معلومة

ما خلق الريبوسوم الأول


إذا كان الريبوسوم مصنوعًا من البروتين ، ولكنه يستخدم في تكوين البروتين ، فما الذي خلق الريبوسوم الأول؟

ما الذي خلق الحمض النووي الريبوزي؟


هذا واحد من أسئلة "الدجاج والبيضة" حول الأصول المبكرة للحياة. الجواب هو: لا نعرف. هناك فرضية عالمية لـ RNA تشير إلى أن RNAs كانت الجزيئات الحيوية الأساسية متعددة الاستخدامات قبل البروتينات. تنبع هذه الفكرة من حقيقة وجود RNAs و ribozymes ذاتية التكرار (إنزيمات قائمة على RNA). أيضًا ، حقيقة أن المركز التحفيزي (peptidyl transferase) للريبوسوم هو RNA ، يستخدم أيضًا لدعم عالم RNA. ومع ذلك ، لا تزال هذه فكرة ولا يمكننا أن نقول بشكل قاطع أن عالم RNA موجود.


تاريخ بيولوجيا الحمض النووي الريبي

ظهرت العديد من الاكتشافات الرئيسية في علم الأحياء من دراسات الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، بما في ذلك العمل الأساسي في مجالات الكيمياء الحيوية ، وعلم الوراثة ، وعلم الأحياء الدقيقة ، والبيولوجيا الجزيئية ، والتطور الجزيئي ، والبيولوجيا الهيكلية. اعتبارًا من عام 2010 ، حصل 30 عالمًا على جوائز نوبل للعمل التجريبي الذي يتضمن دراسات الحمض النووي الريبي. تمت مناقشة الاكتشافات المحددة ذات الأهمية البيولوجية العالية في هذه المقالة.

للحصول على معلومات ذات صلة ، راجع المقالات حول تاريخ البيولوجيا الجزيئية وتاريخ علم الوراثة. للحصول على معلومات أساسية ، راجع المقالات حول الحمض النووي الريبي والحمض النووي.


خلفية

يتكون الريبوسوم من وحدتين فرعيتين رئيسيتين: الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة (LSU) والوحدة الفرعية الريبوسومية الصغيرة (SSU). يوجد مثال بكتيري نموذجي في بكتريا قولونية. تتكون الوحدة الفرعية الريبوزومية الصغيرة من 16S ريبوسوم RNA (1540 نيوكليوتيد) و 24 بروتين ريبوزومي. الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة بكتريا قولونية يتكون من 23S ريبوسوم RNA (2913 نيوكليوتيدات) و 34 بروتين ريبوسوم. يُكتب توزيع البروتين عادةً كـ (24/34) مما يعني 24 بروتينًا ريبوزوميًا في SSU و 34 بروتينًا ريبوزوميًا في LSU.

يحتوي الريبوسوم البكتيري على 58 بروتينًا (24/34) بالمقارنة مع العتائق التي تحتوي على 68 بروتينًا (28/40) وحقيقية النوى التي تحتوي على 78 بروتينًا (32/46). هناك 34 بروتينًا ريبوزوميًا (15/19) تم تحديدها كمتجانسات في المجالات الخلوية الثلاثة [1]. عندما يتم محاذاة كل من هذه البروتينات العامة عبر جميع المجالات الخلوية الثلاثة ، فإنها تنقسم بشكل فردي إلى أربعة أنواع من الكتل: 1) الكتل العالمية التي تتماشى عبر جميع المجالات الخلوية الثلاثة 2) الكتل التي تتماشى فقط بين البكتيريا 3) الكتل التي تتماشى فقط بين مناطق Archaea و Eukarya و 4) التي تتوافق فقط بين Eukarya [2 ، 3].

أحد التخمينات المحتملة هو أن كتل التسلسل العالمية لهذه البروتينات الريبوزومية وتفاعلاتها مع RNAs الريبوسوم يمكن أن ترسم ريبوسومًا أبسط وربما أقدم خاصةً في موقع فك تشفير SSU و PTC (مركز ترانسفيديل الببتيد) من LSU. يبدو أن هذا التخمين يفسر الكتل العالمية للبروتينات الريبوزومية لوحدة SSU في موقع فك التشفير ، ولكن هذا ليس هو الحال بالنسبة لبروتينات الريبوسوم لـ LSU في PTC. توفر الاختلافات الملحوظة بين الكتل العالمية للبروتينات الريبوزومية في LSU و SSU في مواقعها النشطة مزيدًا من التبصر في تاريخها التطوري المبكر.

نحن نفترض أن العمليات الكيميائية الحيوية المختلفة أو الفردية المشاركة في الترجمة مثل PTC ووظيفة فك التشفير في SSU نشأت بشكل تسلسلي ومستقل. على سبيل المثال ، تم اقتراح أن جزيء RNA مع نشاط peptidyl transferase موجود قبل فك التشفير المتسلسل الكامل ثلاثي القواعد [4-6].

هياكل معظم الحمض النووي الريبي لها بنية ثانوية البرسيم. هناك نوعان من الأذرع الحلزونية القصيرة المهمة ، أحدهما يحتوي على حلقة anticodon والآخر يحتوي على جذع aminoacyl مع متقبل 3 'CCA للحمض الأميني. يتم إنهاء الذراعين الآخرين بواسطة حلقة D وحلقة TΦ CG على التوالي. يمكن تركيب الهيكل ثلاثي الأبعاد للـ tRNA على هيكل على شكل حرف L مع ذراع متقبل للأحماض الأمينية في أحد طرفي L وحلقة anticodon في الطرف الآخر. الحلقة D و T CG loop fold كزاوية للـ L. ينعكس الفصل بين هذين الموقعين في التفاعل بين الحمض الريبي النووي النقال والوحدتين الفرعيتين الريبوسوميتين. يتلاءم جذع aminoacyl مع الموقع النشط لـ LSU بينما يلائم جذع anticodon فك التشفير أو الموقع النشط لوحدة SSU [7]. يثير هذا السؤال التطوري حول سبب وجود وحدتين فرعيتين منفصلتين من الريبوسوم تتفاعل مع الأذرع المفصولة على نطاق واسع من الحمض الريبي النووي النقال المنشط. الآثار الرئيسية هي أن الحمض النووي الريبي الفردي القابل للطي ذاتيًا ، بالاقتران مع عدد قليل من الببتيدات المستقرة القصيرة ، قد شكل مقدمة للوحدة الفرعية الكبيرة الريبوسومية الحديثة بالاشتراك مع الغشاء. بالإضافة إلى ذلك ، يبدو أن الوحدة الفرعية الصغيرة كانت إضافة لاحقة.


