انواع RNA: ساختار و عملکرد آن‌ها

فهرست مطالب نمایش

RNA چیست؟

اسم کامل آن ریبونوکلئیک اسید است. این پلیمر متشکل از واحدهای فرعی است که با پیوندهای فسفو دی استر به هم متصل شده‌اند. RNA یک اسید نوکلئیک تک‌رشته‌ای شبیه به DNA است، اما دارای قند ریبوز به جای قند دئوکسی ریبوز و اوراسیل به جای تیمین به عنوان یکی از بازهای نوکلئوتیدی است.

انواع RNA

RNA پلیمراز RNA را از DNA سنتز می‌کند که به طور عملکردی برای کدگذاری پروتئین (RNA پیام رسان، mRNA) یا غیرکدکننده (ژن‌های RNA) است. به دلیل این عملکردها، مولکول‌های RNA شامل انواع زیر می‌باشند:

RNA پیام رسان(mRNA) که اطلاعات را از DNA به ریبوزوم‌ها (محل سنتز پروتئین) در سلول منتقل می‌کند. توالی کد mRNA توالی اسید آمینه را در پروتئین تولید شده تعیین می‌کند.
RNA ریبوزومی (rRNA) – در ریبوزوم‌ها ترکیب می‌شود.
RNA انتقالی (tRNA) – برای انتقال اسیدهای آمینه خاص به زنجیره‌های پلی‌پپتیدی در حال رشد در محل ریبوزومی سنتز پروتئین در طول ترجمه استفاده می‌شود.
RNA هسته‌ای کوچک (snRNA)
microRNA (miRNA) – آنها برای تنظیم فعالیت ژن استفاده می‌شوند. آنها مولکول‌های RNA ریز (22 نوکلئوتید) هستند که بیان مولکول‌های RNA پیام رسان (mRNA) را تنظیم می‌کنند.
RNA هسته کوچک (snoRNA)
RNA طولانی غیرکدکننده (lncRNA)
RNA کاتالیزوری (ریبوزیم‌ها) که به عنوان یک مولکول RNA فعال آنزیمی عمل می‌کند.

RNA پیام رسان (mRNA): ساختار و عملکرد

در هسته سلول سنتز می‌شود و سپس به خارج از سلول منتقل می‌شود تا سنتز پروتئین و کد نویسی روی پروتئین‌ها را تسهیل کند.
mRNA به پلی‌پپتید ترجمه می‌شود.
این نوع در طیف گسترده‌ای از اندازه‌ها وجود دارد که نشان دهنده اندازه پلی‌پپتیدی است که کدگذاری می‌کند.
اکثر سلول‌ها هزاران مولکول mRNA مختلف را در مقادیر کم تولید می‌کنند که به پپتیدهایی تبدیل می‌شوند که برای استفاده سلول مورد نیاز هستند.
بسیاری از مولکول‌های mRNA در اکثر سلول‌ها مشترک هستند که پروتئین‌هایی را که از متابولیسم سلولی محافظت می‌کنند، مانند آنزیم‌های مورد استفاده در گلیکولیز، کد می‌کنند.
برخی از انواع mRNA برای انواع خاصی از سلول‌ها هستند که پروتئین‌هایی را که برای عملکرد آن سلول خاص مورد نیاز هستند، رمزگذاری می‌کنند، مانند mRNA برای هموگلوبین که در گلبول‌های قرمز خون (RBCs) یافت می‌شود.

ساختار و عملکرد mRNA

mRNA بالغ سلول یوکاریوتی از 5 زیر واحد تشکیل شده است که عبارت‌اند از:

