إنزيم أمينو أسيل tRNA سينثيتاز

إنزيم أمينو أسيل-tRNA سينثيتاز ( aaRS أو ARS )، ويُسمى أيضًا أمينو أسيل-tRNA ليغاز ، ^{[ 1 ] [ 2 ]} هو إنزيم يربط الحمض الأميني المناسب بجزيء tRNA المقابل له . ويتم ذلك عن طريق تحفيز عملية نقل الأسترة لحمض أميني محدد أو سلفه إلى أحد جزيئات tRNA المتوافقة معه لتكوين أمينو أسيل-tRNA . في البشر، تُصنع الأنواع العشرين المختلفة من aa-tRNA بواسطة عشرين نوعًا مختلفًا من إنزيمات أمينو أسيل-tRNA سينثيتاز، واحد لكل حمض أميني في الشفرة الوراثية .

يُطلق على هذه العملية أحيانًا اسم "شحن" أو "تحميل" الحمض الأميني على جزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA). بمجرد شحن جزيء tRNA، يستطيع الريبوسوم نقل الحمض الأميني منه إلى الببتيد المتنامي ، وفقًا للشيفرة الوراثية. ولذلك، يلعب جزيء tRNA الحامل للأحماض الأمينية دورًا هامًا في ترجمة الحمض النووي الريبوزي (RNA) ، وهي عملية التعبير الجيني لإنتاج البروتينات.

يرتبط إنزيم سينثيتاز أولاً بجزيء ATP والحمض الأميني المقابل (أو سلفه ) لتكوين أمينوأسيل أدينيلات، مطلقاً بيروفوسفات غير عضوي (PPi). ثم يرتبط معقد أدينيلات-aaRS بالذراع D لجزيء tRNA المناسب ، ويتم نقل الحمض الأميني من aa-AMP إلى مجموعة 2'- أو 3'-OH للنيوكليوتيد الأخير من tRNA (A76) عند الطرف 3' .

يمكن تلخيص الآلية في سلسلة التفاعلات التالية:

1. حمض أميني + ATP → أمينو أسيل-AMP + بيروفوسفات
2. أمينو أسيل-AMP + tRNA → أمينو أسيل-tRNA + AMP

وبجمع التفاعلات، يكون التفاعل الكلي الطارد للطاقة للغاية كما يلي:

• حمض أميني + tRNA + ATP → أمينو أسيل-tRNA + AMP + PPi

تُساهم بعض الإنزيمات المُصنِّعة أيضًا في تفاعل تصحيحي لضمان دقة عالية في شحن الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA). إذا أُضيف حمض نووي ريبوزي ناقل غير صحيح (أي إذا وُجد أن الحمض النووي الريبوزي الناقل مشحون بشكل غير صحيح)، فإن الرابطة بين الحمض الأميني والحمض النووي الريبوزي الناقل تتحلل . قد يحدث هذا عندما يكون لحمضين أمينيين خصائص مختلفة حتى لو كان لهما أشكال متشابهة، كما هو الحال مع الفالين والثريونين .

تتميز إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز بدقة عالية لدرجة أنها تُوصف غالبًا بمصطلح "التخصص الفائق" عند مقارنتها بالإنزيمات الأخرى المشاركة في عمليات الأيض. ورغم أن ليس كل إنزيمات سينثيتاز تمتلك نطاقًا مخصصًا لتعديل الأحماض الأمينية، إلا أنها تعوض ذلك بقدرتها على الارتباط والتنشيط النوعي للأحماض الأمينية المرتبطة بها. ومن العوامل الأخرى التي تُسهم في دقة هذه الإنزيمات نسبة تركيز إنزيم أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز إلى تركيز الترنا الخاص به. ونظرًا لأن إنزيم ترنا سينثيتاز يُجري عملية الأستلة غير الصحيحة للترنا عند زيادة إنتاجه، فلا بد من وجود حد أقصى لمستويات إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز والترنا في الجسم الحي. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يوجد نوعان من إنزيمات أمينو أسيل tRNA سينثيتاز، يتكون كل منهما من عشرة إنزيمات: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• يحتوي النوع الأول على نمطين تسلسليين محفوظين للغاية. يقوم بربط الأحماض الأمينية عند 2'-OH لنوكليوتيد الأدينوزين الطرفي على الحمض النووي الريبي الناقل، وعادة ما يكون أحاديًا أو ثنائيًا (وحدة فرعية واحدة أو وحدتين فرعيتين، على التوالي).
• يحتوي النوع الثاني على ثلاثة أنماط تسلسلية محفوظة للغاية. يقوم هذا النوع بربط الأحماض الأمينية عند الطرف 3'-OH للأدينوزين الطرفي على الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، وعادةً ما يكون ثنائيًا أو رباعيًا (وحدتان أو أربع وحدات فرعية، على التوالي). على الرغم من أن إنزيم فينيل ألانين-tRNA سينثيتاز ينتمي إلى النوع الثاني، إلا أنه يقوم بربط الأحماض الأمينية عند الطرف 2'-OH.