لأول مرة في بيولوجيا الخلية ، لاحظ العلماء تجمع الريبوسوم في الوقت الفعلي

لا جولا ، كاليفورنيا & # 8211 سجل فريق من العلماء من سكريبس للأبحاث وجامعة ستانفورد في الوقت الفعلي خطوة رئيسية في تجميع الريبوسومات & # 8212 الآلات الجزيئية المعقدة والتطورية & # 8220 & # 8221 التي تصنع البروتينات في الخلايا وهي ضرورية لجميع أشكال الحياة.

تم الإبلاغ عن الإنجاز في زنزانة، يكشف بتفاصيل غير مسبوقة كيف أن خيوط الحمض النووي الريبي (RNA) ، الجزيئات الخلوية اللزجة بطبيعتها والمعرضة لسوء الطي ، يتم تشغيلها & # 8220 # 8221 بواسطة بروتينات الريبوسوم في الطي بشكل صحيح وتشكيل أحد المكونات الرئيسية للريبوزومات.

تقلب النتائج الاعتقاد الراسخ بأن الريبوسومات يتم تجميعها في عملية متدرجة محكومة بإحكام.

& # 8220 على النقيض مما كانت النظرية السائدة في هذا المجال ، كشفنا عن عملية فوضوية أكثر بكثير ، & # 8221 يقول جيمس آر ويليامسون ، دكتوراه ، أستاذ في قسم البيولوجيا التكاميلية والهيكلية الحاسوبية في Scripps Research. & # 8220It & # 8217s ليس خط تجميع أنيق في ديترويت & # 8212it & # 8217s أشبه بحفرة تداول في وول ستريت. & # 8221

من أجل الدراسة ، تعاون مختبر Williamson & # 8217s مع مختبر جوزيف بوجليسي ، دكتوراه ، أستاذ في جامعة ستانفورد. على الرغم من أن هذا العمل يعد إنجازًا مهمًا لبيولوجيا الخلية الأساسية ، إلا أنه يجب أن يمكّن من تحقيق تقدم مهم في الطب. على سبيل المثال ، تعمل بعض المضادات الحيوية الحالية عن طريق تثبيط الريبوسومات البكتيرية ، ويفتح البحث الجديد إمكانية تصميم مضادات حيوية مستقبلية تستهدف الريبوسومات البكتيرية بخصوصية أكبر & # 8212 وبالتالي آثار جانبية أقل.

بشكل عام ، يقدم البحث لعلماء الأحياء نهجًا جديدًا قويًا لدراسة جزيئات الحمض النووي الريبي ، مئات الآلاف منها نشطة في أي وقت في خلية نموذجية.

& # 8220 هذا يوضح أنه يمكننا الآن أن نفحص بالتفصيل كيف تنثني الحمض النووي الريبي أثناء تصنيعها وتتجمع البروتينات عليها ، & # 8221 يقول المؤلف الأول أوليفييه داس ، دكتوراه ، زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في قسم البيولوجيا التكاميلية والهيكلية الحاسوبية في أبحاث سكريبس. & # 8220 لقد كان هذا أمرًا صعبًا للغاية للدراسة في علم الأحياء لأنه يتضمن العديد من العمليات البيولوجية المتميزة التي تعتمد على بعضها البعض ويجب اكتشافها في وقت واحد. & # 8221

استخدم الفريق تقنية تصوير متقدمة تسمى & # 8220zero-mode waveguide المجهري الفلوري الجزيئي أحادي الجزيء ، & # 8221 والتي قاموا بتكييفها في السنوات الأخيرة لتتبع RNAs والبروتينات في الوقت الفعلي. تتكون الريبوسومات من كل من RNA والبروتينات ، مما يعكس شراكة جزيئية يعتقد على نطاق واسع أنها تعود إلى فجر الحياة على الأرض.

في دراسة إثبات المبدأ التي نُشرت العام الماضي ، استخدم الباحثون نهجهم لتسجيل مرحلة مبكرة وموجزة ومدروسة جيدًا نسبيًا لتجميع الريبوسوم من البكتيريا. بكتريا قولونية. تضمن ذلك نسخ ، أو نسخ الجين المقابل ، من RNA الريبوسوم ، والتفاعلات الأولية لشريط RNA هذا مع بروتين ريبوزومي.

في الدراسة الجديدة ، قام الفريق بتوسيع هذا النهج من خلال تتبع ليس فقط نسخ الحمض النووي الريبي الريبوزومي ولكن أيضًا طيه في الوقت الحقيقي. قدم العمل نظرة مفصلة على جزء معقد ، وما زال غامضًا حتى الآن بكتريا قولونية تجميع الريبوسوم & # 8212 تشكيل مكون رئيسي بأكمله ، أو مجال ، من بكتريا قولونية الريبوسوم ، بمساعدة ثمانية شركاء بروتين ينتهي بهم الأمر إلى الاندماج في الهيكل.

