Centralny dogmat biologii molekularnej sugeruje, że DNA zawiera informacje potrzebne do zakodowania wszystkich naszych białek, a trzy różne typy RNA raczej biernie tłumaczą ten kod na polipeptydy. W szczególności informacyjny RNA (mRNA) przenosi plan białkowy z DNA komórki do jej rybosomów, które są „maszynami” kontrolującymi syntezę białek. RNA (tRNA) następnie przenosi odpowiednie aminokwasy do rybosomu w celu włączenia do nowego białka. Tymczasem same rybosomy składają się głównie z cząsteczek rybosomalnego RNA (rRNA).
Jednakże w ciągu półwiecza, odkąd po raz pierwszy opracowano strukturę DNA, naukowcy odkryli, że RNA odgrywa znacznie większą rolę niż tylko udział w syntezie białek. Na przykład stwierdzono, że wiele rodzajów RNA jest katalitycznych, co oznacza, że przeprowadzają reakcje biochemiczne w taki sam sposób, jak robią to enzymy. Ponadto stwierdzono, że wiele innych gatunków RNA odgrywa złożone role regulacyjne w:komórki.
Zatem cząsteczki RNA odgrywają wiele ról zarówno w normalnych procesach komórkowych, jak iw stanach chorobowych. Zazwyczaj te cząsteczki RNA, które nie przyjmują postaci mRNA, nazywane są niekodującymi, ponieważ nie kodują białek. Udział niekodujących mRNA w wielu procesach regulacyjnych. Ich rozpowszechnienie i różnorodność funkcji doprowadziły do hipotezy, że „świat RNA” może poprzedzać ewolucję funkcji DNA i RNA w komórce, udział w biosyntezie białek.
Niekodujące RNA u eukariontów
Istnieje kilka odmian niekodującego RNA u eukariontów. Przede wszystkim przenoszą RNA (tRNA) i rybosomalny RNA (rRNA). Jak wspomniano wcześniej, zarówno tRNA, jak i rRNA odgrywają ważną rolę w translacji mRNA do białek. Na przykład Francis Crick zasugerował istnienie cząsteczek adapterowego RNA, które mogłyby wiązać się z kodem nukleotydowym mRNA, ułatwiając w ten sposób transfer aminokwasów do rosnących łańcuchów polipeptydowych.
Praca Hoaglanda i in. (1958) rzeczywiście potwierdzili, że pewna frakcja komórkowego RNA była kowalencyjnie związana z aminokwasami. Później fakt, że rRNA okazał się składnikiem strukturalnym rybosomów, sugerował, że podobnie jak tRNA, rRNA również nie koduje.
Oprócz rRNA i tRNA, w komórkach eukariotycznych istnieje wiele innych niekodujących RNA. Cząsteczki te pomagają w wielu ważnych funkcjach RNA w komórce związanych z magazynowaniem energii, które wciąż są wyliczone i zdefiniowane. Te RNA są często określane jako małe regulatorowe RNA (sRNA).u eukariontów zostały one dalej podzielone na szereg podkategorii. Razem regulatorowe RNA wywierają swoje działanie poprzez połączenie komplementarnego parowania zasad, kompleksowania z białkami i własnej aktywności enzymatycznej.
Małe jądrowe RNA
Jedna ważna podkategoria małych regulatorowych RNA składa się z cząsteczek znanych jako małe jądrowe RNA (snRNA). Te cząsteczki odgrywają ważną rolę w regulacji genów poprzez splicing RNA. SnRNA znajdują się w jądrze i są zwykle ściśle związane z białkami w kompleksach zwanych snRNP (małe jądrowe rybonukleoproteiny, czasami określane jako „snurps”). Najpopularniejszymi z tych cząsteczek są cząsteczki U1, U2, U5 i U4/U6, które biorą udział w splicingu pre-mRNA w celu utworzenia dojrzałego mRNA.
MikroRNA
Kolejnym tematem bardzo interesującym naukowców są mikroRNA (miRNA), które są małymi regulatorowymi RNA o długości około 22 do 26 nukleotydów. Istnienie miRNA i ich funkcji kurczliwych RNA w komórce w regulacji genów zostały pierwotnie odkryte u nicieni C. elegans (Lee i wsp., 1993; Wightman i wsp., 1993). Od czasu odkrycia miRNA zidentyfikowano je u wielu innych gatunków, w tym u much, myszy i ludzi. Do tej pory zidentyfikowano kilkaset miRNA. Może być ich znacznie więcej (He & Hannon, 2004).
Wykazano, że MiRNA hamują ekspresję genów poprzez hamowanie translacji. Na przykład miRNA kodowane przez C. elegans, lin-4 i let-7,wiążą się z nieulegającym translacji regionem 3' ich docelowych mRNA, zapobiegając tworzeniu się funkcjonalnych białek na pewnych etapach rozwoju larwalnego. Jak dotąd większość badanych miRNA wydaje się kontrolować ekspresję genów poprzez wiązanie się z docelowymi mRNA poprzez niedoskonałe parowanie zasad i późniejsze hamowanie translacji, chociaż odnotowano pewne wyjątki.
