In de eiwitfabriek

Amerikaanse wetenschappers hebben de eiwitfabriek van de cel, het ribosoom, voor het eerst tot in detail in kaart gebracht. Het ribosomaal rna blijkt de motor achter de eiwitsynthese.

`It's an RNA-world', roept biochemicus Thomas Cech al twee decennia. De Amerikaan kreeg in 1989 samen met Sidney Altman de Nobelprijs voor zijn ontdekking dat niet alleen eiwit, maar ook RNA een enzym kan zijn. Enzymen zijn moleculen met een katalysatorfunctie, ze versnellen biochemische reacties. De meestvoorkomende enzymen in levende wezens zijn eiwitten, maar Cech vermoedde ook een belangrijke rol voor RNA. Hij heeft deze week dubbel en dwars gelijk gekregen. Niet een eiwit-enzym maar RNA-enzym in de ribosomen zorgt ervoor dat aminozuren zich in de juiste volgorde aaneenschakelen tot een eiwit, blijkt uit gedetailleerd structuuronderzoek van het ribosoom (Science, 11 augustus). Aan Cech de eer om er een triomfantelijk commentaar bij te schrijven.

Ribosomen zijn de kleine eiwitfabriekjes in de cel. Op elektronenmicroscopische foto's zijn ze zichtbaar als kleine zwarte bolletjes, los ronddobberend of gebonden aan membranen in de cel. Alle celeiwitten worden op rivosomen gemaakt. De erfelijke informatie uit het DNA wordt in de celkern overgeschreven naar boodschapper-RNA (m-RNA). Dit boodschapper-RNA verlaat de kern en vervoegt zich bij een van de ribosomen in de cel. Daar wordt de genetische informatie vertaald in een aminozuurketen waaruit een eiwit wordt opgebouwd. Op deze manier zorgt de cel ervoor dat de juiste eiwitten worden aangemaakt.

Het ribosoom bestaat uit twee aparte eenheden. De kleinste eenheid, 30S, bindt het boodschapper-RNA en ook het transfer-RNA dat een bepaald aminozuur aandraagt dat aan de aminzuurketen moet worden toegevoegd. De eigenlijke eiwitsynthese vindt plaats in de grote eenheid, het 50S. Dit ribosoomonderdeel hebben onderzoekers onder leiding van Thomas Steitz van het Howard Hughes Medical Institute nu in detail bestudeerd. Zij gebruikten ribosomen van de zoutminnende bacterie Haloarcula marismortui.

De 50S-eenheid van deze bacterie bestaat uit twee ribosomale RNA-moleculen en eenendertig eiwitten. Lang dacht men dat de eiwitten de belangrijkste component van het ribosoom vormen, maar sinds de ontdekking van Cech en Altman dat ook RNA een enzymatische rol speelt, vermoedde men steeds sterker dat dit molecuul het reactieve centrum van het ribosoom vormt. Nu hebben wetenschappers dat voor het eerst onomstotelijk aangetoond.

slap rna

Steitz en zijn collega's konden details waarnemen van 2,4 Ångström (een Ångström is een tienmiljoenste van een millimeter), net te weinig om de afzonderlijke atomen te kunnen zien, maar genoeg om de `slingers' van de RNA- en eiwitmoleculen in hun juiste oriëntatie te kunnen waarnemen. Uit het onderzoek blijkt dat de eiwitten zich op geruime afstand (minimaal 18 Ångström) van de plaats van de eiwitsynthese bevinden. Alleen een lus van het grootste RNA-molecuul is dichtbij genoeg om de reactie te kunnen katalyseren. De omringende eiwitten helpen echter wel bij het ondersteunen, stabiliseren en oriënteren van het slappe RNA, zodat het binnen het ribosoom zijn specifieke reactieve vorm krijgt. Deze verwevenheid met begeleidende eiwitten verklaart waarom wetenschappers niet eerder aan konden tonen dat de katalytische activiteit van het ribosoom alleen van het RNA afkomstig was.

De Amerikanen onderzochten het ribosoom door een bundel röntgenstraling met een extreem hoge energie door een kristal van het ribosoom te jagen. Daardoor ontstaat een kenmerkend interferentiepatroon waaruit de ruimtelijke positie van de afzonderlijke atomen is af te leiden. Eén van de grote moeilijkheden bij deze techniek is, dat er een gaaf kristal van het te onderzoeken molecuulcomplex voor nodig is. Alleen in een kristal zitten de atomen in zo'n regelmatig rooster dat er interferentie op kan treden. Het is nu voor het eerst gelukt om zo'n ingewikkeld molecuulcomplex zo gedetailleerd in kaart te brengen, een resultaat waar de wetenschappers – inclusief Cech – bijzonder trots op zijn.

zelfreplicerend

Nu de structuur bekend is, duikt meteen de waarom-vraag op. Waarom gebruikt de natuur RNA als enzym om eiwitten te maken, vraagt Cech zich af. Het antwoord kan in het ontstaan van het leven liggen. Een theorie daarvoor is dat zelfreplicerende moleculen aan de basis van het leven stonden, bijvoorbeeld RNA. Het RNA dat nu als eiwitproducerend enzym aanwezig is in alle levende organismen kan daar een relict van zijn. Of dat werkelijk, blijft speculatie.

Maar volgens Cech zijn er ook chemische redenen aan te voeren waarom de natuur soms RNA als enzym verkiest boven eiwitten. De partners van het enzym in de eiwitsynthese zijn ook RNA-moleculen; boodschapper-RNA voor de aanlevering van de genetische informatie en transfer-RNA voor de aanlevering van aminozuren. RNA-moleculen kunnen elkaars structuur bijzonder goed onderscheiden door de vorming van basenparen, tripletten en andere interacties. Daarbij is het RNA-molecuul soepel genoeg om grote vormveranderingen te ondergaan die nodig zijn voor de eiwitsynthese. De onderzoekers tasten overigens nog in het duister over hoe vanuit een oer-RNA-enzym dat willekeurige eiwitten maakt, de evolutie is verlopen naar de geavanceerde ribosomen die tegenwoordig in elk levend organisme de eiwitten maken.