Dogma centrală a biologiei moleculare sugerează că ADN-ul conține informații pentru a codifica toate proteinele noastre, iar trei tipuri diferite de ARN traduc acest cod în polipeptide destul de pasiv. În special, ARN-ul mesager (ARNm) transportă modelul proteic de la ADN-ul celulei la ribozomii acesteia, care sunt „mașini” care controlează sinteza proteinelor. ARN-ul (ARNt) transferă apoi aminoacizii corespunzători în ribozom pentru încorporarea într-o nouă proteină. Între timp, ribozomii înșiși sunt alcătuiți în principal din molecule de ARN ribozomal (ARNr).
Cu toate acestea, în jumătate de secol de când structura ADN-ului a fost dezvoltată pentru prima dată, oamenii de știință au aflat că ARN-ul joacă un rol mult mai mare decât doar participarea la sinteza proteinelor. De exemplu, s-a descoperit că multe tipuri de ARN sunt catalitice, ceea ce înseamnă că duc reacții biochimice în același mod în care fac enzimele. În plus, s-a descoperit că multe alte specii de ARN joacă roluri de reglementare complexe încelule.
Astfel, moleculele de ARN joacă numeroase roluri atât în procesele celulare normale, cât și în stările de boală. De obicei acele molecule de ARN care nu iau forma de ARNm sunt numite necodificatoare deoarece nu codifică proteine. Participarea mARN-urilor necodificatoare la multe procese de reglementare. Prevalența și varietatea lor de funcții au condus la ipoteza că „lumea ARN” ar putea precede evoluția funcțiilor ADN și ARN în celulă, participarea la biosinteza proteinelor.
ARN-uri necodificatoare la eucariote
Există mai multe varietăți de ARN necodificant la eucariote. Cel mai important, ei transferă ARN (ARNt) și ARN ribozomal (ARNr). După cum sa menționat mai devreme, atât ARNt, cât și ARNr joacă un rol important în traducerea ARNm în proteine. De exemplu, Francis Crick a sugerat existența unor molecule de ARN adaptoare care s-ar putea lega la codul nucleotidelor ARNm, facilitând astfel transferul de aminoacizi în lanțuri polipeptidice în creștere.
Lucrările lui Hoagland et al. (1958) au confirmat într-adevăr că o anumită fracțiune de ARN celular a fost legată covalent de aminoacizi. Mai târziu, faptul că ARNr s-a dovedit a fi o componentă structurală a ribozomilor a sugerat că, la fel ca ARNt, nici ARNr-ul nu codifică.
În plus față de ARNr și ARNt, există o serie de alți ARN necodificatori în celulele eucariote. Aceste molecule ajută la multe dintre funcțiile importante de stocare a energiei ale ARN-ului în celulă, care sunt încă enumerate și definite. Acești ARN-uri sunt adesea denumite ARN-uri reglatoare mici (ARNs).la eucariote, acestea au fost clasificate în continuare într-un număr de subcategorii. Împreună, ARN-urile de reglare își exercită efectele printr-o combinație de împerechere de baze complementare, complexare cu proteine și propria lor activitate enzimatică.
ARN nuclear mic
O subcategorie importantă a ARN-urilor reglatoare mici constă din molecule cunoscute sub numele de ARN nuclear mici (ARNsn). Aceste molecule joacă un rol important în reglarea genelor prin splicing ARN. SnRNA-urile se găsesc în nucleu și sunt de obicei strâns asociate cu proteinele în complexe numite snRNPs (ribonucleoproteine nucleare mici, denumite uneori „snurps”). Cele mai comune dintre aceste molecule sunt particulele U1, U2, U5 și U4/U6, care sunt implicate în splicingul pre-ARNm pentru a forma ARNm matur.
MicroARN
Un alt subiect de mare interes pentru cercetători este microARN-urile (miARN-urile), care sunt mici ARN-uri reglatoare cu aproximativ 22 până la 26 de nucleotide în lungime. Existența miARN-urilor și funcțiile lor contractile ARN-urile în celulă în reglarea genelor au fost inițial descoperite la nematodul C. elegans (Lee și colab., 1993; Wightman și colab., 1993). De la descoperirea miARN-urilor, aceștia au fost identificați la multe alte specii, inclusiv muște, șoareci și oameni. Până acum, au fost identificate câteva sute de miARN. Pot fi multe altele (He & Hannon, 2004).
