RNAs skjulte potentiale:Ny undersøgelse afslører sin rolle i det tidlige liv og fremtidig bioteknologi

Livets begyndelse på Jorden og dets udvikling over milliarder af år fortsætter med at fascinere forskere verden over. Det centrale dogme eller den retningsbestemte strøm af genetisk information fra en deoxyribosenukleinsyreskabelon (DNA) til et ribosenukleinsyretranskript (RNA) og endelig til et funktionelt protein, er grundlæggende for cellulær struktur og funktioner.

DNA fungerer som cellens blueprint og bærer genetisk information, der kræves til syntesen af ​​funktionelle proteiner. Omvendt kræves proteiner til syntesen af ​​DNA. Derfor, om DNA dukkede op først eller protein, er fortsat et spørgsmål om debat.

Denne molekylære version af "kylling og æg"-spørgsmålet førte til forslaget om en "RNA-verden." RNA'er i form af "ribozymer" eller RNA-enzymer bærer genetisk information, der ligner DNA og har også katalytiske funktioner som proteiner.

Opdagelsen af ​​ribozymer gav yderligere næring til RNA World-hypotesen, hvor RNA tjente dobbelte funktioner som "genetisk informationslagring" og "katalyse", hvilket lette primitive livsaktiviteter udelukkende af RNA. Mens moderne ribosomer er et kompleks af RNA'er og proteiner, kan ribozymer under tidlige evolutionære stadier være blevet sat sammen gennem samlingen af ​​individuelle funktionelle RNA-enheder.

For at teste denne hypotese gennemførte professor Koji Tamura sammen med sit team af forskere ved Institut for Biologisk Videnskab og Teknologi, Tokyo University of Science, en række eksperimenter for at afkode samlingen af ​​funktionelle ribozymer. Til dette designede de et kunstigt ribozym, R3C-ligase, for at undersøge, hvordan individuelle RNA-enheder samles for at danne en funktionel struktur.

Deres arbejde er publiceret i tidsskriftet Life .

For at give yderligere indsigt i deres forskning udtaler prof. Tamura:"R3C-ligasen er et ribozym, der katalyserer dannelsen af ​​en 3',5'-phosphodiester-binding mellem to RNA-molekyler. Vi modificerede strukturen ved at tilføje specifikke domæner, der kan interagere med forskellige effektorer."

Inden for ribosomer, som er stedet for proteinsyntese, samles RNA-enheder for at fungere som peptidyltransferasecentre (PTC'er) på en sådan måde, at de danner et stillads til rekruttering af aminosyrer (individuelle komponenter af et peptid/protein) knyttet til tRNA'er .

Dette er et vigtigt indblik i den evolutionære historie af proteinsyntesesystemer, men det er ikke tilstrækkeligt til at spore den evolutionære vej baseret på RNA World-hypotesen.

For at undersøge, om forlængelsen af ​​RNA, opnået ved at forbinde individuelle RNA-enheder sammen, er reguleret allosterisk, ændrede forskerne strukturen af ​​R3C-ligasen. De gjorde dette ved at inkorporere korte RNA-sekvenser, der binder adenosintriphosphat (ATP), et vital energibærermolekyle i celler, i ribozymet. Holdet bemærkede, at R3C-ligaseaktivitet var afhængig af koncentrationen af ​​ATP, med højere aktivitet observeret ved højere koncentrationer af ATP.

Yderligere en stigning i smeltetemperaturen (T_m værdi) viste, at bindingen af ​​ATP til R3C-ligase stabiliserede strukturen, hvilket sandsynligvis påvirkede dens ligaseaktivitet.

Tilsvarende bemærkede de, når de fusionerede en L-histidin-bindende RNA-sekvens til ribozymet en stigning i ligaseaktivitet ved stigende koncentrationer af histidin (en nøgleaminosyre). Det er bemærkelsesværdigt, at stigningen i aktivitet var specifik for stigende koncentrationer af ATP eller histidin; ingen ændringer blev observeret som reaktion på andre nukleotidtriphosphater eller aminosyrer.

Disse resultater tyder på, at ATP og histidin fungerer som effektormolekyler, der udløser strukturelle konformationelle ændringer i ribozymet, som yderligere påvirker enzymstabilitet og aktivitet.

ATP er den centrale energibærer af cellen, som understøtter adskillige molekylære processer, mens histidin er den mest almindelige aminosyre, der findes på enzymernes aktive sted og vedligeholder deres syre-base kemi. I betragtning af ATP's og histidins vigtige roller i RNA-interaktioner og molekylære funktioner giver disse resultater ny indsigt i RNA's rolle i den tidlige evolution, herunder oprindelsen af ​​den genetiske kode.

Desuden har manipulerede ribozymer, som den, der er udviklet i denne undersøgelse, et betydeligt løfte i et utal af applikationer, herunder målrettet lægemiddellevering, terapi, nano-biosensorer, enzymteknologi og syntese af nye enzymer med anvendelse i forskellige industrielle processer.

Samlet set kan denne undersøgelse give indsigt i, hvordan overgangen fra RNA-verdenen til den moderne "DNA/Protein-verden" fandt sted. En grundlæggende forståelse af RNA-verdenen kan til gengæld forbedre deres anvendelse i virkelige applikationer.

"Denne undersøgelse vil føre til belysningen af ​​processen med 'allostericitetsbaseret erhvervelse af funktion og kooperativitet' i RNA-evolution. RNA-RNA-interaktionerne, RNA-aminosyre-interaktionerne og allostericiteten anvendt i denne forskning kan guide fremstillingen af ​​vilkårlige RNA-nanostrukturer med forskellige anvendelser," konkluderer prof. Tamura.

Flere oplysninger: Yuna Akatsu et al., Udvikling af allosteriske ribozymer for ATP og l-Histidin baseret på R3C Ligase Ribozyme, Life (2024). DOI:10.3390/life14040520

Leveret af Tokyo University of Science