Центральная догма молекулярной биологии предполагает, что ДНК содержит информацию для кодирования всех наших белков и три различных типа РНК довольно пассивно преобразуют этот код в полипептиды. В частности, мессенджер РНК (мРНК) переносит белковый план от ДНК клетки к ее рибосомам, которые являются «машинами», управляющие синтезом белка. Затем РНК (тРНК) переносит соответствующие аминокислоты в рибосому для включения в новый белок. Между тем, сами рибосомы состоят в основном из молекул рибосомальной РНК (рРНК).
Однако за полвека, прошедшие с тех пор, как структура ДНК была впервые разработана, ученые узнали, что РНК играет гораздо большую роль, чем просто участие в синтезе белка. Например, было обнаружено, что многие типы РНК являются каталитическими, то есть они проводят биохимические реакции так же, как и ферменты. Кроме того, было установлено, что многие другие разновидности РНК выполняют сложные регуляторные роли в клетках.
Таким образом, молекулы РНК играют многочисленные роли как в нормальных клеточных процессах, так и в болезненных состояниях. Обычно те молекулы РНК, которые не принимают форму мРНК, называют некодирующими, поскольку они не кодируют белки. Участие некодирующих мРНК — во многих регуляторных процессах. Их распространенность и разнообразие функций привели к гипотезе о том, что «мир РНК» мог предшествовать эволюции ДНК и функций РНК в клетке, участию в биосинтезе белка.
Некодирующие РНК у эукариот
У эукариот некодирующая РНК бывает нескольких разновидностей. Наиболее заметно они переносят РНК (тРНК) и рибосомную РНК (рРНК). Как упоминалось ранее, как тРНК, так и рРНК играют важную роль в трансляции мРНК в белки. Например, Фрэнсис Крик предположил существование молекул адапторной РНК, которые могли связываться с нуклеотидным кодом мРНК, облегчая тем самым перенос аминокислот в растущие полипептидные цепи.
Работа Hoagland et al. (1958) действительно подтвердила, что определенная фракция клеточной РНК была ковалентно связана с аминокислотами. Позже тот факт, что рРНК оказалась структурным компонентом рибосом, позволил предположить: как и тРНК, рРНК также не кодирует.
Помимо рРНК и тРНК, в эукариотических клетках существует ряд других некодирующих РНК. Эти молекулы помогают во многих важных энергетических, запасающих функциях РНК в клетке, которые все еще перечисляются и определяются. Эти РНК часто называют небольшими регуляторными РНК (сРНК), а у эукариот они были дополнительно классифицированы по ряду подкатегорий. Вместе регуляторные РНК проявляют свои эффекты посредством сочетания комплементарного спаривания оснований, комплексообразования с белками и их собственной ферментативной активности.
Малые ядерные РНК
Одна важная подкатегория малых регуляторных РНК состоит из молекул, известных как маленькие ядерные РНК (snRNAs). Эти молекулы играют важную роль в регуляции генов путем сплайсинга РНК. SnRNAs обнаружены в ядре и, как правило, тесно связаны с белками в комплексах, называемых snRNPs (мелкие ядерные рибонуклеопротеины, иногда именуемые «snurps»). Наиболее распространенными из этих молекул являются частицы U1, U2, U5 и U4 / U6, которые участвуют в сплайсинге пре-мРНК с образованием зрелой мРНК.
МикроРНК
Другая тема, представляющая большой интерес для исследователей, — это микроРНК (микроРНК), которые представляют собой небольшие регуляторные РНК длиной приблизительно от 22 до 26 нуклеотидов. Существование miRNAs и их сократительных функций РНК в клетке в регуляции генов были первоначально обнаружены у нематоды C. elegans (Lee et al., 1993; Wightman et al., 1993). Со времени их открытия miRNAs они были выявлены во многих других видах, включая мух, мышей и людей. До настоящего времени было идентифицировано несколько сотен микроРНК. Может существовать еще много (He & Hannon, 2004).
Было показано, что микроРНК ингибируют экспрессию генов путем репрессии трансляции. Например, miRNAs, кодируемые C. elegans, lin-4 и let-7, связываются с 3'-нетранслируемым участком их мРНК-мишеней, предотвращая образование функциональных белков на определенных стадиях развития личинок. До сих пор большинство исследованных микроРНК, по-видимому, контролирует экспрессию генов путем связывания с мРНК-мишенями посредством несовершенного спаривания оснований и последующего ингибирования трансляции, хотя были отмечены некоторые исключения.