S-a demonstrat că MiARN inhibă expresia genelor prin reprimarea traducerii. De exemplu, miARN-urile codificate de C. elegans, lin-4 și let-7,se leagă de regiunea 3’-netradusă a țintelor lor de ARNm, prevenind formarea proteinelor funcționale în anumite stadii de dezvoltare a larvelor. Până în prezent, majoritatea miARN-urilor studiate par să controleze expresia genelor prin legarea de ARNm-țintă prin împerecherea imperfectă a bazelor și inhibarea ulterioară a traducerii, deși s-au remarcat unele excepții.
Cercetări suplimentare arată că miARN-urile joacă, de asemenea, un rol important în cancer și alte boli. De exemplu, specia miR-155 este îmbogățită în celule B derivate din limfomul Burkitt, iar secvența sa se corelează, de asemenea, cu o translocare cromozomială cunoscută (schimb de ADN între cromozomi).
ARN interferent mic
Small interfering ARN (ARNsi) este o altă clasă de ARN. Deși aceste molecule au doar 21 până la 25 de perechi de baze, ele funcționează și pentru a reduce expresia genelor. În special, o catenă a unei molecule de siARN dublu catenar poate fi inclusă într-un complex numit RISC. Acest complex care conține ARN poate inhiba apoi transcrierea unei molecule de ARNm care are o secvență complementară cu componenta sa ARN.
MiRNA-urile au fost identificate pentru prima dată prin implicarea lor în interferența ARN (ARNi). Este posibil să fi evoluat ca mecanism de apărare împotriva virusurilor ARN dublu catenar. SiRNA-urile sunt derivate din transcrieri mai lungi într-un proces similar cu cel prin care apar miARN-urile și procesarea ambelor tipuri de ARN implică aceeași enzimă. Dicer. Cele două clase par să difere în ceea ce privește mecanismele lor de reprimare, dar s-au găsit excepții în care siRNA-urile prezintă comportamente mai tipice miARN-urilor și invers (He & Hannon, 2004).
ARN nucleolar mic
În nucleul eucariot, nucleolul este structura în care au loc procesarea ARNr și asamblarea ribozomală. Moleculele numite ARN nucleolari mici (snoRNAs) au fost izolate din extractele nucleolare datorită abundenței lor în această structură. Aceste molecule funcționează pentru a procesa moleculele de ARNr, ceea ce duce adesea la metilarea și pseudouridilarea nucleozidelor specifice. Modificările sunt mediate de una dintre cele două clase de snoARN: familii C/D-box sau H/ACA-box, care implică de obicei adăugarea de grupări metil sau izomerizarea uradinei în moleculele de ARNr imature, respectiv.
ARN-uri necodificatoare la procariote
Cu toate acestea, eucariotele nu au condus piața către ARN-uri necodificatoare cu funcții energetice de reglementare specifice ale ARN-urilor din celulă. Bacteriile posedă, de asemenea, o clasă de ARN reglatori mici. ARNr-urile bacteriene sunt implicate în procese care variază de la virulență la tranziția de la faza de creștere la faza staționară care are loc atunci când o bacterie se confruntă cu o situație de privare de nutrienți.
Un exemplu de ARNr bacterian este ARN-ul 6S găsit în Escherichia coli. Această moleculă a fost bine caracterizată, secvențierea sa inițială a avut loc în 1980. ARN 6Seste conservată în multe specii bacteriene, indicând un rol important în reglarea genelor.
S-a demonstrat că ARN afectează activitatea ARN polimerazei (RNAP), molecula care transcrie ARN-ul mesager din ADN. ARN-ul 6S inhibă această activitate prin legarea la o subunitate de polimerază care stimulează transcripția în timpul creșterii. Prin acest mecanism, ARN-ul 6S inhibă expresia genelor care stimulează creșterea activă și ajută celulele să intre în faza staționară (Jabri, 2005).
Riboswitches
Reglarea genelor - atât la procariote, cât și la eucariote - este influențată de elementele de reglare a ARN numite riboswitches (sau comutatoare ARN). Riboswitch-urile sunt senzori ARN care detectează și răspund la semnalele de mediu sau metabolice și influențează astfel expresia genelor.
Un exemplu simplu al acestui grup este ARN-ul senzorului de temperatură găsit în genele de virulență ale patogenului bacterian Listeria monocytogenes. Când această bacterie intră în gazdă, temperatura ridicată din interiorul corpului gazdei topește structura secundară a segmentului din regiunea 5’ netradusă a ARNm produs de gena prfA bacteriană. Ca urmare, apar modificări în structura secundară.
S-a demonstrat că riboswitch-urile suplimentare răspund la șocurile de căldură și rece într-o varietate de organisme și, de asemenea, reglează sinteza metaboliților, cum ar fi zaharurile și aminoacizii. Deși riboswitch-urile par a fi mai frecvente la procariote, multe au fost găsite și în celulele eucariote.
