Ribosomal RNA, หรือที่รู้จักกันในชื่อ rRNA, ประกอบขึ้น 50% ของเนื้อหา RNA ทั้งหมดในเซลล์ทั่วไปและเป็นองค์ประกอบสำคัญของไรโบโซม. มีอยู่ในสามประเภทหลัก – 5ส, 5.8ส, 16ส, และ 28S rRNA ในยูคาริโอตหรือ 5s, 16ส, และ 23S rRNA ใน prokaryotes. ร่วมกับ ribosomal และโปรตีนที่เกี่ยวข้องอื่น ๆ, โมเลกุล rRNA เหล่านี้พับขึ้นและประกอบเข้าไปในโครงสร้างลักษณะของหน่วยย่อย ribosomal ขนาดเล็กและขนาดใหญ่.
นอกเหนือจากการให้นั่งร้านทางกายภาพส่วนใหญ่สำหรับสถาปัตยกรรมไรโบโซม, ภูมิภาคการทำงานที่แตกต่างกันภายในโมเลกุล rRNA ที่หลากหลายช่วยอำนวยความสะดวกในกระบวนการหลักของการแปลโดยตรง. 16S และ 23S RRNAs ตั้งอยู่ในหน่วยย่อย 30S ขนาดเล็กที่พวกเขารับรู้ codons การเริ่มต้นเกี่ยวกับ mRNA และรับสมัครปัจจัยการแปลอื่น ๆ. ลำดับการอนุรักษ์ของพวกเขาเป็นกระเป๋าโมเลกุลที่จับคู่นิวคลีโอไทด์ผู้ส่งสารอย่างแม่นยำสำหรับการถอดรหัสข้อความทางพันธุกรรมครั้งแรก.
ในขณะเดียวกัน, ศูนย์ตัวเร่งปฏิกิริยาภายใน 23s และ 28s rrNAs ในหน่วยย่อย 60s ขนาดใหญ่ขับเคลื่อนการก่อตัวของพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนที่เข้ามา. ผ่านชุดของการโจมตีนิวคลีโอฟิลิกและการถ่ายโอนโปรตอน, โดเมน rRNA ที่ใช้งานได้เหล่านี้เข้าร่วมกลุ่มคาร์บอกซิลของกรดอะมิโนหนึ่งตัวไปยังกลุ่มอะมิโนของอีกกลุ่มหนึ่ง, พอลิเมอร์โปรตีนใหม่. ภูมิภาค rRNA อื่น ๆ ช่วยรักษาเสถียร (tRNAs) ในระหว่างการยืดตัว.
rRNA มีบทบาทอย่างไรในไรโบโซม?
Ribosomal RNA, เรียกอีกอย่างว่า rRNA, ทำขึ้นรอบ ๆ 60% ของไรโบโซมทั้งหมด. ให้บริการทั้งฟังก์ชั่นโครงสร้างและตัวเร่งปฏิกิริยา. โมเลกุล rRNA ต่างๆให้นั่งร้านทางกายภาพที่เก็บหน่วยย่อยของไรโบโซมสองตัวเข้าด้วยกัน.
นอกจากนี้, ภูมิภาคเฉพาะของ rRNA มีการใช้งานเอนไซม์และอำนวยความสะดวกโดยตรงปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมโยงกรดอะมิโนเข้าด้วยกันในระหว่างการประกอบโปรตีน. ไม่มี rRNA, ไรโบโซมจะไม่มีสถาปัตยกรรม 3 มิติที่เหมาะสมหรือความสามารถทางชีวเคมีในการปฏิบัติหน้าที่ในการผลิตโปรตีน.
การเริ่มต้นการแปลเกิดขึ้นบนไรโบโซมได้อย่างไร?
ขั้นตอนแรกที่สำคัญในการสังเคราะห์โปรตีนคือการเริ่มต้นการแปล. สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับหน่วยย่อย ribosomal ขนาดเล็กที่มีผลผูกพันกับ codon เริ่มต้นของ Messenger RNA (เอ็มอาร์เอ็นเอ) ด้วยความช่วยเหลือของปัจจัยการเริ่มต้น.
