Funkcije rnk v celici: shranjevanje, energija, krčenje

Osrednja dogma molekularne biologije pravi, da DNK vsebuje informacije za kodiranje vseh naših beljakovin in da tri različne vrste RNK precej pasivno pretvarjajo to kodo v polipeptide. Zlasti sporočilna RNK (mRNA) prenaša beljakovinski načrt iz celične DNK do ribosomov, ki so "stroji" za nadzor sinteze beljakovin. RNA (tRNA) nato prevede ustrezne aminokisline v ribosom, ki jih vgradi v novo beljakovino. Sami ribosomi pa so sestavljeni predvsem iz molekul ribosomske RNK (rRNA).

Vendar so znanstveniki v pol stoletja, odkar je bila prvič zasnovana struktura DNK, ugotovili, da ima RNK veliko večjo vlogo kot le sodelovanje pri sintezi beljakovin. Za številne vrste RNK je bilo na primer ugotovljeno, da so katalitične, kar pomeni, da izvajajo biokemične reakcije na enak način kot encimi. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da imajo številne druge vrste RNK v celicah zapletene regulativne vloge.

Tako imajo molekule RNK številne vloge v normalnih celičnih procesih in bolezenskih stanjih. Običajno se molekule RNK, ki niso v obliki mRNA, imenujejo nekodirajoče RNK, ker ne kodirajo beljakovin. Nekodirajoče mRNA so vključene v številne regulativne procese. Njihova razširjenost in raznolikost funkcij sta privedli do hipoteze, da je "svet RNK" morda nastal pred razvojem funkcij DNK in RNK v celici, ki sodelujejo pri biosintezi beljakovin.

Nekodirajoče RNK pri evkariontih

Pri evkariontih se nekodirajoča RNK pojavlja v več različicah. Predvsem prenašajo RNK (tRNA) in ribosomsko RNK (rRNA). Kot smo že omenili, imata tRNA in rRNA pomembno vlogo pri prevajanju mRNA v beljakovine. Francis Crick je na primer predlagal obstoj adaptorskih molekul RNK, ki bi se lahko vezale na nukleotidno kodo mRNA in tako olajšale prenos aminokislin v rastoče polipeptidne verige.

Delo Hoaglanda et al. (1958) so dejansko potrdili, da je določen del celične RNK kovalentno vezan na aminokisline. Kasneje se je izkazalo, da je rRNA strukturni sestavni del ribosomov, kar je nakazovalo, da tako kot tRNA tudi rRNA ne kodira.

Poleg rRNA in tRNA so v evkariontskih celicah še številne druge nekodirajoče RNK. Te molekule pomagajo pri številnih pomembnih energetskih funkcijah, shranjevanju RNA v celici, ki jih še vedno naštevamo in prepoznavamo. Te RNK se pogosto imenujejo majhne regulatorne RNK (sRNA), pri evkariontih pa so nadalje razvrščene v več podkategorij. Regulativne RNK skupaj učinkujejo s kombinacijo komplementarnega parjenja baz, povezovanja s proteini in lastne encimske aktivnosti.

Majhne jedrske RNK

Pomembna podkategorija majhnih regulatornih RNK so molekule, znane kot majhne jedrske RNK (snRNA). Te molekule imajo pomembno vlogo pri uravnavanju genov prek spajanja RNK. SnRNA se nahajajo v jedru in so običajno tesno povezane s proteini v kompleksih, imenovanih snRNP (majhni jedrni ribonukleoproteini, včasih imenovani "snurps"). Najpogostejše te molekule so delci U1, U2, U5 in U4/U6, ki sodelujejo pri cepljenju pre-mRNA v zrelo mRNA.

MikroRNA

Druga tema, ki je zelo zanimiva za raziskovalce, so mikroRNA (mikroRNA), ki so majhne regulatorne RNA, dolge približno 22 do 26 nukleotidov. Obstoj miRNA in njihove kontrakcijske funkcije RNA v celici pri regulaciji genov so prvotno odkrili pri nematodi C. elegans (Lee et al., 1993; Wightman et al., 1993). Od njihovega odkritja so miRNA identificirali pri številnih drugih vrstah, vključno z mušicami, mišmi in ljudmi. Do zdaj je bilo identificiranih več sto mikroRNA. Morda jih je še veliko več (He & Hannon, 2004).

Pokazalo se je, da mikroRNA zavirajo izražanje genov z zaviranjem prevajanja. Na primer, miRNA, ki jih kodirajo C. elegans, lin-4 in let-7, se vežeta na 3`-netranslatirano območje svojih ciljnih mRNA in preprečujeta nastanek funkcionalnih beljakovin v določenih razvojne faze ličinke. Zaenkrat se zdi, da večina preučevanih mikroRNA nadzoruje izražanje genov z vezavo na ciljne mRNA prek nepopolnega parjenja baz in posledično zaviranjem prevajanja, čeprav so bile opažene nekatere izjeme.