پایانه (کلاهک) 5′
این یک نوکلئوتید تغییر یافته در انتهای 5′ رونوشت اولیه روی mRNA است که توسط فرایندی به نام پوشش mRNA شناخته می‌شود. پوشش mRNA نقش اصلی را در تنظیم و ایجاد mRNA بالغ در سنتز پروتئین ایفا می‌کند (ترجمه). با این حال، توجه داشته باشید که mRNA میتوکندری و mRNA کلروپلاستیک کلاهک ندارند.
انتهای 5′ دارای یک نوکلئوتید گوانین است که توسط یک پیوند تری فسفات 5 تا 5 به mRNA متصل است. نوکلئوتید گوانین توسط متیل ترانسفراز در موقعیت هفتم متیله می‌شود و به عنوان یک کلاهک 7 متیل گوانیلات (m7G) شناخته می‌شود.
این کلاهک از نظر شیمیایی شبیه به انتهای 3′ مولکول RNA است.
این کلاه به طور منحصر به فردی در RNAهای هسته‌ای کوچک (snRNA) با کلاهک‌های تری متیل گوانوزین 5′ و در RNA طولانی غیر کدکننده (lncRNA) به عنوان کلاهک 5′ مونو متیل فسفات یافت می‌شود.
در باکتری‌ها و برخی ارگانیسم‌ها، mRNA با NAD+، NADH یا 3′ dephospho-coenzyme A پوشیده شده است.
در همه موجودات، مولکول‌های mRNA توسط مکانیزمی به نام messenger decapping RNA 3 جدا می‌شوند.
منطقه ترجمه نشده 5′ (5′ UTR)
این ناحیه mRNA است که مستقیماً در بالادست کدون آغازین قرار دارد.
برای تنظیم ترجمه رونوشت در ویروس‌ها، پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها ضروری است.
برخی از قسمت‌های 5′ ناحیه ترجمه نشده گاهی به محصولات پروتئینی ترجمه می‌شود که سپس ترجمه دنباله کد اصلی روی mRNA را تنظیم می‌کند.
با این حال، در برخی از موجودات، UTR 5 ترجمه نمی‌شود، بنابراین ساختار ثانویه پیچیده را برای تنظیم ترجمه تشکیل می‌دهد.
منطقه کدگذاری
این ناحیه روی RNA است که پروتئین‌ها را کد می‌کند
ناحیه کدکننده در DNA طرفین توالی پروموتر است که در ادامه رونویسی، RNA پلیمراز به دنباله پروموتر متصل می‌شود که در امتداد رشته الگو به ناحیه کدکننده حرکت می‌کند. RNA پلیمراز با جایگزینی تیمین با اوراسیل، نوکلئوتیدهای RNA را اضافه می‌کند که مکمل ناحیه کدکننده تشکیل دهنده mRNA هستند. مکانیسم تا زمان وقوع توالی خاتمه انجام می‌شود.
سه منطقه اصلی ترجمه نشده (3′ UTR)
این بخشی از mRNA است که از کدون پایان ترجمه پیروی می‌کند. این واحد شامل مناطق تنظیمی است که پس از رونویسی بر بیان ژن تأثیر می‌گذارد.
UTR 3 به پروتئین ترجمه نمی‌شود، مانند منطقه ترجمه نشده 5′.
با این حال، مناطق تنظیمی یافت شده در 3 UTR بر پلی آدنیلاسیون، کارایی ترجمه، محلی سازی ترجمه و پایداری mRNA تأثیر می‌گذارد.
دارای مکان‌های اتصالی است که برای پروتئین‌های تنظیم‌کننده و microRNA (miRNAs) استفاده می‌شود، که بیان ژن mRNA ‌های مختلف را با مهار ترجمه یا مستقیماً تخریب رونوشت تنظیم و کاهش می‌دهند.
3′ UTR همچنین دارای یک منطقه خاموش کننده است که به پروتئین‌های سرکوب کننده متصل می‌شود که بیان mRNA را مهار می‌کند.
چندین UTR 3′ همچنین حاوی توالی‌های غنی از عناصر آدنین – اوراسیل (AU) به عنوان (AAUAAA) هستند که اضافه کردن باقیمانده‌های آدنین معروف به دم پلی (A) را به انتهای رونوشت mRNA هدایت می‌کند.
UTR 3 همچنین حاوی توالی‌هایی است که ارتباط پروتئین‌ها با mRNA را با اسکلت سلولی ممکن می‌کند.
آن را به به هسته سلول یا از هسته سلول منتقل می‌کند یا انواع دیگری از محلی سازی سلول را انجام می‌دهد.
به طور کلی، UTR 3 به تنظیم ژن‌ها کمک می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که ژن‌های مناسب به درستی در زمان مناسب بیان می‌شوند.
دم پلی A
دم پلی (A) از آدنوزین مونوفسفات‌های متعدد تشکیل شده است، یعنی امتدادی از RNA است که از بازهای آدنینی تشکیل شده است.
این پروتئین با پروتئین‌های اتصالی پلی A (PABP) متصل است و آنها نقش اصلی را در تنظیم ترجمه، پایداری و انتقال mRNA ایفا می‌کنند.
دم پلی (A) که به PABP متصل است با پروتئین‌های مرتبط با انتهای 5′ رونوشت تعامل می‌کند که باعث گردش mRNA می‌شود که فرایند ترجمه پروتئین را ارتقا می‌دهد.
افزودن دم poly-A به mRNA به عنوان پلی آدنیلاسیون شناخته می‌شود.
پلی آدنیلاسیون یوکاریوتی به تولید RNA پیام رسان بالغ (mRNA) مورد استفاده در ترجمه کمک می‌کند.
در چندین باکتری، دم poly-A موجب فرسایش و تخریب پذیری mRNA می‌شود، به این معنی که poly-A فرایند بزرگ‌تر بیان ژن را تشکیل می‌دهد.
نقش poly-A در پلی آدنیلاسیون با پایان رونویسی ژن‌ها آغاز می‌شود.
دم poly-A برای انتقال هسته‌ای، ترجمه و پایداری mRNA ضروری است.
همان‌طور که دم با گذشت زمان کوتاه شده و به اندازه کافی کوتاه می‌شود، سنتز mRNA به صورت آنزیمی تجزیه می‌شود.

