ARN necodificat - Non-coding RNA

Comparați regiunile netraduse .
Rolurile ARN-urilor necodificatoare în dogma centrală a biologiei moleculare : ribonucleoproteinele sunt prezentate în roșu, ARN-urile necodificatoare în albastru. Notă: în spliceozom se folosește snARN

Un ARN necodificator ( ncARN ) este o moleculă de ARN care nu este tradusă într-o proteină . ADN Secvența din care un ARN funcțional non-codare este transcris este adesea numit un ARN gene . Abundente și funcționale importante tipuri de non-codare RNAs includ ARNs de transfer (ARNt) și RNAs ribozomal (ARNr), precum și RNAs mici , cum ar fi micro ARN , siARNurile , piRNAs , snoRNAs , snRNAs , exRNAs , scaRNAs și ncRNAs lungi , cum ar fi XIST și HOTAIR .

Numărul de ARN necodificatori din genomul uman este necunoscut; cu toate acestea, studii recente transcriptomice și bioinformatice sugerează că există mii dintre ele. Multe dintre noile ARNc identificate nu au fost validate pentru funcția lor. De asemenea, este probabil ca mulți ncRNA să nu fie funcționali (uneori denumiți ARN junk ) și să fie produsul transcripției false.

Se crede că ARN-urile necodificatoare contribuie la boli, inclusiv cancerul și Alzheimer .

Istorie și descoperire

Informații suplimentare: Istoria biologiei moleculare

Acizii nucleici au fost descoperiți pentru prima dată în 1868 de Friedrich Miescher și până în 1939 ARN-ul a fost implicat în sinteza proteinelor . Două decenii mai târziu, Francis Crick a prezis o componentă funcțională de ARN care mediază traducerea ; el a argumentat că ARN-ul este mai potrivit pentru perechea de baze cu un transcript ARNm decât o polipeptidă pură .

Structura de trifoi a drojdiei ARNt Phe ( inset ) și structura 3D determinată prin analiza cu raze X.

Primul ARN necodificator care a fost caracterizat a fost un ARNt de alanină găsit în drojdia de panificator , structura acestuia a fost publicată în 1965. Pentru a produce o probă de ARNt de alanină purificată, Robert W. Holley și colab. a folosit 140 kg de drojdie de brutar comercială pentru a da doar 1 g de ARNt purificat Ala pentru analiză. ARNt de 80 nucleotide a fost secvențiat prin digerarea mai întâi cu ribonuclează pancreatică (producând fragmente care se termină în citozină sau uridină ) și apoi cu ribaduclează Tadadiazază Tl (producând fragmente care au terminat cu guanozină ). Cromatografia și identificarea capetelor 5 'și 3' au ajutat apoi la aranjarea fragmentelor pentru a stabili secvența ARN. Dintre cele trei structuri propuse inițial pentru acest ARNt, structura „trifoiului” a fost propusă independent în mai multe publicații următoare. Structura secundară a trifoiului a fost finalizată în urma analizei cristalografiei cu raze X efectuată de două grupuri independente de cercetare în 1974.

Următorul ARN ribozomal a fost descoperit, urmat de URNA la începutul anilor 1980. De atunci, descoperirea de noi ARN-uri necodificatoare a continuat cu snoRNA-uri , Xist , CRISPR și multe altele. Ultimele adăugiri notabile includ riboswitches și miARN ; descoperirea mecanismului RNAi asociat cu acesta din urmă i-a adus lui Craig C. Mello și Andrew Fire Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină din 2006 .

Descoperirile recente ale ARNc-urilor au fost realizate atât prin metode experimentale, cât și prin metode bioinformatice .

Roluri biologice

ARN-urile necodificate aparțin mai multor grupuri și sunt implicate în multe procese celulare. Acestea variază de la ncRNA de importanță centrală, care sunt conservate de-a lungul întregii sau celei mai multe vieți celulare, până la ncRNA-uri mai tranzitorii specifice uneia sau câteva specii strâns legate. Se consideră că ARNc-urile mai conservate sunt fosile moleculare sau relicve din ultimul strămoș comun universal și din lumea ARN , iar rolurile lor actuale rămân mai ales în reglarea fluxului de informații de la ADN la proteine.

În traducere

Structura atomică a subunității 50S din Haloarcula marismortui . Proteinele sunt prezentate în albastru și cele două fire de ARN în portocaliu și galben. Micul petic de verde din centrul subunității este locul activ.

