RNA ראש פטיש

תבנית:איחוד RNA ראש פטיש (נקרא גם ריבוזים ראש פטיש) הוא מולקולת RNA בעלת יכולת דמוית אנזים-קטליזטור (זרז) לתגובות של ביקוע עצמי וקשירת ה-RNA באתר ספציפי. המולקולה נתגלתה לראשונה ב-1986. עד אז, יכולת הביקוע של מולקולות ה-RNA הללו יוחסו לאנזימים (חלבונים) אחרים. התגלה, כי יכולת זו חיונית לשכפול מולקולת ה-RNA ראש פטיש.

ל-RNA ראש פטיש יש מבנה משני של כ-55 נוקלאוטידים, אשר ניתן להרכיב מ-2 או 3 מולקולות RNA נפרדות.

RNA ראש פטיש משמש כמודל למחקר של המבנה והמאפיינים של RNA בעל יכולות קטליטיות, וניתן להשתמש בו בניסויים של ביקוע RNA (ראו להלן, בפרקים "שימוש במחקר" ו"שימוש במחקר רפואי").

השם "RNA ראש פטיש" נקרא על שם המבנה השניוני המאפיין את המולקולות הללו - מבנה, שהזכיר לחוקרים את דג הכריש, שראשו דמוי-פטיש (איור 1).

מולקולות RNA ראש פטיש קיימות בשתי מחלקות של RNA בווירוסים צמחיים:

1. RNA לווייני – וירוסי RNA התלויים בווירוסים אחרים כדי לבצע תהליך הדבקה.
2. וירואידים – מולקולות RNA חד-גדיליות ומעגליות, בעלות יכולת הדבקה בצמחים-Viroids.

כמו כן, הוא קיים גם במספר סוגים של רטרוטרנספוזונים.

RNA ראש פטיש התגלה לראשונה ב-RNA לווייני של וירוס צמח הטבק ringspot virus (sTRSV). במחלקת הוירואידים, RNA ראש פטיש הראשון שהתגלה היה באבוקדו Avocado sunblotch viroid (ASBVd).

ניתן לראות שימור לאורך האבולוציה ברצף ה-RNA של המולקולות הללו, ממצא המרמז כי שימור הרצף מתרחש על בסיס הגברת היעילות של פעילות הביקוע העצמית שלו (ראו הפרק "אבולוציה" בהמשך ערך זה).

קובץ:Image1 rna hammer head new.jpg

איור 1: מבנה שניוני חזוי של ה-RNA ראש פטיש. הנוקלאוטידים המודגשים בעיגול אדום הם השמורים בממלכות שונות לאורך האבולוציה (צמחים, בעלי חיים ווירוסים שונים)

מבנה מרחבי של RNA ראש פטיש

RNA ראש פטיש מורכב משלושה סלילים (I,II,III) היוצרים יחדיו מבנה בצורת האות Y. עם זאת במצבים מסוימים, המבנה התלת-ממדי שלו יכול להדמות לאות A, בעקבות האופן שבו הסלילים מתקפלים ומתקשרים. בתוך המבנה, בצומת של שלושת הסליליים, קיימת ליבה קטליטית בת 15 נוקלאוטידים אשר בה מתרחש הביקוע.

הליבה הקטליטית חיונית לביקוע העצמי של RNA ראש פטיש. קיימים בה אזורים שמורים אשר ממלאים תפקידים קריטיים. הבסיסים המרכזיים שמורים באבולוציה והם G5,G8,G12 ו-C3 (איור 1). בסיסים G8 ו-G12 ממלאים תפקידים קריטיים בתהליך העברת האלקטרונים במנגנון: G12 פועל כבסיס אשר לוקח פרוטון מקבוצת ההידרוקסיל באתר הביקוע, בעוד ש-G8 פועל כחומצה ותורם פרוטון לקבוצה העוזבת. הבסיסים C5 ו-C3 אחראים לקיפול התקין וייצוב המבנה של הליבה הקטליטית לשמירה על פעילותה התקינהתבנית:הערה.

