ماهیت RNA

ریبونوکلئیک اسید (RNA ) مولکول حیاتی در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها است که می‌تواند در بعضی از ویروس‌ها به‌عنوان ژنوم ارگانیسم عمل کند. RNA‌ها در قسمت‌های مختلف سلول مانند: هسته، سیتوپلاسم و شبکه آندوپلاسمی دیده می‌شوند. همچنین مطالعات اخیر نشان می‌دهد RNA‌ها در مایع بین سلولی نیز حضور دارند.

RNA‌ها اصولا تک‌ رشته‌ای هستند ولی در شرایطی که شکل سه‌بعدی می‌گیرند؛ می‌توان بخشی از مولکول را به حالت دو رشته‌ای مشاهده کرد. رناها در یوکاریوت‌ها در هسته ساخته ­می‌شوند و محل فعالیتشان عمدتا در سیتوپلاسم است. انوع مختلفی از رنا وجود دارد که در انتقال اطلاعات ژنی، ترجمه پروتئین و تنظم بیان ژن نقش دارند.

 ترکیبات و ساختار RNA

RNA مانند DNA ساختار نوکلئوتیدی دارد با وجود اینکه DNA یک مولکول پیچ‌خورده و دورشته‌ای است. RNA یک نوکلئیک اسید تک رشته‌ای و فاقد پیچ‌ خوردگی است. نوکلئوتیدها به عنوان “backbone” در رشته نوکئیک اسید قرار می‌گیرد و با پیوندهای فسفو دی‌استر توسط آنزیم ” RNA polymerase” به یکدیگر متصل می‌شوند.

اجزای اصلی نوکلئوتیدها قند، فسفات و باز آلی است که براساس باز آلی 4 نوع هستند. ریبوز قند ساختاری رنا است که باز آلی و گروه فسفات به ترتیب به کربن‌های شماره 1 و 5  آن متصل می‌شوند. نوکلئوتیدها از باز آلی نیتروژن‌دار پورینی (دو حلقه­ای)، مانند آدنین (A) وسیتوزین(C) و پیریمیدنی (یک حلقه )، مانند گوانین(G) و یوارسیل(U) تشکیل می‌شوند.

تفاوت ساختار RNA با DNA

دنا و رنا هر دو اسیدهای نوکلئیک هستند که نقش مهمی در ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی دارند. علی‌رغم اینکه زیر واحد سازنده هر دو مولکول نوکلئوتید است؛ اما تفاوت‌های مهم ساختاری و عملکردی آنها را ادامه بررسی می‌کنیم.

1. ساختارRNA : دنا مولکول طویل دو رشته‌ای است که به کمک پروتئین‌های هیستونی پیچ و تاب‌های فراوانی می‌خورد در مقابل، رنا طول کمتری دارد تک رشته و فاقد پیچ خوردگی است.
2. قندهای ساختاری: قند موجود در DNA دئوکسی ریبوز و در RNA ریبوز است. تفاوت اصلی بین آنها در تعداد اکسیژن است؛ دئوکسی ریبوز نسبت به ریبوز یک اتم اکسیژن کمتر دارد .
3. بازهای ساختاری: یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های این دو مولکول بازهای آلی به‌کار رفته در زنجیره نوکلئوتیدی است؛ در هر دو مولکول بازهای A  و C و G وجود دارد اما در ساختار رنا باز آلی یوراسیل وجود دارد که جایگزین آن در دنا تیمین است. به عبارت دیگر وجود باز آلی یوراسیل و فقدان تیمین از شناسه‌های بارز رنا است.
4. پایداری RNA : دنا به دلیل ساختار دو رشته‌ای از رنا پایدارتر است. ساختار مارپیچ دنا، ثبات و محافظت از اطلاعات ژنتیکی را فراهم می‌کند.
5. عملکرد RNA: DNA به‌عنوان ذخیره طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی در سلول‌ها عمل می‌کند. حاوی دستورالعمل‌های سنتز پروتئین‌ها و سایر اجزای سلولی است. از طرف دیگر RNA نقش‌های مختلفی در بیان ژن و سنتز پروتئین ایفا می‌کند. انواع مختلفی از مولکول‌های RNA در فرایندهایی مانند: رونویسی، ترجمه و تنظیم بیان ژن نقش دارند.

