Το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας προτείνει ότι το DNA περιέχει τις πληροφορίες για την κωδικοποίηση όλων των πρωτεϊνών μας και τρεις διαφορετικοί τύποι RNA μεταφράζουν αυτόν τον κώδικα σε πολυπεπτίδια μάλλον παθητικά. Συγκεκριμένα, το αγγελιαφόρο RNA (mRNA) μεταφέρει το πρωτεϊνικό αποτύπωμα από το DNA του κυττάρου στα ριβοσώματα του, τα οποία είναι οι «μηχανές» που ελέγχουν την πρωτεϊνική σύνθεση. Το RNA (tRNA) στη συνέχεια μεταφέρει τα κατάλληλα αμινοξέα στο ριβόσωμα για ενσωμάτωση σε μια νέα πρωτεΐνη. Εν τω μεταξύ, τα ίδια τα ριβοσώματα αποτελούνται κυρίως από μόρια ριβοσωμικού RNA (rRNA).
Ωστόσο, στο μισό αιώνα από τότε που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά η δομή του DNA, οι επιστήμονες έμαθαν ότι το RNA παίζει πολύ μεγαλύτερο ρόλο από το να συμμετέχει απλώς στη σύνθεση πρωτεϊνών. Για παράδειγμα, πολλοί τύποι RNA έχουν βρεθεί ότι είναι καταλυτικοί, που σημαίνει ότι πραγματοποιούν βιοχημικές αντιδράσεις με τον ίδιο τρόπο που κάνουν τα ένζυμα. Επιπλέον, πολλά άλλα είδη RNA έχουν βρεθεί ότι παίζουν πολύπλοκους ρυθμιστικούς ρόλουςκύτταρα.
Έτσι, τα μόρια RNA παίζουν πολυάριθμους ρόλους τόσο στις φυσιολογικές κυτταρικές διεργασίες όσο και στις ασθένειες. Συνήθως εκείνα τα μόρια RNA που δεν παίρνουν τη μορφή mRNA ονομάζονται μη κωδικοποιητικά επειδή δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Συμμετοχή μη κωδικοποιητικών mRNA σε πολλές ρυθμιστικές διαδικασίες. Ο επιπολασμός και η ποικιλία των λειτουργιών τους οδήγησαν στην υπόθεση ότι ο «κόσμος RNA» θα μπορούσε να προηγείται της εξέλιξης των λειτουργιών DNA και RNA στο κύτταρο, συμμετοχή στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών.
Μη κωδικοποιητικά RNA σε ευκαρυώτες
Υπάρχουν διάφορες ποικιλίες μη κωδικοποιητικού RNA στους ευκαρυώτες. Πιο συγκεκριμένα, μεταφέρουν RNA (tRNA) και ριβοσωμικό RNA (rRNA). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τόσο το tRNA όσο και το rRNA παίζουν σημαντικό ρόλο στη μετάφραση του mRNA σε πρωτεΐνες. Για παράδειγμα, ο Francis Crick πρότεινε την ύπαρξη μορίων προσαρμογέα RNA που θα μπορούσαν να συνδεθούν με τον κώδικα νουκλεοτιδίων mRNA, διευκολύνοντας έτσι τη μεταφορά αμινοξέων σε αναπτυσσόμενες πολυπεπτιδικές αλυσίδες.
Το έργο των Hoagland et al. (1958) πράγματι επιβεβαίωσε ότι ένα ορισμένο κλάσμα του κυτταρικού RNA ήταν ομοιοπολικά συνδεδεμένο με αμινοξέα. Αργότερα, το γεγονός ότι το rRNA αποδείχθηκε ότι ήταν δομικό συστατικό των ριβοσωμάτων υποδηλώνει ότι, όπως το tRNA, το rRNA επίσης δεν κωδικοποιεί.
Εκτός από το rRNA και το tRNA, υπάρχει μια σειρά από άλλα μη κωδικοποιητικά RNA στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Αυτά τα μόρια βοηθούν σε πολλές από τις σημαντικές λειτουργίες αποθήκευσης ενέργειας του RNA στο κύτταρο, οι οποίες εξακολουθούν να απαριθμούνται και να ορίζονται. Αυτά τα RNA αναφέρονται συχνά ως μικρά ρυθμιστικά RNA (sRNAs).στους ευκαρυώτες, έχουν ταξινομηθεί περαιτέρω σε διάφορες υποκατηγορίες. Μαζί, τα ρυθμιστικά RNA ασκούν τα αποτελέσματά τους μέσω ενός συνδυασμού συμπληρωματικού ζευγαρώματος βάσεων, συμπλοκοποίησης με πρωτεΐνες και της δικής τους ενζυματικής δραστηριότητας.
