Τι κάνει το RNA σε ένα κύτταρο;

Το mRNA, το rRNA και το tRNA εμπλέκονται στη δημιουργία πρωτεϊνών. Άλλα μη κωδικοποιητικά RNA, όπως το microRNA, σχετίζονται με την επιγενετική, η οποία ελέγχει την έκφραση γονιδίων.

Το 1868, ο Friedrich Miescher ανακάλυψε ένα μόριο που δεν μοιάζει με κανένα άλλο προηγουμένως γνωστό σε ένα κύτταρο—νουκλεϊκά οξέα. Από τότε, τα νουκλεϊκά οξέα στα κύτταρα - DNA και RNA - έχουν αναδειχθεί σε εξέχουσα θέση μεταξύ των μορίων της ζωής. Ο αγώνας για την επίλυση της δομής του DNA είναι διάσημος στα χρονικά των επιστημονικών ανακαλύψεων και η αποκωδικοποίηση των μυστικών του έχει κερδίσει σε πολλούς επιστήμονες τα βραβεία Νόμπελ τους.

Ωστόσο, το άλλο νουκλεϊκό οξύ, το RNA, φαίνεται να είναι ένα εξίσου ενδιαφέρον και προκλητικό μόριο για μελέτη. Ο ρόλος του στο κύτταρο δεν είναι τόσο απλός όσο για το DNA, δίνοντας στους επιστήμονες μερικές συναρπαστικές οδούς έρευνας. Λοιπόν, τι ακριβώς κάνει αυτό το μόριο στο κύτταρο;

Τι είναι το RNA;

Δομικά, το RNA είναι ο μονόκλωνος ξάδελφος του DNA. Όπως το DNA, αποτελούνται από τέσσερις βάσεις — Αδενίνη (Α), Ουρακίλη (αντί για το DNA Θυμίνη), Κυτοσίνη (C) και Γουανίνη (G). Το μόριο σακχάρου στο RNA έχει μόριο οξυγόνου, ενώ το μόριο DNA δεν έχει. Εξ ου και τα ονόματα—δεοξυ ριβονουκλεϊκό οξύ και ριβονουκλεϊκά οξέα.

Ως μόριο, το RNA είναι πιο εύκαμπτο από την άκαμπτη διπλή έλικα του DNA. Μπορεί να είναι ελικοειδής ή να διπλωθεί σε μια ποικιλία διαφορετικών σχημάτων, όπως ο περίφημος βρόχος φουρκέτας του tRNA.

Αυτή είναι (μία από τις) δομές του RNA. Αποτελείται από τέσσερις αζωτούχες βάσεις, παρόμοιες με το DNA. (Φωτογραφία:ShadeDesign/Shutterstock)

Λειτουργικά, η πιο γνωστή λειτουργία του RNA σχετίζεται με τη σύνθεση πρωτεϊνών.

Οι οδηγίες που αντιπροσωπεύει το DNA είναι για την παραγωγή πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες είναι τα δομικά στοιχεία της ζωής και βοηθούν στη δημιουργία άλλων δομικών στοιχείων, όπως οι υδατάνθρακες ή οι λιπιδικές δομές.

Σκεφτείτε το DNA ως ένα αρχαίο βιβλίο που περιέχει όλες τις πληροφορίες της ζωής. Ένα τόσο πολύτιμο έγγραφο πρέπει να διατηρηθεί πάση θυσία, επομένως δεν πρέπει να γίνεται απρόσεκτο ξεφύλλισμα των σελίδων του. Τα RNA είναι σαν φωτοαντίγραφα σελίδων από το αρχαίο βιβλίο του DNA. Το κελί δεν χρειάζεται να ανησυχεί για ζημιά στα αντίγραφα, καθώς το πρωτότυπο είναι άθικτο.

Τύποι RNA

Αγγελιοφόρος RNA – mRNA

Ο πρώτος βασικός τύπος RNA που εμπλέκεται στην παραγωγή πρωτεϊνών είναι το αγγελιοφόρο RNA ή mRNA. Ένα mRNA είναι ένα μικρό φωτοαντίγραφο του DNA που περιέχει το σχέδιο παραγωγής πρωτεϊνών. Το mRNA συντίθεται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μεταγραφή. Είναι ο αγγελιοφόρος μεταξύ του DNA και των μηχανών που παράγουν τις πρωτεΐνες—ριβοσώματα.

Το mRNA μεταγραφή κατασκευάζεται στον πυρήνα, όπου βρίσκεται το DNA, και στη συνέχεια μετακινείται στο κυτταρόπλασμα, όπου βρίσκονται τα ριβοσώματα. Η διαδικασία ανάγνωσης του mRNA και παραγωγής πρωτεΐνης ονομάζεται μετάφραση. Αυτό είναι το δεύτερο βήμα στη σύνθεση πρωτεϊνών. Εδώ, στο κυτταρόπλασμα, βρίσκονται τα επόμενα δύο κύρια RNA του κυττάρου—ριβοσωμικό RNA και tRNA.

