Введение

Тип молекул РНК – химические рибозимы (ферменты рибонуклеиновой кислоты) – это молекулы РНК, обладающие способностью катализировать специфические биохимические реакции, включая сплайсинг РНК в экспрессии генов, подобно действию белковых ферментов. Открытие рибозимов в 1982 году показало, что РНК может быть как генетическим материалом (как ДНК), так и биологическим катализатором (как белковые ферменты), и внесло вклад в гипотезу мира РНК, которая предполагает, что РНК могла играть важную роль в эволюции пребиотических самовоспроизводящихся систем. Например, самый маленький известный рибозим (GUGGC 3') способен аминоацилировать 3'-последовательность GCCU в присутствии PheAMP. Внутри рибосомы рибозимы функционируют как часть большой субъединицы рибосомной РНК, обеспечивая связывание аминокислот во время синтеза белка. Они также участвуют в различных реакциях обработки РНК, включая сплайсинг РНК, репликацию вирусов и биосинтез транспортной РНК. Примерами рибозимов являются рибозим типа «молоток», рибозим VS, лидзим и рибозим «шпилька». Исследователи, изучающие происхождение жизни в рамках гипотезы мира РНК, работают над обнаружением рибозима, способного к самовоспроизведению, что потребует от него способности каталитически синтезировать полимеры РНК. Это должно быть возможно в пребиотически правдоподобных условиях с высокой точностью копирования для предотвращения деградации информации, но при этом допускать случайные ошибки в процессе копирования, чтобы обеспечить возможность дарвиновской эволюции. Предпринимались попытки разработать рибозимы в качестве терапевтических средств, ферментов, нацеленных на определенные последовательности РНК для расщепления, биосенсоров, а также для применения в функциональной геномике и открытии генов.

Открытие

До открытия рибозимов, ферменты – определяемые как каталитические белки – были единственными известными биологическими катализаторами. В 1967 году Карл Вуз, Фрэнсис Крик и Лесли Оргель первыми предположили, что РНК может выступать в роли катализатора. Эта идея основывалась на открытии способности РНК формировать сложные вторичные структуры. Эти рибозимы были обнаружены в интроне РНК-транскрипта, который самостоятельно удалялся из транскрипта, а также в РНК-компоненте комплекса RNase P, участвующем в созревании пре-тРНК. В 1989 году Томас Р. Чех и Сидни Альтман разделили Нобелевскую премию по химии за «открытие каталитических свойств РНК». Термин «рибозим» впервые был введен Келли Крюгером и соавторами в статье, опубликованной в журнале Cell в 1982 году. В биологии существовало устоявшееся убеждение, что катализ – прерогатива белков. Однако идея РНК-катализа отчасти обусловлена давним вопросом о происхождении жизни: что появилось раньше – ферменты, выполняющие работу клетки, или нуклеиновые кислоты, несущие информацию, необходимую для производства ферментов? Концепция «рибонуклеиновых кислот как катализаторов» обходит эту дилемму. РНК, по сути, может быть и курицей, и яйцом. В 1980-х годах Томас Чех из Университета Колорадо в Боулдере изучал вырезание интронов в рибосомном РНК-гене Tetrahymena thermophila. Пытаясь выделить фермент, ответственный за реакцию сплайсинга, он обнаружил, что интроны могут вырезаться без добавления какого-либо клеточного экстракта. Как бы они ни старались, Чех и его коллеги не смогли обнаружить белок, связанный с реакцией сплайсинга. После долгих исследований Чех предположил, что интронная последовательность РНК способна разрывать и восстанавливать фосфодиэфирные связи. Примерно в то же время Сидни Альтман, профессор Йельского университета, изучал процесс обработки молекул тРНК в клетке, когда он и его коллеги выделили фермент RNase P, ответственный за превращение предшественника тРНК в активную тРНК. К их удивлению, они обнаружили, что RNase P содержит РНК в дополнение к белку, и что РНК является существенным компонентом активного фермента. Эта идея была настолько новаторской, что им было трудно опубликовать свои результаты. В следующем году Альтман продемонстрировал, что РНК может выступать в роли катализатора, показав, что РНК-субъединица RNase P способна катализировать расщепление предшественника тРНК в активную тРНК в отсутствие какого-либо белкового компонента. После открытия Чеха и Альтмана другие исследователи обнаружили другие примеры саморасщепляющихся РНК или каталитических молекул РНК. Многие рибозимы имеют активный центр в форме шпильки или молотка и уникальную вторичную структуру, позволяющую им расщеплять другие молекулы РНК в определенных последовательностях. Теперь возможно создавать рибозимы, которые будут специфически расщеплять любую молекулу РНК. Эти РНК-катализаторы могут найти применение в фармацевтике. Например, был разработан рибозим, способный расщеплять РНК ВИЧ. Если бы такая клетка производила такой рибозим, все входящие вирусные частицы имели бы свой РНК-геном, расщепленный рибозимом, что предотвратило бы инфекцию.

