A Hét 1990/2 (35. évfolyam, 27-52. szám)
1990-07-13 / 28. szám
TUDOMÁNY TECHNIKA A Svéd Királyi Akadémia 1989. évi kémiai Nobel-díját Thomas R. Cech és Sidney Altman egyesült államokbeli kutatók vehették át, akik elsőként tárták fel, hogy a ribonukleinsavak (RNS) nemcsak a genetikai (örökletes) információ szállítására képesek, hanem biológiai katalizátorként is fontos szerepük van. Mindkét kutató munkájának eredménye alapvető lépés a földi élet eredetének kutatásában. Azzal, hogy kimutatták, az RNS képes meggyorsítani a sejtekben lejátszódó egyes kémiai reakciókat, azaz katalitikus (enzimatikus) tulajdonsággal rendelkezik, naRNS jelenlétét és fontos szerepét az élet keletkezésénél már rég feltételezték, de a feltételezések most kaptak tényleges kísérleti alapot. A gondolat, hogy az élet a fehérjeszintézis megjelenése előtt az RNS-en alapult, még a hatvanas években felmerült, de a molekuláris biológusok csak most, a katalitikus RNS felfedezése után kezdtek el komolyan foglalkozni az „RNS világgal". 1981-ben a Nobel-díjas angol biokémikus, Francis Crick (nevét az tette ismertté, hogy 1953-ban James D. Watsonnal .együtt megfejtette az örökítő anyag, a DNS szerkezetét) Az élet mikéntje című könyvében még így irt: „Az élet eredetével foglalkozó legtöbb vegyész azt gyanítja, hogy az RNS volt az első, a DNS csak későbbi találmány. Az RNS kémiailag reaktívabb, mint a DNS, és ezek a hírvivő-RNS-szakaszok (mRNS) lesznek aztán a fehérjeszintézis irányítói a riboszómákon. Az RNS-nek szerkezeti szerepe is van. A riboszómák, amelyeken a fehérjeszintézis történik, struktuális RNS-böl (rRNS) és fehérjéből felépített szerkezetek. Az RNS-nek még egy fontos szerepe van a fehérjeszintézis során: betölti az aminosavak és a nekik megfelelő bázishármasok között a kapcsolóelem szerepét. Ezek az ún. transzfer-RNS-molekulák (tRNS) szállítják a riboszómákhoz az aminosavakat, ahol azok a növekvő polipeptidlánc végéhez kapcsolódnak. Néhány vírus, mint például az influenzavírus a genetikai információ tárolására használja az RNS-t DNS helyett. Egyes vírusok egyszálú RNS-t tartalmaznak, néhány pedig kettős szálút (pl. a reovirusok). Az 1989. évi kémiai Nobel-díj gyón valószínűvé vált, hogy az RNS-molekulák a földi biológiai evolúció korai időszakának főszereplői voltak. Az élet eredetének kérdése egyike a biológia legrégibb és legbonyolultabb problémáinak. A rejtély megoldása — ha egyáltalán valamikor ismertté válik — nem egyszerű ténymegállapítás lesz, hanem egy hosszú eseménysorozat időrendi leírása, a Föld keletkezésétől az első sejt megjelenéséig: A probléma azért is különösen összetett, mert nem léteznek közvetlen bizonyítékok arra, hogy mi ment végbe a Föld történetének első 1 milliárd évében. Az élet első jelei, az első sejtkövületek 3,6 milliárd évesek és azt bizonyítják, hogy ebben az időben már létezett élet a Földön. A ma élő szervezetek hosszú fejlődés eredményei és így kevés információt szolgáltatnak arról, hogy nézett ki az élet a genetikai kód és a fehérjeszintézis megjelenése előtt. Egyelőre az élet keletkezésével kapcsolatban csak a különféle hipotézisekre támaszkodhatunk. .Időről időre azonban, az élet keletkezése egyes részletkérdéseinek tanulmányozásánál, új ismeretek bukkannak fel, amelyek arra ösztönöznek, hogy az élet keletkezését az addigitól eltérő módon vizsgáljuk. Például, a ma már klasszikusnak számító Miller-Urey kísérlet (1953) látványosan igazolta az aminosavak jelenlétét a Föld őskorában. Harold Urey és Stanley Miller zárt rendszerben elektromos kisüléseket bocsátottak át metán-, ammónia-, hidrogén- és víztartalmú keveréken. Körülbelül egy hét után a rendszerben kis molekulájú szerves vegyületek egész sorát találták meg; közülük a minden fehérjében előforduló