RNA چیست؟

RNA (آر ان ای) نوعی از ترکیبات اسیدهای نوکلئیک، مانند DNA است. در مولکول‌های RNA به جای قندهای دئوکسی ریبوز که در ساختمان DNA مشاهده می‌شود، قندهای ریبوز وجود دارند. مولکول‌های RNA یکی از ترکیبات اساسی سلول‌ها به شمار می‌آیند که در فرایندهای مهمی مانند سنتز پروتئین شرکت می‌کنند.

RNA چیست؟

نام RNA، مخفف ترکیب ریبونوکلئیک اسید است، مولکول‌های RNA، ترکیبات پیچیده‌ای با وزن مولکولی بالا هستند که در سنتز پروتئین‌های سلولی نقش مهمی دارد و جایگزین DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) به عنوان حامل کدهای ژنتیکی در برخی از ویروس‌ها به شمار می‌آیند. آر ان ای از نوکلئوتیدهای ریبوز (بازهای‌ آلی نیتروژن‌دار متصل شده به قند ریبوز ) تشکیل شده‌ که توسط پیوندهای فسفودی استر به یکدیگر متصل شده‌اند و رشته هایی با طول‌های مختلف را تشکیل می‌دهند. بازهای آلی موجود در RNA عبارتند از:

• آدنین (A)
• گوانین (G)
• سیتوزین (C)
• اوراسیل (این باز جایگزین تیمین در DNA است) (U)

قند ریبوز RNA یک ساختار حلقوی دارد که از پنج کربن و یک اکسیژنتشکیل شده است. حضور یک گروه هیدروکسیل متصل به اتم کربن دوم در مولکول قند ریبوز که از نظر شیمیایی واکنش‌پذیر (OH) است، باعث شده که RNA همیشه در معرض هیدرولیز قرار بگیرد. بر خلاف RNA، مولکول DNA گروه OH فعال در موقعیت یکسان در قسمت قند دئوکسی ریبوز خود ندارد، از این رو، تصور می‌شود که یکی از دلایلی که DNA در طول تکامل به عنوان حامل مناسبی برای اطلاعات ژنتیکی در اکثر موجودات زنده انتخاب شده، همین ساختار پایدار آن نسبت به RNA باشد. ساختار مولکول RNA در سال ۱۹۶۵ توسط «رابرت دبلیو. هالی» (R.W. Holley) توصیف و معرفی شد.

ساختار RNA

RNA به طور معمول یک ماکرومولکول زیستی تک رشته‌ای است. با این حال، وجود توالی‌های مکمل در یک رشته RNA، منجر به جفت شدن بازها و ایجاد خمیدگی زنجیره ریبونوکلئوتیدی به اشکال ساختاری پیچیده متشکل از لوپ‌ها و مارپیچ‌ها ‌می‌شود. ساختار سه بعدی RNA از جهت میزان پایداری و عملکرد این مولکول بسیار مهم است، به طوری که این ساختار سه بعدی اجازه ‌می‌دهد، قند ریبوز و ‌باز‌های آلی به روش‌های مختلفی مورد دستکاریآنزیم‌ها و تغییر قرار بگیرند.

این تغییرات توسط آنزیم‌های سلولی که گروه‌های شیمیایی (به عنوان مثال گروه‌های متیل) را به زنجیر وصل ‌می‌کنند، انجام می‌شوند. چنین تغییراتی امکان ایجاد پیوندهای شیمیایی بین مناطق دوردست در رشته RNA را فراهم ‌می‌کنند و منجر به انقباضات پیچیده در زنجیره RNA ‌می‌شوند که در تثبیت بیشتر ساختار RNA ‌موثر هستند.

برخی از مولکول‌های آر ان ای، با تغییرات ساختاری ضعیف و در نتیجه پایداری کم، ممکن است به آسانی از بین بروند. به عنوان نمونه، در یک مولکول RNA انتقال دهنده اولیه (tRNA) که فاقد یک گروه متیل (tRNAiMet) است، عدم تغییر در موقعیت 58 زنجیره tRNA، مولکول را ناپایدار و از این رو غیرکارآمد ‌می‌کند، این زنجیره‌ غیرعملکردی توسط مکانیسم‌های کنترل کیفیت tRNA سلولی از بین ‌می‌رود.