Mulți dintre ncARN conservați, esențiali și abundenți sunt implicați în traducere . Particulele de ribonucleoproteină (RNP) numite ribozomi sunt „fabricile” în care are loc traducerea în celulă. Ribozomul este format din mai mult de 60% ARN ribozomal ; acestea sunt formate din 3 ncARN în procariote și 4 ncARN în eucariote . ARN-urile ribozomale catalizează traducerea secvențelor de nucleotide în proteine. Un alt set de ARNc, ARN-urile de transfer , formează o „moleculă adaptoare” între ARNm și proteină. Cutia H / ACA și snoRNA- urile C / D sunt ncARN găsite în arhee și eucariote. RNase MRP este limitat la eucariote. Ambele grupuri de ARNc sunt implicate în maturarea ARNr. SnoRNA ghidează modificările covalente ale ARNr, ARNt și snARN ; RNase MRP clivează distanțierul transcris 1 intern între 18S și 5.8S rARN. ARNc omniprezent, RNaza P , este o rudă evolutivă a RNazei MRP. RNase P maturizează secvențe de ARNt prin generarea de capete 5'mature de ARNt prin scindarea elementelor 5'-lider ale precursor-ARNt. Un alt RNP omniprezent numit SRP recunoaște și transportă proteinele născute specifice la reticulul endoplasmatic în eucariote și membrana plasmatică în procariote . În bacterii ARN-ul transfer-mesager (tmRNA) este un RNP implicat în salvarea ribozomilor blocați, marcarea polipeptidelor incomplete și promovarea degradării mARN-ului aberant.

În splicarea ARN

Imagini cu microscopie electronică a spliceozomului de drojdie. Rețineți că cea mai mare parte a complexului este de fapt ncARN.

În eucariote spliceozomul efectuează reacțiile de îmbinare esențiale pentru îndepărtarea secvențelor de introni , acest proces este necesar pentru formarea ARNm matur . Spliceosome este un alt adesea , de asemenea , cunoscut sub numele RNP ca snRNP sau tri-snRNP. Există două forme diferite ale spliceozomului, forma majoră și cea minoră. Componentele ARNc ale spliceozomului major sunt U1 , U2 , U4 , U5 și U6 . Componentele ARNc ale spliceozomului minor sunt U11 , U12 , U5 , U4atac și U6atac .

Un alt grup de introni poate cataliza propria lor eliminare din transcrierile gazdei; acestea se numesc ARN-uri auto-îmbinate. Există două grupuri principale de ARN-uri auto-îmbinate: intronul catalitic din grupa I și intronul catalitic din grupa II . Acești ncRNA își catalizează propria excizie de la precursorii ARNm, ARNt și ARNr într-o gamă largă de organisme.

La mamifere s-a constatat că snoRNA-urile pot regla și îmbinarea alternativă a ARNm, de exemplu snoARN -ul HBII-52 reglează îmbinarea receptorului serotoninei 2C .

În nematode, ncARN- ul SmY pare a fi implicat în trans-splicing-ul ARNm .

În replicarea ADN-ului

Autoantigen Ro Proteina (alb) se leagă capătul unui Y ARN dublu catenar (roșu) și un singur catenar ARN (albastru). (PDB: 1YVP [1] ).

ARN-urile Y sunt bucle stem, necesare pentru replicarea ADN-ului prin interacțiuni cu cromatina și proteinele de inițiere (inclusiv complexul de recunoaștere a originii ). Acestea sunt, de asemenea, componente ale particulei de ribonucleoproteină Ro60, care este o țintă a anticorpilor autoimuni la pacienții cu lupus eritematos sistemic .

În reglarea genelor

Expresie a multor mii de gene sunt reglementate de ncRNAs. Această reglementare poate apărea în trans sau în cis . Există dovezi din ce în ce mai mari că un tip special de ARNc numit ARN amplificator , transcris din regiunea amplificator al unei gene, acționează pentru a promova expresia genelor.

Trans-actorie

În eucariotele superioare, microARN-urile reglează expresia genelor. Un singur miARN poate reduce nivelul de expresie al sutelor de gene. Mecanismul prin care acționează moleculele de miARN maturi este complementar parțial cu una sau mai multe molecule de ARN mesager (ARNm), în general în 3 'UTR . Funcția principală a miARN este de a regla în jos expresia genelor.

S- a demonstrat, de asemenea, că ARNc ARNaza P influențează expresia genelor. În nucleul uman, RNaza P este necesară pentru transcrierea normală și eficientă a diferitelor ARNcc transcrise de ARN polimeraza III . Acestea includ gene ARNt, ARN 5S , ARN SRP și U6 snRNA . RNaza P își exercită rolul în transcriere prin asocierea cu Pol III și cromatina genelor active de ARNt și 5S rARN.