Μικρό πυρηνικό RNA
Μία σημαντική υποκατηγορία μικρών ρυθμιστικών RNA αποτελείται από μόρια γνωστά ως μικρά πυρηνικά RNA (snRNA). Αυτά τα μόρια παίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση των γονιδίων μέσω του ματίσματος RNA. Τα SnRNA βρίσκονται στον πυρήνα και συνήθως συνδέονται στενά με πρωτεΐνες σε σύμπλοκα που ονομάζονται snRNPs (μικρές πυρηνικές ριβονουκλεοπρωτεΐνες, μερικές φορές αναφερόμενες ως "snurps"). Τα πιο κοινά από αυτά τα μόρια είναι τα σωματίδια U1, U2, U5 και U4/U6, τα οποία εμπλέκονται στο προ-mRNA μάτισμα για να σχηματίσουν ώριμο mRNA.
MicroRNA
Ένα άλλο θέμα που παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον για τους ερευνητές είναι τα microRNA (miRNAs), τα οποία είναι μικρά ρυθμιστικά RNA μήκους περίπου 22 έως 26 νουκλεοτιδίων. Η ύπαρξη miRNAs και οι συσταλτικές τους λειτουργίες RNAs στο κύτταρο στη γονιδιακή ρύθμιση ανακαλύφθηκαν αρχικά στο νηματώδη C. elegans (Lee et al., 1993· Wightman et al., 1993). Από τότε που ανακάλυψαν τα miRNAs, έχουν εντοπιστεί σε πολλά άλλα είδη, συμπεριλαμβανομένων των μυγών, των ποντικών και των ανθρώπων. Μέχρι στιγμής, έχουν εντοπιστεί αρκετές εκατοντάδες miRNA. Μπορεί να υπάρχουν πολλά περισσότερα (He & Hannon, 2004).
Τα MiRNAs έχει αποδειχθεί ότι αναστέλλουν τη γονιδιακή έκφραση καταστέλλοντας τη μετάφραση. Για παράδειγμα, miRNA που κωδικοποιούνται από C. elegans, lin-4 και let-7,δεσμεύονται στην 3'-αμετάφραστη περιοχή των στόχων mRNA τους, αποτρέποντας το σχηματισμό λειτουργικών πρωτεϊνών σε ορισμένα στάδια ανάπτυξης των προνυμφών. Μέχρι στιγμής, τα περισσότερα miRNAs που μελετήθηκαν φαίνεται να ελέγχουν την έκφραση γονιδίων δεσμεύοντας σε mRNA-στόχους μέσω ατελούς ζευγαρώματος βάσεων και επακόλουθης αναστολής της μετάφρασης, αν και έχουν σημειωθεί ορισμένες εξαιρέσεις.
Πρόσθετες έρευνες δείχνουν ότι τα miRNA παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στον καρκίνο και άλλες ασθένειες. Για παράδειγμα, το είδος miR-155 είναι εμπλουτισμένο σε Β κύτταρα που προέρχονται από το λέμφωμα Burkitt και η αλληλουχία του συσχετίζεται επίσης με μια γνωστή χρωμοσωμική μετατόπιση (ανταλλαγή DNA μεταξύ χρωμοσωμάτων).
Μικρό παρεμβαλλόμενο RNA
Το μικρό παρεμβαλλόμενο RNA (siRNA) είναι μια άλλη κατηγορία RNA. Αν και αυτά τα μόρια έχουν μήκος μόνο 21 έως 25 ζεύγη βάσεων, λειτουργούν επίσης για να αποσιωπήσουν την έκφραση των γονιδίων. Συγκεκριμένα, ένας κλώνος ενός δίκλωνου μορίου siRNA μπορεί να συμπεριληφθεί σε ένα σύμπλεγμα που ονομάζεται RISC. Αυτό το σύμπλοκο που περιέχει RNA μπορεί στη συνέχεια να αναστείλει τη μεταγραφή ενός μορίου mRNA που έχει μια συμπληρωματική αλληλουχία προς το συστατικό RNA του.
Τα MiRNAs αναγνωρίστηκαν για πρώτη φορά από τη συμμετοχή τους στην παρεμβολή RNA (RNAi). Μπορεί να έχουν εξελιχθεί ως αμυντικός μηχανισμός ενάντια στους δίκλωνους ιούς RNA. Τα SiRNA προέρχονται από μακρύτερα μεταγραφήματα σε μια διαδικασία παρόμοια με αυτή με την οποία εμφανίζονται τα miRNA και η επεξεργασία και των δύο τύπων RNA περιλαμβάνει το ίδιο ένζυμοΚόφτης κύβων. Οι δύο κατηγορίες φαίνεται να διαφέρουν ως προς τους μηχανισμούς καταστολής, αλλά έχουν βρεθεί εξαιρέσεις στις οποίες τα siRNA εμφανίζουν συμπεριφορές πιο χαρακτηριστικές των miRNAs και αντίστροφα (He & Hannon, 2004).