RNA‌ها همچنین ‌می‌توانند کمپلکس‌هایی با مولکول‌های معروف به (RiboNucleoProteins) یا (RNPs) تشکیل دهند. بخش‌هایی از RNA که حداقل یک RNP را در ساختار خود دارند، به عنوان یک کاتالیزور بیولوژیکی عمل ‌می‌کنند، عمل کاتالیزوری قبلاً فقط به پروتئین‌ها نسبت داده ‌می‌شد، در حالی که با شناخت ساختارهای RNA مشخص شد که این مولکول‌ها نیز قادر به کاتالیز واکنش‌ها هستند.

انواع RNA‌ها و عملکردهای آن‌ها

در میان بسیاری از انواع RNA موجود در سلول‌ها، سه مورد از آن‌ها بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. این سه نوع مولکول RNA در تمام موجودات وجود دارند:

• RNA پیام‌رسان (mRNA)
• RNA انتقال دهنده (tRNA) یا RNA حامل
• RNA ریبوزو‌می (rRNA)

این مولکول‌های RNA و انواع دیگر RNA‌ها در درجه اول واکنش‌های بیوشیمیایی را مشابه آنزیم‌ها انجام ‌می‌دهند. با این حال، برخی نیز عملکردهای کنترلی پیچیده‌ای در سلول بر عهده دارند. به دلیل درگیری در بسیاری از فرایندهای کنترلی و تنظیمی و همچنین فراوانی و عملکردهای متنوع، RNA‌ها در فرآیندهای سلولیو بیماری‌های مختلف نقش مهمی دارند. در ادامه به بررسی عملکردها و نقش‌های انواع مولکول‌های RNA می‌پردازیم.

RNA پیام‌رسان

RNA پیام‌رسان، مولکول‌های موجود در سلول‌هایی هستند که کدهای DNA را از هسته به مکان‌های سنتز پروتئین در سیتوپلاسم (ریبوزوم) منتقل می‌کنند. مولکولی که امروز به عنوان mRNA شناخته می‌شود، اولین بار در سال 1956 توسط دو دانشمند به نام‌های «الیوت ولکین»(Elliot Volkin) و «لازاروس آستراچان» (Lazarus Astrachan) توصیف شد.

از آنجا که اطلاعات در DNA نمی‌توانند مستقیماً به صورت پروتئین رمزگشایی شوند، ابتدا در mRNA رونویسی یا کپی می‌شوند. هر مولکول mRNA اطلاعات مربوط به یک پروتئین (یا بیش از یک پروتئین در باکتری‌ها) را رمزگذاری می‌کند. در هر توالی، سه باز آلی در mRNA به صورت یک کدون عمل کرده و ترکیب یک اسید آمینهخاص در پروتئین را مشخص می‌کنند. مولکول‌های mRNA از طریق پوشش هسته‌ای به داخل سیتوپلاسم منتقل می‌شوند که توسط rRNA موجود در ساختمان ریبوزوم‌ها به پروتئین ترجمه می‌شوند.

در پروکاریوت‌‌ها (ارگانیسم‌‌هایی که فاقد هسته مشخصی هستند)، mRNA‌ها حاوی یک نسخه رونویسی دقیق از توالی DNA اصلی با یک گروه «’5 تری‌فسفات» در یک انتها و یک باقی‌مانده «’3 هیدروکسیل» در انتهای دیگر خود هستند. در یوکاریوت‌ها (ارگانیسم‌هایی که هسته کاملاً مشخص دارند) مولکول‌های mRNA مجهزتر هستند، به طوری که، باقی‌مانده «′5 تری‌فسفات» بیشتر استری می‌شود و ساختاری به نام «کلاهک» (Cap) در انتهای رشته mRNA تشکیل می‌دهد. در انتهای ′3 mRNA‌های یوکاریوتی به طور معمول توالی‌های طولانی از باقی‌مانده‌های آدنوزین (PolyA) قرار می‌گیرند که کدگذاری آن‌ها توسط DNA انجام نمی‌گیرد اما پس از رونویسی به صورت آنزیمی به رشته mRNA اضافه می‌شوند. به این دنباله پلی A در mRNA، دم پلی A نیز می‌گویند.