كان الاكتشاف الرئيسي هو أن شركاء البروتين الريبوزومي يوجهون طي حبلا RNA من خلال تفاعلات مؤقتة متعددة مع الخيط ، قبل أن يستقروا في أماكنهم النهائية في جزيء بروتين RNA المطوي. تشير النتائج أيضًا ، وفقًا للباحثين ، إلى وجود عوامل تجميع غير معروفة للحمض النووي الريبي ، وعلى الأرجح بروتينات ، لم تكن موجودة في تجارب التصوير من نوع طبق المختبر ولكنها موجودة في الخلايا وتعزز كفاءة طي الحمض النووي الريبي.

& # 8220 تشير دراستنا إلى أنه في طي RNA الريبوزومي ، وربما بشكل عام في طي RNA في الخلايا ، تساعد العديد من البروتينات في طي RNA على الرغم من التفاعلات الضعيفة والعابرة وشبه المحددة معها ، & # 8221 Duss يقول.

سيكون الفريق الآن قادرًا على توسيع نطاق هذا البحث ليشمل ليس فقط بقية تجميع الريبوسوم ، والذي يتضمن العديد من خيوط RNA وعشرات من البروتينات ، ولكن أيضًا العديد من الأنواع الأخرى من طي RNA وتفاعل بروتين RNA في الخلايا.

من حيث المبدأ ، سيقدم هذا البحث نظرة ثاقبة حول كيفية اختلال الحمض النووي الريبي وكيف يمكن تصحيح مثل هذه الأحداث. يعتقد العلماء أن العديد من الأمراض تنطوي أو يحتمل أن تنطوي على الطي غير السليم والمعالجة ذات الصلة لـ RNAs في الخلايا.

يمكن أيضًا تحسين العلاجات التي تستهدف الريبوسومات بالفعل. تعمل بعض المضادات الحيوية الحالية ، بما في ذلك فئة تعرف باسم أمينوغليكوزيدات ، عن طريق الارتباط بمواقع على الريبوسومات البكتيرية غير الموجودة في الريبوسومات البشرية. يمكن أن يكون لهذه الأدوية آثار جانبية لأنها تضعف أيضًا ريبوسومات البكتيريا الجيدة ، على سبيل المثال في الأمعاء.

& # 8220 عندما نفهم بشكل كامل كيف تتجمع الريبوسومات البكتيرية وتعمل ، يمكننا استهدافها بطرق تؤثر على مجموعة أضيق من الأنواع البكتيرية الضارة وتجنب الأنواع الجيدة ، مما يقلل الآثار الجانبية للمرضى ، & # 8221 Duss يقول.

لأن الريبوسومات تعمل كصانع للبروتين ، فهي أيضًا ضرورية لبقاء الخلايا السرطانية سريعة النمو. تعمل عدة فئات من أدوية السرطان بالفعل عن طريق إبطاء تكوين الريبوسوم بطريقة أو بأخرى. يلاحظ داس أن الفهم الأفضل للريبوسوم البشري من شأنه ، من حيث المبدأ ، تمكين تجميعه بشكل أكثر دقة وفعالية لمنع نمو السرطان.

تم تقديم الدعم للبحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01 GM051266 ، R01 GM113078 ، و R01 GM053757) ، الوطنية السويسرية مؤسسة العلوم (P2EZP3-152131 ، P300PA-160978) ، وبرنامج علوم الحدود البشرية (LT000628 / 2015-L).


تطور الوحدة الفرعية الريبوزومية الصغيرة و LSU و tRNA و mRNA

هنا ، باستخدام طريقة المقارنة ثلاثية الأبعاد ، نؤسس نموذجًا شاملاً ومتماسكًا لتطور الريبوسوم بأكمله. يغطي هذا النموذج LSU rRNA ، ووحدة فرعية ريبوسومية صغيرة (SSU) rRNA ، و tRNA ، و mRNA. يتم التوفيق بين تطور كل من هذه المكونات على المستوى الجزيئي إلى تسلسل زمني مشترك. هذا النموذج التطوري ، الذي نسميه "نموذج التراكم" ، يرتكز بالكامل على البيانات الهيكلية في شكل بصمات الإدراج والتفاعلات الجزيئية. يصف النموذج التراكم التكراري لشظايا الرنا الريباسي في شكل مقاطع توسع. يبدأ الجدول الزمني لنموذج التراكم في علم الأحياء البدائي القديم في البناء الأولي للمراكز الوظيفية ، ويمضي إلى إنشاء النواة المشتركة ، ويستمر في تطوير جزيئات الحمض النووي الريبي الكبيرة metazoan.

يتم تعيين التطور التدريجي للوظيفة من خلال التراكم التدريجي للـ rRNA. في الريبوسوم الموجود ، تؤدي أجزاء معينة من الرنا الريباسي وظائف محددة بما في ذلك نقل الببتيدل ، وترابط الوحدة الفرعية ، وفك التشفير ، والانتقال المدفوع بالطاقة (11). يفترض النموذج أن الارتباطات بين مقاطع الرنا الريباسي ووظائفها قد تم الحفاظ عليها بشكل معقول على مدار المسار الواسع لتطور الريبوسوم. لذلك يرسم النموذج المسار الزمني لاكتساب الوظيفة. زاد اتساع الوظيفة مع نمو حجم الريبوسوم.


شمال غرب الآن

إيفانستون ، إلينوي - باحثو البيولوجيا التركيبية في جامعة نورث وسترن ، الذين يعملون مع شركاء في كلية الطب بجامعة هارفارد ، قاموا لأول مرة بتصنيع ريبوسومات - هياكل خلوية مسؤولة عن توليد جميع البروتينات والإنزيمات في أجسامنا - من نقطة الصفر في اختبار الة النفخ.