Μικρό πυρηνικό RNA
Μέσα στον ευκαρυωτικό πυρήνα, ο πυρήνας είναι η δομή στην οποία λαμβάνει χώρα η επεξεργασία του rRNA και η ριβοσωμική συναρμολόγηση. Μόρια που ονομάζονται μικρά πυρηνικά RNA (snoRNAs) έχουν απομονωθεί από πυρηνικά εκχυλίσματα λόγω της αφθονίας τους σε αυτή τη δομή. Αυτά τα μόρια λειτουργούν για να επεξεργάζονται μόρια rRNA, τα οποία συχνά καταλήγουν σε μεθυλίωση και ψευδοουριδυλίωση συγκεκριμένων νουκλεοσιδίων. Οι τροποποιήσεις διαμεσολαβούνται από μία από τις δύο κατηγορίες snoRNAs: οικογένειες C/D-box ή H/ACA-box, οι οποίες συνήθως περιλαμβάνουν την προσθήκη μεθυλομάδων ή ισομερισμό ουραδίνης σε ανώριμα μόρια rRNA, αντίστοιχα.
Μη κωδικοποιητικά RNA σε προκαρυώτες
Ωστόσο, οι ευκαρυώτες δεν έχουν οδηγήσει την αγορά σε μη κωδικοποιητικά RNA με συγκεκριμένες ρυθμιστικές ενεργειακές λειτουργίες των RNA στο κύτταρο. Τα βακτήρια διαθέτουν επίσης μια κατηγορία μικρών ρυθμιστικών RNA. Τα βακτηριακά rRNA εμπλέκονται σε διαδικασίες που κυμαίνονται από τη λοιμογόνο δράση έως τη μετάβαση από την ανάπτυξη στη στατική φάση που συμβαίνει όταν ένα βακτήριο αντιμετωπίζει μια κατάσταση στέρησης θρεπτικών ουσιών.
Ένα παράδειγμα βακτηριακού rRNA είναι το 6S RNA που βρίσκεται στο Escherichia coli. Αυτό το μόριο έχει χαρακτηριστεί καλά, με την αρχική του αλληλουχία να λαμβάνει χώρα το 1980. 6S RNAδιατηρείται σε πολλά βακτηριακά είδη, υποδεικνύοντας σημαντικό ρόλο στη γονιδιακή ρύθμιση.
Το RNA έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζει τη δραστηριότητα της RNA πολυμεράσης (RNAP), του μορίου που μεταγράφει το αγγελιοφόρο RNA από το DNA. Το 6S RNA αναστέλλει αυτή τη δραστηριότητα δεσμεύοντας σε μια υπομονάδα πολυμεράσης που διεγείρει τη μεταγραφή κατά την ανάπτυξη. Μέσω αυτού του μηχανισμού, το 6S RNA αναστέλλει την έκφραση γονιδίων που διεγείρουν την ενεργό ανάπτυξη και βοηθά τα κύτταρα να εισέλθουν στη στατική φάση (Jabri, 2005).
Riboswitches
Η ρύθμιση των γονιδίων - τόσο στους προκαρυωτικούς όσο και στους ευκαρυώτες - επηρεάζεται από τα ρυθμιστικά στοιχεία του RNA που ονομάζονται ριβοδιακόπτες (ή διακόπτες RNA). Οι Riboswitches είναι αισθητήρες RNA που ανιχνεύουν και ανταποκρίνονται σε περιβαλλοντικά ή μεταβολικά σήματα και επομένως επηρεάζουν την έκφραση γονιδίων.
Ένα απλό παράδειγμα αυτής της ομάδας είναι το RNA του αισθητήρα θερμοκρασίας που βρίσκεται στα γονίδια λοιμογόνου δράσης του βακτηριακού παθογόνου Listeria monocytogenes. Όταν αυτό το βακτήριο εισέρχεται στον ξενιστή, η αυξημένη θερμοκρασία μέσα στο σώμα του ξενιστή λιώνει τη δευτερογενή δομή του τμήματος στην 5' αμετάφραστη περιοχή του mRNA που παράγεται από το βακτηριακό γονίδιο prfA. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνουν αλλαγές στη δευτερεύουσα δομή.
Έχει αποδειχθεί ότι πρόσθετοι ριμποδιακόπτες ανταποκρίνονται σε κραδασμούς θερμότητας και ψύχους σε διάφορους οργανισμούς και επίσης ρυθμίζουν τη σύνθεση μεταβολιτών όπως τα σάκχαρα και τα αμινοξέα. Αν και οι ριβοδιακόπτες φαίνεται να είναι πιο συνηθισμένοι στα προκαρυωτικά, πολλοί έχουν επίσης βρεθεί σε ευκαρυωτικά κύτταρα.
