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Neues aus dem Ribozym-Labor

von Harald Binder

Studium Integrale Journal
8. Jahrgang / Heft 1 - April 2001
Seite 38 - 39



Ribonukleinsäuren (RNA), die enzymatische Aktivitäten zeigen (welche typischerweise vorher nur von Proteinen bekannt waren) sind von Cech & Altman und ihren Mitarbeitern beschrieben worden; beide wurden für ihre Arbeiten 1989 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Aufgrund dieser spektakulären und weiterer darauf gründender Befunde wurde das Modell der "RNA-Welt" entwickelt, eine hypothetische frühe Etappe im Zusammenhang mit Vorstellungen zur Lebensentstehung.

Jetzt haben Schultes & Bartel (2000) auf der Basis eines synthetischen und in Evolutionsexperimenten selektierten Ribozyms mit Ligaseaktivität (verknüpft Oligonukleotide mit dem eigenen 5'-Ende) und einem selbstspleißenden Ribozym aus Hepatitis Delta Viren (HDV) ein Experiment konzipiert, in dem sie zeigen, daß ein und dieselbe Primärstuktur (Sequenz) von Polynukleotiden verschiedene Sekundärstrukturen ausbilden und damit unterschiedliche enzymatische Aktivitäten entfalten kann. Die beiden als Ausgangsverbindungen für das Experiment gewählten Ribozyme katalysieren ganz unterschiedliche Reaktionen: die Ligase die Bildung einer 2'5'-Phosphodiesterbindung, während das HDV-Ribozym 3'5'-Phosphodiesterbindungen spaltet. Der Sequenzvergleich beider Ribozyme ergibt eine Übereinstimmung < 25 %. Das entspricht einem zufälligen Ergebnis.

Eine auf der Basis dieser beiden Sequenzen neukonstruierte Sequenz, eine "Schnittsequenz" ("intersection sequence"), konnte in zwei verschiedenen Sekundärstrukturen erzeugt werden, nämlich einer der Ligase und eine dem HDV-Ribozym entsprechenden. Die beiden Ribozyme mit identischer Sequenz katalysieren tatsächlich die Ligase- und die Spleißreaktion. Die Spaltungsreaktion war ca. 70fach, die Bindungsknüpfung ca. 460fach schneller im Vergleich zur jeweils unkatalysierten Reaktion. Das neue Ribozym mit der "Schnittsequenz" mit seiner Fähigkeit, zwei unterschiediche Sekundärstrukturen auszubilden, liegt sozusagen auf einer Kreuzung zwischen zwei Ribozymfaltungen. Es zeigt zwar geringere Aktivität als die spezialisierten Prototypen, aber es katalysiert beide Reaktionen.

Des weiteren konnten die Autoren zeigen, daß aus dem neukonstruierten Ribozym in 42 Mutationsschritten (39 Basensubstitutionen, eine Einpunkt-Deletion und zwei Einbasen-Insertionen) die Ligase, bzw. in 44 Mutationsschritten (40 Substitutionen, eine Deletion und drei Insertionen) die Prototypen (die beiden Ausgangs-Ribozyme) erzeugt werden können und zwar so, daß nach jeweils einem Mutationsschritt eine nachweisbar erhöhte enzymatische Aktivität nachweisbar ist. (statt: deren Intensität deutlich gesteigert ist). Jede der gewählten Mutanten ist aktiv, Varianten ohne bzw. mit geringer Aktivität wurden ausgeschlossen. Schultes & Bartel haben einen Weg von der "Schnittsequenz" zu den Prototypen gefunden, indem sie je Schritt maximal zwei Mutationen ausgeführt haben. Dabei wurde fast die Hälfte der Nukleotide ausgetauscht. Nach jeweils 3 Mutationen - ausgehend von der "Schnittsequenz" - finden sich für beide Ribozyme immer Varianten, die ± 10 % von der Aktivität der Prototypen abweichen. Die Aktivität (ist hier nicht der Unteschied in der Aktivität gemeint?) für die jeweils zweite Reaktion ist bereits nach dem ersten Mutationsschritt unter der Nachweisgrenze.

Mit diesen Experimenten ist demonstriert worden, daß bei Nukleotidsequenzen mit einer gegebenen Primärstruktur unterschiedliche Sekundärstrukturen mit jeweils unterschiedlicher enzymatischer Aktivität ausgeprägt werden können. Bei Proteinen mit den 20 verschiedenen proteinogenen a-Aminosäuren ist dieses Phänomen im Prinzip auch bekannt, nämlich bei Prionen (Prusiner 1999). Allerdings scheint dort das Phänomen aufgrund der charakteristischen Eigenschaften der Aminosäuren deutlich weniger ausgeprägt zu sein (d.h. der Freiheitsgrad ist bei Proteinen geringer).

Die Autoren haben mit dieser Arbeit einen ersten experimentellen Beleg für einen theoretischen Ansatz von Fontana & Schuster (1998) geliefert. Dieser geht von der Existenz verschiedener, miteinander verwobener Netzwerke aus, die in diesem Fall durch Sequenzräume repräsentiert sind. Das Ribozym mit einer Primärstruktur und zwei verschiedenen enzymatischen Aktivitäten stellt einen solchen Schnittpunkt zwischen solchen Netzwerken dar.

Schultes & Bartel sehen in dieser Flexibilität der RNA und dem von ihnen demonstrierten Schnittpunkt von Ribozym-Netzwerken einen Hinweis darauf, daß RNA ein attraktives Biopolymer für die Entstehung neuer funktioneller Faltungen in der ersten Evolutionsphase darstellt.

Bewertung: Diese Experimente demonstrieren sehr eindrucksvoll das vermutlich noch lange nicht ausgeschöpfte Potential von Nukleinsäuresystemen. Solche faszinierenden Erkenntnisse können allerdings nicht darüber hinwegtäuschen, daß bevor Ribozyme im Zusammenhang mit Modellen zur Lebensentstehung wirksam werden können, diese bzw. weniger komplex strukturierte Analoga zuvor synthetisiert werden müssen. Bis heute liegt kein plausibles, durch Experimente gestütztes Konzept für eine Synthese unter unspezifischen, präbiotischen Bedingungen vor. In den von Schultes & Bartel beschriebenen Experimenten ist für die Etablierung und Selektion der geeigneten Ribozyme umfangreiches Vorwissen und ein System mit fein abgestimmten Randbedingungen vonnöten. Die Autoren machen keine Aussagen darüber, wie Aktivitätstests, die Bewertung der Resultate und deren Umsetzung in der Selektion in einer präbiotischen Situation funktioniert haben sollen. Es bleiben also bei aller Faszination viele entscheidende Fragen offen.



Literatur

  • Fontana W & Schuster P (1998) Continuity in Evolution: On the nature of transitions. Science, 280, 1451-1455. (s. auch dort zitierte Literatur)
  • Prusiner SB (1997) Prion diseases and the BSE crisis. Science 278, 245-251.
  • Schultes EA &Bartel DP (2000) One sequence, two ribozymes: implications for the emergence of new ribozyme folds. Science 289, 448-452. (s. auch den einführenden Kommentar: Joyce GF (2000) Ribozyme evolution at the crossroads. Science 289, 401-402.)


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