Dodatkowe badania pokazują, że miRNA odgrywają również ważną rolę w nowotworach i innych chorobach. Na przykład gatunek miR-155 jest wzbogacony w komórki B pochodzące z chłoniaka Burkitta, a jego sekwencja koreluje również ze znaną translokacją chromosomową (wymianą DNA między chromosomami).
Mały zakłócający RNA
Mały interferujący RNA (siRNA) to kolejna klasa RNA. Chociaż te cząsteczki mają tylko od 21 do 25 par zasad, działają również w celu wyciszenia ekspresji genów. W szczególności jedna nić dwuniciowej cząsteczki siRNA może być zawarta w kompleksie zwanym RISC. Ten kompleks zawierający RNA może następnie hamować transkrypcję cząsteczki mRNA, która ma sekwencję komplementarną do swojego składnika RNA.
MiRNA zostały po raz pierwszy zidentyfikowane na podstawie ich zaangażowania w interferencję RNA (RNAi). Mogły ewoluować jako mechanizm obronny przed wirusami o dwuniciowym RNA. SiRNA powstają z dłuższych transkryptów w procesie podobnym do tego, w którym występują miRNA, a przetwarzanie obu typów RNA obejmuje ten sam enzymGracz uprawiający grę w kości. Wydaje się, że te dwie klasy różnią się mechanizmami represji, ale znaleziono wyjątki, w których siRNA wykazują zachowania bardziej typowe dla miRNA i odwrotnie (He i Hannon, 2004).
Małe jądrowe RNA
W jądrze eukariotycznym jąderko jest strukturą, w której zachodzi przetwarzanie rRNA i składanie rybosomów. Cząsteczki zwane małymi jąderkami RNA (snoRNA) zostały wyizolowane z ekstraktów jąderkowych ze względu na ich obfitość w tej strukturze. Cząsteczki te działają w celu przetwarzania cząsteczek rRNA, co często powoduje metylację i pseudourydylację określonych nukleozydów. W modyfikacjach pośredniczy jedna z dwóch klas snoRNA: rodziny C/D-box lub H/ACA-box, które zazwyczaj obejmują dodanie grup metylowych lub izomeryzację uradyny odpowiednio w niedojrzałych cząsteczkach rRNA.
Niekodujące RNA u prokariontów
Jednak eukarionty nie wprowadziły na rynek niekodujących RNA ze specyficznymi regulacyjnymi funkcjami energetycznymi RNA w komórce. Bakterie posiadają również klasę małych regulatorowych RNA. Bakteryjne rRNA są zaangażowane w procesy od zjadliwości do przejścia od fazy wzrostu do fazy stacjonarnej, która ma miejsce, gdy bakteria staje w obliczu sytuacji niedoboru składników odżywczych.
Jednym z przykładów bakteryjnego rRNA jest 6S RNA znaleziony w Escherichia coli. Ta cząsteczka została dobrze scharakteryzowana, a jej początkowe sekwencjonowanie miało miejsce w 1980 roku. 6S RNAjest zachowany w wielu gatunkach bakterii, co wskazuje na ważną rolę w regulacji genów.
Wykazano, że RNA wpływa na aktywność polimerazy RNA (RNAP), cząsteczki, która transkrybuje informacyjne RNA z DNA. 6S RNA hamuje tę aktywność poprzez wiązanie się z podjednostką polimerazy, która stymuluje transkrypcję podczas wzrostu. Dzięki temu mechanizmowi 6S RNA hamuje ekspresję genów stymulujących aktywny wzrost i pomaga komórkom wejść w fazę stacjonarną (Jabri, 2005).
Riboswitches
Regulacja genów - zarówno u prokariontów, jak i eukariontów - jest pod wpływem elementów regulatorowych RNA, zwanych ryboprzełącznikami (lub przełącznikami RNA). Ryboprzełączniki to czujniki RNA, które wykrywają i reagują na sygnały środowiskowe lub metaboliczne, a tym samym wpływają na ekspresję genów.
Prostym przykładem tej grupy jest czujnik temperatury RNA znajdujący się w genach wirulencji bakteryjnego patogenu Listeria monocytogenes. Kiedy ta bakteria dostanie się do gospodarza, podwyższona temperatura wewnątrz organizmu gospodarza topi drugorzędową strukturę segmentu w nieulegającym translacji regionie 5' mRNA wytwarzanego przez bakteryjny gen prfA. W rezultacie zachodzą zmiany w strukturze drugorzędowej.
Wykazano, że dodatkowe ryboprzełączniki reagują na wstrząsy cieplne i zimne w różnych organizmach, a także regulują syntezę metabolitów, takich jak cukry i aminokwasy. Chociaż ryboprzełączniki wydają się być bardziej powszechne u prokariotów, wiele z nich znaleziono również w komórkach eukariotycznych.