Ριβοσωμικό RNA – rRNA

Το rRNA, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μέρος του ριβοσώματος. Το ριβόσωμα αποτελείται από δύο μέρη - μια μικρότερη υπομονάδα και μια μεγαλύτερη υπομονάδα, το καθένα με το δικό του RNA. Οι ριβοσωμικές πρωτεΐνες, μαζί με το rRNA, διασφαλίζουν ότι το mRNA διαβάζεται στη σωστή κατεύθυνση και τοποθετείται σωστά στο ριβόσωμα. Τα rRNA καταλύουν επίσης την προσθήκη αμινοξέων για να φτιάξουν την τελική πρωτεΐνη.

Τα τρία μεγάλα RNA που εμπλέκονται στη σύνθεση πρωτεϊνών - αγγελιαφόρο RNA, RNA μεταφοράς και ριβοσωμικό RNA. Σε αυτήν την εικόνα, το rRNA είναι το ριβόσωμα στο οποίο βρίσκεται το rRNA, συσχετιζόμενο με διάφορες πρωτεΐνες του ριβοσώματος. (Φωτογραφία:TATLE/Shutterstock)

Μεταφορά RNA – tRNA

Το tRNA δίνει νόημα στις πληροφορίες του mRNA. Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από αμινοξέα, από τα οποία υπάρχουν 20 κοινά. Αυτά τα 20 αμινοξέα ενώνονται όλα σαν μια μακριά χορδή και μετά διπλώνονται. Το mRNA καθορίζει ποιο αμινοξύ έρχεται πού και πότε. Το tRNA φέρνει τα σωστά αμινοξέα, σύμφωνα με τη μεταγραφή του mRNA, στο ριβόσωμα. Υπάρχουν πολλαπλά tRNA για κάθε αμινοξύ, συνολικά 61 tRNA για 20 αμινοξέα. Το mRNA έχει πληροφορίες σχετικά με το ποιο αμινοξύ πηγαίνει πού. Το κατάλληλο tRNA θα διαβάσει αυτές τις πληροφορίες και στη συνέχεια θα προσθέσει το σωστό αμινοξύ.

Για μια πιο λεπτομερή ματιά στη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης, διαβάστε εδώ.

Πώς παράγεται το RNA;

Αυτή είναι η λειτουργία των κοινών τριών μορφών RNA, αλλά τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν αποκαλύψει ένα κουτί της Πανδώρας με διαφορετικά RNA που δεν εμπλέκονται άμεσα στη σύνθεση πρωτεϊνών. Αυτά τα RNA ονομάζονται ευρέως "non-coding RNA" (ncRNA).

Αυτά τα μικρά RNA (sRNA) αποτελούνται από 18 έως 30 νουκλεοτίδια και αποτελούνται από διάφορους υποτύπους, όπως microRNA (miRNA), μικρό παρεμβαλλόμενο RNA (siRNA) και RNA που αλληλεπιδρά με piwi (piRNA). Υπάρχει ασυνήθιστα διαμορφωμένο RNA όπως RNA φουρκέτας και κυκλικά RNA. Υπάρχουν RNA για τον πυρήνα, τον πυρήνα, το κυτταρόπλασμα και ακόμη και για έξω από το κύτταρο. Υπάρχουν RNA που προέρχονται από τρανσποζόνια και ιούς, και τέλος, υπάρχουν τα τρία μεγάλα που εμπλέκονται στη σύνθεση πρωτεϊνών. Το ερώτημα είναι… Γιατί υπάρχουν τόσοι άλλοι τύποι RNA και τι κάνουν στα κύτταρα;

Η διαδικασία της μετάφρασης:το ριβόσωμα δημιουργεί μια πρωτεΐνη χρησιμοποιώντας το μεταγράφημα mRNA. (Φωτογραφία:TATLE/Shutterstock)

Τι κάνει το RNA σε ένα κύτταρο;

Γονιδιακός κανονισμός

Όλα τα γονίδια δεν εκφράζονται πάντα σε ένα κύτταρο, επειδή τα κύτταρα εκφράζουν ένα γονίδιο που κωδικοποιεί πρωτεΐνη μόνο όταν απαιτούν τη συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Αυτός ο έλεγχος για το πότε, πώς και πόσο εκφράζεται ένα γονίδιο ονομάζεται γονιδιακή ρύθμιση.