ترتبط الأحماض الأمينية بمجموعة الهيدروكسيل (-OH) للأدينوزين عبر مجموعة الكربوكسيل (-COOH).

بغض النظر عن مكان ارتباط الأمينوأسيل بالنيوكليوتيد في البداية، فإن 2'- O -أمينوأسيل-tRNA سينتقل في النهاية إلى الموضع 3' عبر عملية نقل الأسترة .

يمكن تصنيف إنزيمات أمينو أسيل-tRNA سينثيتاز البكتيرية على النحو التالي: ^{[ 7 ]}

يبدو أن الأحماض الأمينية التي تستخدم إنزيمات aaRS من الفئة الثانية أقدم تطورياً. ^{[ 8 ]}

كلا نوعي إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز عبارة عن بروتينات متعددة المجالات . في الحالة النموذجية، يتكون إنزيم أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز من مجال تحفيزي (حيث تحدث التفاعلات المذكورة أعلاه) ومجال ارتباط مضاد الكودون (الذي يتفاعل بشكل أساسي مع منطقة مضاد الكودون في جزيء الترنا). تختلف جزيئات الترنا الناقلة للأحماض الأمينية المختلفة ليس فقط في مضاد الكودون الخاص بها، بل أيضًا في نقاط أخرى، مما يمنحها تكوينات عامة مختلفة قليلاً. تتعرف إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز على جزيئات الترنا الصحيحة بشكل أساسي من خلال تكوينها العام، وليس فقط من خلال مضاد الكودون الخاص بها. ^{[ 9 ]} بالإضافة إلى ذلك، تحتوي بعض إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز على مجالات ارتباط إضافية بالحمض النووي الريبي ومجالات تحرير ^{[ 10 ]} تعمل على فصل جزيئات أمينو أسيل-ترنا المقترنة بشكل غير صحيح.

وُجد أن المجالات التحفيزية لجميع إنزيمات aaRS من فئة معينة متماثلة فيما بينها، بينما لا توجد علاقة بين إنزيمات aaRS من الفئتين الأولى والثانية. تتميز إنزيمات aaRS من الفئة الأولى ببنية روسمان الشبيهة ببنية سيتيديل ترانسفيراز، والتي تُرى في بروتينات مثل سيتيديل ترانسفيراز جليسرول-3-فوسفات، وأدينيل ترانسفيراز نيوكليوتيد النيكوتيناميد، وسينثاز FAD الأثري، بينما تمتلك إنزيمات aaRS من الفئة الثانية بنية فريدة تُشبه بنية إنزيمات ربط البيوتين والليبوات.

يُعرف نطاق ربط مضاد الكودون الحلزوني ألفا لإنزيمات سينثيتاز الأرجينيل-، والجليسيل-، والسيستئينيل-tRNA باسم نطاق DALR نسبةً إلى الأحماض الأمينية المحفوظة المميزة . ^{[ 11 ]}

خضعت إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز لدراسة حركية، وأظهرت أن أيونات المغنيسيوم (Mg²⁺ ⁾ تلعب دورًا تحفيزيًا فعالًا، وبالتالي فإن هذه الإنزيمات تعتمد بدرجة ما على المغنيسيوم. يؤدي رفع تركيز المغنيسيوم ^إلى زيادة ثوابت التوازن لتفاعلات إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز. على الرغم من ملاحظة هذا الاتجاه في كل من إنزيمات الفئة الأولى والثانية، إلا أن اعتمادها على المغنيسيوم يختلف اختلافًا كبيرًا. تحتوي إنزيمات الفئة الثانية على أيوني ^{مغنيسيوم} (Mg²⁺) أو (في أغلب الأحيان) ثلاثة أيونات، بينما لا تتطلب إنزيمات الفئة الأولى سوى أيون مغنيسيوم ^واحد . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