két aminosav, a glicin és alanin, jelentős mennyiségben volt jelen a keverékben. Egy másik kísérlet — a purinok szintézise hidrogéncianid polimerizációjával — azt igazolta, hogy az adenin, guanin és más purinok (a nukleinsavak alkotórészei) szintén jelen voltak az ősi Földön. A legújabb eredmények, amelyek új megvilágításba helyezték az élet keletkezésének kérdését, éppen Cech és Altman megfigyelései az RNS katalitikus tulajdonságával kapcsolatban. Az könnyebben is szintetizálódhatott a Föld őskorában uralkodó körülmények között. A legkorábbi gének feltehetőleg RNS-böl álltak. Csak később, ahogy a genetikai információ hosszúsága egyre növekedett, vált szükségessé, hogy a stabilabb DNS vegye át az irattári példány szerepét. Az élet földi megjelenési formája — úgy tűnik — e két makromolekula-rendszer egyesülésén alapszik. A fehérjék változatosságukkal és kémiai reakcíókészségükkel kiválóan képesek elvégezni mindenféle munkát, de önmaguk egyszerű replikálására képtelenek. A nukleinsavak számára viszont testre szabott feladat a replikáció, de másra aztán nem is igen képesek, szemben a jól felszerelt és kidolgozott fehérjékkel. Az RNS és a DNS az élet kívánatos, de buta szőke szépségei a faj továbbvitelének szolgálatában: a legtöbb igazán komoly tevékenységre alkalmatlanok. Az élet eredetének kérdését sokkal hathatósabban feszegethetnénk, ha a makromolekuláknak csak egy családja létezne, amely képes egyszerre mindkét feladat: a replikáció és a katalízis megoldására; az általunk ismert élet azonban két makromolekula-családon alapul. Mindez alighanem abból a tényből fakad, hogy nem is létezhet olyan makromolekula, amelynek mind a két funkció testhez áll. A szerves kémiának is vannak korlátái, azaz ilyen a dolgok természete." A könyv megszületése óta Cech és Altman munkája révén kiderült, hogy létezik olyan molekula, amelynek Crick szavaival élve „mind a két funkció testhez áll", azaz képes a genetikai információ tárolására és katalitikus feladat elvégzésére is: ez a ribonukleinsav (RNS). A mai szervezetek a következő célokra használják az RNS-t. Az RNS talán legfontosabb szerepe a sejten beiül a genetikai információ szállítása. Ezt a hírvivő- vagy messenger-RNS-molekulák végzik. A sejt a genetikai információt a DNS-ben tárolja, ami nem vesz részt közvetlenül a fehérjeszintézisben. A sejt a DNS adott szakaszáról „másolatot" készít RNS formájában; Az RNS újabb funkciójának, katalitikus tulajdonsága felfedezésének története a hetvenes évek derekán kezdődött, amikor az amerikai Cold Spring Harbor Laboratórium kutatói megfigyelték, hogy sok mRNS molekula, amelyek a genetikai információt szállítják a DNS-röl a fehérjeszintézis színhelyére, a riboszómákhoz, mielőtt lefordítódna a fehérjék nyelvére, bizonyos „érésen" megy keresztül: az elsődleges mRNS-molekulákból az érés során kivágódnak egyes szakaszok. Később, a molekuláris biológiai módszerek fejlődése lehetővé tette az mRNS hasítási helyeinek azonosítását a DNS és a neki megfelelő érett mRNS nuleotidsorrendjének analízisével. Manapság már általánosan elfogadott tény, hogy sok eukariota sejt „szaggatott" géneket tartalmaz, és lefordításuk a fehérjék nyelvére nem mehet végbe a róluk készült RNS-másolat „átszerveződése" nélkül. Walter Gilbert, a Harvard Egyetem kutatója a gén azon szakaszait, amelyek egyaránt átíródnak az RNS-be és a fehérjékbe, exonoknak nevezte el. Az exonok közé ékelődnek be a nem kódoló génszakaszok, az intronok. Az intronok felfedezése 1977-ben nagy meglepetés volt, addig a molekuláris biológusok azt tartották, hogy a gén a DNS egyszerű folytonos szakasza, amely egy fehérjét kódol. Az RNS szakaszai kivágódásának és újraszerkesztődésének mechanizmusát hosszú ideig homály fedte. Sidney Altman és munkatársai