 به‌طورکلی، درحالی که DNA یک مخزن پایدار و دائمی از اطلاعات ژنتیکی را فراهم می‌کند، RNA  به‌عنوان یک مولکول همه‌کاره درگیر در فرایندهای سلولی مختلف عمل می‌کند.

 طرز تهیه‌ی RNA

همان‌گونه که برای سنتز دنا فرایند همانند­سازی انجام می‌شود برای سنتز رنا نیز رونویسی صورت می‌گیرد. در طی رونویسی کمپلکس‌های آنزیمی رشته RNA را از ژنوم سلول می‌سازند؛ تنظیم رونویسی در بیان ژن و سیگنالینگ‌های سلولی مهم است. یک رشته DNA در رونویسی الگو قرار می‌گیرد و رنا پلیمراز از روی توالی آن رنا را می‌سازد. فرایند رونویسی برخلاف همانندسازی در تمام مراحل سیکل تقسیم سلولی انجام می‌شود. در رونویسی آنزیم‌های RNAپلیمراز از روی رشته الگو رونویسی می‌کند تا RNA ساخته شود.

 فرایند رونویسی به صورت کلی سه مرحله کلی دارد:

• مرحله اول شروع رونویسی، در این مرحله ابتدا باید فاکتور شروع رونویسی به توالی تنظیمی خود متصل شوند. فاکتورهای شروع رونویسی در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها متفاوت هستند. فاکتورهای رونویسی “Transcription Factor” مولکول‌های پروتئینی هستند که در اتصال رنا­ پلیمراز به توالی شروع رونویسی نقش دارند؛ علاوه بر این سرعت رونویسی را نیز کنترل می‌کنند. پس از اتصال این پروتئین‌ها، آنزیم رنا پلیمراز به جایگاه خود متصل می‌شود. کمپلکس آنزیمی رنا پلیمراز پس از اتصال به توالی هدف، پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته DNA را از یکدیگر باز می‌کند و سپس نوکلئوتید­های مکمل رشته DNA را در کناریکدیگر قرار می‌گیرند( سیتوزین در برابر گوانین و یوراسیل در برابر آدنین) تا در نهایت زنجیره تک رشته‌ای رنا ساخته شود.        
• مرحله دوم آنزیم رنا پلیمراز سنتز رشته جدید را تا رسیدن به توالی پایان ادامه می‌دهد.
• مرحله پایان رونویسی یا خاتمه، آنزیم با شناسایی توالی پایان ژن از DNA جدا می‌شود و در ادامه رشته‌های DNA مجدد به یکدیگر متصل شده و رشته RNA ساخته شده آزاد می‌شود.

در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها فرایند کلی رونویسی مشابه هستند و در هردو سیستم رونوسی شامل سه مرحله کلی شروع، طویل‌سازی و پایان است. مهم‌ترین تفاوت درآنزیم‌های رونویسی است. در پروکاریوت‌ها یک نوعRNA polymerase  می‌تواند رنا­های مختلف را سنتز کند اما در یوکاریوت­ها، سنتز mRNA با رناپلیمراز نوع دو،   tRNA با رنا پلیمراز نوع سه و  rRNAتوسط رنا پلیمراز نوع یک به صورت اختصاصی انجام می‌شود. ساختارRNA پس از سنتز در هسته، می‌تواند در سیتوپلاسم تاخورده یا کوتاه شود.

فرایند رونویسی از اهمیت بالایی برخوردار است و تنظیم این فرایند در بیان آنزیم‌ها و پروتئین‌های سلولی اثر دارد. همچنین اشتباه در فرآیند رونویسی باعث تغییر در توالی آمینواسیدی پروتئین‌ها می‌شود و در عمکلرد پروتئین­ها اخلال ایجاد می‌کند. برای مثال؛ در بیشتر سرطان‌ها بیان بیش‌ازحد و افزایش رونویسی از ژن پروتئین‌های دخیل در تقسیم سلولی، چرخه سلولی را مختل کرده و باعث تقسیمات بیش از حد و سرطانی شدن سلول می‌شود.