حاول آخرون سابقًا تخليق الريبوسومات من الأجزاء المكونة لها ، لكن الجهود أسفرت عن ريبوسومات ضعيفة الأداء في ظل ظروف لا تكرر بيئة الخلية الحية. بالإضافة إلى ذلك ، فشلت محاولات الجمع بين تخليق الريبوسوم وتجميعه في عملية واحدة لعقود.

مايكل سي جيويت ، عالم الأحياء الاصطناعية في جامعة نورث وسترن ، جورج م. تشيرش ، عالم الوراثة في كلية الطب بجامعة هارفارد ، وزملاؤه مؤخرًا اتخذوا نهجًا آخر: لقد قلدوا التركيب الطبيعي للريبوسوم ، مما سمح للإنزيمات الطبيعية للخلية بالمساعدة في تسهيل عمل الرجل. - صنع البناء.

يمكن أن تؤدي التكنولوجيا إلى اكتشاف مضادات حيوية جديدة تستهدف تجميع الريبوسوم ، وفهمًا متقدمًا لكيفية تكوين الريبوسومات ووظيفتها ، وإنشاء ريبوسومات مصممة خصيصًا لإنتاج بروتينات جديدة بوظائف غريبة يصعب ، إن لم يكن من المستحيل ، تحقيقها في الحياة الكائنات الحية.

قال جيويت ، الذي قاد البحث مع تشيرش: "يمكننا محاكاة الطبيعة وإنشاء الريبوسومات بالطريقة التي تطورت بها الطبيعة للقيام بذلك ، حيث يتم تنشيط جميع العمليات في نفس الوقت". "نهجنا عبارة عن مخطط تخليقي من وعاء واحد حيث نرمي الجينات المشفرة للحمض النووي الريبوزي ، وبروتينات الريبوسوم الطبيعية ، والإنزيمات الإضافية لخلية الإشريكية القولونية معًا في أنبوب اختبار ، وهذا يؤدي إلى بناء الريبوسوم."

جيويت أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في كلية ماكورميك للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة نورث وسترن.

يعتبر البناء في المختبر للريبوسومات ، كما هو موضح في هذه الدراسة ، ذا أهمية كبيرة لمجال البيولوجيا التركيبية ، الذي يسعى إلى تحويل القدرة على هندسة أشكال حياة جديدة أو جديدة ومجموعات التحفيز الحيوي لأغراض مفيدة.

نُشرت نتائج مشروع البحث الذي استمر أربع سنوات في 25 يونيو في مجلة Molecular Systems Biology.

تتكون من 57 جزءًا - ثلاثة خيوط من الحمض النووي الريبي (RNA) و 54 بروتينًا - تقوم الريبوسومات بترجمة الحمض النووي الريبي المرسال إلى بروتينات ، وهي عملية أساسية للخلية. تؤدي آلاف البروتينات في كل خلية بدورها مجموعة واسعة من الوظائف ، من الهضم إلى تكوين الأجسام المضادة. تتطلب الخلايا الريبوسومات لتعيش.

يشبه جيويت الريبوسوم بالطاهي. يأخذ الريبوسوم الوصفة ، مشفرًا في الحمض النووي ، ويصنع الوجبة ، أو البروتين. قال جيويت: "نريد أن نجعل طهاة جددًا أو ريبوسومات". "ثم يمكننا تغيير الريبوسومات للقيام بأشياء جديدة لنا."

"القدرة على صنع الريبوسومات في المختبر في عملية تحاكي الطريقة التي تعمل بها البيولوجيا تفتح آفاقًا جديدة لدراسة تخليق الريبوسوم وتجميعه ، مما يمكننا من فهم عملية الترجمة بشكل أفضل وربما التحكم فيها". "قد تمكننا تقنيتنا أيضًا في المستقبل من هندسة الريبوسومات المعدلة بسرعة بسلوكيات ووظائف جديدة ، وهو تقدم مهم محتمل في مجال البيولوجيا التركيبية."

عملية التوليف التي طورتها جيويت وتشرش - والتي يطلق عليها تقنية "التركيب والتجميع والترجمة المتكاملة" (iSAT) - تحاكي الطبيعة من خلال تمكين توليف الريبوسوم وتجميعه ووظيفته في تفاعل واحد وفي نفس الحيز.

من خلال العمل مع خلايا الإشريكية القولونية ، قام الباحثون بدمج البروتينات الريبوزومية الطبيعية مع الحمض النووي الريبي الريبوزي المصنوع صناعياً ، والذي تم تجميعه ذاتيًا في المختبر لإنشاء ريبوسومات وظيفية شبه اصطناعية.

وأكدوا أن الريبوسومات كانت نشطة من خلال تقييم قدرتها على إجراء ترجمة لوسيفيراز ، وهو البروتين المسؤول عن السماح لليراعة بالتوهج. ثم أظهر الباحثون قدرة iSAT على صنع ريبوسوم معدل مع طفرة نقطية تتوسط مقاومة المضاد الحيوي الكليندامايسين.

يريد الباحثون بعد ذلك تصنيع جميع أجزاء الريبوسوم البالغ عددها 57 جزءًا ، بما في ذلك 54 بروتينًا.

قال جيويت: "أنا متحمس حقًا لما نحن فيه". "هذه الدراسة هي خطوة مهمة على طول الطريق لتركيب ريبوسوم كامل. سنواصل دفع هذا العمل إلى الأمام ".

دعمت المؤسسة الوطنية للعلوم والمعاهد الوطنية للصحة ومكتب أبحاث الجيش ومكتب الأبحاث البحرية البحث.

جيويت وتشرش ، أستاذ علم الوراثة في كلية الطب بجامعة هارفارد ، مؤلفا الورقة بعنوان "التكامل المختبر لتخليق الحمض النووي الريبي الريبوزومي وتجميع الريبوسوم والترجمة." المؤلفون الآخرون هم برايان آر فريتز ولورا إي تيمرمان ، طلاب الدراسات العليا في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في نورث وسترن.

