Ribosomska RNA, također poznat kao rRNA, predstavlja preko 50% ukupnog sadržaja RNA u tipičnoj stanici i čini ključnu komponentu ribosoma. Postoji u tri osnovne vrste – 5S, 5.8S, 16S, i 28S rRNA u eukariota ili 5S, 16S, i 23S rRNA u prokariota. Zajedno s ribosomskim i drugim pridruženim proteinima, te se molekule rRNA savijaju i okupljaju u karakteristične strukture malih i velikih ribosomskih podjedinica.
Osim što pruža velik dio fizičke skele za arhitekturu ribosoma, različite funkcionalne regije unutar različitih molekula rRNA izravno olakšavaju temeljne procese prevođenja. 16S i 23S rRNA nalaze se u maloj 30S podjedinici gdje prepoznaju inicijacijske kodone na mRNA i regrutiraju druge faktore translacije. Njihove očuvane sekvence tvore molekularne džepove koji precizno uparuju glasničke nukleotide za početno dekodiranje genetskih poruka.
U međuvremenu, katalitički centri unutar 23S i 28S rRNA u velikoj 60S podjedinici pokreću stvaranje peptidnih veza između ulaznih aminokiselina. Kroz niz koordiniranih nukleofilnih napada i prijenosa protona, te funkcionalne rRNA domene spajaju karboksilnu skupinu jedne aminokiseline s amino skupinom druge, polimerizacija novih proteina. Druge regije rRNA pomažu stabilizirati intermedijere prijelaznog stanja i aminoacilirane prijenosne RNA (tRNA) tijekom elongacije.
Koju ulogu ima rRNA u ribosomima?
Ribosomska RNA, također se naziva rRNA, čini okolo 60% ukupnog ribosoma. Ima i strukturnu i katalitičku funkciju. Različite molekule rRNA osiguravaju fizičku skelu koja drži dvije podjedinice ribosoma zajedno.
Dodatno, specifične regije rRNA su enzimski aktivne i izravno olakšavaju reakcije uključene u povezivanje aminokiselina zajedno tijekom sastavljanja proteina. Bez rRNA, ribosom ne bi imao odgovarajuću 3D arhitekturu ili biokemijske sposobnosti za obavljanje svojih dužnosti proizvodnje proteina.
Kako se inicijacija translacije odvija na ribosomima?
Prvi veliki korak u sintezi proteina je inicijacija translacije. To uključuje vezivanje male ribosomske podjedinice na početni kodon messenger RNA (mRNA) uz pomoć faktora inicijacije.
16S rRNA unutar male podjedinice prepoznaje i spaja se s Shine-Dalgarnovom sekvencom na mRNA, dopuštajući mu da sklizne u položaj. Ova 16S rRNA djeluje kao molekularni čitač barkoda za točno lociranje mjesta inicijacije.
Što se dalje događa u procesu prevođenja?
Nakon završetka inicijacije prijevoda, produljenje može početi. Velika ribosomska podjedinica spaja se s malom uz pomoć faktora elongacije.
Prijenosna RNA (tRNA) molekule koje nose aktivirane aminokiseline su usklađene s kodonima mRNA. 23S rRNA u velikoj podjedinici katalizira stvaranje peptidne veze između ulazne aminokiseline i rastućeg polipeptidnog lanca.
Ovaj proces aminoacilacije, izbor, akomodacija i stvaranje peptidne veze ponavljaju se duž predloška mRNA sve dok se ne dosegne stop kodon i ne dođe do završetka translacije.
Kako se karakteriziraju različite vrste rRNA?
Svi ribosomi sadrže različite tipove molekula rRNA koje usvajaju karakteristične strukture višeg reda i precizno se organiziraju unutar podjedinica za obavljanje funkcija koje nisu redundantne. Kod većine bakterija, te se sastoje od 5S, 16S i 23S rRNA dok eukarioti također imaju 5.8S i 28S varijante. Biokemijske analize su otkrile jedinstvena svojstva svakog od njih:
5S rRNA – A 120 nukleotidna RNA koja veže ribosomske proteine i savija se u kompaktni snop od 5 spirala koji se pakira u središnje područje izbočine 50S podjedinice. Pruža skelu i pomaže u koordinaciji pokreta između podjedinica.
16S rRNA – Na ~1500 nukleotida, čini strukturnu jezgru 30S podjedinice. Sadrži četiri različite domene koje se savijaju u elemente sekundarne strukture i međudomenske mostove kritične za interakcije mRNA i tRNA.
23S rRNA – Najveća rRNA na ~2900 nukleotida. Unutar podjedinice 50S, ima karakterističan ukupni L oblik s tri domene koje sadrže mnoge visoko očuvane nukleotidne sekvence. Ovi džepovi nukleinske kiseline usvajaju konformacije prikladne za kataliziranje stvaranja peptidne veze.
5.8S i 5S rRNA – Stanujte u podjedinici 60S. 5.8S rRNA poprima strukturu ukosnica-zavojnica-ukosnica i pomaže sastavljanje. 5S rRNA, dok manji, je slično strukturiran.
28S rRNA – Eukariotski ekvivalent 23S rRNA koji doprinosi aktivnom mjestu. Dodatna ekspanzija sadrži dodatne strojeve za prijenos peptida i regulatorne elemente.