پیرایش RNA

پس از اتمام رونویسی رنا اولیه برای بالغ شدن و به‌دست آوردن ساختار نهایی خود در سیتوپلاسم پیرایش “splicing” می‌شود؛ فرایند پیرایش برای mRNA ضروری است.  mRNAدر طول پیرایش دچار تغییرات ساختاری زیادی می­شود. این مرحله برای عملکرد mRNA  و ترجمه از اهمیت بالایی برخوردار است.

 mRNA اولیه پس از رونویسی شامل مناطق اگزون (مناطق کدکننده پروتئین) و اینترون (مناطق غیرکدکننده) است که برای ترجمه باید اینترون‌ها حذف شوند. اینترون  mARNA اولیه در طی پیرایش حذف شده و اگزون‌ها به صورت یکپارچه به یکدیگر متصل می‌شوند . اضافه شدن دم پلی A به انتهای رشته در فرایند پیرایش به منظوره افزایش پایداری یکی دیگر از تغییرات ساختاری رنای پیام‌رسان است. در نهایت رنای پیک اولیه با افزودن کلاهک 5^’ به انتهای دیگر رشته به رنای بالغ تبدیل می‌شود. به‌عبارت دیگر رنای پیک پس از رونویسی، در پیرایش با حذف توالی اینترون، افزودن دم پلی A و کلاهک 5^’ بالغ می‌شود و پس از آن ریبوز­م‌ها ترجمه را آغاز می‌کنند.

انواع RNA

سلول به کمک عملکرد ‌RNAهای مختلف، به حیات خودش ادامه می‌دهد و فعالیت‌های خودش را تنظیم  می‌کند. رنا­ها با طول‌های متفاوت عملکردهای مختلفی دارند که در ادامه انواع RNA را براساس عملکردی که دارند بررسی می‌کنیم.

• messenger RNA:  رنای پیام رسان (mRNA) اطلاعات ژنتیکی را از DNA به ریبوزوم‌ها منتقل می‌کند. رنا‌های پیک بالغ حاوی کدون‌های ژنی پروتئین‌ها است که در ریبوزوم از روی آنها آمینواسیدهای پروتئین مشخص می‌شوند.

• transfer RNA: RNA انتقالی(tRNA)  به آمینواسیدهای معین متصل می‌شوند و آن‌ها را در طول سنتز پروتئین به ریبوزوم‌ها منتقل می‌کنند. هر tRNA دارای یک توالی آنتی‌کدون است که مکمل توالی کدون موجود در mRNA است.

• ribosomal RNA: رنای ریبوزومی (rRNA) جزء اصلی ریبوزوم‌ها است که ساختارهای سلولی مسئول سنتز پروتئین هستند. rRNA به مونتاژ ریبوزوم‌ها کمک می‌کند و نقش آنزیمی دارند؛ تشکیل پیوند‌های پپتیدی بین اسیدهای‌آمینه را کاتالیز می‌کند. بیشتر رناهای موجود در سلول از این نوع هستند.

• small nuclear RNA: در پیرایش مولکول‌های mRNA، حذف اینترون­‌ها و پیوستن اگزون‌ها به یکدیگر نقش دارد.

• microRNA: میکروRNAها (miRNA) مولکول‌های RNA کوچکی هستند که بیان ژن را با اتصال به mRNA و مهار ترجمه یا ترویج تخریب mRNA تنظیم می‌کنند.

• Small interfering RNA: RNA  تداخلی کوچک شبیهmiRNA ها هستند و با خاموش کردن ژن‌های خاص از طریق تخریب mRNA یا مهار ترجمه، در تنظیم ژن نقش دارند.

• long non-coding RNA: رناهای غیرکدکننده طولانی(lnRNA) مولکول‌های RNA هستند که برای پروتئین‌ها کد نمی‌کنند اما عملکردهای تنظیمی مهمی در سلول دارند. آنها می‌توانند بیان ژن، ساختار کروماتین و سایر فرایندهای سلولی را تنظیم کنند.

باتوجه به­ اهمیت رناها در تنظیم فعالیت سلولی، کوچک‌ترین تغییر در ساختار RNA باعث اختلال در عملکرد RNA و آسیب سلولی شود.