تم تنفيذ العمل في كل من جامعة نورث وسترن وكلية الطب بجامعة هارفارد.

- ساهم في القصة ميغان فيلمان ، محررة العلوم والهندسة ، وسارة أوستمان ، المحررة / الكاتبة في كلية ماكورميك للهندسة والعلوم التطبيقية.


هيكل الوحدات الفرعية للريبوسومات (مع رسم بياني) | علم الوراثة

سنناقش في هذه المقالة حول بنية الوحدات الفرعية الأكبر والأصغر من الريبوسومات.

الريبوسومات هي جزيئات بروتين نووي موجودة في جميع أنواع الخلايا. لوحظت لأول مرة في EM بواسطة كلود في سيتوبلازم الخلايا ، ولاحقًا على سطح الشبكة الإندوبلازمية بواسطة بورتر وباليد.

توجد الريبوسومات في 3 أحجام: 70S في البكتيريا والبلاستيدات الخضراء ، 60S في الميتوكوندريا ، 80S في سيتوبلازم حقيقيات النوى. تتكون جميع الريبوسومات من وحدتين فرعيتين غير متساويتين تحتوي كل منهما على RNA وبروتين بنسبة 63: 37. في البكتيريا ، تحتوي الريبوسومات 70S على وحدات فرعية 50S و 30S وقطرها 18 نانومتر.

تحتوي خلية الإشريكية القولونية على حوالي 15000 ريبوسوم تشكل حوالي 25 في المائة من الوزن الجاف للخلية. الريبوسومات السيتوبلازمية للخلايا حقيقية النواة أكبر بقطر 20-22 نانومتر (الشكل 15.18) ، وتحتوي على محتوى بروتين أعلى وجزيئات RNA أكبر.

إما أن تكون حرة في السيتوبلازم أو مرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية. في حقيقيات النوى ، توجد الريبوسومات أيضًا في النواة (يتم تجميعها في النواة) وفي العضيات مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. في الخلايا التي تصنع البروتينات ، تُظهر الصور المجهرية الإلكترونية الريبوسومات المرتبطة بخيوط تشبه الخرزة تسمى polyribosomes أو polysomes تتكون من ارتباط الريبوسومات بجزيء واحد من mRNA.

تحتوي الريبوسومات 70S من بدائيات النوى في الوحدة الفرعية الأكبر 50S ، وأنواع 23S و 5S من الرنا الريباسي و 34 بروتينًا مختلفًا. تحتوي الوحدة الفرعية 30S على جزيء من 16S rRNA و 21 بروتينًا مختلفًا. تظهر الريبوسومات السيتوبلازمية حقيقية النواة تباينًا في أحجام الوحدات الفرعية في النباتات والحيوانات المختلفة وفي حجم الرنا الريباسي.

تحتوي الريبوسومات النباتية على 25S و 16S أو 18S rRNA بينما تحتوي الريبوسومات الحيوانية على 28S و 18S rRNA 5S RNA موجودة في الوحدة الفرعية الأكبر للنباتات والحيوانات. يحتوي الحمض النووي الريبي 28S لحقيقيات النوى على رنا صغير يسمى 5.8S rRNA. لديها حوالي 160 قاعدة وهي مرتبطة بـ 28S rRNA.

في عام 1964 ، اقترح واطسون أن الريبوسومات تنفصل في وحداتها الفرعية وتعيد الارتباط مرة أخرى أثناء تخليق البروتين. تم تأكيد ذلك لاحقًا بواسطة Kaempfer في الإشريكية القولونية. من الضروري أن تنفصل الوحدات الفرعية لأن mRNA و aminoacyl tRNA البادئ لا يمكنهما الارتباط مباشرة بالريبوسوم 70S ، ولكنهما مرتبطان أولاً بالوحدة الفرعية 30S.

في الآونة الأخيرة ، كشفت الدراسات عالية الدقة على الريبوسومات عن ميزات جديدة في بنيتها الدقيقة. تم تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للوحدات الفرعية الكبيرة والصغيرة ، بالإضافة إلى مواقع البروتينات الخاصة بهم من خلال تقنيات الفحص المجهري الإلكتروني المناعي وانحراف النيوترونات.

تتمثل أولى هاتين الطريقتين في تحضير الأجسام المضادة التي ترتبط ببروتينات وحدة فرعية محددة وبالتالي الكشف عن مواقعها. يتضمن الإجراء تنقية البروتين الريبوسومي وحقنه في مجرى الدم لحيوان مثل الأرانب ، لتحفيز تكوين الأجسام المضادة (الغلوبولين المناعي G ، IgG).

يتم خلط الأجسام المضادة المنقاة مع الريبوسومات الكاملة مما يسمح لها بالارتباط ببروتينات معينة تكون مكشوفة على سطح الريبوسوم. نظرًا لوجود موقعين للارتباط في الجسم المضاد ، فإن جسمًا مضادًا واحدًا يصبح مرتبطًا ببروتين الوحدة الفرعية من ريبوسومين. تصبح الوحدات الفرعية مرتبطة في أزواج وتكون مرئية في المجهر الإلكتروني.

لا يكشف التحليل عن مواقع البروتينات فحسب ، بل يكشف أيضًا عن البنية ثلاثية الأبعاد للريبوسوم ، في تقنية حيود النيوترون ، يتم تصنيع الوحدات الفرعية للريبوسومات لتشمل زوجًا من البروتينات التي تحتوي على الهيدروجين الثقيل ، الديوتيريوم.

من نمط التداخل الناتج عن حزمة من النيوترونات التي تعبر الوحدة الفرعية ، يمكن تقدير المسافة بين البروتينين (اللذين يحتويان على الديوتيريوم). يؤدي عدد من هذه الملاحظات إلى رسم خرائط للبروتينات.