16S rRNA ภายในหน่วยย่อยขนาดเล็กจดจำและคู่กับลำดับ Shine-Dalgarno บน mRNA, ปล่อยให้มันเลื่อนเข้าสู่ตำแหน่ง. 16S rRNA นี้ทำหน้าที่เป็นเครื่องอ่านบาร์โค้ดโมเลกุลเพื่อค้นหาไซต์เริ่มต้นได้อย่างถูกต้อง.
จะเกิดอะไรขึ้นต่อไปในกระบวนการแปล?
เมื่อการเริ่มต้นการแปลเสร็จสมบูรณ์, การยืดตัวสามารถเริ่มต้นได้. หน่วยย่อย ribosomal ขนาดใหญ่เข้าร่วมกับหน่วยเล็ก ๆ ด้วยความช่วยเหลือของปัจจัยการยืดตัว.
ถ่ายโอน RNA (tRNA) โมเลกุลที่มีกรดอะมิโนเปิดใช้งานจะถูกจับคู่กับ codons mRNA. 23S rRNA ในหน่วยย่อยขนาดใหญ่กระตุ้นการก่อตัวของพันธะเปปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนที่เข้ามาและโซ่โพลีเปปไทด์ที่กำลังเติบโต.
กระบวนการของ aminoacylation นี้, การเลือก, การก่อตัวที่พักและการสร้างพันธะเปปไทด์ซ้ำตัวเองตามเทมเพลต mRNA จนกว่าจะถึง codon หยุดและการยกเลิกการแปลเกิดขึ้น.
ประเภท rRNA ที่แตกต่างกันอย่างไร?
ไรโบโซมทั้งหมดมีประเภทโมเลกุล rRNA ที่แตกต่างกันซึ่งใช้โครงสร้างลำดับสูงกว่าและจัดระเบียบอย่างแม่นยำภายในหน่วยย่อยเพื่อทำหน้าที่ไม่ซ้ำซ้อน. ในแบคทีเรียส่วนใหญ่, สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วย 5s, 16S และ 23S rrNAs ในขณะที่ยูคาริโอตมีพันธุ์ 5.8s และ 28s. การวิเคราะห์ทางชีวเคมีได้เปิดเผยคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของแต่ละรายการ:
5s rRNA – ก 120 นิวคลีโอไทด์ RNA ที่จับโปรตีน ribosomal และพับเป็นชุด 5-helix ขนาดกะทัดรัดที่บรรจุเข้าไปในพื้นที่ส่วนกลางของหน่วยย่อย 50S. จัดเตรียมนั่งร้านและช่วยประสานงานการเคลื่อนไหวแบบ intersubunit.
16s rRNA – ที่ ~ 1,500 นิวคลีโอไทด์, มันเป็นแกนโครงสร้างของหน่วยย่อย 30s. มีสี่โดเมนที่แตกต่างกันซึ่งพับเป็นองค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิและสะพาน interdomain ที่สำคัญสำหรับ mRNA และ tRNA ปฏิสัมพันธ์.
23s rRNA – rRNA ที่ใหญ่ที่สุดที่ ~ 2900 นิวคลีโอไทด์. ภายในหน่วยย่อย 50s, มันใช้รูปร่าง L โดยรวมโดยรวมกับสามโดเมนที่มีลำดับนิวคลีโอไทด์ที่อนุรักษ์ไว้สูงจำนวนมาก. กระเป๋ากรดนิวคลีอิกเหล่านี้ใช้ความสอดคล้องที่เหมาะสมกับการกระตุ้นการก่อตัวของพันธะเปปไทด์.
5.8S และ 5S rRNA – อาศัยอยู่ในหน่วยย่อย 60s. 5.8s rRNA สันนิษฐานว่าโครงสร้างของกิ๊บ-เส้นผม-ขนและชุดประกอบเอดส์. 5S rRNA, ในขณะที่เล็กลง, มีโครงสร้างในทำนองเดียวกัน.
28s rRNA – ยูคาริโอตเทียบเท่ากับ 23S rRNA ที่ก่อให้เกิดเว็บไซต์ที่ใช้งานอยู่. บ้านขยายเพิ่มเติมเครื่องจักรการถ่ายโอนเปปไทด์เพิ่มเติมและองค์ประกอบด้านกฎระเบียบ.