Структура и механизм

Несмотря на то, что для каждой мономерной единицы (нуклеотидов) у рибозимов имеется лишь четыре варианта, в то время как в белках насчитывается 20 боковых цепей аминокислот, они обладают разнообразными структурами и механизмами. Во многих случаях они способны имитировать механизмы, используемые их белковыми аналогами. Например, в саморасщепляющихся рибозимах РНК происходит реакция SN2, в которой 2'-гидроксильная группа выступает в роли нуклеофила, атакующего мостиковый фосфат и приводящего к отщеплению 5'-кислорода N+1 основания. Для сравнения, RNase A, белок, катализирующий ту же реакцию, использует координирующие гистидин и лизин в качестве основания для атаки на фосфатный остов. Часто в этих взаимодействиях задействованы как фосфатный остов, так и основание нуклеотида, что вызывает значительные конформационные изменения. Существуют два класса механизмов расщепления фосфодиэфирной связи в присутствии металла. В первом механизме внутренняя 2'-OH группа атакует атом фосфора по механизму SN2. Ионы металлов способствуют этой реакции, сначала координируя кислород фосфата, а затем стабилизируя оксианион. Второй механизм также протекает по механизму SN2, но нуклеофил поступает из воды или экзогенных гидроксильных групп, а не из самой РНК. Наименьший рибозим – UUU, который может способствовать расщеплению между G и A в тетрануклеотиде GAAA посредством первого механизма в присутствии Mn2+. Причина, по которой этот тринуклеотид (а не комплементарный тетрамер) катализирует эту реакцию, может заключаться в том, что спаривание UUU-AAA является самым слабым и гибким тринуклеотидом среди 64 возможных конформаций, что обеспечивает место связывания для Mn2+. Перенос фосфорильной группы также может катализироваться без ионов металлов. Например, рибозимы панкреатической рибонуклеазы А и вируса гепатита дельта (HDV) способны катализировать расщепление РНК-остова посредством кислотно-основного катализа без участия ионов металлов. Рибозим-шпилька также может катализировать саморасщепление РНК без ионов металлов, однако механизм этого процесса пока неясен. В модельной системе для катализа трансфенилаланирования четырехнуклеотидного субстрата с тремя комплементарными парами оснований не требуется наличие двухвалентных катионов в пятинуклеотидной РНК, где катализатор/субстрат были получены путем усечения рибозима C3. Вероятно, наиболее изученными являются рибозимы, которые расщепляют сами себя или другие РНК, как было первоначально обнаружено Чехом и Альтманом. Однако рибозимы могут быть сконструированы для катализа широкого спектра реакций, многие из которых могут происходить в живых организмах, но еще не обнаружены в клетках. РНК может катализировать сворачивание патологической белковой конформации приона аналогично шаперонину.