إلى جانب افتقارها إلى التشابه العام في التسلسل والبنية، تتميز إنزيمات التخليق من الفئتين الأولى والثانية بآليات مختلفة للتعرف على جزيء ATP. فبينما ترتبط الفئة الأولى عبر تفاعلات تتوسطها روابط هيدروجينية في السلسلة الرئيسية، تستخدم الفئة الثانية زوجًا من بقايا الأرجينين لتكوين جسور ملحية مع جزيء ATP. ويتجلى هذا التباين في نمطين بنيويين، هما دعامات السلسلة الرئيسية وملاقط الأرجينين، واللذان يمكن ملاحظتهما في جميع بنى الفئتين الأولى والثانية على التوالي. ويشير الحفاظ البنيوي العالي لهذين النمطين إلى أنهما كانا موجودين منذ العصور القديمة. ^{[ 14 ]}

معظم إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز (aaRSs) ذات التخصص المحدد أقرب تطوريًا إلى بعضها البعض من إنزيمات aaRSs ذات التخصص الآخر. مع ذلك، يُصنف كل من AsnRS وGlnRS ضمن AspRS وGluRS على التوالي. كما تنتمي معظم إنزيمات aaRSs ذات التخصص المحدد إلى فئة واحدة. مع ذلك، يوجد نوعان متميزان من LysRS، أحدهما ينتمي إلى الفئة الأولى والآخر إلى الفئة الثانية. ^{[ 15 ]}

غالبًا ما لا تتوافق السلالات الجزيئية لإنزيمات aaRS مع السلالات المقبولة للكائنات الحية . أي أنها تخالف النمط التطوري المتعارف عليه الذي تُظهره معظم الإنزيمات الأخرى في نطاقات الحياة الثلاثة: العتائق ، والبكتيريا ، وحقيقيات النوى . علاوة على ذلك، غالبًا ما تتباين السلالات المستنتجة لإنزيمات aaRS للأحماض الأمينية المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر نظائر إنزيمات aaRS ضمن النوع الواحد درجة عالية من التباين فيما بينها. هذه مؤشرات واضحة على حدوث انتقال أفقي عدة مرات خلال التاريخ التطوري لإنزيمات aaRS. ^{[ 16 ]}

إن الاعتقاد السائد بالاستقرار التطوري لهذه العائلة الفائقة، والذي يعني أن كل كائن حي يمتلك جميع إنزيمات aaRS للأحماض الأمينية المقابلة له، هو اعتقاد خاطئ. فقد أظهر تحليل جينومي واسع النطاق لحوالي 2500 جينوم بدائي النواة أن العديد منها يفتقر إلى جين واحد أو أكثر من جينات aaRS، بينما يحتوي العديد من الجينومات على جين واحد أو أكثر من الجينات المتماثلة. ^{[ 17 ]} تُعدّ إنزيمات AlaRS وGlyRS وLeuRS وIleRS وValRS أكثر أعضاء هذه العائلة استقرارًا تطوريًا. غالبًا ما يكون لإنزيمات GluRS وLysRS وCysRS جينات متماثلة، بينما غالبًا ما تغيب إنزيمات AsnRS وGlnRS وPylRS وSepRS عن العديد من الجينومات.

باستثناء إنزيم AlaRS، تبيّن أن 19 من أصل 20 إنزيم aaRS بشري قد أضافت نطاقًا أو نمطًا جديدًا واحدًا على الأقل. ^{[ 18 ]} وتختلف هذه النطاقات والأنماط الجديدة في وظائفها، وتُلاحظ في مختلف أشكال الحياة. ومن الوظائف الجديدة الشائعة في إنزيمات aaRS البشرية توفير تنظيم إضافي للعمليات البيولوجية. وهناك نظرية تُشير إلى أن تزايد عدد إنزيمات aaRS التي تُضيف نطاقات يعود إلى التطور المستمر للكائنات الحية العليا، والتي تمتلك وحدات بناء وآليات بيولوجية أكثر تعقيدًا وكفاءة. ومن أهم الأدلة على هذه النظرية أنه بعد إضافة نطاق جديد إلى إنزيم aaRS، يصبح هذا النطاق مُدمجًا بالكامل، وتُحفظ وظيفته منذ تلك اللحظة. ^{[ 19 ]}

مع تطور الكفاءة الجينية في الكائنات الحية العليا، تمت إضافة 13 مجالًا جديدًا ليس لها ارتباط واضح بالنشاط التحفيزي لجينات aaRSs.