a Yale Egyetemen Eschericchia coli baktériumban vizsgálták az RNS „érésének" folyamatát. Megállapították, hogy az RNS hasítása és újraszerkesztése végbe mehet fehérjék jelenléte nélkül is. Általában az E. coli tRNS-ének prekurzorát egy olyan enzim hasítja fel, amely egy kis RNS-molekulát tartalmaz. Altmán és csoportja arra az eredményre jutott, hogy a kis RNS-molekula egyedül is képes helyesen hasítani a tRNS prekurzort és nincs szükség az enzim „fehérjerészének" a segítségére. Ez azért volt nagyon meglepő, mert a múltban elfogadottá vált az a megállapítás, hogy enzimek csak fehérjék lehetnek. Az enzimeknek az a feladatuk, hogy fokozzák a sejt létezéséhez szükséges kémiai reakciók sebességét. Habár azt a dogmát, hogy minden enzim fehérje, a hetvenes években többször megkérdőjelezték, utalva arra, hogy bizonyos RNS-ek is rendelkezhetnek enzimatikus tulajdonásokokkal, és sok enzim működéséhez szükséges bizonyos nukleotidok jelenléte (ezek az ún. koenzimek) — az áttörés csak a nyolcvanas években történt meg Altman és Cech munkássága révén. Thomas R. Cech és kollégái Boulderben, a Colorado Egyetemen az egysejtű Tetrahymena riboszomális RNS-ét (rRNS) vizsgálták. Megállapították, hogy az elsődleges RNS-átirat több átalakuláson megy keresztül: feldarabolódik, újraszerkesztödik, amíg kialakul a molekula „érett" formája, amelyből már hiányoznak az intronok, a fehérjét nem kódoló szakaszok. Cechék a folyamat mechanizmusát tanulmányozva minden kétséget kizáróan igazolták, hogy az RNS-ek önmagukat metszik ki, és szerkesztik újjá. Hasonló eVedményekre jutottak, amikor a Neuropora crassa gomba mitokondriális RNS-ét vizsgálták. Mivel az RNS elég stabil molekula, katalizátor hiányában a kötései nagyon lassan bomlanak fel. Az RNS érése során viszont a kötések felhasadásának sebességét az enzimek tizmilliárdszorosan gyorsítják. Az önmaga átalakulását meggyorsító (katalizáló) RNS-t ribozimnak nevezték el. Cech és Altman eredményei elősegítik az öröklődésí anyag szerveződésének, a genetikai szabályozásnak és a biológiai evolóció genetikai alapjainak a megértését is. Feltételezve, hogy az első információt tároló molekulák, vagy gének RNS-molekulák voltak, a hasítás és újraszerkesztés fontos folyamatok lehettek a sejt megjelenése előtti evolúcióban. Hogyan vált az RNS aminosavakat kódoló molekulává, rejtély. Valószínű hogy a használható genetikai információ a spontán keletkezett RNS molekulákban rövid „szaggatott" nukleotid szekvenciák formájában volt jelen. A primitiv, de működő peptidláncokat kódoló rövid RNS szakaszokat valószínűleg olyan szekvenciák szakították meg, amelyek nem tartalmaztak használható információt, ma ezeket intronokként ismerjük. Ezt a hipotézist megerősíti a „mai" gének felépítése (exonokból és intronokból). Az evolúció során aztán valószínűleg az RNS reverz transzkriptáz enzim segítségével átíródott DNS-be, ami az RNS-től stabilabb és így alkalmasabb a genetikai információ tárolására. Az RNS legfontosabb tulajdonsága, hogy egyetlen molekulában egyesíti a genotípust és fenotípust, azaz az RNS replikációja lehetővé teszi a darwini evolúció megvalósulását molekuláris szinten. A genetikai változatosság mutációk és az RNS által katalizált rekombinációs folyamatok eredménye. Ez a változatosság mint fenotípusok sora nyilvánul meg. Mivel különbségek lépnek fel a kémiai jellegükben, néhány RNS dominánssá válik a populációban, mig meg nem jelenik egy új változat még nagyobb szelekciós előnyökkel. A katalitikus RNS felfedezése és kettős szerepének megértése megnövelte az érdeklődést az RNS evolúciója és az élet keletkezése iránt. Itt az ideje, hogy az RNS evolúciójára az „RNS világot" megelőző kémia és az utána következő biológia egységében tekintsünk. FODOR ERVIN 16