Рибозимы и происхождение жизни

РНК также может выступать в роли наследственной молекулы, что побудило Уолтера Гилберта предположить, что в отдалённом прошлом клетка использовала РНК как в качестве генетического материала, так и в качестве структурной и каталитической молекулы, а не разделяла эти функции между ДНК и белком, как это происходит сегодня; эта гипотеза известна как «гипотеза мира РНК» о происхождении жизни. Поскольку нуклеотиды и РНК (и, следовательно, рибозимы) могут образовываться из неорганических химических веществ, они являются кандидатами на роль первых ферментов и, фактически, первых «репликаторов» (т.е. макромолекул, содержащих информацию и способных к самовоспроизведению). Пример самореплицирующегося рибозима, который лигирует два субстрата для генерации точной копии самого себя, был описан в 2002 году. Открытие каталитической активности РНК разрешило парадокс происхождения жизни, известный как «проблема курицы и яйца», решив проблему возникновения пептидов и центральной догмы молекулярной биологии. Согласно этому сценарию, на заре жизни вся ферментативная активность и кодирование генетической информации осуществлялись одной молекулой: РНК. В лаборатории были получены рибозимы, способные катализировать синтез других молекул РНК из активированных мономеров в очень специфических условиях; эти молекулы известны как рибозимы РНК-полимеразы. Первый РНК-полимеразный рибозим был описан в 1996 году и был способен синтезировать РНК-полимеры длиной до 6 нуклеотидов. Мутагенез и селекция были проведены на РНК-лигазном рибозиме из большого пула случайных последовательностей РНК, в результате чего в 2001 году была выделена улучшенная полимераза рибозима «Раунд 18», которая могла катализировать полимеры РНК длиной до 14 нуклеотидов. После применения дальнейшего отбора к рибозиму «Раунд 18» был получен рибозим B6.61, способный добавлять до 20 нуклеотидов к праймерному шаблону за 24 часа, пока не разложится в результате расщепления своих фосфодиэфирных связей. Скорость полимеризации последовательности РНК рибозимами существенно возрастает, когда этот процесс происходит внутри мицеллы. Следующим обнаруженным рибозимом был рибозим «tC19Z», который может добавлять до 95 нуклеотидов с точностью 0,0083 мутации на нуклеотид. Затем исследователи обнаружили рибозим «tC9Y», который впоследствии смог синтезировать РНК-цепи длиной до 206 нуклеотидов в эутектических условиях при температуре ниже нуля, условиях, которые ранее было показано, что они способствуют активности рибозимополимеразы. РНК-полимеразный рибозим (РПР) tC9 4M был способен полимеризировать РНК-цепи, более длинные, чем он сам (т.е. длиннее 177 нуклеотидов), при концентрациях ионов магния, близких к физиологическим уровням, в то время как более ранним РПР требовались пребиотически маловероятные концентрации до 200 мМ. Единственным фактором, необходимым для достижения этого, было наличие очень простого полимера аминокислот, называемого декапептидом лизина. Наиболее сложным РПР, синтезированным к этому моменту, был 24 3, который вновь был способен полимеризировать последовательности значительного разнообразия нуклеотидных последовательностей и перемещаться по сложным вторичным структурам РНК-субстратов, недоступным для предыдущих рибозимов. Фактически, этот эксперимент был первым, в котором использовался рибозим для синтеза молекулы тРНК. Начиная с рибозима 24 3, Tjhung и др. применили еще 14 раундов селекции для получения РНК-полимеразного рибозима, полученного путем in vitro эволюции, под названием «38 6», который обладает беспрецедентным уровнем активности при копировании сложных молекул РНК. Однако этот рибозим не способен к самокопированию, а его продукты РНК имеют высокую частоту мутаций. В последующем исследовании исследователи начали с рибозима 38 6 и применили еще 14 раундов селекции для получения рибозима «52 2», который по сравнению с 38 6 снова был во много раз более активным и мог начать генерировать обнаруживаемые и функциональные уровни лигазы класса I, хотя он все еще был ограничен в своей точности и функциональности по сравнению с копированием того же шаблона белками, такими как РНК-полимераза T7. РПР под названием t5(+1) добавляет триплеты нуклеотидов за раз вместо одного нуклеотида за раз. Этот гетеродимерный РПР может перемещаться по вторичным структурам, недоступным для 24 3, включая шпильки. В начальном пуле вариантов РНК, полученных только из ранее синтезированного РПР, известного как Z РПР, две последовательности независимо возникли и эволюционировали, чтобы стать взаимозависимыми друг от друга. Тип 1 РНК эволюционировал, чтобы стать каталитически неактивным, но комплексообразование с Типом 5 РНК усилило его полимеризующую способность и позволило осуществлять межмолекулярные взаимодействия с РНК-шаблонным субстратом, устраняя необходимость привязывать шаблон непосредственно к РНК-последовательности РПР, что было ограничением более ранних исследований. t5(+1) не требовал привязки к шаблону, а также не требовался праймер, поскольку t5(+1) был способен полимеризовать шаблон в направлениях 3' → 5' и 5' → 3'. Высокоэволюционировавший РНК-полимеразный рибозим был способен функционировать как обратная транскриптаза, то есть он может синтезировать ДНК-копию, используя РНК-шаблон. Такая активность считается критически важной для перехода от РНК к ДНК-геномам в ранней истории жизни на Земле. Способность к обратной транскрипции могла возникнуть как вторичная функция раннего РНК-зависимого РНК-полимеразного рибозима. РНК-последовательность, которая сворачивается в рибозим, способна проникать в дуплексную РНК, перестраиваться в открытый голополимеразный комплекс, а затем искать специфическую РНК-промоторную последовательность и, при распознавании, снова перестраиваться в процессивную форму, которая полимеризует комплементарную цепь последовательности. Этот рибозим способен удлинять дуплексную РНК до 107 нуклеотидов и делает это без необходимости привязывать полимеризуемую последовательность.