RNA ریبوزومی (rRNA): ساختار و عملکرد

ساختار

ریبونوکلئیک اسید ریبوزومی (rRNA) نوعی RNA است که بخشی از ریبوزوم‌ها است.
به عنوان ماشین مولکولی که سنتز پروتئین‌ها را کاتالیز می‌کند، تعریف می‌شود.
این ماده تا 60 درصد وزن ریبوزوم‌ها را تشکیل می‌دهد؛ زیرا آنها نقش عمده‌ای در عملکرد ریبوزوم‌ها مانند اتصال به mRNA و به‌کارگیری tRNA و کاتالیز تشکیل پیوند پپتیدی بین اسیدهای آمینه دارند.
آنها همچنین شکل ریبوزوم‌ها را با استفاده از هسته rRNA تعیین می‌کنند.
rRNA یک شکل سه بعدی متمایز دارد که از حلقه‌ها و مارپیچ‌های داخلی تشکیل شده است که مکان‌های خاص A، P و E را در ریبوزوم ایجاد می‌کند.
محل P به عنوان یک محل اتصال برای پلی‌پپتید در حال رشد عمل می‌کند، محل A به عنوان یک لنگر به tRNA ورودی شارژ شده با یک اسید آمینه عمل می‌کند.
پس از تشکیل پیوند پپتیدی، tRNA برای مدت کوتاهی قبل از خروج از ریبوزوم به محل E متصل می‌شود. پس از تشکیل پیوند پپتیدی، tRNA قبل از خروج از ریبوزوم برای مدت کوتاهی به محل E متصل می‌شود.
علاوه بر این، rRNA مکانی برای اتصال به پروتئین‌های ریبوزومی دارد و باقی‌مانده‌های RNA را از پروتئین‌ها آنالیز و متمایز می‌کند.
پروتئین‌های روی سطح ریبوزوم با تعامل با هسته rRNA ساختار آن را تثبیت می‌کنند.

