Il dogma centrale della biologia molecolare suggerisce che il DNA contiene le informazioni per codificare tutte le nostre proteine e tre diversi tipi di RNA traducono questo codice in polipeptidi in modo piuttosto passivo. In particolare, l'RNA messaggero (mRNA) trasporta il modello proteico dal DNA della cellula ai suoi ribosomi, che sono le "macchine" che controllano la sintesi proteica. L'RNA (tRNA) trasferisce quindi gli amminoacidi appropriati al ribosoma per l'incorporazione in una nuova proteina. Nel frattempo, i ribosomi stessi sono costituiti principalmente da molecole di RNA ribosomiale (rRNA).
Tuttavia, nel mezzo secolo da quando la struttura del DNA è stata sviluppata per la prima volta, gli scienziati hanno appreso che l'RNA svolge un ruolo molto più importante della semplice partecipazione alla sintesi proteica. Ad esempio, molti tipi di RNA sono stati trovati catalitici, il che significa che svolgono reazioni biochimiche allo stesso modo degli enzimi. Inoltre, è stato scoperto che molte altre specie di RNA svolgono ruoli regolatori complessicelle.
Quindi, le molecole di RNA svolgono numerosi ruoli sia nei normali processi cellulari che negli stati patologici. Di solito quelle molecole di RNA che non assumono la forma di mRNA sono chiamate non codificanti perché non codificano per proteine. Partecipazione di mRNA non codificanti in molti processi regolatori. La loro prevalenza e varietà di funzioni ha portato all'ipotesi che il "mondo dell'RNA" potesse precedere l'evoluzione delle funzioni del DNA e dell'RNA nella cellula, la partecipazione alla biosintesi delle proteine.
RNA non codificanti negli eucarioti
Ci sono diverse varietà di RNA non codificanti negli eucarioti. In particolare, trasferiscono RNA (tRNA) e RNA ribosomiale (rRNA). Come accennato in precedenza, sia il tRNA che l'rRNA svolgono un ruolo importante nella traduzione dell'mRNA in proteine. Ad esempio, Francis Crick ha suggerito l'esistenza di molecole di RNA adattatrici che potrebbero legarsi al codice nucleotidico dell'mRNA, facilitando così il trasferimento di amminoacidi in catene polipeptidiche in crescita.
Il lavoro di Hoagland et al. (1958) confermarono infatti che una certa frazione di RNA cellulare era legata in modo covalente agli amminoacidi. Successivamente, il fatto che l'rRNA si sia rivelato essere un componente strutturale dei ribosomi ha suggerito che, come il tRNA, anche l'rRNA non codifica.
Oltre a rRNA e tRNA, ci sono un certo numero di altri RNA non codificanti nelle cellule eucariotiche. Queste molecole assistono in molte delle importanti funzioni di immagazzinamento dell'energia dell'RNA nella cellula, che sono ancora enumerate e definite. Questi RNA sono spesso indicati come piccoli RNA regolatori (sRNA).negli eucarioti, sono stati ulteriormente classificati in una serie di sottocategorie. Insieme, gli RNA regolatori esercitano i loro effetti attraverso una combinazione di accoppiamento di basi complementari, complessazione con proteine e la propria attività enzimatica.
Piccolo RNA nucleare
Un'importante sottocategoria di piccoli RNA regolatori è costituita da molecole note come piccoli RNA nucleari (snRNA). Queste molecole svolgono un ruolo importante nella regolazione dei geni attraverso lo splicing dell'RNA. Gli SnRNA si trovano nel nucleo e di solito sono strettamente associati alle proteine in complessi chiamati snRNP (piccole ribonucleoproteine nucleari, a volte denominate "snurps"). Le più comuni di queste molecole sono le particelle U1, U2, U5 e U4/U6, che sono coinvolte nello splicing pre-mRNA per formare mRNA maturo.
MicroRNA
Un altro argomento di grande interesse per i ricercatori sono i microRNA (miRNA), che sono piccoli RNA regolatori di circa 22-26 nucleotidi di lunghezza. L'esistenza di miRNA e le loro funzioni contrattili Gli RNA nella cellula nella regolazione genica sono stati originariamente scoperti nel nematode C. elegans (Lee et al., 1993; Wightman et al., 1993). Dalla loro scoperta dei miRNA, sono stati identificati in molte altre specie, tra cui mosche, topi e umani. Finora sono state identificate diverse centinaia di miRNA. Potrebbero essercene molti altri (He & Hannon, 2004).
MiRNA ha dimostrato di inibire l'espressione genica reprimendo la traduzione. Ad esempio, i miRNA codificati da C. elegans, lin-4 e let-7,si legano alla regione 3'-non tradotta dei loro bersagli mRNA, prevenendo la formazione di proteine funzionali in determinate fasi dello sviluppo larvale. Finora, la maggior parte dei miRNA studiati sembra controllare l'espressione genica legandosi agli mRNA bersaglio attraverso un accoppiamento di basi imperfetto e la successiva inibizione della traduzione, sebbene siano state notate alcune eccezioni.
