Αυτό το εύκαμπτο μόριο λέει στα εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών του κυττάρου τι θέλει να κάνει το DNA, αποθηκεύει γενετικές πληροφορίες και μπορεί να έχει βοηθήσει τη ζωή να ξεκινήσει.
Περισσότερο από το λιγότερο γνωστό ξάδελφο του DNA, το RNA παίζει κεντρικό ρόλο στη μετατροπή γενετικών πληροφοριών σε πρωτεΐνες του σώματός σας. Αυτό το αξιοσημείωτο μόριο φέρνει επίσης τις γενετικές οδηγίες για πολλούς ιούς και μπορεί να έχει βοηθήσει τη ζωή να ξεκινήσει.
‘Κεντρικό δόγμα’
Μαζί, το RNA, το συντομότερο για το ριβονουκλεϊκό οξύ, και το DNA , το συντομότερο για το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, αποτελούν τα νουκλεϊκά οξέα, μία από τις τρεις ή τέσσερις κατηγορίες σημαντικών «μακρομορίων» που θεωρούνται ζωτικής σημασίας για τη ζωή. (Οι άλλοι είναι πρωτεΐνες και λιπίδια. Πολλοί επιστήμονες τοποθετούν επίσης υδατάνθρακες σε αυτήν την ομάδα.) Τα μακρομόρια είναι πολύ μεγάλα μόρια, συχνά αποτελούμενα από επαναλαμβανόμενες υπομονάδες. Το RNA και το DNA αποτελούνται από υπομονάδες που ονομάζονται νουκλεοτίδια.
Τα δύο νουκλεϊκά οξέα συνεργάζονται για τη δημιουργία πρωτεϊνών. Η διαδικασία δημιουργίας πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας τη γενετική πληροφορία σε νουκλεϊκά οξέα είναι τόσο σημαντική για τη ζωή που οι βιολόγοι το αποκαλούν «το κεντρικό δόγμα» της μοριακής βιολογίας. Το δόγμα, το οποίο περιγράφει τη ροή γενετικών πληροφοριών σε έναν οργανισμό, σύμφωνα με το Oregon State University , λέει ότι οι πληροφορίες του DNA γράφονται ή “μεταγράφονται” ως πληροφορίες RNA και οι πληροφορίες του RNA γράφονται ή “μεταφράζονται” σε πρωτεΐνη.
“Το RNA με βασικό τρόπο είναι το βιομόριο που συνδέει το DNA και τις πρωτεΐνες”, δήλωσε ο Chuan He, βιολόγος του Πανεπιστημίου του Σικάγο που μελετά τροποποιήσεις RNA, στο Live Science.
RNA αλφάβητο
Η ικανότητα του RNA και του DNA να αποθηκεύει και να αντιγράφει πληροφορίες εξαρτάται από τις επαναλαμβανόμενες νουκλεοτιδικές υπομονάδες των μορίων. Τα νουκλεοτίδια οργανώνονται σε συγκεκριμένες ακολουθίες, οι οποίες μπορούν να διαβαστούν σαν γράμματα σε μια λέξη.
Κάθε νουκλεοτίδιο έχει τρία κύρια μέρη: ένα μόριο σακχάρου, μια φωσφορική ομάδα και μια κυκλική ένωση που ονομάζεται νουκλεοβάση ή βάση. Τα σάκχαρα από διάφορες μονάδες νουκλεοτιδίων συνδέονται μέσω φωσφορικών γεφυρών για να δημιουργήσουν το επαναλαμβανόμενο πολυμερές ενός μορίου RNA ή DNA – σαν ένα κολιέ από σφαιρίδια σακχάρου που συνδέονται μεταξύ τους με φωσφορικά νήματα.