في بعض إنزيمات سينثيتاز أمينو أسيل tRNA، يمكن تحوير التجويف الذي يحمل الحمض الأميني وتعديله لحمل أحماض أمينية غير طبيعية مُصنّعة مخبريًا، وربطها بجزيئات tRNA محددة. يُوسّع هذا الشفرة الوراثية، لتشمل حمضًا أمينيًا غير طبيعي، بالإضافة إلى الأحماض الأمينية العشرين المتعارف عليها في الطبيعة. يُشفّر الحمض الأميني غير الطبيعي بواسطة ثلاثية غير منطقية (TAG، TGA، TAA)، أو كودون رباعي، أو في بعض الحالات كودون نادر زائد. بعد ذلك، يُمكن برمجة الكائن الحي الذي يُعبّر عن سينثيتاز المُتحوّر وراثيًا لإدخال الحمض الأميني غير الطبيعي في أي موضع مرغوب فيه في أي بروتين مُستهدف، مما يسمح لعلماء الكيمياء الحيوية أو علماء الأحياء البنيوية بدراسة وظيفة البروتين أو تغييرها. على سبيل المثال، يمكن للمرء أن يبدأ بجين بروتين يرتبط بتسلسل معين من الحمض النووي، ومن خلال توجيه حمض أميني غير طبيعي ذي سلسلة جانبية تفاعلية إلى موقع الارتباط، يتم إنشاء بروتين جديد يقطع الحمض النووي عند التسلسل المستهدف، بدلاً من الارتباط به.

من خلال تعديل إنزيمات أمينو أسيل tRNA سينثيتاز، وسّع الكيميائيون الشفرات الوراثية لكائنات حية مختلفة لتشمل أحماضًا أمينية مُصنّعة مخبريًا ذات خصائص مفيدة متنوعة: أحماض أمينية حساسة للضوء، ومخلّبة للمعادن، ومخلّبة للزينون، ومتشابكة، ورنانة مغزليًا، وفلورية، ومُبَيتَنَة، ونشطة في تفاعلات الأكسدة والاختزال. ^{[ 20 ]} ومن الاستخدامات الأخرى إدخال أحماض أمينية تحمل مجموعات وظيفية تفاعلية لتعديل البروتين المستهدف كيميائيًا.

ترتبط أسباب بعض الأمراض (مثل الأمراض العصبية، والسرطان، واضطرابات التمثيل الغذائي، وأمراض المناعة الذاتية) بطفرات محددة في إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز. يُعد مرض شاركو-ماري-توث (CMT) أكثر الاضطرابات الوراثية شيوعًا في الجهاز العصبي المحيطي (وهو مرض عصبي)، وينتج عن طفرة وراثية في غليكول-ترنا وتيروسيل-ترنا. ^{[ 21 ]} يُحفز داء السكري، وهو مرض أيضي، الإجهاد التأكسدي ، مما يؤدي إلى تراكم طفرات ترنا الميتوكوندريا. كما اكتُشف أن إنزيمات ترنا سينثيتاز قد تُساهم جزئيًا في مسببات السرطان. ^{[ 22 ]} لوحظ ارتفاع مستوى التعبير عن إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز أو تعديلها في مجموعة من أنواع السرطان. ومن النتائج الشائعة لطفرات هذه الإنزيمات اضطراب شكل/تكوين ثنائي الوحدات، وهو ما يرتبط ارتباطًا مباشرًا بوظيفتها. وقد فتحت هذه الارتباطات بين إنزيمات aaRSs وبعض الأمراض باباً جديداً لتصنيع العلاجات. ^{[ 23 ]}