Ricerche aggiuntive mostrano che i miRNA svolgono anche un ruolo importante nel cancro e in altre malattie. Ad esempio, la specie miR-155 è arricchita in cellule B derivate dal linfoma di Burkitt e la sua sequenza è anche correlata a una nota traslocazione cromosomica (scambio di DNA tra cromosomi).
Piccolo RNA interferente
Il piccolo RNA interferente (siRNA) è un' altra classe di RNA. Sebbene queste molecole siano lunghe solo da 21 a 25 paia di basi, funzionano anche per silenziare l'espressione genica. In particolare, un filamento di una molecola di siRNA a doppio filamento può essere incluso in un complesso chiamato RISC. Questo complesso contenente RNA può quindi inibire la trascrizione di una molecola di mRNA che ha una sequenza complementare al suo componente RNA.
MiRNA sono stati identificati per la prima volta dal loro coinvolgimento nell'interferenza dell'RNA (RNAi). Potrebbero essersi evoluti come meccanismo di difesa contro i virus a RNA a doppio filamento. I SiRNA sono derivati da trascrizioni più lunghe in un processo simile a quello con cui si verificano i miRNA e l'elaborazione di entrambi i tipi di RNA coinvolge lo stesso enzimaDicer. Le due classi sembrano differire nei loro meccanismi di repressione, ma sono state trovate eccezioni in cui i siRNA mostrano comportamenti più tipici dei miRNA e viceversa (He & Hannon, 2004).
Piccolo RNA nucleare
All'interno del nucleo eucariotico, il nucleolo è la struttura in cui avviene l'elaborazione dell'rRNA e l'assemblaggio ribosomiale. Molecole chiamate piccoli RNA nucleolari (snoRNA) sono state isolate da estratti nucleolari a causa della loro abbondanza in questa struttura. Queste molecole funzionano per elaborare le molecole di rRNA, che spesso si traduce in metilazione e pseudouridilazione di nucleosidi specifici. Le modifiche sono mediate da una delle due classi di snoRNA: famiglie C/D-box o H/ACA-box, che tipicamente implicano l'aggiunta di gruppi metilici o l'isomerizzazione dell'uradina rispettivamente in molecole di rRNA immature.
RNA non codificanti nei procarioti
Tuttavia, gli eucarioti non hanno spinto il mercato verso RNA non codificanti con specifiche funzioni energetiche regolatorie degli RNA nella cellula. I batteri possiedono anche una classe di piccoli RNA regolatori. Gli rRNA batterici sono coinvolti in processi che vanno dalla virulenza alla transizione dalla fase di crescita alla fase stazionaria che si verifica quando un batterio si trova ad affrontare una situazione di deprivazione di nutrienti.
Un esempio di rRNA batterico è l'RNA 6S trovato in Escherichia coli. Questa molecola è stata ben caratterizzata, con il suo sequenziamento iniziale avvenuto nel 1980. 6S RNAè conservato in molte specie batteriche, indicando un ruolo importante nella regolazione genica.
L'RNA ha dimostrato di influenzare l'attività della RNA polimerasi (RNAP), la molecola che trascrive l'RNA messaggero dal DNA. L'RNA 6S inibisce questa attività legandosi a una subunità della polimerasi che stimola la trascrizione durante la crescita. Attraverso questo meccanismo, l'RNA 6S inibisce l'espressione dei geni che stimolano la crescita attiva e aiuta le cellule ad entrare nella fase stazionaria (Jabri, 2005).
Interruttori Ribo
La regolazione genica - sia nei procarioti che negli eucarioti - è influenzata da elementi regolatori dell'RNA chiamati riboswitch (o switch dell'RNA). I riboswitch sono sensori di RNA che rilevano e rispondono a segnali ambientali o metabolici e quindi influenzano l'espressione genica.
Un semplice esempio di questo gruppo è il sensore di temperatura RNA trovato nei geni di virulenza del patogeno batterico Listeria monocytogenes. Quando questo batterio entra nell'ospite, la temperatura elevata all'interno del corpo dell'ospite scioglie la struttura secondaria del segmento nella regione 5' non tradotta dell'mRNA prodotto dal gene batterico prfA. Di conseguenza, si verificano cambiamenti nella struttura secondaria.
È stato dimostrato che ulteriori riboswitch rispondono a shock termici e freddi in una varietà di organismi e regolano anche la sintesi di metaboliti come zuccheri e aminoacidi. Sebbene i riboswitch sembrino essere più comuni nei procarioti, molti sono stati trovati anche nelle cellule eucariotiche.