Дополнительные исследования показывают, что микроРНК также играют важную роль при раке и других заболеваниях. Например, вид miR-155 обогащен В-клетками, полученными из лимфомы Беркитта, и его последовательность также коррелирует с известной хромосомной транслокацией (обмен ДНК между хромосомами).
Малые интерферирующие РНК
Малые интерферирующие РНК (миРНК) представляют собой еще один класс РНК. Хотя эти молекулы имеют длину только от 21 до 25 пар оснований, они также работают для подавления экспрессии генов. В частности, одна цепь двухцепочечной молекулы миРНК может быть включена в комплекс, называемый RISC. Этот РНК-содержащий комплекс может затем ингибировать транскрипцию молекулы мРНК, которая имеет последовательность, комплементарную ее РНК-компоненту.
МиРНК были впервые определены по их участию в РНК-интерференции (РНКи). Они могли развиваться как защитный механизм от двухцепочечных РНК-вирусов. SiRNAs получены из более длинных транскриптов в процессе, подобном тому, посредством которого происходят miRNAs и процессинг РНК обоих типов вовлекает тот же самый фермент, Dicer. Эти два класса, по-видимому, различаются по их механизмам репрессии, но были найдены исключения, в которых siRNAs проявляют поведение, более типичное для miRNAs, и наоборот (He & Hannon, 2004).
Малые Нуклеолярные РНК
Внутри эукариотического ядра ядрышко является структурой, в которой происходит процессинг рРНК и рибосомная сборка. Молекулы, называемые малыми ядрышковыми РНК (snoRNAs), были выделены из нуклеолярных экстрактов из-за их обилия в этой структуре. Эти молекулы функционируют для обработки молекул рРНК, что часто приводит к метилированию и псевдоуридилированию специфических нуклеозидов. Модификации опосредуются одним из двух классов snoRNAs: C / D-бокс или семейства H / ACA-боксов, которые обычно предполагают добавление метильных групп или изомеризацию урадина в незрелых молекулах рРНК, соответственно.
Некодирующие РНК у прокариот
Однако эукариоты не загнали рынок в некодирующие РНК со специфическими регуляторными энергетическими функциями РНК в клетке. Бактерии также обладают классом небольших регуляторных РНК. Бактериальные рРНК участвуют в процессах, начиная от вирулентности и заканчивая переходом от роста к стационарной фазе, который происходит, когда бактерия сталкивается с такой ситуацией, как лишение питательных веществ.
Одним из примеров бактериальной рРНК является 6S РНК, обнаруженная в Escherichia coli. Эта молекула была хорошо охарактеризована, ее первоначальное секвенирование произошло в 1980 году. 6S РНК консервативна у многих видов бактерий, что указывает на ее важную роль в регуляции генов.
Было показано, что РНК влияет на активность РНК-полимеразы (РНКП), молекулы, которая транскрибирует РНК-мессенджер из ДНК. 6S РНК ингибирует эту активность, связываясь с субъединицей полимеразы, которая стимулирует транскрипцию во время роста. Благодаря этому механизму 6S РНК ингибирует экспрессию генов, которые стимулируют активный рост, и помогает клеткам войти в стационарную фазу (Jabri, 2005).
Riboswitches
На регуляцию генов — как у прокариот, так и у эукариот — влияют регуляторные элементы РНК, называемые рибосвитчи (или переключатели РНК). Рибосвитчи — это РНК-сенсоры, которые обнаруживают и реагируют на сигналы окружающей среды или метаболизма и, соответственно, влияют на экспрессию генов.
Простым примером этой группы является термодатчик РНК, обнаруженный в генах вирулентности бактериального патогена Listeria monocytogenes. Когда эта бактерия проникает в хозяина, повышенная температура внутри тела хозяина расплавляет вторичную структуру сегмента в 5'-нетранслируемой области мРНК, продуцируемой бактериальным геном prfA. В результате этого происходят изменения во вторичной структуре.
Было показано, что дополнительные рибосвитчи реагируют на тепловые и холодные удары у различных организмов, а также регулируют синтез метаболитов, таких как сахара и аминокислоты. Хотя рибосвитчи, по-видимому, более распространены у прокариот, многие из них также были обнаружены в эукариотических клетках.
