Функции на рнк в клетката: съхранение, енергия, свиване

Основната догма на молекулярната биология предполага, че ДНК съдържа информацията за кодиране на всички наши протеини и че три различни вида РНК по-скоро пасивно преобразуват този код в полипептиди. По-конкретно, месинджър РНК (мРНК) пренася белтъчния план от ДНК на клетката до рибозомите, които са "машините", контролиращи синтеза на белтъци. След това РНК (тРНК) пренася съответните аминокиселини до рибозомата, за да се включат в новия протеин. Същевременно самите рибозоми се състоят основно от молекули рибозомна РНК (рРНК).

За половин век от първото разработване на структурата на ДНК обаче учените научиха, че РНК играе много по-голяма роля от участието в синтеза на протеини. Например, много видове РНК са каталитични, т.е. извършват биохимични реакции по същия начин като ензимите. Освен това е установено, че много други видове РНК играят сложни регулаторни роли в клетките.

По този начин молекулите на РНК играят множество роли както в нормалните клетъчни процеси, така и в болестните състояния. Обикновено молекулите на РНК, които не са под формата на мРНК, се наричат некодиращи РНК, защото не кодират протеини. Участие на некодиращите мРНК - в много регулаторни процеси. Разпространението и разнообразието на функциите им доведоха до хипотезата, че "светът на РНК" може да е предшествал еволюцията на ДНК и функциите на РНК в клетката, участието в биосинтезата на протеини.

Некодиращи РНК при еукариотите

При еукариотите некодиращата РНК се среща в няколко разновидности. Най-вече те носят РНК (тРНК) и рибозомна РНК (рРНК). Както беше споменато по-рано, както тРНК, така и рРНК играят важна роля при транслацията на мРНК в протеини. Например Франсис Крик предполага съществуването на адапторни РНК молекули, които могат да се свързват с нуклеотидния код на мРНК, като по този начин улесняват прехвърлянето на аминокиселини в растящи полипептидни вериги.

Работа на Hoagland и др. (1958 г.) действително потвърждава, че определена част от клетъчната РНК е ковалентно свързана с аминокиселини. По-късно фактът, че рРНК се оказва структурен компонент на рибозомите, подсказва: подобно на тРНК, рРНК също не кодира.

Освен рРНК и тРНК в еукариотните клетки има и редица други некодиращи РНК. Тези молекули подпомагат много важни енергийни функции, функции за съхранение на РНК в клетката, които все още се изброяват и определят. Тези РНК често се наричат малки регулаторни РНК (сРНК), а при еукариотите те са допълнително класифицирани в редица подкатегории. Заедно регулаторните РНК проявяват своето въздействие чрез комбинация от комплементарно свързване на бази, комплексиране с протеини и собствена ензимна активност.

Малка ядрена РНК

Една важна подкатегория на малките регулаторни РНК се състои от молекули, известни като малки ядрени РНК (snRNAs). Тези молекули играят важна роля в регулирането на гените чрез РНК сплайсинг. SnRNA се намират в ядрото и обикновено са тясно свързани с протеини в комплекси, наречени snRNPs (малки ядрени рибонуклеопротеини, понякога наричани "snurps"). Най-често срещаните от тези молекули са частиците U1, U2, U5 и U4/U6, които участват в сплайсинга на пре-мРНК за образуване на зряла мРНК.

МикроРНК

Друга тема, която представлява голям интерес за изследователите, са микроРНК (miRNA), които са малки регулаторни РНК с дължина приблизително 22-26 нуклеотида. Съществуването на миРНК и техните свиващи функции РНК в клетката в генната регулация първоначално са открити при нематода C. elegans (Lee et al., 1993; Wightman et al., 1993). След откриването им миРНК са идентифицирани в много други видове, включително мухи, мишки и хора. Досега са идентифицирани няколкостотин микроРНК. Може да има много повече (Той & Hannon, 2004).

Установено е, че микроРНК потискат генната експресия чрез потискане на транслацията. Например, миРНК, кодирани от C. elegans, lin-4 и let-7, се свързват с 3`-непренесения регион на целевата си мРНК, като предотвратяват образуването на функционални протеини в определени етапи на развитие ларви. Досега изглежда, че повечето от изследваните микроРНК контролират генната експресия чрез свързване с целевите мРНК чрез несъвършено сдвояване на базите и последващо потискане на транслацията, въпреки че са отбелязани някои изключения.

