RNA não codificante - Non-coding RNA

As funções dos RNAs não codificantes no dogma central da biologia molecular : Ribonucleoproteínas são mostradas em vermelho, RNAs não codificantes em azul. Nota: em spliceosome é snRNA usado

Um RNA não codificante ( ncRNA ) é uma molécula de RNA que não é traduzida em uma proteína . A sequência de DNA a partir da qual um RNA não codificador funcional é transcrito é freqüentemente chamada de gene de RNA . Abundantes e funcionalmente importantes tipos de RNAs não-codificantes incluem RNAs de transferência (tRNAs) e RNAs ribossomais (ARNr), assim como pequenos RNAs como microARNs , siRNAs , piRNAs , snoRNAs , snRNAs , exRNAs , scaRNAs e os longos ncRNAs tais como Xist e HOTAIR .

O número de RNAs não codificantes no genoma humano é desconhecido; no entanto, estudos transcriptômicos e bioinformáticos recentes sugerem que existem milhares deles. Muitos dos ncRNAs recentemente identificados não foram validados para sua função. Também é provável que muitos ncRNAs não sejam funcionais (às vezes chamados de junk RNA ) e sejam produto de transcrição espúria.

Acredita-se que os RNAs não codificantes contribuam para doenças como câncer e Alzheimer .

História e descoberta

Os ácidos nucléicos foram descobertos pela primeira vez em 1868 por Friedrich Miescher e em 1939 o RNA foi implicado na síntese de proteínas . Duas décadas depois, Francis Crick previu um componente funcional de RNA que media a tradução ; ele concluiu que o RNA é mais adequado para emparelhar bases com um transcrito de mRNA do que um polipeptídeo puro .

A estrutura da folha de trevo do tRNA Phe de levedura ( inserção ) e a estrutura 3D determinada por análise de raios-X.

O primeiro RNA não codificador a ser caracterizado foi um tRNA de alanina encontrado em fermento de padeiro , sua estrutura foi publicada em 1965. Para produzir uma amostra de tRNA de alanina purificada, Robert W. Holley et al. usou 140 kg de fermento de padeiro comercial para dar apenas 1 g de tRNA Ala purificado para análise. O tRNA de 80 nucleotídeos foi sequenciado sendo primeiro digerido com ribonuclease pancreática (produzindo fragmentos que terminam em citosina ou uridina ) e depois com ribonuclease Tl de takadiastase (produzindo fragmentos que terminaram em guanosina ). A cromatografia e a identificação das extremidades 5 'e 3' ajudaram a organizar os fragmentos para estabelecer a sequência de RNA. Das três estruturas originalmente propostas para este tRNA, a estrutura 'folha do trevo' foi proposta independentemente em várias publicações seguintes. A estrutura secundária do trevo foi finalizada após análise de cristalografia de raios-X realizada por dois grupos de pesquisa independentes em 1974.

O RNA ribossomal foi o próximo a ser descoberto, seguido pelo URNA no início dos anos 1980. Desde então, a descoberta de novos RNAs não codificantes continuou com snoRNAs , Xist , CRISPR e muitos mais. Adições notáveis ​​recentes incluem riboswitches e miRNA ; a descoberta do mecanismo de RNAi associado a este último rendeu a Craig C. Mello e Andrew Fire o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2006 .

Descobertas recentes de ncRNAs foram realizadas por meio de métodos experimentais e bioinformáticos .

Papéis biológicos

Os RNAs não codificantes pertencem a vários grupos e estão envolvidos em muitos processos celulares. Estes variam de ncRNAs de importância central que são conservados em toda ou na maior parte da vida celular até ncRNAs mais transitórios específicos para uma ou algumas espécies intimamente relacionadas. Acredita-se que os ncRNAs mais conservados sejam fósseis moleculares ou relíquias do último ancestral comum universal e do mundo do RNA , e seus papéis atuais permanecem principalmente na regulação do fluxo de informações do DNA para a proteína.

Em tradução

Estrutura atômica da subunidade 50S de Haloarcula marismortui . As proteínas são mostradas em azul e as duas fitas de RNA em laranja e amarelo. A pequena mancha verde no centro da subunidade é o sítio ativo.

