RNA maakt eiwit

Spectaculaire proeven wijzen uit, dat het nucleïnezuur RNA tot nog meer in staat is dan men de laatste tien jaar al wist. Het blijkt nu ook een katalytische rol te spelen bij het maken van eiwitten, een vondst die nu al de biochemische "ontdekking van het jaar' wordt genoemd.

M. M. Waldrop (1992), Finding RNA makes proteins gives "RNA world' a big boost. Science 256, 1396-1397.

N.R. Pace (1992), New horizons for RNA catalysis. Science 256, 1402-1403.

H.F. Noller et al. (1992), Unusual resistance of peptidyl transferase to protein extraction procedures. Science 256, 1416-1419.

J. Piccirilli et al. (1992), Aminoacyl esterase activity of the Tetrahymena ribosyme. Science 256, 1420-1424.

"DNA maakt RNA maakt eiwit'. Met die slogan valt de chemie van het leven op aarde aardig samen te vatten. Maar je moet hem niet al te letterlijk nemen. DNA "maakt' zelf allerminst RNA, het zijn enzymen (eiwitten) die daarvoor zorgen. Ook "maakt' die RNA kopie op haar beurt zelf geen eiwit, maar fungeert ze alleen maar als instructie voor gespecialiseerde fabriekjes, de ribosomen. De slogan geeft alleen maar aan hoe de genetische informatiestroom in de cel loopt: van DNA naar RNA naar eiwit.

Toch blijkt er wel degelijk waarheid te zitten in althans het tweede deel van de slagzin. Enkele weken geleden publiceerden onderzoekers in Amerika de resultaten van opmerkelijke proeven, die laten zien dat RNA letterlijk eiwit "maakt'. De belangrijkste stap in de eiwitsynthese wordt gekatalyseerd, niet door de eiwitten maar door RNA-moleculen in het ribosoom. Deze blijken geheel zelfstandig in staat om nieuwe aminozuren aan de groeiende eiwitketen te rijgen.

De vondst toont niet alleen aan dat RNA chemisch nog veel veelzijdiger is dan tot nu toe mocht worden aangenomen, hij vormt ook een bijzonder sterke nieuwe aanwijzing voor de "RNA wereld' waarmee het leven naar men denkt ooit is begonnen. Meer in het bijzonder suggereert hij hoe de samenwerking tussen RNA en eiwitten kan zijn ontstaan.

RNA wereld

Alle theorieën over het ontstaan van het leven op aarde gaan er tegenwoordig van uit dat niet DNA, maar RNA het eerste erfelijkheidsmolecule is geweest. Dat idee is niet nieuw, het dateert al uit de jaren zestig. De moleculair-biologen Francis Crick, Leslie Orgel en Carl Woese opperden het destijds, onafhankelijk van elkaar, vrijwel tegelijkertijd.

Het is niet moeilijk om te begrijpen waarom ze op dat idee kwamen. In de eerste plaats is DNA een passief en inert molecule dat zelf niets kan. De dubbele helix van DNA is weliswaar, zoals Watson en Crick al in 1953 opmerkten, een ideaal vehikel voor het opslaan, kopiëren en aflezen van erfelijke informatie, maar het moet wel worden geholpen. Er moeten gespecialiseerde eiwitten bij te pas komen, anders gebeurt er niets. Die "eiwithulp' bestaat enerzijds uit enzymen (biokatalysatoren) voor de verdubbeling (replicatie) van het DNA tijdens de celdeling en voor het aflezen van genen tot RNA, anderzijds uit eiwitten betrokken bij de regulatie van deze processen. Zonder de tussenkomst van eiwitten zou de genetische informatie doelloos in de celkern blijven liggen, zouden er geen genen kunnen worden afgelezen en zou de cel vrij snel doodgaan.

In moderne cellen is de verzorging van het DNA door eiwitten tot in de puntjes geregeld. Maar hoe zat het in de oudste, primitieve oercellen? Het probleem is er een van kip of ei. Voor de vermeerdering en het aflezen van DNA zijn eiwitten nodig, maar om eiwitten te maken is juist weer DNA vereist. De informatie voor de volgorde van de aminozuren in eiwitten ligt opgeslagen in de basenvolgorde van de genen. Een eerste cel kan dus nooit met DNA begonnen zijn, want dat zou al een hele werkende, DNA-afhankelijke eiwitmachinerie veronderstellen. En het is ook moeilijk in te zien hoe het leven met uitsluitend eiwitten begonnen kan zijn, want die zijn voor hun vorming afhankelijk van de informatie in de nucleïnezuren.