מנגנון פעולה

מולקולת RNA ראש פטיש מבקעת את גדיל ה-RNA המשלים שלה בצורה ספציפית לרצף. הביקוע מתרחש באמצעות תגובת אסטריפיקציה - תגובה כימית בה קבוצת קרבוקסיל של חומצה אורגנית(RCOOR) חוברת לאלכוהול (ROH) כדי ליצור מולקולת אסטר ומים (איור 2). למעשה, קבוצת אלכוהול אחת מוחלפת באחרת, כאשר קבוצת ההידרוקסיל פועלת כנוקלאופיל ותוקפת את קבוצת הפוספט הסמוכה לה. בהקשר של RNA ראש פטיש קבוצת ה-2'-OH של סוכר ריבוז תוקף את קבוצת הפוספט הסמוכה (באופן ספציפי את הקשר הפוספודיאסטרי) וכתוצאה מכך מתרחש הביקוע של ה-RNA.

הפעילות הקטליטית של מולקולת ה-RNA ראש פטיש תלויה בקיפול נכון של ה-RNA למבנה הפעיל שלו, מה שמביא את הליבה הקטליטית למצב האופטימלי לתגובת הביקוע. בתחילת המחקר של RNA ראש פטיש, חוקרים הניחו כי על מנת שפעולת הקטליזה תצא לפועל יש צורך ביוני מתכת דו ערכיים אך לאחר מכן הוכח כי הם יכולים לתפקד עם קטיונים חד ערכיים.

אבולוציה

התפתחות אבולוציונית מבנית

RNA ראש פטיש יכול להיווצר ממגוון רצפי RNA שונים. לכן, ניתן להסיק כי ייתכן כי התפתח ממספר מקורות אבולוציוניים. חוקרים שונים ניסו לבצע מניפולציות על רצפי RNA ראש פטיש על מנת לברר האם התנאים בהם יתפתחו ישפיעו על הרצפים ועל הפעילות שלהם. הממצאים הראו, כי למרות השוני ברצף בין מולקולות ה-RNA הן עדיין בצעו את פעולת הביקוע המאפיינת את RNA ראש פטיש. נתגלה, כי השוני לא היה באזורים השמורים ולכן פעולת הביקוע לא נפגעה. עבודות מחקר בהן נעשה שימוש בטכנולוגית ביולוגיה מבנית (קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן ומיקרוסקופיה) הקנו לחוקרים הבנה ברזולוציה גבוהה של המבנה המולקולרי של RNA ראש פטיש. עבודות אלה חשפו את האינטראקציות המפורטות בתוך הליבה הקטליטית של מולקולת ה-RNA ראש פטיש ובכך שפכו אור על אופן הפעילות שבו מולקולות ה-RNA הללו מבצע את הפעולות הקטליטיות שלו.

תגובת אסטריפיקציה:

$\mathrm{R}\text{CO2}\text{H}+\mathrm{R}{\phantom{A}}^{\prime }\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\text{RCO2}\mathrm{R}{\phantom{A}}^{\prime }+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

RNA ראש פטיש ביצורים לאורך האבולוציה

אומנם גילויו הראשון של RNA ראש פטיש היה בצמחים אך לאורך השנים נמצאו דוגמאות של RNA ראש פטיש במגוון אורגניזמים כגון תולעים שטוחות, צרצרי מערותואף ביונקים (כולל הברווזן שידוע כיונק ביב). בשנת 2010 נמצאו RNA ראש פטיש גם בגנומים של בני אדם, ממצא אשר גרם לחוקרים להבין כי ה-ribozymes הללו נמצאים במגוון יצורים גדול לאורך האבולוציה. רוב ה-ribozymes אשר נמצאו ביצורים אאוקריוטים הם רטרו אלמנטים קצרים (SINEs) הנקראים רטרו-זימים המתבטאים כמקטעי RNA מעגליים וקצרים. הרטרוזימים הללו נושאים לעיתים קרובות מוטיבים של RNA ראש פטיש החיוניים לפעולת הביקוע העצמי המאפשרים להם לבקע את ה-RNA שלהם. גילוי של RNA ראש פטיש ביצורים שונים לאורך האבולוציה מרמז על החשיבות הרבה שלהם, כפי הנראה בבקרת ביטוי גנים.