การรวมโครงสร้าง, การศึกษาการกลายพันธุ์และการเชื่อมขวางได้เปิดเผยตำแหน่งที่แม่นยำของแต่ละประเภท rRNA ภายในหน่วยย่อยและแสดงให้เห็นว่าทอพอโลยีที่แตกต่างกันของพวกเขาร่วมมือกันในระหว่างการถอดรหัส, การพิสูจน์อักษรและการผลิตโปรตีน.
16S rRNA ใช้ในจุลชีววิทยาอย่างไร?
16การจัดลำดับยีน rRNA ปฏิวัติจุลชีววิทยาโดยการเปิดใช้งานการระบุและการจำแนกจุลินทรีย์ที่ไม่ขึ้นกับการเพาะปลูกและการจำแนกประเภท. ภูมิภาคภายในโมเลกุล 16S rRNA ที่เรียกว่าภูมิภาค hypervariable (V1-V9) แสดงความแปรปรวนในลำดับนิวคลีโอไทด์ระหว่างสิ่งมีชีวิต แต่ได้รับการอนุรักษ์อย่างสูงภายในสปีชีส์. สิ่งนี้ทำให้ตัวบ่งชี้โมเลกุลของ V ภูมิภาคในอุดมคติ.
โดย พีซีอาร์ การขยาย 16S rDNA จากตัวอย่างสิ่งแวดล้อมและการกำหนดลำดับของการพูดภูมิภาค V3-V5, ลายเซ็นที่ได้รับสามารถเรียกใช้ผ่าน BLAST กับฐานข้อมูลอ้างอิงของแท็กซ่าจุลินทรีย์ที่โดดเด่น. ฐานข้อมูลตีด้วยการจับคู่ที่ใกล้เคียงที่สุดบ่งบอกถึงตัวตนทางวิวัฒนาการของจุลินทรีย์ที่ไม่ได้รับการฝึกฝนมาก่อน.
เทคนิคที่ทรงพลังนี้ช่วยกำหนดต้นไม้แห่งชีวิตโดยการจัดกลุ่มจุลินทรีย์ที่พบใหม่โดยใช้ความเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการของยีน rRNA. อนุญาตให้ตรวจพบเชื้อโรคอย่างรวดเร็วจากตัวอย่างทางคลินิกและอาหารโดยไม่ต้องเพาะเลี้ยง. นักวิทยาศาสตร์ใช้เพื่อสำรวจความหลากหลายที่ซ่อนอยู่ก่อนหน้านี้ในสภาพแวดล้อมที่แปลกใหม่เช่นการระบายน้ำที่เป็นกรดหรือช่องระบายความร้อน.
เมื่อไม่นานมานี้, การจัดลำดับแอมพลิฟายเออร์ 16S RRNA สูง. ช่วยให้สามารถทำโปรไฟล์ชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดได้โดยตรงจาก DNA ของจุลินทรีย์ในตัวอย่างที่ไม่มีอคติจากการเพาะเลี้ยงแบบเลือก. เอาต์พุตจากแพลตฟอร์มการจัดลำดับรุ่นถัดไปถูกประมวลผลโดยใช้ท่อทางชีวสารสนเทศศาสตร์เพื่อกำหนดลำดับแบบอนุกรมวิธานและเปรียบเทียบการชุมนุมของจุลินทรีย์ระหว่างสภาพแวดล้อม, โฮสต์ซอกหรือกลุ่มการรักษา.
ข้อ จำกัด รวมถึงการไร้ความสามารถในการแก้ไขสปีชีส์และอคติไพรเมอร์ที่มีอิทธิพลต่อความครอบคลุม. ขณะนี้มีการสำรวจยีนเครื่องหมายอื่น ๆ ด้วย, แต่การวิเคราะห์ 16S rDNA ยังคงเป็นมาตรฐานทองคำเนื่องจากความลึกของฐานข้อมูล. มันยังคงกระตุ้นการค้นพบที่นับไม่ถ้วนโดยการส่องแสงเข้าไปในดินแดนมืดของความหลากหลายของจุลินทรีย์บนโลก. การใช้งานมีตั้งแต่การวินิจฉัยไปจนถึงการตรวจทางชีวภาพและการทำความเข้าใจบทบาทของจุลินทรีย์ในระบบนิเวศ, สุขภาพ, และโรค.
rRNA ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตหรือไม่?