Vandaar dat Crick, Orgel en Woese eens verder rondkeken in de biochemie van de moderne cel. Als je die beschouwt, zie je dat de informatie in het DNA weliswaar wordt gebruikt voor het maken van alle eiwitten, maar dat bij die synthese de beide soorten moleculen nergens direct met elkaar in contact staan. Het eenrichtingsverkeer van informatie van DNA naar eiwit wordt verzorgd door een speciale bemiddelaar, het nucleïnezuur RNA.

RNA lijkt chemisch gezien sterk op DNA, maar er zijn belangrijke verschillen. DNA bestaat normaal gesproken uit een rigide, dubbele streng van miljoenen baseparen. RNA daarentegen is meestal enkelstrengs, veel korter, en in tegenstelling tot het monotone DNA-molecule in staat tot het maken van ingewikkelde driedimensionale strukturen. Waar de beide DNA-strengen altijd dezelfde saaie dubbele helix vormen door complementaire baseparing (vorming van zwakke chemische bindingen tussen respectievelijk de A's en T's en de C's en G's) over de hele linie, vouwt de enkele RNA-streng zich op door plaatselijke baseparing met zichzelf. RNA's vouwen zich op en nemen grillige ruimtelijke strukturen aan die doen denken aan die van eiwitten. Met hun gaten, groeven en uitsteeksels zijn ze daarom chemisch gezien veel reactiever, beter in staat om iets uit te voeren met andere moleculen.

Dat wisten Crick, Orgel en Woese in de jaren zestig nog niet, maar wat hen wel opviel was de centrale rol die het RNA in de cel speelt. De genen in het DNA worden, zoals elke middelbare scholier weet, overgeschreven tot boodschapper-RNA, dat als mal dienst doet voor het rijgen van aminozuurketens in de juiste volgorde. Het proces heet toepasselijk "translatie' (vertaling) en vindt plaats in gespecialiseerde fabriekjes in het celsap, de ribosomen, waarvan er in elke cel tienduizenden voorkomen. De ribosomen zijn deels uit eiwitten, deels ook weer uit RNA-moleculen samengesteld, ribosomale RNAs geheten. In de ribosomen worden de losse kralen voor de eiwitketens, de aminozuren, aaneengeregen in een volgorde gedicteerd door de basenvolgorde in het boodschapper-RNA.

Voor de daadwerkelijke koppeling tussen de beide volgordes is een derde soort RNA-moleculen verantwoordelijk, de transfer RNAs, kleine opgevouwen RNA-moleculen met aan de ene kant een kant-en-klaar aminozuur en aan de andere een plek die een "drieletterwoord' op het boodschapper-RNA herkent. In de kleine transfer-RNAs komen de werelden van de nucleïnezuren en de eiwitten samen.

RNA's spelen dus een drievoudige, centrale rol in de vertaling van DNA naar eiwit. Volgens Crick, Orgel en Woese suggereerde dat dat RNA betrokken was in het eerste samenspel tussen de eiwitten en de nucleïnezuren. Daarnaast was RNA ook een goede kandidaat voor het eerste erfelijkheidsmolecule. In principe kan het namelijk, net als DNA, worden gekopieerd door complementaire strengen te maken. Het leven, zo concludeerden de drie, moet zijn begonnen met een "RNA wereld'. DNA, beter geschikt voor lange-termijn opslag van informatie, zou pas later zijn "uitgevonden'.

RNA als enzym

In de jaren zestig en zeventig was deze gedachte, hoe plausibel ook, niet meer dan speculatie. Maar in de jaren tachtig kwam er een grote hoeveelheid aanwijzingen boven water die het idee van een vroegere RNA-wereld praktisch zeker maakte. En de jongste aanwijzingen dateren dus van nog maar enkele weken geleden.