S-a arătat că ARN-ul 7SK , un ARNc metazoan , acționează ca un regulator negativ al factorului de alungire AR- polimerază II P-TEFb și că această activitate este influențată de căile de răspuns la stres.

ARNcc bacterian, ARN 6S , se asociază în mod specific cu holoenzima ARN polimerază care conține factorul de specificitate sigma70 . Această interacțiune reprimă expresia unui promotor dependent de sigma70 în timpul fazei staționare .

Un alt ARNc bacterian, ARN-ul OxyS , reprimă traducerea prin legarea la secvențele Shine-Dalgarno, prin aceasta ocluzând legarea ribozomilor. ARN-ul OxyS este indus ca răspuns la stresul oxidativ din Escherichia coli.

ARN-ul B2 este un transcript mic ARN polimerază III care nu codifică, care reprimă transcripția ARNm ca răspuns la șocul termic din celulele șoarecilor. ARN-ul B2 inhibă transcripția prin legarea la nucleul Pol II. Prin această interacțiune, ARN-ul B2 se asamblează în complexe de preinițiere la promotor și blochează sinteza ARN.

Un studiu recent a arătat că doar actul transcrierii secvenței de ARNc poate avea o influență asupra exprimării genelor. Transcrierea ARN polimerazei II a ARNc este necesară pentru remodelarea cromatinei în Schizosaccharomyces pombe . Cromatina este transformată progresiv într-o configurație deschisă, deoarece sunt transcrise mai multe specii de ncRNA.

Cis-actorie

Articole principale: Cinci regiuni primare netraduse și Trei regiuni primare netraduse

Un număr de ARNc sunt încorporate în UTR -urile 5 ' (regiuni netraduse) ale genelor care codifică proteinele și influențează exprimarea lor în diferite moduri. De exemplu, un riboswitch poate lega direct o mică moleculă țintă ; legarea țintei afectează activitatea genei.

Secvențele lider ARN se găsesc în amonte de prima genă a operonilor biosintetici ai aminoacizilor. Aceste elemente de ARN formează una dintre cele două structuri posibile în regiuni care codifică secvențe peptidice foarte scurte, care sunt bogate în aminoacidul produsului final al operonului. O structură terminatorie se formează atunci când există un exces de aminoacid reglator și mișcarea ribozomului peste transcrierea liderului nu este împiedicată. Atunci când există o deficiență a ARNt încărcat al aminoacidului reglator, ribozomul care traduce peptidele principale se stabilește și se formează structura antiterminatorului. Acest lucru permite ARN polimerazei să transcrie operonul. Liderii ARN cunoscuți sunt liderul operonului histidinic , liderul operonului leucinic , liderul operonului treoninic și liderul operonului triptofan .

Elementele de răspuns la fier (IRE) sunt legate de proteinele de răspuns la fier (IRP). IRE se găsește în UTR- uri ale diferitelor ARNm ale căror produse sunt implicate în metabolismul fierului . Când concentrația de fier este scăzută, IRP-urile leagă IREA de feritină mARN, ducând la reprimarea traducerii.

Siturile interne de intrare a ribozomilor (IRES) sunt structuri de ARN care permit inițierea traducerii în mijlocul unei secvențe de ARNm ca parte a procesului de sinteză a proteinelor .

În apărarea genomului

ARN-urile care interacționează cu piwi (piARN) exprimate în testicule de mamifere și celule somatice formează complexe ARN-proteine ​​cu proteine Piwi . Aceste complexe piARN (piRC) au fost legate de mutarea genei transcripționale a retrotranspozonilor și a altor elemente genetice din celulele liniei germinale , în special cele din spermatogeneză .

Repetările scurte palindromice scurte intercalate în mod regulat (CRISPR) sunt repetări găsite în ADN - ul multor bacterii și arhee . Repetările sunt separate de distanțieri de lungime similară. S-a demonstrat că aceste distanțiere pot fi derivate din fagi și ulterior ajută la protejarea celulei de infecție.

Structura cromozomială

Telomeraza este o enzimă RNP care adaugă repetări de secvențe ADN specifice („TTAGGG” la vertebrate) la regiunile telomerice , care se găsesc la capetele cromozomilor eucariote . Telomerii conțin material ADN condensat, conferind stabilitate cromozomilor. Enzima este o transcriptază inversă care poartă ARN-ul telomerazei , care este folosit ca șablon atunci când alungă telomerii, care sunt scurtați după fiecare ciclu de replicare .