في النموذج ثلاثي الأبعاد للإشريكية القولونية الريبوسوم ، تكون الوحدة الفرعية الأصغر ممدودة ومزودة بمسافة بادئة وتتناسب مع السطح المقعر للوحدة الفرعية الأكبر. تتكون الوحدة الفرعية الصغيرة من 3 مناطق ، رأس ، قاعدة ومنصة مفصولة عن الرأس بشق (الشكل 15.19). تحتوي الوحدة الفرعية الأكبر على نتوء مركزي وإسقاطين ، أكبرها تسمى القصبة ، والحافة الأقصر. يُطلق على المنخفض بين التلال والنتوء المركزي اسم الوادي.


شمال غرب الآن

يمكن أن يؤدي الريبوسوم المصمم إلى عقاقير جديدة ومواد حيوية من الجيل التالي

  • يعتقد الكثيرون أن الريبوسوم الهندسي لن يعمل ، لكنه يعمل
  • مصنع جديد لصنع البروتين يبشر بتوسيع الشفرة الجينية
  • يمتلك الريبوسوم نظامين للتشغيل: أحدهما للحفاظ على الخلية على قيد الحياة ، والآخر لصنع بروتينات فريدة

إيفانستون ، إلينوي --- صمم باحثون في جامعة نورث وسترن وجامعة إلينوي في شيكاغو ريبوسومًا مربوطًا يعمل تقريبًا مثل المكون الخلوي الأصلي ، أو العضية ، التي تنتج جميع البروتينات والإنزيمات داخل الخلية.

قد يكون الريبوسوم من صنع الإنسان قادرًا على التلاعب به في المختبر للقيام بأشياء لا تستطيع الريبوسومات الطبيعية القيام بها. يمكن أن يؤدي هذا إلى إنتاج أدوية جديدة ومواد حيوية من الجيل التالي وفهم أفضل لكيفية عمل الريبوسومات.

تم إنشاء الريبوسوم الاصطناعي ، المسمى Ribo-T ، في مختبرات جامعة نورث وسترن مايكل جيويت ، الأستاذ المساعد للهندسة الكيميائية والبيولوجية في كلية ماكورميك للهندسة والعلوم التطبيقية ، وألكسندر مانكين ، مدير مركز كلية الصيدلة بجامعة كاليفورنيا في علوم الجزيئات الحيوية .

عندما تصنع الخلية بروتينًا ، يتم نسخ mRNA (messenger RNA) من الحمض النووي. تتحد وحدتان فرعيتان للريبوسومات ، واحدة كبيرة وواحدة صغيرة ، على mRNA لتشكيل الوحدة الوظيفية التي تجمع البروتين في عملية تسمى الترجمة. بمجرد اكتمال جزيء البروتين ، تنفصل الوحدات الفرعية للريبوسوم - وكلاهما مكونان من الحمض النووي الريبي والبروتين - عن بعضها البعض.

في دراسة جديدة نُشرت في مجلة Nature ، وصف الباحثون تصميم وخصائص Ribo-T ، وهو ريبوسوم مع وحدات فرعية لن تنفصل. قد يكون Ribo-T قادرًا على ضبطه لإنتاج بوليمرات فريدة وعملية لاستكشاف وظائف الريبوسوم أو إنتاج علاجات مصممة - وربما في يوم من الأيام حتى البوليمرات غير البيولوجية.

لم يطور أحد شيئًا من هذا القبيل.

قال مانكين: "شعرنا أن هناك فرصة صغيرة - صغيرة جدًا - لأن Ribo-T يمكن أن يعمل ، لكننا لم نكن نعرف حقًا".

شعر مانكين وجويت وزملاؤهم بالإحباط في تحقيقاتهم بسبب تفكك الوحدات الفرعية للريبوسومات وتوحيدها في كل دورة من تخليق البروتين. هل يمكن ربط الوحدات الفرعية معًا بشكل دائم؟ ابتكر الباحثون مصممًا جديدًا للريبوسوم بوحدات فرعية مرتبطة: Ribo-T.

قال جيويت: "ما تمكنا من القيام به في النهاية هو إظهار أنه من خلال إنشاء ريبوسوم هندسي حيث يتم مشاركة الحمض النووي الريبي الريبوزي بين الوحدتين الفرعيتين وربطهما بواسطة هذه الحبال الصغيرة ، يمكننا في الواقع إنشاء نظام ترجمة مزدوج".

كان من المدهش أن الحمض النووي الريبي الهجين لدينا يمكن أن يدعم تجميع الريبوسوم الوظيفي في الخلية. كان من المدهش أيضًا أن هذا الريبوسوم المربوط يمكن أن يدعم النمو في غياب ريبوسومات من النوع البري.

عمل Ribo-T بشكل أفضل مما اعتقده Mankin و Jewett أنه يمكن ذلك. لم يصنع Ribo-T البروتينات في أنبوب اختبار فحسب ، بل كان قادرًا على إنتاج ما يكفي من البروتين في الخلايا البكتيرية التي تفتقر إلى الريبوسومات الطبيعية لإبقاء البكتيريا حية.

تفاجأ جيويت ومانكين بهذا. اعتقد العلماء سابقًا أن قدرة وحدتي الريبوسوم على الانفصال كانت مطلوبة لتخليق البروتين.

قال جيويت: "من الواضح أن هذا الافتراض كان غير صحيح".

قال جيويت: "مصنعنا الجديد لصناعة البروتين يحمل وعدًا بتوسيع الشفرة الجينية بطريقة فريدة وتحولية ، مما يوفر فرصًا مثيرة للبيولوجيا التركيبية والهندسة الجزيئية الحيوية".

وأضاف مانكين: "هذه أداة مثيرة لاستكشاف وظائف الريبوزومات من خلال تجربة الأجزاء الأكثر أهمية في آلة تصنيع البروتين ، والتي كانت في السابق" لا يمكن المساس بها ".