Οι νουκλεοβάσεις που συνδέονται με τα σάκχαρα αποτελούν τις πληροφορίες αλληλουχίας που απαιτούνται για την κατασκευή πρωτεϊνών, όπως περιγράφεται από το Εθνικό Ινστιτούτο Ερευνών Ανθρώπινου Γονιδιώματος . Το RNA και το DNA έχουν το καθένα ένα σύνολο τεσσάρων βάσεων: αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και θυμίνη για DNA, με την ουρακίλη να ανταλλάσσεται για θυμίνη σε RNA. Οι τέσσερις βάσεις συνθέτουν τα αλφάβητα των μορίων, και ως τέτοια, σημειώνονται ως γράμματα: Α για την αδενίνη, G για τη γουανίνη και ούτω καθεξής.
Όμως, το RNA και το DNA μπορούν να κάνουν περισσότερα από το να κωδικοποιούν “αλληλουχίες” γραμμάτων. μπορούν επίσης να τα αντιγράψουν. Αυτό λειτουργεί διότι οι βάσεις σε μια συμβολοσειρά RNA ή DNA μπορούν να κολλήσουν σε βάσεις σε μια άλλη συμβολοσειρά, αλλά μόνο με πολύ συγκεκριμένο τρόπο. Οι βάσεις συνδέονται μόνο με “συμπληρωματικούς” συνεργάτες : C έως G και A έως U στο RNA (ή Α έως Τ στην περίπτωση DNA). Έτσι, το DNA χρησιμεύει ως πρότυπο για τη μεταγραφή ενός μορίου RNA, το οποίο αντικατοπτρίζει την αλληλουχία DNA – κωδικοποιώντας μια εγγραφή του.
Ένας τύπος RNA που ονομάζεται messenger RNA (mRNA) χρησιμοποιεί αυτήν τη λειτουργία αντιγραφής για να μεταφέρει γενετικά δεδομένα από το DNA στα ριβοσώματα, τα συστατικά που παράγουν πρωτεΐνες του κυττάρου, σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης . Τα ριβοσώματα “διαβάζουν” αλληλουχίες mRNA για να προσδιορίσουν τη σειρά με την οποία οι πρωτεϊνικές υπομονάδες (αμινοξέα) θα πρέπει να ενώσουν ένα αναπτυσσόμενο πρωτεϊνικό μόριο.
Δύο άλλα είδη RNA ολοκληρώνουν τη διαδικασία: Το RNA μεταφοράς (tRNA) φέρνει αμινοξέα που προσδιορίζονται από το mRNA στα ριβοσώματα, ενώ το ριβοσωμικό RNA (rRNA), το οποίο αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος ενός ριβοσώματος, συνδέει τα αμινοξέα μεταξύ τους.
RNA ως ένζυμο
Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το κεντρικό δόγμα του RNA είναι κεντρικό στον ορισμό του μορίου. Αλλά οι ιδέες για το τι είναι το RNA και τι μπορεί να κάνει έχουν επεκταθεί σε μεγάλο βαθμό από τη δεκαετία του 1980, όταν οι βιολόγοι Sidney Altman και Thomas R. Cech ανακάλυψαν ότι το RNA μπορεί να λειτουργεί σαν πρωτεΐνη. (Οι ερευνητές κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 1989 για την ανακάλυψή τους.)
Οι πρωτεΐνες είναι βασικά συστατικά για τις περισσότερες χημικές αντιδράσεις στο σώμα, χρησιμεύοντας ως ένζυμα, χάρη εν μέρει στην εκπληκτική ποικιλία σχημάτων ή διαμορφώσεων που μπορούν να επιτύχουν αυτά τα μόρια. (Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που διευκολύνουν και καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις.) Σε αντίθεση με το DNA, το RNA μπορεί επίσης να αλλάξει το σχήμα σε κάποιο βαθμό και έτσι μπορεί να χρησιμεύσει ως ένζυμο που βασίζεται σε RNA ή ριβοένζυμο. Η μεγαλύτερη ευελιξία του RNA έναντι του DNA προέρχεται εν μέρει από το επιπλέον οξυγόνο του σακχάρου ριβόζης του RNA, το οποίο καθιστά το μόριο λιγότερο σταθερό, έγραψε ο βιολόγος Merlin Crossley στο The Conversation . Η «δεοξυ» στην δεοξυριβόζη αναφέρεται στο έλλειμμα 1-οξυγόνου του DNA.
