Alle levende wezens hebben eiwitten nodig voor verschillende functies. Binnen cellen definiëren wetenschappers ribosomen als de makers van die eiwitten. Ribosomaal DNA (rDNA), daarentegen, dient als de genetische voorlopercode voor die eiwitten en vervult ook andere functies.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Ribosomen dienen als eiwitfabrieken in de cellen van organismen. Ribosomaal DNA (rDNA) is de voorlopercode voor die eiwitten en heeft andere belangrijke functies in de cel.
Wat is een ribosoom?
Men kan definiëren ribosomen als moleculaire eiwitfabrieken. In zijn meest simplistische zin is een ribosoom een soort organel dat wordt aangetroffen in de cellen van alle levende wezens. Ribosomen kunnen beide vrij in de cytoplasma van een cel, of kan zich op het oppervlak van de endoplasmatisch reticulum (ER). Dit deel van het ER wordt het ruwe ER genoemd.
Eiwitten en nucleïnezuren omvatten ribosomen. De meeste hiervan komen uit de nucleolus. Ribosomen zijn gemaakt van twee subeenheden, de ene groter dan de andere. In eenvoudiger levensvormen zoals bacteriën en archaebacteriën zijn de ribosomen en hun subeenheden kleiner dan in meer geavanceerde levensvormen.
In deze eenvoudigere organismen worden de ribosomen 70S-ribosomen genoemd en zijn ze gemaakt van een 50S-subeenheid en een 30S-subeenheid. De "S" verwijst naar de sedimentatiesnelheid voor moleculen in een centrifuge.
In meer complexe organismen zoals mensen, planten en schimmels zijn ribosomen groter en worden ze 80S-ribosomen genoemd. Die ribosomen bestaan respectievelijk uit een 60S- en een 40S-subeenheid. mitochondriën bezitten hun eigen 70S-ribosomen, wat duidt op een oude mogelijkheid dat eukaryoten mitochondriën als bacteriën consumeerden, maar ze als nuttige symbioten hielden.
Ribosomen kunnen uit wel 80 eiwitten bestaan, en een groot deel van hun massa komt van ribosomaal RNA (rRNA).
Wat doen ribosomen?
De hoofdfunctie van een ribosoom is om eiwitten op te bouwen. Het doet dit door een code te vertalen die is gegeven vanuit de celkern via mRNA (boodschapper ribonucleïnezuur). Met behulp van deze code zal het ribosoom grenzen aan aminozuren die er door worden gebracht tRNA (transfer ribonucleïnezuur).
Uiteindelijk zal dit nieuwe polypeptide worden vrijgegeven in het cytoplasma en verder worden gemodificeerd als een nieuw, functionerend eiwit.
Drie stappen van eiwitproductie
Hoewel het gemakkelijk is om ribosomen over het algemeen te definiëren als eiwitfabrieken, helpt het om de werkelijke stappen van eiwitproductie. Deze stappen moeten efficiënt en correct worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat er geen schade aan een nieuw eiwit optreedt.
De eerste stap van eiwitproductie (ook bekend als vertaling) wordt genoemd initiatie. Speciale eiwitten brengen mRNA naar de kleinere subeenheid van een ribosoom, waar het via een spleet binnenkomt. Vervolgens wordt tRNA klaargemaakt en door een andere spleet gebracht. Al deze moleculen hechten zich vast tussen de grotere en kleinere subeenheden van het ribosoom, waardoor een actief ribosoom ontstaat. De grotere subeenheid werkt voornamelijk als katalysator, terwijl de kleinere subeenheid als decoder werkt.
De tweede stap, verlenging, begint wanneer het mRNA wordt "gelezen". Het tRNA levert een aminozuuren dit proces herhaalt zich, waardoor de keten van aminozuren wordt verlengd. De aminozuren worden uit het cytoplasma gehaald; ze worden geleverd door voedsel.
Beëindiging vertegenwoordigt het einde van de eiwitproductie. Het ribosoom leest een stopcodon af, een sequentie van het gen dat het instrueert om de eiwitopbouw te voltooien. Eiwitten die afgiftefactor-eiwitten worden genoemd, helpen het ribosoom om het volledige eiwit in het cytoplasma af te geven. De nieuw vrijgekomen eiwitten kunnen vouwen of worden gemodificeerd in post-translationele modificatie.
Ribosomen kunnen met hoge snelheid werken om aminozuren samen te voegen, en kunnen er soms 200 per minuut samenvoegen! Grotere eiwitten kunnen een paar uur duren om te bouwen. De eiwitten die ribosomen maken, vervullen essentiële functies voor het leven, ze vormen spieren en andere weefsels. De cel van een zoogdier kan maar liefst 10 miljard eiwitmoleculen en 10 miljoen ribosomen bevatten! Wanneer ribosomen hun werk voltooien, vallen hun subeenheden uit elkaar en kunnen ze worden gerecycled of afgebroken.