المؤلفون المشاركون في ورقة الطبيعة هم إريك كارلسون من قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية ومعهد كيمياء العمليات الحياتية في نورث وسترن وسيدريك أوريل وتيريزا زال وتانيا فلورين من مركز UIC للعلوم الجزيئية الحيوية.

تم تمويل الدراسة من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة والمؤسسة الوطنية للعلوم وزمالة مؤسسة ديفيد ولوسيل باكارد.

- ساهم في القصة ميغان فيلمان ، محررة العلوم والهندسة في نورث وسترن ، وسام هوستيتلر ، جامعة إلينوي في شيكاغو.


دور الريبوسومات في تخليق البروتين (مع رسم بياني)

توفر الريبوسومات إطارًا يتم من خلاله تخليق البروتين. يرتبط mRNA بالوحدة الفرعية 30S من الريبوسوم لتشكيل مجمع البدء. يتمثل الدور الرئيسي للريبوسوم في قدرته على تحفيز تكوين روابط الببتيد بين الأحماض الأمينية ، بحيث يتم دمج الأحماض الأمينية في البروتينات.

الريبوسومات هي حبيبات كثيفة لا تغطي الأغشية. تم رصدهم لأول مرة بواسطة Palade. تحتوي الريبوسومات البكتيرية على 65٪ RNA (rRNA) و 35٪ بروتينات. يبلغ قطرها 18 نانومتر. تم العثور على الريبوسومات في جميع الخلايا. تحتوي الإشريكية القولونية على 10000 ريبوسوم ، وتشكل حوالي 25٪ من الكتلة الكلية للخلية البكتيرية. تحتوي خلية الثدييات على حوالي 10 ملايين ريبوسوم.

يحتوي الريبوسوم على وحدتين فرعيتين:

يحتوي كل ريبوسوم على وحدتين فرعيتين غير متساويتين ، وحدة فرعية كبيرة وصغيرة. تتكون الريبوسومات البكتيرية من وحدتين فرعيتين من معامل الترسيب 30S و 50S في السكروز. لقد قاموا بدمج معامل الترسيب 70S. تحتوي كلتا الوحدتين الفرعيتين على العديد من البروتينات وعلى الأقل رنا كبير واحد.

الريبوسومات حقيقية النواة أكبر من الريبوسومات البكتيرية. لديهم وحدتان فرعيتان غير متساويتين من 40S و 60S مع معامل ترسيب مشترك 80S. يتم قياس الريبوسومات من حيث معدل الترسيب المقاس بوحدات Svedberg (S). هو = 10

13 ثانية. جميع الريبوسومات في خلية معينة متطابقة. يمكن أن تنفصل مكونات الريبوسوم ويمكن أن تتجمع تلقائيًا. يحتوي الريبوسوم على لب من الرنا الريباسي البروتينات المتصلة على السطح.

في بدائيات النوى ، تحتوي كل من الوحدات الفرعية 30S و 50S على مكونات جزيء البروتين والرنا الريباسي.

وبالمثل ، يحتوي الريبوسوم الريبوسوم حقيقي النواة على المكونات التالية:

40S الوحدة الفرعية: جزيء 18S + 30 بروتين

60S الوحدة الفرعية: بروتينات 5S و 5.8S و rRNA +50.

هيكل 70S الريبوسوم غير متماثل. ينقسم 70S الريبوسوم إلى أربع مناطق. هذه هي الرأس والرقبة والجسم والمنصة. تحتوي الوحدة الفرعية 50S على نتوء مركزي به 5S rRNA وسيقان به بروتينات.

معظم البروتينات هي بروتينات أساسية ولها ارتباط قوي بـ RNA ، وهو حمضي بطبيعته. يمثل RNA الريبوسومي (rRNA) أكثر من 80٪ من إجمالي الحمض النووي الريبي الموجود في الخلية البكتيرية.

وحدتان فرعيتان من الريبوسوم ترتبط وتتفككان اعتمادًا على تركيز المغنيسيوم. حوالي 70 ٪ من الحمض النووي الريبي الريبوسومي هو مزدوج الشريطة وحلزونية مع سيقان وحلقات مختلفة بسبب الاقتران الأساسي بين المناطق التكميلية. يساعد تفاعل 16S rRNA و mRNA الوحدة الفرعية 30S على التعرف على نهاية بداية mRNA. يقع موقع ربط الريبوسوم في بدائيات النوى بالقرب من 5 & # 8242 نهاية mRNA في بداية كودون AUG.

بين 5 & # 8242-end of mRNA و AUG codon ، هناك العديد من القواعد. من بين هؤلاء هناك تسلسل 5 & # 8242-AGGAGGU-3 & # 8242. هذا يسمى تسلسل Shine-Dalgarno ويقع من 4 إلى 7 قواعد منبع AUG. تحتوي المنطقة الطرفية 3 & # 8242 لـ 16S rRNA على تسلسل تكميلي من 3 & # 8242- AUUCCUCCA-5 & # 8242. هذا التسلسل يربط mRNA بالريبوسوم.

يحتوي الريبوسوم على قناتين بداخله. يدخل مرنا الخطي ويهرب عبر قناة واحدة بها مركز فك التشفير. هذه القناة يمكن الوصول إليها من خلال tRNAs المشحونة. تهرب سلسلة البولي ببتيد المركبة حديثًا عبر القناة الأخرى.

تحتوي الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم على مركز فك التشفير الذي تقوم فيه الحمض الريبي النووي النقال المشحون بفك كودونات الرنا المرسال. تحتوي الوحدة الفرعية الكبيرة على مركز ترانسفيراز الببتيدل ، والذي يشكل روابط ببتيدية بين الأحماض الأمينية المتتالية. يرتبط mRNA بالنهاية 3 & # 8242 لـ 16S RNA في الوحدة الفرعية 30S من الريبوسوم. تتحد الوحدة الفرعية 30S و mRNA و tRNA المشحون لتشكيل معقد ما قبل البدء جنبًا إلى جنب مع عوامل البدء و GTP. في وقت لاحق ، تنضم الوحدة الفرعية 50S من الريبوسوم لتشكيل مجمع بدء 70S.