عملکرد

rRNA در هسته سلول سنتز یا رونویسی می‌شود. هسته‌ها از طریق جداسازی پروتئین‌های ریبوزومی نقش عمده‌ای در بیوژنز ریبوزوم‌ها دارند.
ریبوزوم‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی هر دو از یک زیر واحد بزرگ‌تر و کوچک‌تر ساخته شده‌اند و این دو واحد در طول ترجمه mRNA به هم می‌رسند.
زیر واحدهای کوچک پروکاریوت‌ها از یک مولکول RNA به طول حدود 1500 نوکلئوتید با ضریب Svedberg 16S ساخته شده‌اند.
زیر واحد کوچک همراه با پروتئین‌های ریبوزومی دارای ضریب رسوب 30S است.
این با زیر واحد بزرگ‌تر جفت می‌شود که دارای دو مولکول RNA است – یکی با طولی نزدیک به 3000 نوکلئوتید (S23) و دیگری یک توالی کوتاه از 120 نوکلئوتید (5S). این مولکول‌های RNA با پروتئین‌هایی همراه هستند که زیر واحد 50S بزرگ‌تر را ایجاد می‌کنند.
ریبوزوم‌های یوکاریوتی از دو زیر واحد نیز تشکیل شده‌اند، یعنی زیر واحد بزرگ S60 و زیر واحد کوچک 40S.
زیر واحد کوچک از دو مولکول rRNA کوتاه با طول کمتر از 200 نوکلئوتید (S5 و S8) و زیر واحد بزرگ که از دو مولکول بزرگ تشکیل شده است که بلندتر هستند و یکی از آنها دارای بیش از 5 کیلوباز (S28) و دیگری 2 کیلو باز (S18) می‌باشند.
مولکول‌های S28، S18 و S8 با پردازش یک رونوشت اولیه از مجموعه‌ای از نسخه‌های یکسان از یک ژن تولید می‌شوند. مولکول‌های S5 از یک خوشه متفاوت از ژن‌های یکسان تولید می‌شوند.
در مجموع، ریبوزوم یوکاریوتی دارای ضریب Svedberg 80S است.
سلول‌های یوکاریوتی همچنین دارای rRNA در میتوکندری و کلروپلاست هستند.
ریبوزوم‌ها با شبکه آندوپلاسمی مرتبط هستند یا می‌توانند در سیتوپلاسم سلولی شناور باشند.

RNA انتقالی (tRNA): ساختار و عملکرد

این مولکول RNA غیر کدکننده است که اسیدهای آمینه را از زنجیره پپتیدی در حال رشد (توالی نوکلئوتیدی mRNA) به ریبوزوم‌ها حمل می‌کند؛ بنابراین، tRNA به عنوان واسطه بین توالی نوکلئوتیدی و اسید آمینه عمل می‌کند.
آنها ریبونوکلئوتید هستند، بنابراین، پیوند هیدروژنی را با mRNA تشکیل می‌دهند و پیوندهای استری را با اسیدهای آمینه تشکیل می‌دهند که mRNA و اسیدهای آمینه را در طول ترجمه ترکیب می‌کنند.