Dodatne raziskave kažejo, da imajo mikroRNA pomembno vlogo tudi pri raku in drugih boleznih. Vrsta miR-155 je na primer obogatena v celicah B, pridobljenih iz Burkittovega limfoma, njeno zaporedje pa je povezano tudi z znanimi kromosomskimi translokacijami (izmenjava DNK med kromosomi).

Majhne interferirajoče RNK

Majhna interferenčna RNK (miRNA) je še en razred RNK. Čeprav so te molekule dolge le od 21 do 25 baznih parov, delujejo tudi tako, da zavirajo izražanje genov. Zlasti ena nit dvoverižne molekule miRNA se lahko vključi v kompleks, imenovan RISC. Ta kompleks, ki vsebuje RNK, lahko zavira prepisovanje molekule mRNA, ki ima zaporedje, komplementarno njegovi komponenti RNK.

miRNA so bile najprej prepoznane zaradi njihove vpletenosti v RNA interferenco (RNAi). Morda so se razvili kot obrambni mehanizem proti virusom dvoverižne RNK. siRNA izvirajo iz daljših transkriptov v podobnem procesu kot miRNA, pri obdelavi obeh vrst RNA pa sodeluje isti encim Dicer. Zdi se, da se oba razreda razlikujeta v mehanizmih zatiranja, vendar so bile ugotovljene izjeme, pri katerih se siRNA obnašajo bolj značilno za miRNA in obratno (He & Hannon, 2004).

Majhne nukleolarne RNK

V evkariontskem jedru je jedro struktura, v kateri poteka obdelava rRNA in sestavljanje ribosomov. Molekule, imenovane male nukleolarne RNK (snoRNA), so bile izolirane iz nukleolarnih izvlečkov zaradi njihove številčnosti v tej strukturi. Te molekule obdelujejo molekule rRNA, pri čemer pogosto pride do metilacije in psevdouridilacije določenih nukleozidov. Modifikacije posreduje eden od dveh razredov snoRNA: družina C/D-box ali družina H/ACA-box, ki običajno vključuje dodajanje metilnih skupin ali izomerizacijo uridina v nezrelih molekulah rRNA.

Nekodirajoče RNK pri prokariontih

Vendar evkarionti niso osvojili trga nekodirajočih RNK s posebnimi regulativnimi funkcijami energije RNK v celici. Bakterije imajo tudi razred majhnih regulatornih RNK. Bakterijske rRNA so vključene v različne procese, od virulence do prehoda iz faze rasti v stacionarno fazo, ki se zgodi, ko se bakterija znajde v položaju, kot je pomanjkanje hranil.

Primer bakterijske RNK je RNK 6S, ki jo najdemo v bakteriji Escherichia coli. Ta molekula je bila dobro karakterizirana, saj je bilo prvo zaporedje določeno leta 1980. RNK 6S je ohranjena v številnih bakterijskih vrst, kar kaže na njegovo pomembno vlogo pri uravnavanju genov.

dokazano vpliva na aktivnost RNK polimeraze (RNAP), molekule, ki iz DNK prepisuje sporočilno RNK. RNK 6S zavira to aktivnost z vezavo na podenoto polimeraze, ki med rastjo spodbuja transkripcijo. S tem mehanizmom RNK 6S zavira izražanje genov, ki spodbujajo aktivno rast, in pomaga celicam vstopiti v stacionarno fazo (Jabri, 2005).

Riboswitches

Na regulacijo genov - tako pri prokariontih kot evkariontih - vplivajo regulacijski elementi RNK, imenovani riboswitchi (ali stikala RNK). Riboswitchi so senzorji RNK, ki zaznavajo signale in se nanje odzivajo okolje ali presnovo in posledično vplivajo na izražanje genov.

Preprost primer te skupine je stikalo RNK v genih virulence bakterijskega patogena Listeria monocytogenes. Ko ta bakterija vstopi v gostitelja, se zaradi povišane temperature v gostitelju stopi sekundarna struktura segmenta v 5`-netransliranem območju mRNA, ki jo proizvaja bakterijski gen prfA. To povzroči spremembe v sekundarni strukturi.

Dodatni riboswitchi so se pri različnih organizmih odzvali na toplotne in hladne šoke ter uravnavali sintezo metabolitov, kot so sladkorji in aminokisline. Čeprav se zdi, da so riboswitchi pogostejši pri prokariontih, so jih veliko našli tudi v evkariontskih celicah.