Muitos dos ncRNAs conservados, essenciais e abundantes estão envolvidos na tradução . Partículas de ribonucleoproteína (RNP) chamadas ribossomos são as 'fábricas' onde a tradução ocorre na célula. O ribossomo consiste em mais de 60% de RNA ribossômico ; estes são constituídos por 3 ncRNAs em procariotas e 4 ncRNAs em eucariotas . Os RNAs ribossomais catalisam a tradução de sequências de nucleotídeos em proteínas. Outro conjunto de ncRNAs, os RNAs de transferência , formam uma 'molécula adaptadora' entre o mRNA e a proteína. Os snoRNAs H / ACA box e C / D box são ncRNAs encontrados em arquéias e eucariotos. RNase MRP é restrito a eucariotos. Ambos os grupos de ncRNA estão envolvidos na maturação do rRNA. Os snoRNAs guiam modificações covalentes de rRNA, tRNA e snRNAs ; RNase MRP cliva o espaçador transcrito interno 1 entre rRNAs 18S e 5.8S. O ubíquo ncRNA, RNase P , é um parente evolucionário do RNase MRP. A RNase P amadurece as sequências de tRNA gerando extremidades 5 'maduras de tRNAs por meio da clivagem dos elementos 5' líder de tRNAs precursores. Outro RNP onipresente, chamado SRP, reconhece e transporta proteínas nascentes específicas para o retículo endoplasmático em eucariotos e a membrana plasmática em procariotos . Em bactérias , o RNA mensageiro de transferência (tmRNA) é um RNP envolvido no resgate de ribossomos paralisados, marcando polipeptídeos incompletos e promovendo a degradação de mRNA aberrante.

Em splicing de RNA

Imagens de microscopia eletrônica do spliceossomo de levedura. Observe que a maior parte do complexo é, na verdade, ncRNA.

Em eucariotas o spliceosome executa as splicing reacções essenciais para a remoção de intrão sequências, este processo é necessário para a formação de madura ARNm . O spliceossomo é outro RNP também conhecido como snRNP ou tri-snRNP. Existem duas formas diferentes de spliceossomo, a forma principal e a forma secundária. Os componentes do ncRNA do spliceossomo principal são U1 , U2 , U4 , U5 e U6 . Os componentes do ncRNA do spliceossomo menor são U11 , U12 , U5 , U4atac e U6atac .

Outro grupo de íntrons pode catalisar sua própria remoção dos transcritos do hospedeiro; estes são chamados de RNAs de auto-união. Existem dois grupos principais de RNAs de auto-processamento: intron catalítico do grupo I e intron catalítico do grupo II . Esses ncRNAs catalisam sua própria excisão de precursores de mRNA, tRNA e rRNA em uma ampla gama de organismos.

Em mamíferos, verificou-se que snoRNAs também podem regular o splicing alternativo de mRNA, por exemplo snoRNA HBII-52 regula o splicing do receptor de serotonina 2C .

Em nematóides, o ncRNA SmY parece estar envolvido no trans-splicing do mRNA .

Na replicação do DNA

A proteína do autoantígeno Ro (branco) se liga ao final de um RNA Y de fita dupla (vermelho) e um RNA de fita simples (azul). (PDB: 1YVP [1] ).

Os RNAs Y são loops de tronco, necessários para a replicação do DNA por meio de interações com a cromatina e as proteínas de iniciação (incluindo o complexo de reconhecimento de origem ). Eles também são componentes da partícula de ribonucleoproteína Ro60, que é um alvo de anticorpos autoimunes em pacientes com lúpus eritematoso sistêmico .

Na regulação do gene

A expressão de muitos milhares de genes é regulada por ncRNAs. Essa regulação pode ocorrer em trans ou em cis . Há evidências crescentes de que um tipo especial de ncRNAs chamados RNAs potenciadores , transcritos da região potenciadora de um gene, agem para promover a expressão gênica.

Trans-agindo

Em eucariotos superiores, os microRNAs regulam a expressão gênica. Um único miRNA pode reduzir os níveis de expressão de centenas de genes. O mecanismo pelo qual as moléculas de miRNA maduras agem é por meio da complementaridade parcial de uma ou mais moléculas de RNA mensageiro (mRNA), geralmente em 3 'UTRs . A principal função dos miRNAs é regular negativamente a expressão gênica.

O ncRNA RNase P também mostrou influenciar a expressão do gene. No núcleo humano, a RNase P é necessária para a transcrição normal e eficiente de vários ncRNAs transcritos pela RNA polimerase III . Estes incluem os genes tRNA, 5S rRNA , SRP RNA e U6 snRNA . A RNase P exerce seu papel na transcrição por meio da associação com Pol III e cromatina dos genes tRNA e 5S rRNA ativos.