Φανταστείτε αυτή τη διαδικασία ως «κάνοντας σημειώσεις» στη φωτοτυπία RNA. Δεδομένου ότι δεν είναι το ίδιο το βιβλίο, το κύτταρο μπορεί να αλλάξει τη φωτοτυπία του RNA με όποιον τρόπο θέλει. Θα μπορούσε κανείς να το σχολιάσει, να διαγράψει ορισμένα μέρη, να δημιουργήσει ποίηση από αυτό ή απλώς να εκτελέσει τις οδηγίες του κεφαλαίου. Θα μπορούσαμε επίσης να γράψουμε πάνω από τη φωτοτυπία, «ΜΗΝ ΚΑΝΕΤΕ ΑΥΤΗ ΤΗΝ ΠΡΩΤΕΪΝΗ» ή απλώς να αρχειοθετήσουμε τη φωτοτυπία για μια βροχερή μέρα.

Δομή RNA. (Photo Credit :Dariati Dariati/Shutterstock)

Αυτή είναι η ουσία της γονιδιακής ρύθμισης. Φαίνεται ότι τα ncRNA παίζουν ρόλο στον έλεγχο των γονιδίων, ενώ το microRNA (miRNA) και το RNA μικρής παρεμβολής (siRNA) αποσιωπούν τα γονίδια στοχεύοντας μεταγραφές mRNA γονιδίων που δεν χρειάζεται να εκφραστούν. Το στοχευμένο μεταγράφημα mRNA στη συνέχεια καταστρέφεται, μια μοίρα που μπορεί να περιμένει περίπου το 60% των γονιδίων.

Το ncRNA—όπως το RNA που αλληλεπιδρά με το PIWI (piRNA) και το μικρό πυρηνικό RNA (snRNA)—δρούν μέσω επιγενετικών μηχανισμών. Epigenetic κυριολεκτικά σημαίνει «επί» ή «επιπλέον» στο DNA. Είναι μηχανισμοί που βοηθούν το κύτταρο να ρυθμίζει τις πληροφορίες του DNA κάνοντας μικρές αλλαγές στο DNA εξωτερικά, χωρίς να αλλάζει η αλληλουχία των γραμμάτων. Αυτό περιλαμβάνει την προσθήκη χημικών ετικετών ή ομάδων μεθυλίου στο DNA και το τύλιγμα του DNA πιο χαλαρό ή σφιχτό.

Αυτοί οι μηχανισμοί έχουν επιπτώσεις όταν πρόκειται για τη διαφοροποίηση των κυττάρων, όπως το να γίνουν κύτταρο δέρματος ή ηπατικό κύτταρο από βλαστοκύτταρο. Το snRNA παίζει βασικό ρόλο στην έμφυτη ανοσία κάποιου και πολλοί άλλοι τύποι RNA μπορεί να είναι πιθανοί στόχοι για φάρμακα.

Μια λεπτομερής ματιά στο πώς τα microRNA, ένας τύπος ncRNA, μπορεί να λειτουργούν στο κύτταρο. (Φωτογραφία:Wikimedia Commons)

Είναι χρήσιμα όλα τα RNA;

Ωστόσο, δεν είναι ό,τι λάμπει είναι χρυσός. Το ncRNA αντιπροσωπεύει έναν δημοφιλή κλάδο της γενετικής και της επιγενετικής έρευνας, αλλά έχει ένα ουσιαστικό ερώτημα που διαφαίνεται πάνω από το κεφάλι του - είναι όλο το ncRNA λειτουργικό; Για το ncRNA που αναφέρεται παραπάνω, οι επιστήμονες έχουν περιγράψει τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν αρκετά καλά ώστε να πουν με βεβαιότητα ότι είναι σημαντικά στοιχεία του κυττάρου.

Για πολλά νέα ncRNA που ανακαλύπτονται ακόμη, η λειτουργία φαίνεται λίγο πιο αμφισβητήσιμη. Πολλοί επιστήμονες αμφισβητούν αν η ανάληψη της λειτουργίας λόγω ύπαρξης είναι Παγγλωσσική. Μερικά από αυτά τα RNA μπορεί να υπάρχουν απλώς ως υποπροϊόν μιας άλλης διαδικασίας!

Αυτό είναι ένα συναρπαστικό πεδίο για τη βιολογία. Ο κόσμος της επιγενετικής και των RNA έχει τη δυνατότητα να μας δώσει νέες θεραπείες για ασθένειες και να φωτίσει καλύτερα πόσες ασθένειες λειτουργούν. Καθώς μαθαίνουμε περισσότερα σχετικά με τη λειτουργία και τους μηχανισμούς του γονιδιώματος, θα κατανοήσουμε καλύτερα γιατί το κύτταρο έχει τόσους πολλούς τύπους RNA και για τι είναι υπεύθυνη κάθε ποικιλία στο κύτταρο!