Σύμφωνα με ορισμένους ερευνητές , η πιο σημαντική καταλυτική δραστηριότητα με βάση το RNA συμβαίνει στο ριβόσωμα, όπου το rRNA, ένα ριβοένζυμο, μεσολαβεί στην προσθήκη αμινοξέων στις αναπτυσσόμενες πρωτεΐνες. Άλλα ριβοένζυμα περιλαμβάνουν μικρά πυρηνικά RNA (snRNAs), τα οποία συνδέουν το mRNA σε χρησιμοποιήσιμες μορφές, και το M1 RNA , ένα από τα πρώτα γνωστά ριβοένζυμα, τα οποία ομοίως αποσπώνται το βακτηριακό tRNA.
Ρυθμιστικός ζωολογικός κήπος του RNA
Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, ο αριθμός των γνωστών ποικιλιών RNA έχει ανθίσει, είπε, καθώς οι ερευνητές ανακάλυψαν μια περιποίηση RNA που κάνουν κάτι εντελώς διαφορετικό: ρυθμίζουν τα γονίδια. “Υπάρχει ένα ολόκληρο σύνολο RNA που παίζουν κρίσιμους ρυθμιστικούς ρόλους”, επηρεάζοντας ποια γονίδια εκφράζονται και με ποιους ρυθμούς, είπε.
«Τα τελευταία χρόνια, λίγες περιοχές της βιολογίας έχουν μετασχηματιστεί τόσο καλά όσο η μοριακή βιολογία του RNA», σε μεγάλο βαθμό λόγω της ανακάλυψης μικρών ρυθμιστικών RNA, έγραψαν ερευνητές σε μια ανασκόπηση του 2017 που δημοσιεύθηκε στο International Journal of Biomedical Science . Τα πιο σημαντικά είναι τα RNA μικρής παρεμβολής (siRNAs), τα microRNAs (miRNAs) και τα RNAs που αλληλεπιδρούν με piwi (piRNAs), έγραψαν οι συγγραφείς.
Τα siRNAs και τα miRNAs “σιωπούν” γονίδια συνδέοντας σε συμπληρωματικές αλληλουχίες σε mRNA. Στη συνέχεια, τα ρυθμιστικά RNA ενεργοποιούν σύμπλοκα πρωτεϊνών που μπορούν να κόψουν το mRNA ή να εμποδίσουν τη μετάφρασή τους, όπως περιγράφεται σε μια ανασκόπηση του 2010 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Current Genomics . Τα siRNA στοχεύουν το διεισδυτικό γενετικό υλικό, όπως το ιικό DNA, ενώ τα miRNA ρυθμίζουν τα γονίδια ενός οργανισμού, σύμφωνα με μια ανασκόπηση του 2009 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Cell . Τα piRNA εκτελούν παρόμοια σιωπή, αλλά λειτουργούν ειδικά σε κύτταρα φύλου, στοχεύοντας κινητά κομμάτια γενετικού υλικού που ονομάζονται “μεταθέσιμα” στοιχεία που μπορούν να μεταλλάξουν γονίδια, σύμφωνα με μια ανασκόπηση του 2014 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Development .
Άλλοι ρυθμιστικοί παίκτες RNA περιλαμβάνουν τα υψηλότερα μακρά μη κωδικοποιητικά RNA (lncRNAs), τα οποία επηρεάζουν τα γονίδια συνδέοντας με σύμπλοκα DNA και πρωτεΐνης που ονομάζονται χρωματίνη, όπως περιγράφεται σε μια ανασκόπηση του 2019 στο περιοδικό Noncoding RNA . Το lncRNA μπορεί να λειτουργήσει για να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τμήματα της χρωματίνης, τα οποία συσκευάζουν το DNA σε μια συμπαγή μορφή στο κύτταρο, έτσι ώστε τα γονίδια αυτής της χρωματίνης να εκφραστούν ή να ανασταλούν. Τα ενισχυτικά RNA έχουν το αντίθετο αποτέλεσμα σε πολλά από τα παραπάνω, αυξάνοντας την έκφραση ορισμένων γονιδίων μέσω μη κατανοητών μηχανισμών, σύμφωνα με μια ανασκόπηση του 2020 στο περιοδικό Frontiers in Cell and Developmental Biology .