مولکول‌های mRNA یوکاریوتی معمولاً از بخش‌های کوچکی از ژن اصلی تشکیل شده‌اند و با فرآیندهایی، شامل برش‌ها و اتصال‌های مجدد از یک مولکول پیش‌ساز اصلی (Pre-mRNA) تولید می‌شوند. رشته پیش‌ساز اصلی، در واقع یک نسخه دقیق از ژن است. به طور کلی، mRNA‌های پروکاریوتی خیلی سریع تخریب می‌شوند، در حالی که ساختار کلاهک و دم پلی A در mRNAهای یوکاریوتی تا حد زیادی پایداری آن‌ها را افزایش می‌دهند.

RNA انتقال دهنده

RNAهای انتقال دهنده، مولکول‌های کوچکی هستند که در سیتوپلاسم سلول‌‌ها، اسید‌های آمینه را به اندامک‌‌هایی به نام ریبوزوم برای سنتز پروتئین منتقل می‌کنند. در سال 1960، نقش tRNA‌ها در سنتز پروتئین‌ها توسط چندین دانشمند شناسایی شد، از جمله این دانشمندان می‌توان به بیوشیمیست آمریکایی «رابرت ویلیام هوللی» (Robert William Holley) اشاره کرد که همچنین تکنیک‌هایی برای جدا کردن tRNA‌های مختلف از سلول‌ها را توسعه داد و ترکیب tRNA انتقال دهنده مربوط به اسید آمینه آلانین (کدون اسید آمینه آلانین) در سنتز پروتئین را شناسایی کرد.

مولکول‌های ریبوزومی‌ از روی توالی mRNA، ترتیب مولکول‌های tRNA را که باید به توالی‌های سه نوکلئوتیدی (کدون) متصل شوند، تعیین می‌کنند. ترتیب مولکول‌های tRNA در نهایت توالی اسید آمینه یک پروتئین را تشکیل می‌دهند، زیرا مولکول‌های tRNA باعث تشکیل پیوند‌های پپتیدی بین اسید‌های آمینه می‌شوند و آن‌ها را به شکل پروتئین به یکدیگر متصل می‌کنند. پروتئین‌های تازه تشکیل شده، خود را از محل ریبوزوم جدا کرده و برای استفاده به قسمت‌های دیگر سلول مهاجرت می‌کنند.

مولکول‌های tRNA به طور معمول حاوی کمتر از 100 واحد نوکلئوتیدی هستند و با ایجاد پیچ خوردگی‌هایی به شکل یک ساختار برگ شبدری در می‌آیند. tRNA‌ها به صورت اختصاصی برای هر یک از 20 اسید آمینه مورد نیاز برای سنتز پروتئین در سلول وجود دارند و در بسیاری موارد بیش از یک tRNA برای هر اسید آمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا هر اسید آمینه ممکن است بیش از یک کدون داشته باشد. 61 کدون مورد استفاده برای رمزگذاری اسید‌های آمینه توسط تعداد کمتری tRNA‌های متمایز قابل شناسایی هستند.

در باکتری اشریشیا کلی (Escherichia coli) در مجموع، از 40 tRNA مختلف برای ترجمه 61 کدون استفاده می‌شود. اسید‌های آمینه بر روی tRNA‌ها توسط آنزیم‌های تخصصی به نام آمینواسیل tRNA سنتتاز قرار می‌گیرند، معمولاً با انجام واکنش هر آنزیم سنتتاز، فقط یک اسید آمینه بر روی tRNA بارگذاری می‌شود. تمام tRNA‌ها در طول سنتز پروتئین‌ها ساختار‌های مشابهی دارند، زیرا همه آن‌ها مجبور هستند که با یک جایگاه مشخص و یکسان روی ریبوزوم ارتباط برقرار کنند.

RNA ریبوزومی

RNAهای ریبوزومی (Ribosomal RNA) یا (rRNA)، مولکول‌هایی هستند که در هسته سلول تولید شده و برای شرکت در ساختار اندامک‌های سنتز کننده پروتئین در سیتوپلاسم یعنی ریبوزوم‌ها، به خارج از هسته ارسال می‌شوند. ریبوزوم‌ها با اتصال به RNAهای پیام‌رسان، توالی نوکلئوتیدی آن‌ها را به پروتئین ترجمه می‌کنند.