Foi demonstrado que o 7SK RNA , um metazoário ncRNA, atua como um regulador negativo do fator de alongamento da RNA polimerase II P-TEFb , e que essa atividade é influenciada pelas vias de resposta ao estresse.

O ncRNA bacteriano, 6S RNA , associa-se especificamente à holoenzima da RNA polimerase contendo o fator de especificidade sigma70 . Esta interação reprime a expressão de um promotor dependente de sigma70 durante a fase estacionária .

Outro ncRNA bacteriano, o OxyS RNA reprime a tradução ligando-se a sequências de Shine-Dalgarno , obstruindo assim a ligação ao ribossomo. OxyS RNA é induzido em resposta ao estresse oxidativo em Escherichia coli.

O RNA B2 é um pequeno transcrito não codificador de RNA polimerase III que reprime a transcrição do mRNA em resposta ao choque térmico em células de camundongo. O RNA B2 inibe a transcrição ligando-se ao núcleo Pol II. Por meio dessa interação, o RNA B2 se reúne em complexos de pré-iniciação no promotor e bloqueia a síntese de RNA.

Um estudo recente mostrou que apenas o ato da transcrição da sequência do ncRNA pode ter influência na expressão gênica. A transcrição de ncRNAs pela RNA polimerase II é necessária para a remodelação da cromatina no Schizosaccharomyces pombe . A cromatina é progressivamente convertida em uma configuração aberta, à medida que várias espécies de ncRNAs são transcritas.

Cis-agindo

Vários ncRNAs são incorporados nas 5 ' UTRs (regiões não traduzidas) de genes que codificam proteínas e influenciam sua expressão de várias maneiras. Por exemplo, um riboswitch pode ligar diretamente uma pequena molécula alvo ; a ligação do alvo afeta a atividade do gene.

As sequências líder de RNA são encontradas a montante do primeiro gene de operons biossintéticos de aminoácidos. Esses elementos de RNA formam uma de duas estruturas possíveis em regiões que codificam sequências de peptídeos muito curtas que são ricas no produto final de aminoácido do operon. Uma estrutura terminadora se forma quando há um excesso do aminoácido regulador e o movimento do ribossomo sobre o transcrito líder não é impedido. Quando há uma deficiência do tRNA carregado do aminoácido regulador, o ribossomo que traduz o peptídeo líder fica paralisado e a estrutura antiterminadora se forma. Isso permite que a RNA polimerase transcreva o operon. Os líderes de RNA conhecidos são o líder do operon Histidina , o líder do operon Leucina , o líder do operon Treonina e o líder do operon Triptofano .

Os elementos de resposta ao ferro (IRE) são ligados por proteínas de resposta ao ferro (IRP). O IRE é encontrado em UTRs de vários mRNAs cujos produtos estão envolvidos no metabolismo do ferro . Quando a concentração de ferro é baixa, os IRPs se ligam ao mRNA da ferritina IRE, levando à repressão da tradução.

Os sítios internos de entrada do ribossomo (IRES) são estruturas de RNA que permitem o início da tradução no meio de uma sequência de mRNA como parte do processo de síntese de proteínas .

Em defesa do genoma

Os RNAs que interagem com Piwi (piRNAs) expressos em testículos e células somáticas de mamíferos formam complexos RNA-proteína com proteínas de Piwi . Esses complexos piRNA (piRCs) têm sido associados ao silenciamento do gene transcricional de retrotransposons e outros elementos genéticos em células da linha germinativa , particularmente aquelas na espermatogênese .

As Repetições Palindrômicas Curtas com Espaçamento Intercalado Regularmente Agrupado (CRISPR) são repetições encontradas no DNA de muitas bactérias e arquéias . As repetições são separadas por espaçadores de comprimento semelhante. Foi demonstrado que esses espaçadores podem ser derivados do fago e, subsequentemente, ajudam a proteger a célula da infecção.

Estrutura cromossômica

A telomerase é uma enzima RNP que adiciona repetições de sequências de DNA específicas ("TTAGGG" em vertebrados) a regiões teloméricas , que são encontradas nas extremidades dos cromossomos eucarióticos . Os telômeros contêm material de DNA condensado, dando estabilidade aos cromossomos. A enzima é uma transcriptase reversa que carrega o RNA da telomerase , usado como molde ao alongar os telômeros, que são encurtados após cada ciclo de replicação .

