Funcțiile arn-ului în celulă: depozitare, energie, contractilitate

Dogma centrală a biologiei moleculare sugerează că ADN-ul conține informația pentru codificarea tuturor proteinelor noastre și că trei tipuri diferite de ARN transformă destul de pasiv acest cod în polipeptide. Mai exact, ARN mesager (ARNm) transportă planul proteic de la ADN-ul celulei la ribozomii acesteia, care sunt "mașinăriile" care controlează sinteza proteinelor. ARN (ARNt) transferă apoi aminoacizii corespunzători către ribozom pentru a fi încorporați în noua proteină. Între timp, ribozomii înșiși sunt compuși în mare parte din molecule de ARN ribozomal (ARNr).

Cu toate acestea, în jumătate de secol de când a fost concepută structura ADN-ului, oamenii de știință au aflat că ARN-ul joacă un rol mult mai important decât simpla participare la sinteza proteinelor. De exemplu, s-a constatat că multe tipuri de ARN sunt catalitice, adică realizează reacții biochimice în același mod ca și enzimele. În plus, s-a constatat că multe alte varietăți de ARN au roluri complexe de reglementare în celule.

Astfel, moleculele de ARN joacă roluri multiple atât în procesele celulare normale, cât și în stările de boală. De obicei, acele molecule de ARN care nu iau forma de ARNm se numesc molecule de ARN necodificatoare, deoarece nu codifică proteine. Participarea ARNm necodificatoare - în multe procese de reglementare. Prevalența și diversitatea funcțiilor lor au condus la ipoteza că "lumea ARN" ar fi putut preceda evoluția funcțiilor ADN și ARN în celulă, participând la biosinteza proteinelor.

ARN necodificator la eucariote

La eucariote, ARNr necodificator se prezintă în mai multe varietăți. În mod special, ele transportă ARN (ARNt) și ARN ribozomal (ARNr). După cum s-a menționat anterior, atât ARNt cât și ARNr joacă roluri importante în traducerea ARNm în proteine. De exemplu, Francis Crick a speculat existența unor molecule de ARN adaptor care s-ar putea lega de codul nucleotidic al ARNm, facilitând astfel transferul aminoacizilor în lanțurile polipeptidice în creștere.

Lucrarea lui Hoagland et al. (1958) au confirmat într-adevăr că o anumită fracțiune de ARN celular era legată covalent de aminoacizi. Faptul că ARNr s-a dovedit a fi o componentă structurală a ribozomilor a sugerat ulterior că, la fel ca ARNt, ARNr nu codifică.

Pe lângă ARNr și ARNt, există o serie de alte ARN-uri necodificatoare în celulele eucariote. Aceste molecule contribuie la multe funcții energetice, de stocare și de ARN importante în celulă, care sunt încă în curs de enumerare și definire. Aceste ARN-uri sunt deseori denumite ARN-uri mici de reglementare (ARNm), iar la eucariote au fost clasificate în continuare în mai multe subcategorii. Împreună, ARN-urile de reglare își manifestă efectele printr-o combinație de împerechere complementară a bazelor, de complexare cu proteinele și de propria activitate enzimatică.

ARN-uri nucleare mici

O subcategorie importantă de ARN-uri mici de reglare este formată din molecule cunoscute sub numele de ARN-uri nucleare mici (snRNAs). Aceste molecule joacă un rol important în reglarea genelor prin splicarea ARN-ului. ARNsn se găsesc în nucleu și sunt, de obicei, strâns legate de proteine în complexe numite snRNPs (mici ribonucleoproteine nucleare, denumite uneori "snurps"). SnARN-urile sunt cele mai comune din aceste molecule sunt particulele U1, U2, U5 și U4/U6, care sunt implicate în splicingul ARNm pre-material pentru a forma ARNm matur.

MicroARN-uri

Un alt subiect de mare interes pentru cercetători este reprezentat de microARN-uri (microARN), care sunt ARN-uri mici de reglementare cu o lungime de aproximativ 22-26 nucleotide. Existența miARN-urilor și funcțiile lor contractile de ARNi în celulă în reglarea genelor au fost descoperite inițial la nematodul C. elegans larve (Lee et al., 1993; Wightman et al., 1993). De la descoperirea lor, miARN-urile au fost identificate la multe alte specii, inclusiv la muște, șoareci și oameni. Până în prezent au fost identificate câteva sute de microARN-uri. Este posibil să existe mult mai multe (He & Hannon, 2004).