ساختار و عملکرد

tRNA یک زنجیره RNA کوچک متشکل از حدود 80 نوکلئوتید است.
در طول ترجمه، tRNA اسیدهای آمینه خاص مربوط به توالی mRNA را به زنجیره پلی‌پپتیدی در حال رشد در ریبوزوم منتقل می‌کند.
tRNA با مکمل mRNA به صورت موازی جفت می‌شود و هر جفت باز آن دارای سه نوکلئوتید جفت شده با mRNA است.
tRNAها توسط مولکول‌های کوتاه 70-90 نوکلئوتیدی (5nm) کدگذاری می‌شوند.
مجموعه‌ای از سه نوکلئوتید روی mRNA به عنوان کدون شناخته می‌شود، در حالی که توالی مربوطه در tRNA به عنوان آنتی کدون شناخته می‌شود.
جفت بازهای کدون و آنتی کدون یک مکانیسم ترجمه را تشکیل می‌دهد.
در انتهای پایانه 3′ هیدروکسیل tRNA، یک توالی اسید آمینه آنتی کدون وجود دارد که به هم متصل می‌شود و ریبوزوم‌ها را به هم متصل می‌کند تا یک پیوند پپتیدی ایجاد کند، بنابراین زنجیره پلی‌پپتیدی طولانی می‌شود.
بنابراین، قسمت‌های اصلی tRNA آنتی کدون و پایانه 3′ هیدروکسیل هستند.
سایر قسمت‌های ساختار tRNA، بازوی D و T-arm هستند که بسیار اختصاصی و بسیار مؤثر هستند.
tRNAها دارای ستون فقرات قند فسفات هستند که به آن جهت می‌دهند.
یک سر tRNA دارای یک گروه فسفات فعال است که به پنجمین اتم کربن ریبوز (5′) و انتهای دیگر که دارای یک گروه هیدروکسیل آزاد روی کربن سوم (3′) است، متصل است و باعث ایجاد 5′ از انتهای 3′ RNA می‌شود.
انتهای 3′ دارای سه باز CCA (سیتوزین، سیتوزین، آدنین) است که بخشی از بازوی پذیرنده مولکول است که به صورت کووالانسی به گروه هیدروکسیل روی قند ریبوز متصل است.
بازوی گیرنده همچنین شامل قسمت‌هایی از انتهای 5′ tRNA است که از 7-9 نوکلئوتید در انتهای مخالف تشکیل شده است که با یکدیگر جفت می‌شوند.
حلقه آنتی کدون که توسط آمینواسیل tRNA سنتتاز (AATS) شناسایی می‌شود با mRNA جفت می‌شود و اسیدآمینه‌ای را که به بازوی گیرنده متصل می‌شود را تعیین می‌کند.
AATS بازوی D را از انتهای 5′ tRNA می‌خواند و تشخیص می‌دهد.
بازوی D نقش عمده‌ای در تثبیت ساختار RNA ایفا می‌کند. همچنین بر سینتیک و دقت ترجمه در ریبوزوم‌ها تأثیر می‌گذارد.
T-arm همچنین با برهم‌کنش با ریبوزوم‌ها بر اثر tRNA بر ترجمه تأثیر می‌گذارد.
بازوی D، T-arm و حلقه آنتی کدون دارای ترکیبی شبیه یک برگ شبدر هستند هنگامی که RNA به یک ساختار سوم تا می‌شود، با ساختار گسترده‌ای از بازوی پذیرنده، بازوی T، حلقه آنتی کدون و بازوی D به شکل L تبدیل می‌شود.

RNA هسته‌ای کوچک (snRNA): ساختار و عملکرد

در طول رونویسی DNA برای mRNA، rRNA و tRNA، رونوشت‌های اولیه در هسته پردازش می‌شوند تا عناصر عملکردی تولید شوند که باید به سیتوزول صادر شوند. نقش RNA هسته‌ای کوچک (snRNA) واسطه برخی از این فرایندها است.
snRNA توسط RNA پلیمراز II یا RNA پلیمراز III از حدود 150 نوکلئوتید رونویسی می‌شود.
snRNA ژن‌های مختلفی در نسخه‌های متعدد دارد که نقش‌های متفاوتی در سنتز کلاس‌های RNA دیگر ایفا می‌کنند، مانند snRNA که بخشی از اسپلایسئوزوم‌ها است که با بریدن اینترون‌ها و برش دادن اینترون‌ها به تبدیل RNA پیش فرستاده (hnRNA) به mRNA و اتصال اگزون‌ها کمک می‌کند.
آنها همچنین تنظیم فاکتورهای رونویسی و RNA پلیمراز II را واسطه می‌کنند.
آنها همچنین موجب حفظ تلومرها می‌شوند.
snRNA با پروتئین‌ها و کمپلکس‌های خاصی که به عنوان ریبونوکلئوپروتئین‌های هسته‌ای کوچک شناخته می‌شوند مرتبط است که snRNPs نیز نامیده می‌شوند.