Πρόσθετοι τύποι RNA έχουν εμφανιστεί σε άλλους οργανισμούς. Για παράδειγμα, τα βακτήρια φιλοξενούν ανάλογα με το miRNA και το siRNA που ονομάζονται μικροί RNA ρυθμιστές (sRNAs). Μέρη του συστήματος γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR-Cas9 που βρίσκονται σε βακτήρια και archaea βασίζονται επίσης στο RNA, το οποίο συνδέεται με τις λεγόμενες ακολουθίες DNA CRISPR που αναγνωρίζουν εισβολείς.
«Κόσμος RNA»
Η ευελιξία του RNA στη λειτουργία και τη μορφή βοήθησε να εμπνεύσει την ιδέα που είναι γνωστή ως υπόθεση «κόσμος RNA» .
Οι οργανισμοί βασίζονται σε ένα εκπληκτικά περίπλοκο σύστημα DNA, RNA και πρωτεΐνης για τη μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών και οι επιστήμονες αναρωτιούνται εδώ και πολύ καιρό πώς αυτό το σύστημα θα μπορούσε να προκύψει σε πρώιμες μορφές ζωής. Το RNA προσφέρει μια λογική απάντηση, είπε: Αυτό το μόριο μπορεί να αποθηκεύσει γενετικές πληροφορίες και να καταλύσει τις αντιδράσεις, υποδηλώνοντας ότι οι πρώτοι, απλοί οργανισμοί θα μπορούσαν να βασίζονται αποκλειστικά στο RNA.
Επιπλέον, είπε, η βάση σακχάρου του RNA, η ριβόζη, εμφανίζεται πάντα πρώτη στους οργανισμούς, καθώς είναι πιο εύκολο να φτιαχτεί. Στη συνέχεια, η δεοξυριβόζη δημιουργείται από ριβόζη. “Αυτό σημαίνει στη ζωή, έχετε την ριβόζη, το RNA πρώτα και μετά το DNA έρχεται αργότερα”, είπε.
Από αυτήν την απλούστερη έναρξη του RNA, θα μπορούσε να προκύψει πιο πολύπλοκη ζωή, εξελισσόμενο το σταθερό DNA για να χρησιμεύσει ως μακροχρόνια βιβλιοθήκη και ανάπτυξη πρωτεΐνης ως πιο αποτελεσματικός καταλύτης.
Γιατί καθόλου το RNA;
Στην πορεία από το DNA προς την πρωτεΐνη, το RNA ουσιαστικά χρησιμεύει ως μεσαίος άνθρωπος, οπότε γιατί να μην εξαλειφθεί το ενδιάμεσο RNA και να μετακινηθεί απευθείας από το DNA στην πρωτεΐνη; Απλές μορφές ζωής, όπως ιοί DNA, κάνουν ακριβώς αυτό, είπε. Ομοίως, ορισμένοι από τους πιο διαβόητους ιούς – τον ιό HIV, το κοινό κρυολόγημα, τη γρίπη και το COVID-19 – αποθηκεύουν όλες τις γενετικές τους πληροφορίες στο RNA, χωρίς προκάτοχο DNA.
Ωστόσο, οι πιο περίπλοκοι οργανισμοί πρέπει να κάνουν πολύ περισσότερη γενετική ρύθμιση, είπε. Έτσι, τα περισσότερα από τα γονιδιώματά τους δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες αλλά κωδικοποιούν τμήματα του γονιδιώματος που ρυθμίζουν άλλες αλληλουχίες. Οι υποστηρικτές , για παράδειγμα, μπορούν να ενεργοποιήσουν ή να απενεργοποιήσουν τα γονίδια. Είπε “δεν θέλετε να μετατρέψετε [δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων] του ανθρώπινου γονιδιώματος σε αλληλουχία πρωτεϊνών.” Η αύξηση των κυτταρικών πόρων σε τόσες πολλές αλληλουχίες που δεν κωδικοποιούν τις απαραίτητες ανθρώπινες πρωτεΐνες “θα ήταν τεράστια σπατάλη”, είπε. Το RNA καθιστά δυνατή τη μεταγραφή μόνο των κωδικοποιητικών πρωτεϊνών της γενετικής αλληλουχίας στον ενδιάμεσο mRNA.