S-a demonstrat că microARN-urile inhibă expresia genelor prin reprimarea traducerii. De exemplu, miARN-urile codificate de C. elegans, lin-4 și let-7, se leagă de regiunea 3`-untranslatată a ARNm-ului lor țintă, împiedicând formarea de proteine funcționale la anumite etape de dezvoltare larvele de. Până în prezent, majoritatea microARN-urilor studiate par să controleze expresia genelor prin legarea la ARNm-țintă prin împerechere imperfectă a bazelor și inhibarea ulterioară a traducerii, deși au fost observate câteva excepții.

Cercetări suplimentare arată că microARN-urile joacă, de asemenea, un rol important în cancer și în alte boli. De exemplu, specia miR-155 este îmbogățită în celulele B derivate din limfomul Burkitt, iar secvența sa se corelează, de asemenea, cu o translocație cromozomială cunoscută (schimb de ADN între cromozomi).

ARN-uri mici de interferență

ARN mic de interferență (miARN) este o altă clasă de ARN. Deși aceste molecule au o lungime de numai 21 până la 25 de perechi de baze, ele acționează, de asemenea, pentru a reprima expresia genelor. În special, un lanț al unei molecule de miARN dublu catenar poate fi încorporat 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.

miARN-urile au fost identificate pentru prima dată prin implicarea lor în interferența ARN (ARNi). Este posibil ca acestea să fi evoluat ca mecanism de apărare împotriva virusurilor cu ARN dublu catenar. ARNsi sunt derivate din transcripte mai lungi printr-un proces similar cu cel prin care apar miARN-urile și ambele tipuri de procesare a ARN-ului implică aceeași enzimă, Dicer. Cele două clase par să difere în ceea ce privește mecanismele de represiune, dar au fost găsite excepții în care siARN-urile prezintă un comportament mai tipic pentru miARN-uri și invers (He & Hannon, 2004).

ARN-uri nucleolare mici

În cadrul nucleului eucariot, nucleul este structura în care are loc procesarea ARNr și asamblarea ribozomală. Moleculele numite ARN nucleolare mici (snoRNA) au fost izolate din extractele nucleolare datorită abundenței lor în această structură. Aceste molecule au rolul de a procesa moleculele de ARNr, ceea ce duce adesea la metilarea și pseudouridilarea anumitor nucleozide. Modificările sunt mediate de una dintre cele două clase de snoARN-uri: familia C/D-box sau familia H/ACA-box, care implică în mod obișnuit adăugarea de grupări metil sau, respectiv, izomerizarea uridinei în moleculele imature de ARNr.

ARN-uri necodificatoare la procariote

Cu toate acestea, eucariotele nu au condus piața ARN-urilor necodificatoare cu funcții energetice specifice de reglementare ARN în celulă. Bacteriile posedă, de asemenea, o clasă de ARN-uri mici de reglementare. ARNr bacterieni sunt implicați în procese care variază de la virulență până la tranziția de la creștere la faza staționară, care apare atunci când bacteria se confruntă cu o situație cum ar fi privarea de nutrienți.

Un exemplu de ARNr bacterian este ARN-ul 6S care se găsește în Escherichia coli. Această moleculă a fost bine caracterizată, secvențierea inițială având loc în 1980. ARN 6S este conservat în multe de specii bacteriene, indicând rolul său important în reglarea genelor.

S-a demonstrat că ARN afectează activitatea ARN polimerazei ARN (RNAP), o moleculă care transcrie ARN mesager din ADN. ARN 6S inhibă această activitate prin legarea la subunitatea de polimerază, care stimulează transcrierea în timpul creșterii. Prin acest mecanism, ARN 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 elemente de reglare a ARN-ului numite riboswitch-uri (sau RNA switches). Riboswitch-urile sunt senzori ARN care detectează și răspund la semnale mediu sau metabolismul și, în consecință, afectează expresia genelor.

Un exemplu simplu al acestui grup este senzorul ARN găsit în genele de virulență ale agentului patogen bacterian Listeria monocytogenes. Atunci când această bacterie pătrunde în gazdă, temperatura ridicată din interiorul gazdei topește structura secundară a unui segment din regiunea 5`-untranslatată a ARNm produs de gena bacteriană prfA. Acest lucru duce la modificări ale structurii secundare.

S-a demonstrat că alte riboswitch-uri răspund la șocurile de căldură și de frig în diverse organisme, precum și că reglează sinteza unor metaboliți precum zaharurile și aminoacizii. Deși riboswitch-urile par a fi mai frecvente la procariote, multe dintre ele au fost găsite și în celulele eucariote.