ریبونوکلئاز (معمولاً مخفف RNase) نوعی نوکلئاز است که باعث تخریب RNA به اجزای کوچکتر می‌شود. ریبونوکلئاز‌ها را ‌می‌توان به دو گروه «اندوریبونوکلئاز‌ها» (Endoribonucleases) و «اگزوریبونوکلئاز‌ها» (Exoribonucleases) تقسیم کرد و این گروه از آنزیم‌ها خود شامل چندین زیر گروه برای آنزیم‌‌های فسفورولیتیک و آنزیم‌‌های هیدرولیز هستند.

عملکرد

تمام ارگانیسم‌‌های مورد مطالعه حاوی RNases‌‌های زیادی از دو گروه مختلف هستند که نشان ‌می‌دهد، تخریب RNA فرایندی بسیار قدیمی و مهم است. همان طور که به دلیل وجود این آنزیم‌ها پاکسازی RNA سلولی از سلول لازم نیست، آنزیم‌های RNase در بالغ شدن کلیه مولکول‌‌های RNA، از جمله دو RNA‌‌های پیام رسان که دارای مواد ژنتیکی برای ساخت پروتئین‌‌ها هستند و RNA‌‌های غیرکد کننده که در فرآیند‌های سلولی متنوع عمل ‌می‌کنند، نقش اصلی را ایفا ‌می‌کنند. علاوه بر این، سیستم‌‌های تخریب فعال RNA اولین دفاع در برابر ویروس‌‌های RNA به شمار می‌آیند و امکانات اساسی را برای استراتژی‌‌های ایمنی سلولی پیشرفته‌تر، مانند RNAi فراهم ‌می‌کنند.

برخی سلول‌ها مقادیر زیادی RNase غیراختصاصی مانند A و T1 را ترشح ‌می‌کنند. آنزیم‌های RNase در سلول‌ها به وفور یافت می‌شوند و در تمام بخش‌های سلول وجود دارند، از این رو طول عمر بسیار کمی ‌برای هر RNA که در یک محیط محافظت نشده وجود دارد، پیش‌بینی ‌می‌شود. شایان ذکر است که کلیه RNA‌‌های داخل سلولی توسط تعدادی از استراتژی‌‌ها از جمله کلاهک انتهای ′۵، پلی آدنیلاسیون انتهای ′۳ و پیچ‌خوردگی RNA توسط گروهی از پروتئین‌ها (ذرات ریبونوکلئوپروتئین یا RNP) از فعالیت ‌‌RNase‌ها محافظت ‌می‌شوند.

مکانیسم دیگر محافظت ازRNA ها در برابر ریبونوکلئاز‌ها استفاده از مهارکننده‌های ریبونوکلئاز (RI) است که این مهارکننده‌ها بخش نسبتاً زیادی از پروتئین سلولی در برخی از انواع سلول را تشکیل می‌دهند و به ریبونوکلئاز‌های خاص با بالاترین اختصاصیت و به وسیله هرگونه برهمکنش پروتئین با پروتئین متصل ‌می‌شوند. ثابت تفکیک کمپلکس RI-RNase A در شرایط فیزیولوژیکی برابر با ۲۰ فمتومول است. مهارکننده‌های ریبونوکلئاز در بیشتر آزمایشگاه‌هایی که بر روی RNA مطالعه ‌می‌کنند، مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند تا از نمونه‌‌های خود در برابر تخریب RNases محیطی محافظت کنند.

مشابه آنزیم‌‌های محدود کننده که توالی‌‌های بسیار مشخصی از DNA دو رشته‌ای را شکاف ‌می‌دهد، انواع مختلفی از اندوریبونوکلئاز‌ها و اگزوریبونوکلئازها که توالی‌‌های خاص RNA تک رشته‌ای را تشخیص داده و برش ‌می‌دهند، اخیراً طبقه‌بندی شده‌اند. در ادامه به معرفی انواع ریبونوکلئازها می‌پردازیم.

طبقه بندی ریبونوکلئازها

این آنزیم‌ها به دو گروه اندو و اگزوریبونوکلئاز تقسیم می‌شوند:

انواع عمده اندوریبونوکلئاز‌ها

  RNase A

 آنزیم RNase A نوعی از ریبونوکلئازها هستند که معمولاً در تحقیقات آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند. RNase A (به عنوان مثال، ریبونوکلئاز پانکراس گاوی A) یکی از سخت‌ترین آنزیم‌‌ها در کاربرد‌های آزمایشگاهی رایج است. یک روش جداسازی آن جوشاندن عصاره سلولی خام است تا زمانی که تمام آنزیم‌‌ها به غیر از RNase A دناتوره شوند. این آنزیم برای RNA‌‌های تک رشته‌ای به شکل اختصاصی عمل می‌کند.

RNase H

RNase H یک ریبونوکلئاز است که RNA را در یک دو رشته‌ای DNA / RNA می‌شکافد تا یک تک رشته DNA تولید کند. RNase H اندونوکلئازی غیراختصاصی است و تجزیه RNA از طریق یک مکانیسم هیدرولیز، به کمک یون فلزی دو ظرفیتی محدود به آنزیم را کاتالیز ‌می‌کند. RNase H محصولی ۵ فسفریله شده را به جای ‌می‌گذارد.