Επιπλέον, το mRNA παρέχει μια εύχρηστη μέθοδο βελτίωσης της παραγωγής ενός γονιδίου. «Το RNA… είναι η φωτοτυπία DNA», δήλωσε η RNA Society , μια μη κερδοσκοπική εταιρεία που διευκολύνει την κοινή χρήση της έρευνας RNA. «Όταν το κύτταρο χρειάζεται να παράγει μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη,… παράγει πολλαπλά αντίγραφα αυτού του κομματιού DNA με τη μορφή αγγελιοφόρου RNA… Έτσι, το RNA επεκτείνει την ποσότητα μιας δεδομένης πρωτεΐνης που μπορεί να παραχθεί ταυτόχρονα.»
Η ικανότητα ενίσχυσης του RNA οφείλεται, για άλλη μια φορά, στην ευελιξία του μορίου. Επειδή το RNA μπορεί να διπλωθεί σε διάφορα σχήματα, μπορεί να προκαλέσει τις απαιτούμενες διαμορφώσεις mRNA και tRNA για την εκτέλεση αυτού του φωτοτυπικού μηχανήματος. Το DNA δεν μπορεί να το κάνει αυτό.
Σύνορα έρευνας
Όχι μόνο το RNA αποθηκεύει τις γενετικές πληροφορίες για πολλούς ιούς, αλλά θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες να καταπολεμήσουν τους ίδιους εισβολείς. Τα προτεινόμενα εμβόλια που βασίζονται σε RNA θα χρησιμοποιούσαν το εγχυμένο mRNA για να πει στο σώμα ενός ατόμου να παράγει αντιγόνα, τις ουσίες που προκαλούν ανοσοαποκρίσεις, έγραψε ο βιολόγος Alexis Hubaud για το blog του Πανεπιστημίου του Harvard . “Αυτός είναι ένας από τους πιο δημοφιλείς τρόπους για την ανάπτυξη εμβολίων κατά του COVID-19 αυτές τις μέρες”, είπε στο Live Science. Οι υποψήφιοι εμβολίων COVID-19 όπως αυτοί που έγιναν από τη Moderna και την Pfizer χρησιμοποιούν αυτήν την προσέγγιση.
Άλλες πιθανές θεραπευτικές εφαρμογές RNA θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το εγχυμένο mRNA για να πει στο σώμα να κάνει μια λειτουργική πρωτεΐνη σε έναν ασθενή που δεν διαθέτει τα γονίδια για να κωδικοποιήσει αυτήν την πρωτεΐνη, όπως σε άτομα με αιμοφιλία . «Πριν από αρκετά χρόνια, οι άνθρωποι θα έλεγαν ότι αυτό είναι τρελό – αν έχετε κάποιο ελάττωμα, απλά θα σας δώσω ένα υγιές RNA messenger», είπε. Αλλά είναι τώρα ένας από τους πιο συναρπαστικούς τομείς έρευνας.
Μια σημαντική ανακάλυψη τον Ιούνιο του 2020 ενθουσίασε τους ερευνητές του RNA, ανέφερε ο The Scientist . Έδειξε ότι η εξάλειψη μιας πρωτεΐνης που δεσμεύει το RNA θα μπορούσε να μετατρέψει άλλα κύτταρα σε νευρώνες, με σημαντικές επιπτώσεις σε ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ, είπε.
“Αυτό είναι επίσης συναρπαστικό, γιατί βασικά δείχνει ότι το RNA μπορεί να έχει δραματικές επιπτώσεις στην τύχη των κυττάρων”