Przegląd

W syntezie białek biorą udział trzy główne typy RNA: informacyjny RNA (mRNA), transferowy RNA (tRNA) i rybosomalny RNA (rRNA). Te RNA pełnią różne funkcje i można je ogólnie sklasyfikować jako RNA kodujące białka lub niekodujące. Niekodujące RNA odgrywają ważną rolę w regulacji ekspresji genów w odpowiedzi na zmiany rozwojowe i środowiskowe. Niekodującymi RNA u prokariontów można manipulować w celu opracowania skuteczniejszych leków przeciwbakteryjnych do stosowania u ludzi lub zwierząt.

RNA pełni różnorodne, ale kooperatywne funkcje podczas syntezy białek

Główny dogmat biologii molekularnej mówi, że DNA zawiera informację, która koduje białka, a RNA wykorzystuje tę informację do kierowania syntezą białek.

Informacyjny RNA (mRNA) to RNA kodujący białko. Składa się z kodonów – sekwencji trzech nukleotydów, które kodują określony aminokwas. Transferowy RNA (tRNA) i rybosomalny RNA (rRNA) są niekodującymi RNA. tRNA działa jak cząsteczka adaptorowa, która odczytuje sekwencję mRNA i umieszcza aminokwasy we właściwej kolejności w rosnącym łańcuchu polipeptydowym. rRNA i inne białka tworzą rybosom - siedlisko syntezy białek w komórce. Podczas translacji rybosomy poruszają się wzdłuż nici mRNA, gdzie stabilizują wiązanie cząsteczek tRNA i katalizują tworzenie wiązań peptydowych między aminokwasami. W ten sposób różne typy RNA pełnią specyficzne, ale uzupełniające się funkcje podczas syntezy białek.

Niekodujące RNA u eukariontów regulują ekspresję genów

Niekodujące RNA inne niż tRNA i rRNA były początkowo uważane za "śmieci genomowe", ponieważ nie kodowały białek. Jednak ich rola w regulacji ekspresji genów została odkryta w ciągu ostatnich kilku dekad i nadal jest szeroko badana. Ze względu na ich długość, niekodujące RNA można sklasyfikować jako małe regulatorowe RNA (< 100 nukleotydów) lub długie niekodujące RNA (> 200 nukleotydów).

Zarówno małe regulatorowe RNA, jak i długie niekodujące RNA regulują ekspresję genów poprzez zmianę różnych etapów transkrypcji i translacji. Niekodujące RNA wpływają na splicing mRNA — usuwanie niekodujących segmentów białka i łączenie sekwencji kodujących białka. W ten sposób kontrolują powstawanie różnych wariantów białek z jednego genu. Małe regulatorowe RNA, takie jak mikroRNA (miRNA) i małe interferujące RNA (siRNA), wiążą się z komplementarnymi sekwencjami mRNA i hamują syntezę białek poprzez blokowanie dostępu maszynerii translacyjnej do mRNA lub degradację samego mRNA. Długie, niekodujące RNA oddziałują i rekrutują enzymy, które chemicznie modyfikują DNA i histony – białka, które pomagają pakować DNA do jądra – w celu aktywacji lub tłumienia transkrypcji.

Niekodujące RNA u prokariontów działają jak czujniki środowiskowe

Regulacja ekspresji genów za pośrednictwem RNA jest szeroko rozpowszechniona u bakterii. Sekwencje regulatorowe w mRNA - zwane ryboprzełącznikami - działają jak czujniki środowiskowe, wykrywając zmiany temperatury i poziomu składników odżywczych.

Regulacja oparta na ryboprzełącznikach polega na tworzeniu dwóch wzajemnie wykluczających się i stabilnych konformacji drugorzędowej struktury RNA. Struktura drugorzędowa przełącza się między dwiema konformacjami, aby włączyć lub wyłączyć ekspresję genów w odpowiedzi na zmiany środowiskowe. Na przykład, gdy bakteria Listeria monocytogenes infekuje gospodarza, wyższa temperatura ciała gospodarza rozkłada drugorzędową strukturę w regionie 5' nieulegającym translacji bakteryjnego mRNA. Powoduje to odsłonięcie miejsca wiązania rybosomów w mRNA i zainicjowanie translacji białek, umożliwiając bakteriom życie i wzrost w organizmie gospodarza.

Ryboprzełącznikami można manipulować w celu opracowania skutecznych środków przeciwbakteryjnych

Niektóre ryboprzełączniki wykrywają produkty końcowe szlaków metabolicznych i służą jako elementy sterujące sprzężeniem zwrotnym dla transkrypcji lub translacji. Na przykład ryboprzełącznik pirofosforanu tiaminy reguluje biosyntezę tiaminy w bakteriach. Po zsyntetyzowaniu odpowiedniego stężenia tiaminy wiąże się ona z ryboprzełącznikiem i zmienia swoją konformację. Ta zmiana konformacji blokuje miejsce inicjacji translacji i zatrzymuje syntezę białek.

Związki, które strukturą bardzo przypominają tiaminę, są badane jako potencjalne środki przeciwbakteryjne. Leki te mają na celu wiązanie ryboprzełącznika pod nieobecność tiaminy i wywoływanie zmian konformacyjnych, które blokują translację białek wymaganych do biosyntezy tiaminy. Ponieważ bakterie nie będą w stanie wytworzyć tego składnika odżywczego, przestaną one rosnąć i ostatecznie umrą. Ponieważ ryboprzełączniki są częściej spotykane u prokariontów niż eukariontów, leki przeciwbakteryjne ukierunkowane na ryboprzełączniki miałyby minimalny negatywny wpływ na gospodarzy ssaków.