مولکول‌های rRNA در یک ناحیه خاص از هسته سلول به نام هستک تشکیل می‌شوند که به عنوان یک ناحیه متراکم در هسته، در تصاویر میکروسکوپی قابل مشاهده است. در ناحیه هستک ژن‌هایی وجود دارند که rRNA را رمزگذاری می‌کنند. rRNA‌های رمزگذاری شده، اندازه‌های متفاوتی دارند، برخی از آن‌ها کوچک و برخی دیگر بزرگ هستند. هر ریبوزوم حاوی حداقل یک rRNA بزرگ و یک rRNA کوچک است. در هسته، rRNA‌های بزرگ و کوچک با پروتئین‌های ریبوزومی ترکیب می‌شوند تا زیر واحدهای بزرگ و کوچک ریبوزوم را تشکیل دهند. در ریبوزوم‌های باکتریایی دو زیر واحد بزرگ و کوچک در اندازه‌های 50S و 30S وجود دارند. این زیر واحدها به طور کلی با توجه به میزان رسوب گذاری آن‌ها در واحدهای «سودربرگ» (Svedberg) در یک سیستم گریز از مرکز اندازه گیری شده و از یکدیگر متمایز می‌شوند. پروتئین‌های ریبوزومی در سیتوپلاسم ساخته می‌شوند و برای گردآوری و ساخت ریبوزوم‌ها به هسته انتقال می‌یابند. زیر واحد‌ها برای مونتاژ نهایی دوباره به سیتوپلاسم برگردانده می‌شوند.

تفاوت‌های rRNAها در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها

rRNA‌ها ساختارهای ثانویه گسترده‌ای را تشکیل می‌دهند و نقش موثری در شناخت بخش‌های حفاظت شده mRNA‌ها و tRNA‌ها دارند. در یوکاریوت‌ها، بین 50 تا 5000 مجموعه ژن rRNA و تا 10 میلیون ریبوزوم ممکن است در یک سلول واحد وجود داشته باشند. در مقابل، پروکاریوت‌ها، به طور کلی تعداد کمتری از ژن‌های rRNA و ریبوزوم در سلول‌های خود دارند. به عنوان مثال، در باکتری اشریشیا کلی، هفت نسخه از ژن‌های rRNA حدود 15٫000 ریبوزوم را در هر سلول تولید می‌کنند.

اختلافات بنیادی بین پروکاریوت‌ها در حوزه‌های آرکی‌ها و باکتری‌ها وجود دارند. این تفاوت‌ها علاوه بر این که در ترکیب لیپیدها، دیواره سلولی و استفاده از مسیرهای متابولیکی مختلف، مشهود هستند، در توالی rRNA نیز منعکس می‌شوند. rRNA‌های باکتری‌ها و آرکی‌ها با rRNA یوکاریوتی با هم متفاوت هستند. این اطلاعات در درک منشا تکاملی این ارگانیسم‌ها حائز اهمیت است، زیرا نشان می‌دهد که نسل‌های باکتریایی و آرکی‌ها از یک جد مشترک، قبل از ایجاد سلول‌های یوکاریوتی، جدا می‌شوند.

مطالعات تکاملی با استفاده از RNAهای ریبوزومی

در باکتری‌ها، ژنی که معتبرترین اطلاعات ژنتیکی را برای بررسی ارتباطات تکاملی در دسترس محققان قرار می‌دهد، ژن 16S rRNA نام دارد. این ژن توالی از DNA است که بخش RNA زیر واحد کوچک‌تر ریبوزوم باکتری را رمزگذاری می‌کند. ژن 16S rRNA در همه باکتری‌ها وجود دارد و یک شکل مرتبط با آن در کلیه سلول‌ها از جمله یوکاریوت‌ها نیز قابل مشاهده است. تجزیه و تحلیل توالی 16S rRNA در بسیاری از ارگانیسم‌ها نشان داد که برخی از قسمت‌های این مولکول دستخوش تغییرات ژنتیکی سریع می‌شوند و از این طریق می‌توان ایجاد گونه‌های جدید در یک جنس را شناسایی کرد.

سایر پیامدهای تکاملی rRNA ناشی از توانایی آن در کاتالیز واکنش «پپتیدیل ترانسفراز» (Peptidyl Transferase) در حین سنتز پروتئین است. کاتالیزورها بدون اینکه خود مصرف شوند، انجام واکنش‌ها را تسهیل می‌کنند. بنابراین rRNA، در دو حالت به عنوان مخزن اسیدهای نوکلئیک و همچنین به عنوان یک کاتالیزور، در تمام موجودات زنده، نقش اساسی در تکامل اولیه زندگی روی کره زمین را بر عهده داشته‌ است.