Het begon allemaal in 1982 met de ontdekking, door de groep van Thomas Cech in Boulder, Colorado, dat een bepaald stukje RNA een reactie met zichzelf katalyseerde, met andere woorden zich gedroeg als een enzym. Het ging om een deel van een intron, een stukje in een gen dat niet codeert voor eiwit en dat uit het boodschapper-RNA moet worden weggeknipt. Veel, zo niet de meeste genen van "hogere' organismen (eukaryoten) bevatten van die "nonsens'-stukjes. Ze worden in de celkern, dus nog vóór transport naar de ribosomen in het celsap, uit het boodschapper-RNA verwijderd.

Het bijzondere van het door Cech onderzochte intron (van een gen uit een eencellig beestje, Tetrahymena) was nu, dat het zich helemaal zelf, dus zonder de hulp van eiwitten, uit de rest van het "zinvolle' boodschapper-RNA uitsneed en bovendien de losse stukken weer keurig aan elkaar vastplakte. Zoiets was nog nooit vertoond: RNA dat werkte als een enzym, terwijl volgens het heersende dogma enzymen altijd en immer eiwitten waren. Cech kon het zelf ook nauwelijks geloven en putte zich uit in een fraaie reeks proeven om zichzelf en zijn collega's te overtuigen. Die proeven lieten maar een conclusie toe: het intron werkte inderdaad als een "RNA-enzym'. In 1989 kreeg Cech voor zijn belangrijke ontdekking de Nobelprijs.

Na de doorbraak van Cech kwamen er al snel meer voorbeelden van RNA-moleculen die allerlei reacties katalyseren. Niet alleen, zoals het Tetrahymena-intron, reacties met zichzelf maar ook met andere moleculen, zij het wel steeds RNAs. Zo toonde Cech al vlug aan dat het Tetrahymena-intron individuele RNA-letters aan een ander RNA-molecule kan rijgen en dat het vreemde RNA-moleculen kan knippen.

Een andere belangwekkende ontdekking deed de Canadese onderzoeker Sidney Altman. Hij onderzocht ribonuclease P, een enzym dat een transfer-RNA uit de darmbacterie Eschericia coli door midden kan knippen. Ribonuclease P bestaat niet alleen uit eiwit, maar heeft ook een RNA-deel. Altman ontdekte dat dit RNA-deel ook op zichzelf, dus zonder hulp van het eiwitdeel de reactie uit kon voeren. Dus ook hier trad een RNA op als een enzym. Altman deelde voor deze vondst met Cech de Nobelprijs.

Het werk van Cech en Altman ging veel verder dan de indirecte aanwijzingen waarop Woese, Crick en Orgel zich een kwart eeuw eerder hadden gebaseerd. Ze hadden nu onomstotelijk aangetoond dat RNA veel meer kan dan alleen maar informatie opslaan en doorgeven: het kan ook ingewikkelde biochemische reacties katalyseren, zowel reacties met zichzelf als met andere RNA's.

Hiermee is de lijst argumenten voor een oorspronkelijke RNA-wereld nog niet uitgeput. RNA speelt in de biochemie van de moderne cel een reeks bijkomende rollen die elk voor zich sterk pleiten voor een oeroude functie. Zo is bij het kopiëren van DNA, het breien van een nieuwe streng op basis van de basenvolgorde van een bestaande, altijd een beginnetje ("primer') nodig bestaande uit RNA; is er bij het verwijderen van introns in de celkern een aparte klasse kleine RNA-moleculen betrokken; zijn er naast ribonuclease P nog andere enzymen met een RNA-deel, essentieeel voor hun functioneren; worden de bouwstenen voor DNA gemaakt uit de bouwstenen voor RNA en niet andersom; en zit er in vrijwel alle cellen reverse transcriptase, een enzym dat RNA in DNA omzet. Bovendien bestaan er nog tal van kleine RNA's waarvan de functie op dit moment nog duister is.

The medium is the message

Al deze RNA-functies wijzen in de richting van een oorspronkelijke rol van RNA als erfelijk materiaal. RNA lost het kip-of-ei probleem op omdat het de functies van "blauwdruk' en van "uitvoerder' in zich verenigt. De genen in het primitieve RNA, zo kan men zich voorstellen, waren hun eigen produkt. De vorm viel samen met inhoud, the medium was leterlijk the message. Waar het DNA alleen maar instructies bevat voor het maken voor gespecialiseerdeiwit-gereedschap, kunnen in RNA de gereedschapstukken zelf aan elkaar worden geregen.