RNA هسته‌ای کوچک (snoRNA): ساختار و عملکرد

آنها RNAهای کوچکی از حدود 60 تا 300 نوکلئوتید هستند که در هسته سلولی یافت می‌شوند که عملکردهای مختلفی را در سلول انجام می‌دهند.
آنها با بریدن پیش ساز RNA بزرگ S28، S18 و S8 در سنتز ریبوزوم‌ها نقش دارند.
آنها با افزودن گروه‌هایی مانند گروه‌های متیل به ریبوز، بسیاری از نوکلئوتیدهای موجود در مولکول‌های rRNA، tRNA و snRNA را از نظر شیمیایی اصلاح می‌کنند.
آنها همچنین به پیوند pre-mRNA به اشکال مختلف mRNA بالغ کمک می‌کنند.
یک نوع snoRNA به عنوان الگو برای سنتز تلومرها عمل می‌کند.
در مهره‌داران، snoRNAها از اینترون‌هایی ساخته می‌شوند که در طول رونویسی حذف می‌شوند.

MicroRNAها (miRNAs): ساختار و عملکرد

MicroRNA یک RNA کوچک غیرکدکننده است که تک رشته‌ای و حاوی 22 نوکلئوتید است. اندازه آن مشابه اندازه siRNAها تخمین زده می‌شود.
در گیاهان، همه حیوانات و برخی ویروس‌ها یافت می‌شود و نقش اصلی آن در خاموش کردن RNA و تنظیم بیان ژن پس از رونویسی است.
انسان حدود 1000 miRNA تولید می‌کند.
این miRNAها در ژنوم توسط ژن‌های مستقل یا در بخش‌هایی از اینترون‌های ژن‌ها که mRNA را تنظیم می‌کنند کدگذاری می‌شوند.
آنها در برخی از انواع سلول‌ها در زمان‌های خاصی در طول تمایز سلول بیان می‌شوند.
نقش آنها در تنظیم ژن از طریق تنظیم بیان mRNA از دو طریق به دست می‌آید:
با از بین بردن mRNA زمانی که توالی‌ها به طور مساوی به ویژه در گیاهان مطابقت دارند
با سرکوب ترجمه mRNA زمانی که توالی‌ها تا حدی مطابقت دارند.
این نقش‌های مشخصه miRNA به دو ویژگی آن نسبت داده می‌شود
اندازه کوچک آنها رونویسی سریع از ژن آنها را آسان می‌کند
آنها برای تنظیم بیان ژن mRNA برای توالی‌های ژنی جزئی یا همسان نیازی به عنصر پروتئین ترجمه شده ندارند.
مطالعات ژنومی بیان ژن پستانداران نشان داده است که یک یا چند miRNA به mRNAی که از DNA رونویسی شده است متصل می‌شوند.
یک miRNA منفرد می‌تواند به حدود 200 هدف مختلف mRNA متصل شود که با وجود چندین محل اتصال miRNA در mRNA امکان پذیر است.
این امر امکان ترجمه هماهنگ mRNA را فراهم می‌کند.

RNA طولانی غیرکدکننده (lncRNA): ساختار و عملکرد

این نوع یک گروه ناهمگن از RNA رونوشت غیر کدکننده است که اندازه آن 200 نوکلئوتید است.
آنها بزرگ‌ترین رونوشت غیرکدکننده پستانداران هستند.
تخمین زده می‌شود که 8000 lncRNA در ژنوم انسان کدگذاری شده است.
عملکردهای اصلی lncRNA هنوز ناشناخته هستند، با این حال، برخی شواهد علمی نقش آن را در تنظیم ژن و دخالت مکانیسم فیزیولوژیکی نشان می‌دهند.
برخی از عملکردهای شناخته شده آن در مکانیسم‌های تنظیم ژن عبارت‌اند از:
ویرایش (پیوند) – splicing
ترجمه – translation
نشان گذاری- imprinting
رونویسی- transcription
غیرفعال شدن یکی از دو کروموزوم X در مهره‌داران ماده توسط نوعی از lncRNA معروف به XIST-RNA
در نزدیک کردن نواحی تقویت‌کننده و پروموتور ژن‌ها با حلقه کردن که به تنظیم رونویسی ژن کمک می‌کند، نقش دارند.