يتمثل الدور الرئيسي للريبوسوم في تكوين روابط ببتيدية بين الأحماض الأمينية المتتالية لسلسلة الببتيد المُصنَّعة حديثًا.

هناك نوعان من مواقع ربط الحمض النووي الريبي على الريبوسوم. الموقع الأول يسمى & # 8216P & # 8217 site أو موقع peptidyl. الموقع الثاني يسمى & # 8216A & # 8217 موقع أو موقع amino acyl. فقط البادئ tRNA يدخل موقع & # 8216P & # 8217. تدخل جميع tRNAs الأخرى في موقع & # 8216A & # 8217.

يتمثل الدور الرئيسي للريبوسوم في تكوين روابط ببتيدية بين الأحماض الأمينية المتتالية. تتكون رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية في موقع & # 8220A & # 8221 وسلسلة الببتيد عند & # 8220P & # 8221 وبالتالي إطالة السلسلة بحمض أميني واحد. تم اكتشاف أن peptidyltransferase الذي يحفز تكوين رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية المتعاقبة يتكون من عدة بروتينات وجزيء 23S rRNA. هذا الرنا الريباسي 23S هو ريبوزيم وهو مسؤول عن تحفيز تكوين رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية المتعاقبة.

بالإضافة إلى هذين الموقعين & # 8216P & # 8217 و & # 8216A & # 8217 موقع ، يوجد موقع ثالث & # 8216E & # 8217 أو موقع خروج. تنتقل الحمض النووي الريبي المنفصل (محروم من الأحماض الأمينية) من موقع & # 8216P & # 8217 إلى موقع & # 8216E & # 8217 حيث يتم إخراجها.


يصمم الباحثون أول ريبوسوم اصطناعي

تم إنشاء الريبوسوم الاصطناعي ، المسمى Ribo-T ، في مختبرات ألكسندر مانكين ، مدير مركز علوم الجزيئات الحيوية التابع لكلية UIC للصيدلة ، ومايكل جيويت من جامعة نورث وسترن.

قام باحثون في جامعة إلينوي في شيكاغو وجامعة نورث وسترن بتصميم ريبوسوم مربوط يعمل تقريبًا مثل المكون الخلوي الأصلي ، أو العضية ، التي تنتج جميع البروتينات والإنزيمات داخل الخلية.

قد يُمكِّن الريبوسوم المهندَس من إنتاج عقاقير جديدة ومواد حيوية من الجيل التالي ويؤدي إلى فهم أفضل لكيفية عمل الريبوسومات.

The artificial ribosome, called Ribo-T, was created in the laboratories of Alexander Mankin, director of the UIC College of Pharmacy’s Center for Biomolecular Sciences, and Northwestern’s Michael Jewett, assistant professor of chemical and biological engineering.

The human-made ribosome may be able to be manipulated in the laboratory to do things natural ribosomes cannot do.

When the cell makes a protein, mRNA (messenger RNA) is copied from DNA. The ribosomes’ two subunits, one large and one small, unite on mRNA to form the functional unit that assembles the protein in a process called translation. Once the protein molecule is complete, the ribosome subunits — both of which are themselves made up of RNA and protein — separate from each other.

In a new study in the journal Nature, the researchers describe the design and properties of Ribo-T, a ribosome with subunits that will not separate. Ribo-T may be able to be tuned to produce unique and functional polymers for exploring ribosome functions or producing designer therapeutics — and perhaps one day even non-biological polymers.

No one has ever developed something of this nature.

“We felt like there was a small — very small — chance Ribo-T could work, but we did not really know,” Mankin said.

Mankin, Jewett and their colleagues were frustrated in their investigations by the ribosomes’ subunits falling apart and coming together in every cycle of protein synthesis. Could the subunits be permanently linked together? The researchers devised a novel designer ribosome with tethered subunits — Ribo-T.

“What we were ultimately able to do was show that by creating an engineered ribosome where the ribosomal RNA is shared between the two subunits and linked by these small tethers, we could actually create a dual translation system,” Jewett said.

“It was surprising that our hybrid chimeric RNA could support assembly of a functional ribosome in the cell. It was also surprising that this tethered ribosome could support growth in the absence of wild-type ribosomes,” he said.

Ribo-T worked even better than Mankin and Jewett believed it could. Not only did Ribo-T make proteins in a test-tube, it was able to make enough protein in bacterial cells that lacked natural ribosomes to keep the bacteria alive.

Jewett and Mankin were surprised by this. Scientists had previously believed that the ability of the two ribosomal subunits to separate was required for protein synthesis.

“Obviously this assumption was incorrect,” Jewett said.

“Our new protein-making factory holds promise to expand the genetic code in a unique and transformative way, providing exciting opportunities for synthetic biology and biomolecular engineering,” Jewett said.

“This is an exciting tool to explore ribosomal functions by experimenting with the most critical parts of the protein synthesis machine, which previously were ‘untouchable,’” Mankin added.

Co-authors on the Nature paper are Cedric Orelle, Teresa Szal and Tanja Florin of UIC’s Center for Biomolecular Sciences and Erik Carlson of the department of chemical and biological engineering and the Chemistry of Life Processes Institute at Northwestern University.

The study was funded by the Defense Advanced Research Projects Agency, the National Science Foundation and the David and Lucille Packard Foundation Fellowship.


شاهد الفيديو: الريبوسوم مصنع البروتين في جسم الانسان. (كانون الثاني 2022).