp, Gerald. Cell and Molecular Biology, 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2002

Johnston WK, Unrau PJ, Lawrence MS, Glasner ME, Bartel DP (May 2001)

Zaher HS, Unrau PJ (July 2007)

Wochner A, Attwater J, Coulson A, Holliger P (April 2011)

Hean J, Weinberg MS (2008)Carl Woese, The Genetic Code (New York: Harper and Row, 1967)

Kruger K, Grabowski PJ, Zaug AJ, Sands J, Gottschling DE, Cech TR (November 1982).isser CM (1984)