不是一个蛋白质酶是什么时候?

教小学生的第一原则的生化酶,能加速化学反应的催化剂在生命系统数百万次——蛋白质。这当然是对绝大多数的酶,但它是一个简化——就像传统的分子生物学的中心法则的声明(DNA产生RNA产生蛋白质)是一种简化。这个令人惊讶的发现,在1982年,RNA分子本身就会导致催化活性首次证明了核酸更不仅仅是被动的信息载体。我们现在知道,RNA催化生命至关重要;我们了解很多的化学机制“核糖酶”,已经开始重新设计工程师,最初主要是研究工具,但着眼于应用开关和生物传感器,最终,如治疗。

核酶的发现显示,一劳永逸,RNA是一个中央参与细胞的生活

托马斯·切赫在美国科罗拉多大学的是第一个发现一个酶活性的RNA分子。在1970年代后期,他在科罗拉多州和刚刚建立了自己的实验室正在研究核酸处理和基因表达在pond-living原生动物四膜虫thermophila。他注意到RNA分子从这个鲜为人知的生物可以被切成碎片,或拼接,当孤立在一个约。我们浪费了整整一年的时间寻找蛋白质参与这剪接反应。因为它是如此之快和特定的酶是催化了,当然我们知道”“所有的酶都是蛋白质,”他说。“我们花了很长时间才意识到,没有蛋白质和RNA本身是催化剂。”他着手来证明这个“异端”的表达同样的RNA分子大肠杆菌和显示,没有污染四膜虫蛋白质可以负责的反应。

切赫也负责压印的名字“核糖酶”时,他组织了一个竞争在他的实验室里的名字他们发现的分子。建议我们玩的几个名字四膜虫。我选择了更一般的“核糖酶”,但我是在冒险,因为我们仍然是唯一的例子。我们会看起来相当愚蠢的如果它已被证明是唯一的例子,或者只存在于原生动物,”他解释说。当然,这些担心是毫无根据的:第二催化RNA被发现当西德尼·奥特曼在美国耶鲁大学的表明,催化RNA蛋白质复杂的细菌中发现的一部分,核糖核酸酶P,实际上是核酸。

切赫和奥特曼分享了1989年诺贝尔化学奖的这些发现,我们现在知道的核糖酶参与多种生化过程:主要,但不仅,RNA加工。核酶的发现显示,一劳永逸,RNA是一个中央参与细胞的生活,并导致RNA和蓬勃发展的兴趣更多的诺贝尔奖,”切赫说。

把锤子

所谓的锤头核糖酶——命名相似之处早期二维图的结构和鲨鱼——催化位点专一的乳沟的RNA分子。他们第一次观察到微小的1980年代中期,植物病原真菌病毒样称为类病毒,但目前已知在自然发生,包括人类。这些相当小rna的结构和简单的化学反应催化现在很好理解。自然不是函数,严格地说,“催化”:目标RNA序列是磷酸二酯键的裂解的异构化,核糖酶本身消耗的反应。它最初认为这个反应需要一个二价金属离子,metalloprotease酶需要锌,但现在这些离子被认为是主要参与稳定RNA支架。

锤头核糖酶是内在cis-acting:也就是说,它们的自然活动裂开,从而灭活自己。因为它们很小,简单的分子,它是相对容易工程师他们打通外部基质(反式代理)。此外,锤头核糖酶由守恒的,中央催化核心有两个“臂”,认识到RNA序列裂解,因此它是相当简单的设计一个核糖酶裂开一个特定的核苷酸序列通过改变武器。

几组都使用这种技术来设计核糖酶承认和坚持特定的RNA序列,帮助阐明体内分子机制和生物技术的应用程序。Matasora福田在日本福冈大学教授和他的团队正在使用它了解的一些机制参与RNA编辑。这个名字给过程变化的化学基地在RNA或DNA转录后。Adenosine-to-inosine (A-to-I) RNA编辑,顾名思义,包括去氨基腺嘌呤,形成另一个嘌呤,次黄嘌呤(肌苷是次黄嘌呤核苷)。由于腺苷是解码鸟嘌呤,它可以改变蛋白质序列当它发生在蛋白质编码区域,调节各种各样的生物过程。

福田和他的同事使用了通用的锤头核糖酶可以打通的碱基序列UAA但不是佐治亚大学(U:尿嘧啶;答:腺嘌呤;G:鸟嘌呤)和鸟苷之间的相似性和肌苷工程师核糖酶结构,劈开RNA编辑目标站点只有A-to-I替换没有。然后创建一个库包含这个核心主题扩展两边的核糖酶与随机序列,因此选择最稳定和最活跃的进一步测试。这核糖酶裂解未经审查的RNA序列而不是编辑的,但它是完全活跃只在镁浓度高于那些发生在细胞,”福田说。创建一个核糖酶,在生理盐浓度需要进一步修改。的畸变A-to-I RNA编辑曾被观察到在一些疾病,和福田康夫希望小说核酸acid-targeted治疗可能有一天被创建使用相似的技术。然而,目前尚不清楚是否这些畸变引起的疾病产生影响。这些技术的第一个应用程序可能是小说为分子生物学的研究工具,”福田补充道。

第一个应用程序是可能的分子生物学工具

在保加利亚索菲亚大学的Robert Penchovsky使用类似的方法来设计核糖酶检测和响应特定的小分子的存在。一个适配子是一个简短的核酸序列或一个小蛋白质绑定到一个特定的分子靶。大多数的寡核苷酸适配子都是合成的,和变构核糖酶——那些活跃的只有一个配体在催化领域——可以通过融合设计一个核糖核酸适体包含绑定网站,例如,催化锤头核糖酶。