Pas na verloop van tijd moet de samenwerking van RNA met aminozuren en eiwitten zijn ontstaan. De grote vraag is: hoe? Hoe is er een betekenisvol semantisch verband ontstaan tussen, enerzijds, volgordes van RNA-letters en, anderzijds, volgordes van aminozuren?

Dit is het probleem van de oorsprong van de genetische code en de eiwitsynthese. Het is een gigantisch ingewikkeld historisch vraagstuk, dat bij gebrek aan gegevens misschien wel nooit geheel zal worden opgelost. Een belangrijk struikelblok bijvoorbeeld is de vraag, op welke wijze de ingewikkelde machinerie van de eiwitsynthese ooit ontstaan kan zijn zonder hulp van eiwit-enzymen.

Maar de nieuwe ontdekking werpt opeens een verrassend licht op deze vraag. Twee Amerikaanse groepen lieten, onafhankelijk van elkaar in hetzelfde nummer van het tijdschrift Science, zien dat RNA in staat is om reacties te katalyseren in de eiwitsynthese. Eén groep, die van Harry Noller van de Universiteit van Californië in Santa Cruz, werkte met ribosomaal RNA zelf. De andere, uit het laboratorium van Cech, werkte met diens beproefde Tetrahymena intron-RNA.

Om met deze laatste groep te beginnen: het intron-RNA blijkt in staat om specifiek de binding te verbreken tussen het transfer-RNA en het daaraan gekoppelde aminozuur, wanneer dat in de groeiende eiwitketen is ingebouwd. Het gaat dus om een reactie, juist op het enige punt waar de werelden van RNA en eiwitten elkaar raken. De vondst is extra opmerkelijk omdat het intron-RNA normaal gesproken niets te maken heeft met de eiwitsynthese.

De groep van Noller keek naar de RNA-component van het ribosoom zelf. De strategie was, om het ribosoom zo veel mogelijk te ontdoen van al zijn eiwitcomponenten en na te gaan in hoeverre het daarna nog in staat was om zijn werk te doen. Ribosomen bestaan uit drie ribosomale RNA's die samen ongeveer 60% van de massa uitmaken, de rest bestaat uit (enige tientallen) eiwitten. Noller en zijn medewerkers schakelden al deze eiwitten uit met agressieve chemicaliën en presto: het overblijvende RNA bleek nog steeds heel efficiënt in staat om nieuwe aminozuren aan de groeiende keten te rijgen.

Dit is door collega's begroet als een "absoluut verbijsterend resultaat'. RNA dat een reactie katalyseert, niet met ander RNA maar met aminozuren, een totaal andere klasse moleculen die geheel verschillende chemische bindingen aangaan, dat is groot nieuws. Eén commentator in Science noemde de ontdekking nu al "de ontdekking van het jaar'.

Het resultaat van Noller is weliswaar nog niet helemaal sluitend, om dat niet met 100% zekerheid kan worden uitgesloten dat er nog ergens een rest eiwit in de "uitgeklede' ribosomen is achtergebleven dat voor de reactie verantwoordelijk zou zijn. Maar erg waarschijnlijk is dit niet, en de verwachtingen zijn dan ook dat de katalytische eigenschappen van ribosomaal RNA echt zijn.

Het resultaat van Noller en de zijnen bevestigt de bevindingen van eerder onderzoek, waaruit bleek dat de werking van het ribosoom kritisch afhankelijk is van de basenvolgorde in het ribosomale RNA. Mutaties in dat RNA leiden eerder tot een niet-functioneel ribosoom dan mutaties in de genen voor de ribosomale eiwitten.

De resultaten van de groepen van Noller en Cech tonen aan dat RNA qua chemische veelzijdigheid maar weinig hoeft onder te doen voor eiwitten. Dat maakt een oorspronkelijke centrale rol voor RNA als erfelijkheidsmolecule èn als biokatalysator nog waarschijnlijker. Nu blijkt dat RNA niet alleen in staat is om RNA te manipuleren maar ook eiwit, is ineens in principe voorstelbaar hoe de primitieve RNA wereld zich geleidelijk heeft uitgebreid tot een RNA-eiwit wereld en, in een nog later stadium, tot de DNA-RNA-eiwit wereld die we nu kennen. De details ontbreken nog, maar een groot conceptueel struikelblok is ten minste uit de weg geruimd.