Искусственные рибозимы

С момента открытия рибозимов, существующих в живых организмах, возник интерес к изучению новых синтетических рибозимов, созданных в лаборатории. Например, были получены искусственно созданные саморасщепляющиеся РНК с хорошей ферментативной активностью. Тан и Брейкер выделили саморасщепляющиеся РНК путем отбора in vitro из РНК случайной последовательности. Некоторые из синтезированных рибозимов имели новые структуры, а другие были похожи на природные рибозимы типа «молоток». В 2015 году исследователи из Северо-Западного университета и Университета Иллинойса в Чикаго сконструировали рибосому, связанную якорем, которая работает почти так же эффективно, как и аутентичный клеточный компонент, производящий все белки и ферменты в клетке. Искусственная рибосома, названная Рибосомой T или Рибо T, была создана Майклом Джуэттом и Александром Манкиным. Методы, используемые для создания искусственных рибозимов, включают направленную эволюцию. Этот подход использует двойственную природу РНК как катализатора и информационного полимера, что позволяет исследователю легко создавать большие популяции РНК-катализаторов с использованием ферментов полимеразы. Рибозимы мутируют путем обратной транскрипции с помощью обратной транскриптазы в различные кДНК и амплифицируются с помощью ПЦР с ошибками. Параметры отбора в этих экспериментах часто различаются. Один из подходов к отбору лигазного рибозима включает использование биотиновых меток, ковалентно связанных с субстратом. Если молекула обладает желаемой лигазной активностью, стрептавидиновую матрицу можно использовать для выделения активных молекул. Линкольн и Джойс использовали in vitro эволюцию для разработки рибозимных лигаз, способных к самовоспроизведению примерно за час, путем соединения предварительно синтезированных высококомплементарных олигонуклеотидов. Хотя они и не являются истинными катализаторами, создание искусственных саморасщепляющихся рибосвитчей, называемых аптазимами, также является активной областью исследований. Рибосвитчи – это регуляторные мотивы РНК, которые изменяют свою структуру в ответ на малую молекулу-лиганд для регуляции трансляции. Хотя существует множество известных природных рибосвитчей, связывающих широкий спектр метаболитов и других малых органических молекул, описан только один рибозим на основе рибосвитча: glmS. Ранние работы по характеристике саморасщепляющихся рибосвитчей были сосредоточены на использовании теофиллина в качестве лиганда. В этих исследованиях формируется шпилька РНК, которая блокирует сайт связывания рибосомы, тем самым ингибируя трансляцию. В присутствии лиганда, в данном случае теофиллина, регуляторный участок РНК отщепляется, позволяя рибосоме связываться и транслировать целевой ген. Большая часть этой работы по инженерному проектированию РНК основывалась на рациональном дизайне и ранее определенных структурах РНК, а не на направленной эволюции, как в вышеупомянутых примерах. Более поздние исследования расширили лиганды, используемые в рибозимовых рибосвитчах, включив тиминпирофосфат. Флуоресцентно-активированная клеточная сортировка также используется для конструирования аптазимов.

Приложения

Рибозимы были предложены и разработаны для лечения заболеваний посредством генной терапии. Основной проблемой использования РНК-ферментов в качестве терапевтического средства является короткий период полураспада каталитических молекул РНК в организме. Для решения этой проблемы модифицируют 2'-положение рибозы с целью повышения стабильности РНК. Одной из областей применения рибозимовой генной терапии является ингибирование вирусов на основе РНК. Был разработан и прошел клинические испытания при ВИЧ-инфекции синтетический рибозим, направленный против РНК ВИЧ, известный как «генные ножницы». Аналогично, рибозимы были разработаны для воздействия на РНК вируса гепатита С, коронавируса SARS-CoV, аденовируса. Несмотря на усилия исследователей, эти проекты остаются на доклинической стадии.