Xist (transcrição específica inativa X) é um gene ncRNA longo no cromossomo X dos mamíferos placentários que atua como o principal efetor do processo de inativação do cromossomo X , formando corpos de Barr . Um RNA antisense , Tsix , é um regulador negativo de Xist. Os cromossomos X sem expressão de Tsix (e, portanto, com altos níveis de transcrição de Xist) são inativados com mais frequência do que os cromossomos normais. Em drosofilídeos , que também usam um sistema de determinação de sexo XY , os RNAs roX (RNA no X) estão envolvidos na compensação de dosagem. Tanto o Xist quanto o roX operam por regulação epigenética da transcrição por meio do recrutamento de enzimas modificadoras de histonas .

RNA bifuncional

Os RNAs bifuncionais , ou RNAs de função dupla , são RNAs que têm duas funções distintas. A maioria dos RNAs bifuncionais conhecidos são mRNAs que codificam uma proteína e ncRNAs. No entanto, um número crescente de ncRNAs se enquadra em duas categorias diferentes de ncRNA; por exemplo, H / ACA box snoRNA e miRNA .

Dois exemplos bem conhecidos de RNAs bifuncionais são SgrS RNA e RNAIII . No entanto, sabe-se da existência de um punhado de outros RNAs bifuncionais (por exemplo, ativador do receptor de esteróide / SRA, VegT RNA, Oskar RNA, ENOD40 , p53 RNA e SR1 RNA . RNAs bifuncionais foram recentemente objeto de uma edição especial da Biochimie .

Como um hormônio

Há uma ligação importante entre certos RNAs não codificantes e o controle das vias reguladas por hormônios. Na Drosophila , hormônios como a ecdisona e o hormônio juvenil podem promover a expressão de certos miRNAs. Além disso, essa regulação ocorre em pontos temporais distintos no desenvolvimento de C. elegans . Em mamíferos, o miR-206 é um regulador crucial do estrogênio -receptor-alfa.

Os RNAs não codificantes são cruciais no desenvolvimento de vários órgãos endócrinos, bem como em doenças endócrinas como o diabetes mellitus . Especificamente na linha celular MCF-7, a adição de 17β-estradiol aumentou a transcrição global dos RNAs não codificadores chamados lncRNAs próximos aos genes codificadores ativados por estrogênio.

Em evitação patogênica

C. elegans mostrou aprender e herdar a evitação patogênica após a exposição a um único RNA não codificador de um patógeno bacteriano .

Papéis na doença

Tal como acontece com as proteínas , mutações ou desequilíbrios no repertório de ncRNA dentro do corpo podem causar uma variedade de doenças.

Câncer

Muitos ncRNAs mostram padrões de expressão anormais em tecidos cancerosos . Estes incluem miARNs , longa-ARNm como ncRNAs , GAS5 , SNORD50 , telomerase de ARN e Y RNAs . Os miRNAs estão envolvidos na regulação em grande escala de muitos genes codificadores de proteínas, os RNAs Y são importantes para o início da replicação do DNA, o RNA da telomerase que serve como um primer para a telomerase, um RNP que estende as regiões teloméricas nas extremidades dos cromossomos (ver telômeros e doença para obter mais informações). A função direta dos ncRNAs semelhantes a mRNA longos é menos clara.

Mutações da linha germinativa em precursores primários miR-16-1 e miR-15 mostraram ser muito mais frequentes em pacientes com leucemia linfocítica crônica em comparação com populações de controle.

Foi sugerido que um SNP raro ( rs11614913 ) que se sobrepõe ao has-mir-196a2 foi encontrado para ser associado ao carcinoma de pulmão de células não pequenas . Da mesma forma, uma triagem de 17 miRNAs que foram previstos para regular uma série de genes associados ao câncer de mama encontrou variações nos microRNAs miR-17 e miR-30c-1 de pacientes; esses pacientes não eram portadores de mutações BRCA1 ou BRCA2 , dando a possibilidade de que o câncer de mama familiar possa ser causado pela variação desses miRNAs. O supressor de tumor p53 é indiscutivelmente o agente mais importante na prevenção da formação e progressão do tumor. A proteína p53 funciona como um fator de transcrição com um papel crucial na orquestração da resposta ao estresse celular. Além de seu papel crucial no câncer, o p53 foi implicado em outras doenças, incluindo diabetes, morte celular após isquemia e várias doenças neurodegenerativas, como Huntington, Parkinson e Alzheimer. Estudos têm sugerido que a expressão de p53 está sujeita à regulação por RNA não codificador.