Onderzoekers gebruiken hun kennis van ribosomen om nieuwe antibiotica en andere medicijnen te maken. Er bestaan bijvoorbeeld nieuwe antibiotica die een gerichte aanval uitvoeren op de 70S-ribosomen in bacteriën. Naarmate wetenschappers meer leren over ribosomen, zullen ongetwijfeld meer benaderingen van nieuwe medicijnen worden ontdekt.
Wat is ribosomaal DNA?
ribosomaal DNA, of ribosomaal deoxyribonucleïnezuur (rDNA), is het DNA dat codeert voor ribosomale eiwitten die ribosomen vormen. Dit rDNA vormt een relatief klein deel van het menselijk DNA, maar zijn rol is cruciaal voor verschillende processen. Het meeste RNA dat in eukaryoten wordt gevonden, is afkomstig van ribosomaal RNA dat werd getranscribeerd van rDNA.
Deze transcriptie van rDNA wordt geïnstateerd tijdens de celcyclus. Het rDNA zelf komt van de nucleolus, die zich in de celkern bevindt.
Het rDNA-productieniveau in cellen varieert afhankelijk van stress en nutriëntenniveaus. Wanneer er verhongering is, daalt de transcriptie van rDNA. Wanneer er overvloedige bronnen zijn, neemt de rDNA-productie toe.
Ribosomaal DNA is verantwoordelijk voor het regelen van het metabolisme van cellen, genexpressie, reactie op stress en zelfs veroudering. Er moet een stabiel niveau van rDNA-transcriptie zijn om celdood of tumorvorming te voorkomen.
Een interessant kenmerk van rDNA is de grote reeks herhaalde genen. Er zijn meer rDNA-herhalingen dan nodig voor rRNA. Hoewel de reden hiervoor onduidelijk is, denken onderzoekers dat dit te maken kan hebben met de behoefte aan verschillende snelheden van eiwitsynthese als verschillende ontwikkelingspunten.
Deze repetitieve rDNA-sequenties kunnen leiden tot problemen met de genomische integriteit. Ze zijn moeilijk te transcriberen, te repliceren en te repareren, wat op zijn beurt leidt tot algehele instabiliteit die tot ziekten kan leiden. Wanneer rDNA-transcriptie met een hogere snelheid plaatsvindt, is er een verhoogd risico op breuken in het rDNA en andere fouten. Regulering van repetitief DNA is belangrijk voor de gezondheid van het organisme.
De betekenis voor rDNA en ziekte
Problemen met ribosomaal DNA (rDNA) zijn betrokken bij een aantal ziekten bij mensen, waaronder neurodegeneratieve aandoeningen en kanker. Wanneer er meer is instabiliteit van rDNA, problemen optreden. Dit komt door de herhaalde sequenties die in rDNA worden gevonden, die vatbaar zijn voor recombinatiegebeurtenissen die mutaties opleveren.
Sommige ziekten kunnen optreden door verhoogde rDNA-instabiliteit (en slechte ribosoom- en eiwitsynthese). Onderzoekers hebben ontdekt dat cellen van patiënten met het Cockayne-syndroom, het Bloom-syndroom, het Werner-syndroom en ataxie-telangiëctasie een verhoogde rDNA-instabiliteit bevatten.
DNA-herhalingsinstabiliteit wordt ook aangetoond in een aantal neurologische ziekten zoals de ziekte van Huntington, ALS (amyotrofische laterale sclerose) en frontotemporale dementie. Wetenschappers denken dat rDNA-gerelateerde neurodegeneratie voortkomt uit hoge rDNA-transcriptie die rDNA-schade en slechte rRNA-transcripten oplevert. Ook problemen met de productie van ribosoom kunnen een rol spelen.
Een aantal solide tumor kankers toevallig herschikkingen van rDNA vertonen, waaronder verschillende herhalingssequenties. De aantallen rDNA-kopieën beïnvloeden hoe ribosomen worden gevormd en dus hoe hun eiwitten zich ontwikkelen. Verhoogde eiwitproductie door ribosomen geeft een aanwijzing voor het verband tussen ribosomale DNA-herhalingssequenties en tumorontwikkeling.
De hoop is dat roman kanker er kunnen therapieën worden gemaakt die misbruik maken van de kwetsbaarheid van tumoren als gevolg van repetitief rDNA.
Ribosomaal DNA en veroudering
Wetenschappers hebben onlangs bewijs gevonden dat rDNA ook een rol speelt bij veroudering. Onderzoekers ontdekten dat naarmate dieren ouder worden, hun rDNA een epigenetische verandering ondergaat, genaamd methylering. Methylgroepen veranderen de DNA-sequentie niet, maar ze veranderen hoe genen tot expressie worden gebracht.
Een andere mogelijke aanwijzing bij veroudering is de vermindering van rDNA-herhalingen. Meer onderzoek is nodig om de rol van rDNA en veroudering op te helderen.
Naarmate wetenschappers meer leren over rDNA en hoe het ribosomen en eiwitontwikkeling kan beïnvloeden, blijft er geweldig belofte voor nieuwe medicijnen om niet alleen veroudering te behandelen, maar ook schadelijke aandoeningen zoals kanker en neurologische aandoeningen.