Penchovsky使用计算机模拟设计这种类型的分子核糖酶的构象变化活跃的和不活跃的状态之间茶碱,嘌呤是化学与咖啡因相似。”这些简单的核糖酶可以作为分子逻辑门的布尔逻辑是的函数如果茶碱绑定激活酶核糖酶和功能如果绑定失效,“Penchovsky说。我也可以设计oligonucleotide-sensing核酶作为和或门,和类似的生物传感器系统已被用于高通量筛选数组抗菌药物发现。的还有其他潜在的应用这一技术在分子计算和抗生素设计,和Penchovsky寻求工业合作者进一步开发这些。

核糖体

锤头核糖酶相当小,易于管教的分子合成相对容易。然而,还有其他生物重要的核酶,是正确的大分子光谱的另一端。核糖体的分子机器,促进蛋白质合成,被发现在所有活细胞中,有两个单元,只有一起在蛋白质合成过程中,每个亚基包括许多蛋白质和RNA分子。当第一个大亚基的高分辨率结构发表后,研究人员参与,汤姆施泰茨和他的团队在耶鲁,评论说,到处都是蛋白质亚基表面的“除了在肽键形成的活性部位发生和它接触小亚基的。施泰茨和他的同事认为,很意外,这是主要的RNA分子,如果不完全,参与肽合成,蛋白质作为“主食”将其固定住。他们建立了核糖体核糖酶。

Venki Ramakrishnan在剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室,英国,分享了2009年诺贝尔化学奖的研究核糖体与施泰茨和阿达·约纳特在以色列魏兹曼科学研究所的。他投入了很多最近的研究对理解的机制,通过核糖体承认的三个核苷酸组成一个终止密码子,终止蛋白质合成和释放新形成的蛋白质。标准遗传密码使用三个停止密码子,UAA,佐治亚大学和UAG Ramakrishnan显著的结构性研究——这涉及到电子显微镜结晶学-表明真核蛋白质称为释放因子,当绑定到核糖体,使用基地叠加和氢键识别这些基地三胞胎,但没有别人。有趣的是,这也可以比作一个布尔逻辑门,在这种情况下,一个与非门G代表1和0。这些操作的组合两个核苷酸除了绯闻女孩的(11)在第二个和第三个终止密码子的位置将信号的蛋白质合成。

和其他人,这些发现表明,RNA分子能够催化化学反应的完整的最小集合,是生命的必需品,这导致了关于生命起源的理论被称为“RNA世界”。这个国家,因为RNA分子能够自我复制和结合的dna片段像函数信息存储与蛋白质——就像化学催化功能,所有地球上的生命进化从原始的“生物”组成的RNA。证明这个理论是不可能的因为没有分子化石,但所有的信息我们积累了关于核酶和核糖核酸表明它不仅是可能的,但可能,”切赫说。

控制

是不可能想象科学家创造一种核糖酶结构和功能复杂的核糖体。但是研究人员已经修补自然核糖体巧妙地改变它们的属性。最初,这是限制他们无法控制的大型和小型的核糖体亚基可以形成积极的配合物。然而现在,几组,包括杰森下巴的MRC实验室分子生物学、亚历山大Mankin伊利诺伊大学和西北大学的迈克尔·朱厄特的美国已经表明,可以设计完全正交核糖体亚基,已经加入了共价链接器,仍然催化地活跃。

Mankin,朱厄特和他们的团队设计了一个“系”核糖体RNA哪一个组件的每一个或大或小的子单元大肠杆菌核糖体也加入了两个poly-adenosine核苷酸。这些连接器必须足够长,以确保单元可以使整个范围的构象变化所必需的蛋白质合成,但足够短,防止从关联与另一个核糖体亚基,“Mankin解释道。”一个eight-nucleotide和一个nine-nucleotide链接器的工作很好。“这些核糖体,称为Ribo-T,可以催化蛋白质合成大肠杆菌即使没有野生型细胞核糖体,尽管细菌没有野生型核糖体增长速度只有一半了。我们使用Ribo-T进一步探索蛋白质合成的机制,我们将能够工程师拴在核糖体与不寻常的功能,最终甚至哄骗他们合成聚合物除了蛋白质,”朱厄特补充道。

核糖体不是唯一的大型分子机器,已被证明是一个核糖酶。大多数真核生物的基因含有非编码片段称为基因内区,必须从转录信使RNA中删除之前能达成核糖体。这个过程中,RNA的裂解每个基因内区,然后开始和结束的蛋白质编码外显子序列是缺席的,称为拼接和protein-RNA复杂,这个反应催化作用是剪接体。它由五个小RNA分子,蛋白复合物和镁离子,催化单元是由RNA和蛋白质和稳定的离子。RNA剪接体的组件的结构非常类似于一个小得多的核糖酶,self-splicing组II基因内区,是所有生物的基因组中找到。稳定的蛋白质组II内含子的结构和增强他们的活动,尽管他们不是必要的催化,”解释清Nagai MRC实验室的分子生物学。近期剪接体的结构研究揭示了更多的相似之处的剪接体和组II self-splicing内含子,说明一个可能的共同进化的起源。”

修补大型和小型核酶的结构和功能已产生许多新的见解与新颖的化学分子生物学和分子结构和功能。他们肯定会发挥越来越重要的作用在合成生物学的新兴学科。

克莱尔桑塞姆是一个基于科学作家在伦敦,英国