שימוש במחקר

במצבו הטבעי, RNA ראש פטיש מורכב מגדיל RNA יחיד. על אף שתהליך ביקוע ה-RNA מתרחש בסביבה לא אנזימטית, RNA ראש פטיש אינו קטליזטור במצבו הטבעי. לכן, ניתן לעצב את מבני ראש הפטיש על ידי שימוש ב-RNA דו גדילי כך שגדיל אחד ישמש כראש הפטיש המבצע את הביקוע בגדיל השני. משתמשים בשיטה זו בדרך כלל בניסויים במבחנה (in vitro).

כמו כן, ניתן להשתמש ב-RNA ראש פטיש בתהליכי השתקת גנים. כיוון שהביקוע באמצעות RNA ראש פטיש הינה תלוית רצף, ניתן להשתיק גנים באמצעותה ברמת תעתיק ה-RNA ברחבי הגנום הנחקר, לפגוע בתהליך התיעתוק שלהם לפי בחירה ובכך לפגוע בביטוי שלהם. השימוש בפעולת הביקוע במדע כיום קורה גם נגד מולקולות RNA אשר נחשבות מזיקות כמו RNA מווירוסים. בנוסף, בביולוגיה מולקולרית משתמשים במולקולות הללו על מנת לבדוק את התפקוד והאינטראקציה של רצפי RNA אותם השתיקו באמצעות הפעילות של RNA ראש פטיש.

שימוש במחקר רפואי

כיום, נעשה שימוש ב-RNA ראש פטיש על מנת לחקור את מחלות הסרטן. על ידי פירוק רצפי RNA המתבטאים מאונקוגנים מנסים החוקרים לעכב את הצמיחה וההתרבות של התאים הסרטניים. כמו כן כמוזכר מעלה, משתמשים ב-RNA ראש פטיש על מנת לבצע סיכול ממוקד לגנומים של וירוסים. דוגמה לכך, היא דלקת כבד נגיפית B אשר בעזרת RNA ראש פטיש ניסו לפגוע במערכת השכפול של הווירוס גורם המחלה. למחקרים כאלה יש פוטנציאל להיות פורצי דרך כטיפול עתידי לא פולשני למחלות.

השוואה בין RNA ראש פטיש לריבוזימים אחרים

בנוסף ל-RNA ראש פטיש, תוארו ribozymes נוספים אשר מבצעים את פעולת ביקוע RNA, כגון ribozyme ראש סיכה (hairpin) והפטיטיס rybozyme Delta Virus (HDV). מולקולות RNA ראש פטיש פשוטות יותר יחסית ל-HDV אך מורכבות יותר מראש סיכה. על כן מולקולות אלה שימושיות כמערכות מודל לחקר קטליזה ברמת ה-RNA. מבחינת יעילות קטליטית כל שלושת ה-ribozymes משתמשים בקטליזת חומצה-בסיס אך הם משתמשים באסטרטגיות שונות על מנת לבקע את ה-RNA. מבחינת השכיחות של ה-ribozymes, RNA ראש פטיש הוא השכיח ביותר באבולוציה, שכן הם התגלו הן בבעלי חיים והן בצמחים, לעומת HDV-ribozyme שקשור ספציפית לנגיף הפטיטיס דלתאתבנית:הערה.

ראו גם

• ריבוזים
• מוטיב מבני
• חלבון
• אסטר
• אונקוגן

קישורים חיצוניים

• RNA ראש פטיש מבנה,קטליזה ורגולציה
• קבלת פרס נובל על גילוי הRNA ראש פטיש
• Hammerhead, בבתוך בסיס הנתונים Ribocentre