המידע הגנטי על ה-DNA מועתק ל-RNA שליח (mRNA) ומתורגם לרצף חומצות האמינו על ידי העברה RNA (tRNA) על הריבוזום. נוקלאוזידים שעברו שינוי בתוך RNA מעורבים בשמירה וויסות מערכת סינתזת החלבונים. ארכאוזין הוא נוקלאוזיד שונה המצוי רק ב-tRNAs מארכיאה, מה שנקרא התחום השלישי של החיים, ותורם לתחזוקה של המבנה התלת מימדי של tRNA בצורת L. הסינתזה של ארכיאוזין כוללת שלבים מרובים, כאשר השלב הראשון מציג preQ0 בסיס לתוך tRNA באמצעות ArcTGT. בשלב השני, ArcS מעבירה חומצת אמינו, ליזין, ל-preQ0 בסיס ב-tRNA ומסנתז את preQ0-ליס כאמצעי. התוצאה ה-preQ0-Lys ב-tRNA הופך לאחר מכן לארכיאוזין על ידי RaSEA, האנזים הצעד השלישי.
מסלול סינתזה זה של ארכיאוזין הובהר בשנת 2019 באמצעות מחקר שיתופי של אוניברסיטת Ehime ואוניברסיטת Gifu (איור 1: Yokogawa et al., Nature Chem. Biol. (2019)). עם זאת, סגוליות המצע של האנזים הצעד השני ArcS לא הייתה ידועה בעבר.
כדי לטפל בסוגיה זו, קבוצת מחקר בראשות פרופסור Hiroyuki Hori, המרצה ד"ר Ryota Yamagami, וסטודנטים לתארים מתקדמים Shu Fujita, Yuzuru Sugio, וד"ר Takuya Kawamura (כיום באוניברסיטת תומס ג'פרסון, ארה"ב) בבית הספר לתארים מתקדמים למדעים. הנדסה, אוניברסיטת Ehime, בשיתוף עם הפרופסורים Takashi Yokogawa ו- Natsuhisa Oka מאוניברסיטת Gifu ופרופסור חבר Akira Hirata מאוניברסיטת Tokushima, ערכו ניתוחים ביוכימיים.
רוב האנזימים לשינוי RNA מזהים את המבנה התלת מימדי סביב אתר המטרה של ה-RNA ורק לעתים רחוקות את רצף ה-RNA עצמו. כדי לחקור את סגוליות ה-RNA של המצע של ArcS, preQ0tRNA שונה היה מקוטע באמצעות DNAzymes, והעברת ליזין הוערכה עבור כל שבר (איור 2). באופן מפתיע, ArcS העביר ליזין לכל קטעי ה-RNA המכילים preQ0. בפרגמנט ה-RNA של 21 נוקלאוטידים (21 nt), לא רק מבנה ה-tRNA כולו, אלא גם מבנה זרוע ה-D נשבש. תוצאה זו מוכיחה כי ArcS אינו מזהה את המבנה התלת מימדי של RNA המצע. כדי לזהות את המצע המינימלי, העברת ליזין הוערכה באמצעות ה-preQ0 בסיס, preQ0 nucleoside, 5'-phosphorylated preQ0 נוקלאוטיד, ו-3'-פוספורילציה preQ0 נוקלאוטיד (איור 3). נמצא שהמצע המינימלי היה ה-preQ0 נוקלאוזיד, כאשר יעילות התגובה עולה כאשר קבוצת פוספט הייתה מחוברת לעמדה 5'. לפיכך, ArcS הוא אנזים שינוי tRNA חסר תקדים שיכול לפעול על נוקלאוזיד כמצע.
עם הפיתוח של חיסוני mRNA ל-COVID-19, נעשה שימוש יעיל בנוקלאוזידים מותאמים כמו פסאודורדין ו-1-מתיל פסאודורידין, ומחקר על החדרת שינויים שונים ב-RNA של יעד נערך ברחבי העולם. הגילוי של ArcS, שיכול להשתמש בנוקלאוזיד כמצע מינימלי, מספק תובנות חדשות לגבי הסינתזה של מולקולות מקדימות עבור נוקלאוזידים שעברו שינויים אלה.
תוצאות המחקר הזה פורסמו באינטרנט ב- כתב עת לכימיה ביולוגית ב-27 ביוני 2024.