سایر RNAهای سلولی

علاوه بر mRNA، tRNA، و rRNAها در سلول‌ها دو گروه دیگر از RNAها وجود دارند که به انواع RNAهای کدکننده (cRNA) و غیرکدکننده (nCRNA) تقسیم می‌شوند. RNAهای کدکننده انواع mRNAها را در بر می‌گیرند.

RNAهای غیرکدکننده شامل tRNA و rRNA و سایر nCRNA‌های تنظیم کننده یا نظارتی هستند که براساس اندازه‌هایشان طبقه‌بندی ‌می‌شوند.

RNA‌های غیرکدکننده طولانی (lncRNA) حداقل 200 نوکلئوتید دارند، در حالی که RNA‌های غیرکدکننده کوچک، دارای طولی کمتر از 200 نوکلئوتید هستند. nCRNA‌های کوچک شامل RNA‌های زیر هستند:

• میکرو RNA یا miRNA
• RNA هستکی کوچک (snoRNA)
• RNA هسته‌ای کوچک snRNA
• RNA کوچک تداخلی siRNA
• RNAهای PIWI تداخلی piRNA

در میان این گروه، miRNA‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. آن‌ها حدود 22 نوکلئوتید طول دارند و در تنظیمات ژن در اکثر یوکاریوت‌ها نقش موثری را بر عهده می‌گیرند. آن‌ها ‌می‌توانند بیان ژن را با اتصال به mRNA هدف و توقف ترجمه مهار کنند، از این رو قادر هستند از تولید پروتئین‌های عملکردی جلوگیری ‌کنند. بسیاری از miRNA‌ها نقش مهمی در سرطان و سایر بیماری‌ها دارند. به عنوان مثال، miRNA‌های سرکوبگر تومور و سرطان‌زا می‌توانند ژن‌های هدف اختصاصی را تنظیم کنند و منجر به تومور‌زایی و پیشرفت تومور شوند.

بیماری‌های مرتبط با RNAها

ارتباطات مهمی بین RNA و بیماری‌های انسانی کشف شده است. به عنوان مثال، همان طور که قبلاً شرح داده شد، برخی از miRNA‌ها قادرند ژن‌های مرتبط با سرطان را به روش‌هایی که توسعه تومور را تسهیل ‌می‌کنند، مورد تنظیم قرار دهند. علاوه بر این، اختلال در تنظیم متابولیسم miRNA به بیماری‌های مختلف عصبی، از جمله بیماری آلزایمر مرتبط است.

از سویی دیگر، tRNA‌ها ‌می‌توانند به پروتئین‌های تخصصی معروف به کاسپازها متصل شوند که در آپوپتوز (مرگ سلولی برنامه ریزی شده) نقش دارند. tRNA‌ها با اتصال به پروتئین کاسپاز، آپوپتوز را مهار ‌می‌کنند. توانایی سلول‌ها برای فرار از سیگنالینگ مرگ برنامه‌ریزی شده، ویژگی بارز سلول‌های سرطانی است. RNA‌های غیرکدکننده که به عنوان قطعات مشتق از tRNA که به نام (tRFs) شناخته ‌می‌شوند، نیز ممکن است که در بروز سرطان نقش داشته باشند.

ظهور تکنیک‌هایی مانند توالی‌یابی RNA منجر به شناسایی گروه‌های جدیدی از رونوشت‌های RNA اختصاصی تومور، مانند MALAT1 (رونوشت آدنوکارسینوما ریه مرتبط با متاستاز) شده است که باعث افزایش سطح این رونوشت‌ها در بافت‌های سرطانی مختلف شده و با تکثیر و متاستاز (گسترش) سلول‌های تومور مرتبط هستند.

یک گروه دیگر از RNA‌ها که دارای توالی‌های تکراری هستند، به عنوان توالی RNA متصل به پروتئین (RBPs) شناخته می‌شوند. این گروه از RNAها، موجب ایجاد گره‌ها و نقاط تجمع پروتئینی در بافت‌های عصبی ‌می‌شوند. این پروتئین‌های تجمع یافته نقش مهمی در پیشرفت بیماری‌های عصبی مانند اسکلروز جانبی آمیوتروفیک جانبی (Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا (ALS) و دیستروفی میوتونیک بازی ‌می‌کنند. از بین رفتن عملکرد، اختلال در تنظیم و جهش در RBP‌های مختلف در ایجاد بسیاری از بیماری‌های انسانی نقش دارند.

گردآوری توسط: تحقیقستان