Outro exemplo de RNA não codificador desregulado em células cancerosas é o RNA não codificador longo Linc00707. Linc00707 é regulado positivamente e esponja miRNAs em células-tronco mesenquimais derivadas da medula óssea humana, no carcinoma hepatocelular, câncer gástrico ou câncer de mama e, portanto, promove a osteogênese, contribui para a progressão do carcinoma hepatocelular, promove a proliferação e metástase ou regula indiretamente a expressão de proteínas envolvidas em agressividade do câncer, respectivamente.

Síndrome de Prader-Willi

A exclusão das 48 cópias da caixa C / D snoRNA SNORD116 demonstrou ser a principal causa da síndrome de Prader-Willi . Prader-Willi é um transtorno do desenvolvimento associado ao excesso de alimentação e dificuldades de aprendizagem. SNORD116 tem locais-alvo potenciais dentro de uma série de genes codificadores de proteínas e pode ter um papel na regulação do splicing alternativo.

Autismo

O locus cromossômico contendo o pequeno grupo do gene SNORD115 do RNA nucleolar foi duplicado em aproximadamente 5% dos indivíduos com traços autistas . Um modelo de mouse projetado para ter uma duplicação do cluster SNORD115 exibe um comportamento semelhante ao autista. Um pequeno estudo recente de tecido cerebral post-mortem demonstrou expressão alterada de longos RNAs não codificantes no córtex pré-frontal e cerebelo de cérebros autistas em comparação com controles.

Hipoplasia de cartilagem-cabelo

Mutações no RNase MRP mostraram causar hipoplasia da cartilagem e do cabelo , uma doença associada a uma série de sintomas, como baixa estatura, cabelo esparso, anormalidades esqueléticas e um sistema imunológico suprimido que é frequente entre Amish e Finlandeses . A variante mais bem caracterizada é uma transição de A para G no nucleotídeo 70 que está em uma região de loop duas bases 5 'de um pseudoconservado . No entanto, muitas outras mutações em RNase MRP também causam CHH.

doença de Alzheimer

O RNA antisense, BACE1-AS, é transcrito da fita oposta para BACE1 e é regulado positivamente em pacientes com doença de Alzheimer . BACE1-AS regula a expressão de BACE1 aumentando a estabilidade do mRNA de BACE1 e gerando BACE1 adicional por meio de um mecanismo de alimentação pós-transcricional. Pelo mesmo mecanismo, também aumenta as concentrações de beta amilóide , o principal constituinte das placas senis. As concentrações de BACE1-AS são elevadas em indivíduos com doença de Alzheimer e em camundongos transgênicos da proteína precursora da amilóide.

miR-96 e perda auditiva

A variação na região da semente do miR-96 maduro foi associada à perda auditiva progressiva e autossômica dominante em humanos e camundongos. Os camundongos mutantes homozigotos eram profundamente surdos, não apresentando respostas cocleares . Camundongos heterozigotos e humanos perdem progressivamente a capacidade de ouvir.

Distinção entre RNA funcional (fRNA) e ncRNA

Os cientistas começaram a distinguir RNA funcional ( fRNA ) de ncRNA, para descrever regiões funcionais no nível de RNA que podem ou não ser transcritos de RNA autônomos. Isso implica que fRNA (como riboswitches, elementos SECIS e outras regiões cis-regulatórias) não é ncRNA. No entanto, o fRNA também pode incluir o mRNA , já que este é o RNA que codifica a proteína e, portanto, é funcional. Além disso, RNAs artificialmente evoluídos também se enquadram no termo genérico fRNA. Algumas publicações afirmam que ncRNA e fRNA são quase sinônimos, no entanto, outros apontaram que uma grande proporção de ncRNAs anotados provavelmente não têm função. Também foi sugerido simplesmente usar o termo RNA , uma vez que a distinção de um RNA codificador de proteína ( RNA mensageiro ) já é dada pelo qualificador mRNA . Isso elimina a ambigüidade ao abordar um gene "que codifica um RNA não codificante". Além disso, pode haver uma série de ncRNAs que estão mal anotados na literatura publicada e conjuntos de dados.

Veja também

Referências

links externos

( Cópia do Wayback Machine )