นักวิทยาศาสตร์บางคนคาดการณ์ว่า rRNA อาจมีบทบาทสำคัญในรูปแบบชีวิตแรกบนโลกก่อนการเกิดขึ้นของ DNA และเซลล์ที่ซับซ้อน. ในฐานะที่เป็นโมเลกุลที่จำลองตัวเองและใช้งานได้ซึ่งเป็นพื้นฐานของการสังเคราะห์โปรตีน, rRNA หรือบรรพบุรุษของมันอาจเป็นตัวแทนของสถานการณ์สำหรับการบูตชีวิตแบบดั้งเดิมที่มีความซับซ้อนมากขึ้นในช่วงหลายพันล้านปีของวิวัฒนาการ.
การวิจัยอย่างต่อเนื่องมีจุดมุ่งหมายเพื่อเปิดเผยเบาะแสโดยการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้าง rRNA ในสิ่งมีชีวิตที่หลากหลายที่อาศัยอยู่ในปัจจุบันและวิธีการที่พัฒนาขึ้นในขั้นตอนด้วยนวัตกรรมการเผาผลาญและโทรศัพท์มือถือจากอดีตโบราณจนถึงปัจจุบัน.
เทคนิคขั้นสูงสำหรับการศึกษา rRNA คืออะไร?
ให้ความซับซ้อนของ rRNA, มีการใช้วิธีการที่หลากหลายในการส่องสว่างความสัมพันธ์ระหว่างฟังก์ชั่นโครงสร้างมากมายในระดับที่หลากหลาย:
- ลำดับถัดไปกำหนดลำดับยีน rRNA ข้ามโดเมน, การช่วยเหลืออนุกรมวิธานและลักษณะของตัวแปรระหว่างสปีชีส์.
- กล้องจุลทรรศน์ Cryo-Electron และผลึกรังสีเอกซ์ให้ผลผลิตใกล้เคียงกับโครงสร้างความละเอียดใกล้อะตอมของไรโบโซมหรือโดเมนทั้งหมด, การเปิดเผยการโต้ตอบ rRNA-rRNA และ rRNA-protein.
- แผนที่การตรวจสอบทางเคมีการมีส่วนร่วมของนิวคลีโอไทด์ในการพับ, การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและการโต้ตอบกับแกนด์ผ่านไซต์ของการเกิดปฏิกิริยาเพื่อปรับเปลี่ยนตัวแทน.
- การเชื่อมขวางควบคู่ไปกับจุดสเปกโตรเมตรีมวล rRNA ภูมิภาคที่ติดต่อโปรตีนเฉพาะหรือชีวโมเลกุลอื่น ๆ ภายในอนุภาคที่ประกอบหรือปฏิกิริยาตัวกลาง.
- โมเลกุลโมเลกุลเดี่ยวตรวจสอบการพับของโมเลกุล rRNA แต่ละตัวและตรวจจับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระหว่างกระบวนการทางชีวเคมีเช่นการโยกย้าย.
การบูรณาการข้อมูลเชิงลึกหลายระดับจากเทคโนโลยีขั้นสูงคือการคลี่คลายความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างฟังก์ชันโครงสร้างที่ซับซ้อนของ rRNA ที่จำเป็นสำหรับการแปลและสภาวะสมดุลของเซลล์ด้วยความลึกที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน. ความสำคัญพื้นฐานเป็นแรงบันดาลใจให้กับนวัตกรรมอย่างต่อเนื่อง.
โดยสรุป, ในขณะที่ DNA มีชื่อเสียงมากที่สุดในฐานะวัสดุทางพันธุกรรมหลักของชีวิต, มันเป็นฮีโร่ที่ไม่ได้ร้อง – rRNA – เพื่อให้มั่นใจว่าขั้นตอนที่สำคัญของการเปลี่ยนรหัส DNA เป็นโมเลกุลที่ใช้งานได้ซึ่งช่วยให้เซลล์และสิ่งมีชีวิตอยู่รอดได้ผ่านบทบาทสำคัญในการผลิตโปรตีนผ่านไรโบโซม. rRNA เป็นเครื่องยนต์ที่ขาดไม่ได้อย่างแท้จริงของชีวิต.