Kombinirajući strukturne, Studije mutacije i unakrsnog povezivanja otkrile su precizne lokacije svakog tipa rRNA unutar podjedinica i ilustrirale kako njihove različite topologije surađuju tijekom dekodiranja, lektura i proizvodnja proteina.
Kako se 16S rRNA koristi u mikrobiologiji?
16Sekvenciranje gena S rRNA revolucioniralo je mikrobiologiju omogućivši identifikaciju i klasifikaciju mikroba neovisnu o uzgoju. Regije unutar molekule 16S rRNA nazivaju se hipervarijabilne regije (V1-V9) pokazuju varijabilnost u sekvenci nukleotida među organizmima, ali su visoko očuvani unutar vrste. Ovo čini V regije idealnim molekularnim markerima.
Po PCR pojačavanje 16S rDNA iz uzorka okoliša i određivanje sekvence recimo V3-V5 regija, dobiveni potpis može se pokrenuti kroz BLAST prema referentnim bazama podataka karakteriziranih svojti mikroba. Baza podataka s najbližim podudaranjem ukazuje na filogenetski identitet prethodno nekultiviranog mikroba.
Ova moćna tehnika pomogla je definirati stablo života grupiranjem novonastalih mikroba na temelju evolucijske povezanosti gena rRNA. Omogućio je brzo otkrivanje patogena iz kliničkih uzoraka i uzoraka hrane bez uzgoja. Znanstvenici su ga koristili za istraživanje prethodno skrivene raznolikosti u egzotičnim okruženjima poput kisele drenaže rudnika ili hidrotermalnih izvora.
U novije vrijeme, sekvenciranje amplikona 16S rRNA visoke propusnosti revolucioniralo je istraživanje mikrobioma. Omogućuje profiliranje cijelih mikrobnih zajednica izravno iz mikrobne DNK u uzorcima bez pristranosti iz selektivnog uzgoja. Izlaz s platformi za sekvenciranje sljedeće generacije obrađuje se korištenjem bioinformatičkih cjevovoda za taksonomsku dodjelu sekvenci i usporedbu mikrobnih skupina između okruženja, domaćinske niše ili grupe za liječenje.
Ograničenja uključuju nemogućnost rješavanja nekih vrsta i pristranosti primera koji utječu na pokrivenost. Sada se istražuju i drugi markerski geni, ali analiza 16S rDNA ostaje zlatni standard zbog dubine baze podataka. Nastavlja poticati bezbrojna otkrića obasjavajući svjetlom mračno carstvo mikrobne raznolikosti na Zemlji. Primjene se kreću od dijagnoze do bioprospekcije i razumijevanja uloge mikroba u ekosustavima, zdravlje, i bolest.
Omogućuje li rRNA uvid u podrijetlo života?
Neki znanstvenici nagađaju da je rRNA možda odigrala ključnu ulogu u prvim oblicima života na Zemlji prije pojave DNK i složenih stanica. Kao samoreplicirajuća i funkcionalno aktivna molekula koja čini osnovu sinteze proteina, rRNA ili njezini preci mogli bi predstavljati scenarij o tome kako je primitivni život krenuo svojim putem do veće složenosti tijekom milijardi godina evolucije.
Istraživanje koje je u tijeku ima za cilj otkriti tragove učenjem više o odnosima strukture i funkcije rRNA među različitim organizmima koji danas žive i kako su oni evoluirali u korak s metaboličkim i staničnim inovacijama od davne prošlosti do danas.
Koje su napredne tehnike za proučavanje rRNA?
S obzirom na kompleksnost rRNA, koriste se različite metode za osvjetljavanje njegovih bezbrojnih odnosa strukture i funkcije na različitim razinama:
- Sekvenciranje sljedeće generacije određuje sekvence gena rRNA preko domena, potpomažući taksonomiju i karakterizaciju varijanti između vrsta.
- Krioelektronska mikroskopija i rendgenska kristalografija daju strukture gotovo atomske rezolucije čitavih ribosoma ili domena, otkrivajući interakcije rRNA-rRNA i rRNA-protein.
- Kemijsko ispitivanje preslikava uključenost nukleotida u savijanje, konformacijske promjene i interakcije s ligandima preko mjesta reaktivnosti na modificirajuće agense.
- Unakrsno povezivanje u kombinaciji s masenom spektrometrijom ukazuje na područja rRNA koja dolaze u kontakt sa specifičnim proteinima ili drugim biomolekulama unutar sastavljenih čestica ili reakcijskih intermedijera.
- Jednomolekulski FRET prati savijanje pojedinačnih molekula rRNA i detektira konformacijske pomake tijekom biokemijskih procesa poput translokacije.
Integracija višestrukih uvida iz naprednih tehnologija razotkriva zamršene odnose strukture i funkcije rRNA bitne za translaciju i staničnu homeostazu s neviđenom dubinom. Njegova temeljna važnost nadahnjuje stalne inovacije.
Ukratko, dok je DNK najpoznatiji kao temeljni genetski materijal života, to je neopjevani heroj – rRNA – koji osigurava kritični korak transformacije DNK koda u funkcionalne molekule koje omogućuju stanicama i organizmima da prežive kroz svoju bitnu ulogu u proizvodnji proteina preko ribosoma. rRNA je uistinu nezamjenjiv motor samog života.