Xist (transcript X-inactiv-specific) este o genă lungă de ARNc pe cromozomul X al mamiferelor placentare care acționează ca efector major al procesului de inactivare a cromozomului X formând corpuri Barr . Un ARN antisens , Tsix , este un regulator negativ al Xist. Cromozomii X lipsiți de expresia Tsix (și având astfel un nivel ridicat de transcriere Xist) sunt inactivați mai frecvent decât cromozomii normali. La drosofilide , care folosesc și un sistem de determinare sexuală XY , ARN- urile roX (ARN pe X) sunt implicate în compensarea dozelor. Atât Xist, cât și roX funcționează prin reglarea epigenetică a transcripției prin recrutarea enzimelor modificatoare de histone .

ARN bifuncțional

ARN-urile bifuncționale sau ARN -urile cu funcție dublă sunt ARN-uri care au două funcții distincte. Majoritatea ARN-urilor bifuncționali cunoscuți sunt ARNm care codifică atât o proteină, cât și un ARNc. Cu toate acestea, un număr tot mai mare de ARNc se încadrează în două categorii diferite de ARNc; de exemplu, snoRNA și miARN de cutie H / ACA .

Două exemple binecunoscute de ARN-uri bifuncționale sunt ARN-ul SgrS și ARNIII . Cu toate acestea, se știe că există o mână de alți ARN bifuncționali (de exemplu, activator al receptorilor de steroizi / SRA, ARN VegT, ARN Oskar, ENOD40 , ARN p53 și ARN SR1 . ARN-urile bifuncționale au făcut recent obiectul unui număr special de Biochimie .

Ca hormon

Există o legătură importantă între anumiți ARN necodificatori și controlul căilor hormonale. În Drosophila , hormoni precum ecdysone și hormonul juvenil pot promova expresia anumitor miARN. Mai mult, această reglementare apare în puncte temporale distincte din cadrul dezvoltării C. elegans . La mamifere, miR-206 este un regulator crucial al estrogenului -receptor-alfa.

ARN-urile necodificate sunt cruciale în dezvoltarea mai multor organe endocrine, precum și în bolile endocrine, cum ar fi diabetul zaharat . Mai exact, în linia celulară MCF-7, adăugarea de 17β- estradiol a crescut transcrierea globală a ARN-urilor necodificatoare numite lncRNA-uri în apropierea genelor codificatoare activate de estrogen.

În evitarea patogenă

Sa demonstrat că C. elegans învață și moștenește evitarea patogenă după expunerea la un singur ARN necodificator al unui agent patogen bacterian .

Roluri în boli

A se vedea, de asemenea: ARN-ul lung necodificat § ARN-urile necodificatoare lungi în boală

La fel ca în cazul proteinelor , mutațiile sau dezechilibrele din repertoriul ARNc din organism pot provoca o varietate de boli.

Cancer

Multe ARNc prezintă modele de expresie anormale în țesuturile canceroase . Acestea includ miRNAs , ARNm-like lung ncRNAs , GAS5 , SNORD50 , telomeraza ARN și Y RNAs . MiARN-urile sunt implicate în reglarea la scară largă a multor gene care codifică proteinele, ARN-urile Y sunt importante pentru inițierea replicării ADN, ARN telomerazic care servește ca primer pentru telomerază, un RNP care extinde regiunile telomerice la capetele cromozomilor (vezi telomerii și boală pentru mai multe informații). Funcția directă a ncRNA-urilor asemănătoare mARN-ului este mai puțin clară.

S-a dovedit că mutațiile germinale ale precursorilor primari miR-16-1 și miR-15 sunt mult mai frecvente la pacienții cu leucemie limfocitară cronică în comparație cu populațiile martor.

S-a sugerat că un SNP rar ( rs11614913 ) care se suprapune peste -mir-196a2 sa dovedit a fi asociat cu carcinom pulmonar cu celule mici . De asemenea, un ecran de 17 miARN care s-a prezis că reglează un număr de gene asociate cancerului de sân a găsit variații în microARN - urile miR-17 și miR-30c-1 ale pacienților; acești pacienți nu aveau mutații BRCA1 sau BRCA2 , oferind posibilitatea ca cancerul de sân familial să fie cauzat de variația acestor miARN. P53 supresoare tumora este probabil cel mai important agent in prevenirea formarii si progresia tumorii. Proteina p53 funcționează ca un factor de transcripție cu un rol crucial în orchestrarea răspunsului la stres celular. Pe lângă rolul său crucial în cancer, p53 a fost implicat și în alte boli, inclusiv diabetul, moartea celulară după ischemie și diverse boli neurodegenerative, cum ar fi Huntington, Parkinson și Alzheimer. Studiile au sugerat că expresia p53 este supusă reglementării prin ARN necodificator.