RNA و سنتز پروتئین

پروتئین‌ها فراوان‌ترین مولکول زیستی هستند که از زیرواحدهای آمینواسیدی ساخته می‌شوند. دستور ساخت پروتئین‌ها درDNA ذخیره می‌شود با وجود اینکه محل ساخت پروتئین‌ها سیتوپلاسم است. مهم‌ترین نقش RNA سنتز پروتئین است؛ رنا با قرارگیری بین DNA و پروتئین به سنتز پروتئین در سیتوپلاسم کمک می‌کند. انواع RNA مانند رناهای پیام رسان و رناهای ریبوزومی برای ترجمه و اتصال آمینواسیدها به یکدیگر الزامی هستند.

اولین قدم برای ساختن پروتئین انتقال اطلاعات از هسته به سیتوپلاسم است. mRNAها حاوی رونوشت کد‌های ژنی DNA هستند و این اطلاعات را از هسته به سیتوپلاسم منتقل می‌کنند. در ادامه tRNAها برای سنتز پروتئین‌ها آمینواسید را حمل می‌کنند. tRNA انواع مختلفی دارند و ممکن است یک نوع آمینواسید توسط چند نوع tRNA حمل شود. هنگامی‌که ریبوزوم بر روی mRNA قرار بگیرد توالی آنتی‌کدون در tRNA با کدون‌های mRNA جفت می‌شود و درنهایت اتصال آمینواسیدها به یکدیگر وسنتز پروتئین انجام می‌شود.

بررسی نقش RNAهای تنظیمی مانند میکرورنا در سنتز پروتئین و مهار ترجمه برای تشخیص و درمان بسیاری از بیماری‌ها یکی از چالش‌های جدید در زمینه ژنتیک است.

عوامل موثر در پایداری RNA

ساختار RNA به دلیل تک رشته‌ای بودن نسبت به DNA پایداری کمتری دارد. رناها بدون پوشش در سیتوپلاسم هستند؛ بنابراین به­راحتی در معرض انواع آنزیم‌های نوکئازی قرار می‌گیرند همچنین هنگامی‌که سلول در تنش و استرس رادیکال‌های آزاد بیشتری تولید می‌کند که ساختارRNA  را اکسید و تخریب می‌کنند.

پایداری RNA به ویژه mRNA در تنظیم بیان از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از راه‌های تنظیم بیان ژن و  بیان پروتئین، تغییر در پایداری mRNA  است. برای مثال: به منظور کاهش بیان پروتئین و تخریب رنای پیام‌رسان یک رشته رنا دیگر در برابر رنای پیک هدف قرار می‌گیرد تا ترجمه را متوقف کند و باعث تخریب رنا پیام­رسان می‌شود. میکرو رنا معمولا با اتصال به رنا‌های پیام‌رسان پایداری آن‌ها را کم می‌کنند و باعث تخریب آنها می‌شوند.

عوامل متعددی در پایداری RNA دخالت دارند که از مهم‌ترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• غلظت RNA؛
• طول RNA؛
• دم پلی A؛
• کلاهک 5^’؛
•  pHمحیط؛
• دمای محیط.

سخن پایانی

RNAها با وجود اینکه ساختار ساده‌ای دارند؛ اما هرگونه تغییر در این ساختار خطر بزرگ برای سلول ایجاد می­کند. اگر در هرکدام از فرایندهای سنتز RNA اشتباهی صورت بگیرد و یا تحت اثر عوامل محیطی پایداری RNAها کمتر شود؛ آسیب­های فراوانی به سلول وارد می‌شود. برای مثال اگر در طی فرایند پیرایش mRNA توالی اینترون به درستی حذف نشوند؛ ریبوزم‌ها نمی‌توانند ترجمه را آغاز کنند و پروتئین ساخته نمی‌شود.

RNA به دلیل اینکه پل ارتباطی بین پروتئین و DNA است؛ در تشخیص و درمان بیماری‌ها کاربرد فراوانی دارند. از آنجا که نقش رنا و فاکتورهای رونویسی در روشن و خاموش شدن ژن‌ها، نقشی کلیدی است. دانشمندان تلاش می‌کنند در ژن درمانی از این مولکول برای مهار ژن‌های معیوب و جهش‌یافته استفاده کنند.

 نویسنده: معصومه ایوبی

#آکادمی_ژنتیک

منابع

• منبع 1
• منبع 2
• منبع 3
• منبع 4