تُعدّ الإضافات الجديدة للمجالات في جينات aaRS تراكمية وتدريجية عبر شجرة الحياة . ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} وقد أشار الضغط التطوري القوي لهذه المجالات البروتينية الصغيرة غير المحفزة إلى أهميتها. ^{[ 27 ]} وكشفت النتائج التي بدأت في عام 1999 وما بعده عن طبقة بيولوجية لم تكن معروفة من قبل: تتحكم هذه البروتينات في التعبير الجيني داخل الخلية الأصلية، وعند إطلاقها تُمارس تحكمًا استتبابيًا ونمائيًا في أنواع محددة من الخلايا والأنسجة والأعضاء البشرية أثناء نمو البالغين أو الأجنة أو كليهما، بما في ذلك المسارات المرتبطة بتكوين الأوعية الدموية ، والالتهاب ، والاستجابة المناعية ، وإشارات mTOR، والاستماتة الخلوية ، وتكوين الأورام ، وإشارات إنترفيرون غاما (IFN- γ ) و p53 . ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

يعمل بروتين EPRS1 ، في الخلايا البشرية، كعامل مساعد للفيروس في عدوى فيروسات المامارينا ، بما في ذلك فيروس لاسا ، ويؤدي تثبيطه باستخدام مركب هالوفوجينون ، وهو مثبط لنطاق البروليل في بروتين EPRS1 ، إلى القضاء التام على العدوى الفيروسية عن طريق تعطيل تجميع الفيروس وتبرعمه. ^{[ 37 ]}

في عام ٢٠٢٢، اكتُشف أن إنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز قد تُدمج أحماضًا أمينية بديلة أثناء نقص سلائفها. على وجه الخصوص، يُدمج إنزيم تريبتوفانيل-ترنا سينثيتاز ( WARS1 ) فينيل ألانين أثناء استنفاد التربتوفان، مما يُحفز إعادة تعيين الكودون W>F . ^{[ ٣٨ ]} قد يكون استنفاد الركيزة الأخرى لإنزيمات أمينو أسيل-ترنا سينثيتاز، وهو الترنا المتوافق، ذا صلة ببعض الأمراض، مثل مرض شاركو-ماري-توث . وقد تبين أن متغيرات غليسيل-ترنا سينثيتاز الطافرة لمرض شاركو-ماري-توث لا تزال قادرة على الارتباط بترنا غليسين ^ولكنها تفشل في تحريره، مما يؤدي إلى استنفاد المخزون الخلوي من غليسيل-ترنا ^غليسين ، وهو ما ينتج عنه بدوره توقف الريبوسوم على كودونات الغليسين أثناء ترجمة mRNA. ^{[ ٣٩ ]}

ارتبطت الطفرات في إنزيم الميتوكوندريا بعدد من الاضطرابات الوراثية بما في ذلك متلازمة لي ، ومتلازمة ويست، ومتلازمة CAGSSS ( إعتام عدسة العين ، ونقص هرمون النمو ، والاعتلال العصبي الحسي ، وفقدان السمع الحسي العصبي، ومتلازمة خلل التنسج الهيكلي). ^{[ 40 ]}

• ICAARS : ب. باوار، وجي بي إس راغافا (2010) التنبؤ بتصنيف إنزيمات أمينو أسيل tRNA سينثيتاز باستخدام نطاقات PROSITE. BMC Genomics 2010، 11:507
• MARSpred : بانوار ب، راغافا جي بي (مايو 2012). "التنبؤ بموقع إنزيمات سينثيتاز الحمض النووي الريبوزي الناقل داخل الخلية انطلاقًا من بنيتها الأولية". الأحماض الأمينية . 42 (5): 1703-1713 . doi : 10.1007/s00726-011-0872-8 . PMID 21400228. S2CID 2996097 .  
• قاعدة بيانات AARS بدائيات النوى : تشاليوتيس وآخرون (فبراير 2017). "التاريخ التطوري المعقد لإنزيمات أمينو أسيل-tRNA سينثيتاز" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 45 (3): 1059-1068 . doi : 10.1093/nar/ gkw1182 . PMC 5388404. PMID 28180287 .   

• TARS (جين)
• AARS2 (جين)

• إنزيمات أمينو+أسيل-tRNA+سينثيتاز في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• تحديد موقع جين AARS البشري في متصفح جينوم UCSC .
• تفاصيل جينات AARS البشرية في متصفح جينوم UCSC .