Допълнителни проучвания показват, че миРНК също играят важна роля при рак и други. Например видът miR-155 е обогатен в B-клетките, получени от лимфом на Буркит, а последователността му корелира и с известни хромозомни транслокации (обмен на ДНК между хромозомите).

Малки интерфериращи РНК

Малките интерфериращи РНК (миРНК) са друг клас РНК. Въпреки че тези молекули са дълги само 21-25 базови двойки, те също потискат генната експресия. По-специално, едната нишка на двуверижна молекула на миРНК може да бъде включена в комплекс, наречен RISC. След това този комплекс, съдържащ РНК, може да инхибира транскрипцията на молекула мРНК, която има последователност, комплементарна на нейния РНК компонент.

МиРНК са идентифицирани за първи път чрез участието им в РНК интерференцията (РНКи). Възможно е те да са еволюирали като защитен механизъм срещу двойноверижни РНК вируси. СиРНК се получават от по-дълги транскрипти в процес, подобен на този, при който се създават миРНК, като и в двата вида обработка на РНК участва един и същ ензим - Dicer. Изглежда, че двата класа се различават по механизмите си на потискане, но са открити изключения, при които сиРНК проявяват поведение, по-типично за миРНК, и обратно (He & Hannon, 2004).

Малки ядрени РНК

В рамките на еукариотното ядро ядрото е структурата, в която се извършва обработката на рРНК и сглобяването на рибозомите. Молекули, наречени малки нуклеоларни РНК (сноРНК), са изолирани от нуклеоларни екстракти поради изобилието им в тази структура. Тези молекули обработват молекулите на рРНК, като често водят до метилиране и псевдоуридиране на специфични нуклеозиди. Модификациите се осъществяват от един от двата класа сноРНК: семейството на C/D-box или H/ACA-box, които обикновено включват съответно добавяне на метилови групи или изомеризация на уридина в незрелите молекули на рРНК.

Некодиращи РНК при прокариотите

Въпреки това еукариотите не са завладели пазара на некодиращи РНК със специфични регулаторни енергийни функции в клетката. Бактериите притежават и клас малки регулаторни РНК. Бактериалните рРНК участват в различни процеси - от вирулентността до прехода от фаза на растеж към стационарна фаза, който се случва, когато бактерията е изправена пред ситуация, като например липса на хранителни вещества.

Един пример за бактериална рРНК е 6S рРНК, която се намира в Escherichia coli. Тази молекула е добре охарактеризирана, като първоначалното й секвениране е извършено през 1980 г. 6S рРНК е запазена в много бактериални видове, което показва важна роля в регулирането на гените.

Установено е, че РНКи влияе върху активността на РНКполимеразата (RNAP) - молекула, която транскрибира от ДНК посланическа РНК. 6S рРНК инхибира тази активност, като се свързва с полимеразната субединица, която стимулира транскрипцията по време на растежа. Чрез този механизъм 6S РНК потиска експресията на гени, които стимулират активния растеж, и помага на клетките да навлязат в стационарна фаза (Jabri, 2005).

Рибопревключватели

Регулацията на гените - както при прокариотите, така и при еукариотите - се влияе от РНК регулаторни елементи, наречени рибопревключватели (или РНК превключватели). Рибопревключвателите са РНК сензори, които откриват и реагират на сигнали среди или метаболизъм и следователно влияе върху генната експресия.

Прост пример за тази група е РНКи термостатът, открит в гените на вирулентност на бактериалния патоген Listeria monocytogenes. Когато тази бактерия проникне в гостоприемника, повишената температура в него разтопява вторичната структура на сегмент в 5`-непреведената област на мРНК, произвеждана от бактериалния ген prfA. Това води до промени във вторичната структура.

Доказано е, че допълнителни рибопревключватели реагират на топлинни и студови шокове при различни организми, както и регулират синтеза на метаболити като захари и аминокиселини. Въпреки че рибопревключвателите са по-често срещани при прокариотите, много от тях са открити и в еукариотните клетки.