Un alt exemplu de ARN necodificator neregulat în celulele canceroase este ARN-ul lung care nu codifică Linc00707. Linc00707 este suprareglat și spongă miARN în celulele stem mezenchimale derivate din măduva osoasă umană, în carcinomul hepatocelular, cancerul gastric sau cancerul de sân și, astfel, promovează osteogeneza, contribuie la progresia carcinomului hepatocelular, promovează proliferarea și metastaza sau reglează indirect expresia proteinelor implicate în agresivitatea cancerului, respectiv.

Sindromul Prader – Willi

Ștergerea celor 48 de copii ale cutiei C / D snoRNA SNORD116 s- a dovedit a fi cauza principală a sindromului Prader-Willi . Prader-Willi este o tulburare de dezvoltare asociată cu supraalimentarea și dificultăți de învățare. SNORD116 are site-uri potențiale țintă într-un număr de gene care codifică proteinele și ar putea avea un rol în reglarea îmbinării alternative.

Autism

Locusul cromozomial care conține grupul de gene ARN nucleolar mic SNORD115 a fost duplicat la aproximativ 5% dintre indivizii cu trăsături autiste . Un model de mouse conceput pentru a avea o duplicare a clusterului SNORD115 afișează un comportament asemănător cu cel autistic. Un studiu mic recent al țesutului cerebral post-mortem a demonstrat modificarea expresiei ARN-urilor lungi necodificate în cortexul prefrontal și cerebelul creierelor autiste în comparație cu martorii.

Hipoplazie cartilaj – păr

S -a demonstrat că mutațiile din cadrul RNase MRP cauzează hipoplazie cartilaj-păr , o boală asociată cu o serie de simptome, cum ar fi statura scurtă, păr rar, anomalii scheletice și un sistem imunitar suprimat, care este frecvent în rândul amish și finlandez . Cea mai bine caracterizată variantă este o tranziție A-la-G la nucleotida 70 care este într-o regiune de buclă două baze 5 'ale unui pseudocnot conservat . Cu toate acestea, multe alte mutații din cadrul RNase MRP provoacă, de asemenea, CHH.

Boala Alzheimer

ARN-ul antisens, BACE1-AS este transcris de la catena opusă la BACE1 și este reglat la pacienții cu boala Alzheimer . BACE1-AS reglează expresia BACE1 prin creșterea stabilității ARNm-ului BACE1 și generând BACE1 suplimentar printr-un mecanism de transmisie post-transcripțională. Prin același mecanism crește și concentrațiile de beta amiloid , principalul constituent al plăcilor senile. Concentrațiile BACE1-AS sunt crescute la subiecții cu boala Alzheimer și la șoarecii transgenici ai proteinei amiloide precursoare.

miR-96 și pierderea auzului

Variația în regiunea de semințe a miR-96 matură a fost asociată cu pierderea auzului dominantă autozomală , progresivă, la oameni și șoareci. Homozigote mutante soareci au fost profund surd, care nu prezintă cohleare răspunsuri. Șoarecii heterozigoți și oamenii își pierd progresiv capacitatea de a auzi.

Distincția între ARN funcțional (ARNf) și ARNc

Oamenii de știință au început să distingă ARN funcțional ( ARNf ) de ARNc, pentru a descrie regiuni funcționale la nivel de ARN care pot fi sau nu transcripții de ARN de sine stătătoare. Acest lucru implică faptul că ARNf (cum ar fi riboswitches, elemente SECIS și alte regiuni cis-reglementare) nu este ARNc. Cu toate acestea, ARNf ar putea include și ARNm , deoarece acesta este ARN care codifică proteina și, prin urmare, este funcțional. În plus, ARN-urile evoluate artificial intră, de asemenea, sub termenul umbrelă al ARNF. Unele publicații afirmă că ncRNA și fRNA sunt aproape sinonime, cu toate acestea altele au subliniat că o proporție mare de ncRNA adnotate probabil nu au nicio funcție. De asemenea, s-a sugerat să se utilizeze pur și simplu termenul ARN , deoarece distincția de un ARN codificator de proteine ​​( ARN mesager ) este deja dată de calificativul mARN . Acest lucru elimină ambiguitatea atunci când se adresează unei gene care codifică un ARN necodificator. În plus, pot exista o serie de ARNc care sunt notate greșit în literatura și seturile de date publicate.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

( Copie Wayback Machine )