RNase III

RNase III نوعی ریبونوکلئاز است که rRNA (16s rRNA و 23s rRNA) را از اپرون RNA پلی سیسترونی رونویسی شده در پروکاریوت‌ها جدا ‌می‌کند. همچنين RNA دو رشته‌ای(dsRNA) را به وسیله خانواده RNAse دایسر هضم می كند، از طرفی دیگر این آنزیم، pre-miRNA (طول 60 تا 70 جفت باز) را در يك محل خاص برش داده و آن را به miRNA  به طول ۲۲ تا ۳۰ جفت باز تبديل می‌كند كه به طور فعال در تنظيم رونوشت وطول عمر mRNA نقش دارد.

RNase L

RNase L ریبونوکلئاز القا شده با اینترفرون است که با فعال سازی، تمام RNA درون سلول را از بین ‌می‌برد.

RNase P

RNase P  نوعی ریبونوکلئاز است که با توجه به اینکه یک ریبوزیم بی نظیر است، به این معنا که یک اسید ریبونوکلئیک است که به عنوان یک کاتالیزور به روشی مانند آنزیم عمل ‌می‌کند. یكی از كاركرد‌های آن برش دادن توالی رهبر از انتهای ′۵ یك رشته  tRNA اولیه است. RNase P یکی از دو ریبوزیم شناخته شده متعدد در طبیعت است. در باکتری‌ها، آنزیم RNase P همچنین مسئولیت فعالیت کاتالیزوری هولوآنزیم‌ها را بر عهده دارند که از یک آپوآنزیم تشکیل شده است که با ترکیب با یک کوآنزیم یک سیستم آنزیم فعال را تشکیل ‌می‌دهند و این سیستم را برای یک سوبسترای مشخص اختصاصی‌می‌کند. اخیراً نوعی RNase P که پروتئینی است و حاوی RNA نیست، کشف شده است.

انواع عمده اگزوریبونوکلئاز‌ها

پلی نوکلئوتید فسفوریلاز

پلی نوکلئوتید فسفوریلاز (PNPase) به عنوان یک اگزونوکلئاز و همچنین نوکلئوتیدیل ترانسفراز عمل ‌می‌کند.

تصویر ۶: ساختمان آنزیم پلی نوکلئوتید فسفوریلاز در مخمر استرپتومایسس

RNase PH

RNase PH به عنوان یک اگزونوکلئاز و همچنین نوکلئوتیدیل ترانسفراز عمل ‌می‌کند. این آنزیم در آرکی‌ها و باکتری‌ها وجود دارد که در فرایندهای پردازش tRNA شرکت می‌کند.

RNase R

RNase R یک همولوگ یا مشابه RNase II است، اما بر خلاف RNase II، ‌می‌تواند RNA را با ساختار‌های ثانویه و بدون کمک عوامل جانبی تجزیه کند.

RNase D

RNase D در پردازش ′۵ به ′۳ از پیش‌سازهای tRNA‌‌ها نقش دارد. این آنزیم یکی از هفت ریبونوکلئاز کشف شده در باکتری ایکلای است.

RNase T

آنریم RNase T نقش مهمی ‌در بلوغ  و پردازش ′۳ به ′۵ بسیاری از RNA‌‌های پایدار دارد.

الیگوریبونوکلئاز

الیگوریبونوکلئاز، الیگونوکلئوتید‌های کوتاه را به شکل مونونوکلئوتید‌ها تخریب ‌می‌کند.

اگزوریبونوکلئاز ۱

 آنزیم اگزوریبونوکلئاز۱ ((Exoribonuclease I RNA تک رشته ای را از ′۵ به ′۳ تجزیه ‌می‌کند. این آنزیم فقط در یوکاریوت‌‌ها وجود دارد.

اگزو ریبونوکلئاز ۲

آنزیم اگزوریبونوکلئاز۲ (Exoribonuclease II) یک همولوگ نزدیک آنزیم اگزوریبونوکلئاز۱ است.

ویژگی RNase

جایگاه فعال آنزیم‌های ریبونوکلئاز به نظر ‌می‌رسد، مانند یک شکاف دره‌ای است که تمام بخش‌های جایگاه فعال، به شکل دیواره و کف دره قرار دارند. شکاف جایگاه فعال در این آنزیم بسیار نازک است و سوبسترای کوچک، کاملاً در وسط جایگاه فعال قرار ‌می‌گیرد که امکان تعامل کامل با بخش‌های مختلف جایگاه فعال را فراهم ‌می‌آورد.

آلودگی RNase در طول استخراج RNA

استخراج RNA در آزمایش‌های زیست شناسی مولکولی با حضور ریبونوکلئاز‌هایی در همه جا وجود دارند و بسیار مقاوم هستند و نمونه‌‌های RNA را تخریب ‌می‌کنند، فرایندی بسیار پیچیده است. آنزیم‌های RNase ویژه‌ای هستند که ‌می‌توانند بسیار مقاوم باشند و غیرفعال کردن آن‌ها در مقایسه با غیرفعال‌سازی آنزیم‌های DNase دشوار است.

تصویر ۷: استخراج و تخلیص RNA در آزمایشگاه همیشه با مشکلاتی مانند وجود آنزیم‌های RNase روبرو است.

علاوه بر RNaseهای سلولی که موجب اختلال در کارهای آزمایشگاهی می‌شوند، چندین RNases نیز شناخته شده‌اند که در محیط وجود دارند. RNaseها برای بسیاری از عملکرد‌های خارج سلولی در ارگانیسم‌‌های مختلف تکامل یافته‌اند. به عنوان مثال، RNase7، عضو خانواده آنزیمی RNase A، توسط پوست انسان ترشح ‌می‌شود و به عنوان یک دفاع ضد پاتوژن قوی عمل ‌می‌کند.