Рибонуклеиновая кислота ( РНК ) — полимерная молекула, необходимая для большинства биологических функций, либо выполняя саму функцию ( некодирующая РНК ), либо образуя матрицу для производства белков ( информационная РНК ). РНК и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) являются нуклеиновыми кислотами . Нуклеиновые кислоты составляют одну из четырех основных макромолекул , необходимых для всех известных форм жизни . РНК собирается в виде цепочки нуклеотидов . Клеточные организмы используют информационную РНК ( мРНК ) для передачи генетической информации (с использованием азотистых оснований гуанина , урацила , аденина и цитозина , обозначаемых буквами G, U, A и C), которая направляет синтез определенных белков. Многие вирусы кодируют свою генетическую информацию с помощью генома РНК .
Некоторые молекулы РНК играют активную роль внутри клеток, катализируя биологические реакции, контролируя экспрессию генов или воспринимая и передавая ответы на клеточные сигналы. Одним из таких активных процессов является синтез белка — универсальная функция, при которой молекулы РНК направляют синтез белков на рибосомах . В этом процессе используются молекулы транспортной РНК ( тРНК ) для доставки аминокислот к рибосоме , где рибосомальная РНК ( рРНК ) затем связывает аминокислоты вместе с образованием закодированных белков.
В науке стало широко признано [1] , что на ранних этапах истории жизни на Земле , до эволюции ДНК и, возможно, белковых ферментов , существовал « мир РНК », в котором РНК служила одновременно живыми организмами. метод хранения генетической информации — роль, которую сегодня выполняет ДНК, за исключением РНК-вирусов , — и потенциально выполняющий каталитические функции в клетках — функцию, которую сегодня выполняют белковые ферменты, за заметным и важным исключением рибосомы, которая рибозим . _
Как и ДНК, большинство биологически активных РНК, включая мРНК , тРНК , рРНК , мяРНК и другие некодирующие РНК , содержат самокомплементарные последовательности, которые позволяют частям РНК сворачиваться [6] и соединяться сами с собой, образуя двойные спирали. Анализ этих РНК показал, что они высокоструктурированы. В отличие от ДНК, их структуры состоят не из длинных двойных спиралей, а скорее из набора коротких спиралей, упакованных вместе в структуры, подобные белкам.
Таким образом, РНК могут осуществлять химический катализ (как ферменты). [7] Например, определение структуры рибосомы — комплекса РНК-белок, который катализирует образование пептидных связей — показало, что ее активный центр полностью состоит из РНК. [8]
Каждый нуклеотид РНК содержит сахар рибозу с номерами атомов углерода от 1 до 5. К положению 1' присоединяется основание, обычно это аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) или урацил (U). Аденин и гуанин — пурины , цитозин и урацил — пиримидины . Фосфатная группа присоединена к 3'-положению одной рибозы и 5'-положению следующей. Каждая фосфатная группа имеет отрицательный заряд, что делает РНК заряженной молекулой (полианионом). Основания образуют водородные связи между цитозином и гуанином, между аденином и урацилом и между гуанином и урацилом. [9] Однако возможны и другие взаимодействия, такие как группа адениновых оснований, связывающихся друг с другом в выпуклости, [10] или тетрапетля GNRA , которая имеет пару оснований гуанин-аденин. [9]
Важным структурным компонентом РНК, отличающим ее от ДНК, является наличие гидроксильной группы в 2'-положении сахара рибозы . Присутствие этой функциональной группы приводит к тому, что спираль в основном принимает геометрию А-формы , [11] хотя в контексте одноцепочечных динуклеотидов РНК также редко может также принимать В-форму, наиболее часто наблюдаемую в ДНК. [12] Геометрия А-образной формы обеспечивает очень глубокую и узкую основную канавку и неглубокую и широкую второстепенную канавку. [13] Вторым следствием присутствия 2'-гидроксильной группы является то, что в конформационно гибких участках молекулы РНК (т.е. не участвующих в образовании двойной спирали) она может химически атаковать соседнюю фосфодиэфирную связь с целью расщепления позвоночник. [14]
РНК транскрибируется только с помощью четырех оснований (аденина, цитозина, гуанина и урацила) [15] , но эти основания и присоединенные сахара могут модифицироваться множеством способов по мере созревания РНК. Псевдоуридин (Ψ), в котором связь между урацилом и рибозой изменена со связи C–N на связь C–C, и риботимидин (T) обнаруживаются в различных местах (наиболее заметные из них находятся в петле TΨC тРНК) . ). [16] Еще одним известным модифицированным основанием является гипоксантин , дезаминированное адениновое основание, нуклеозид которого называется инозин (I). Инозин играет ключевую роль в гипотезе колебания генетического кода . [17]
Существует более 100 других модифицированных нуклеозидов природного происхождения. [18] Наибольшее структурное разнообразие модификаций можно обнаружить в тРНК , [19] при этом наиболее распространены псевдоуридины и нуклеозиды с 2'-О-метилрибозой, часто присутствующие в рРНК. [20] Конкретная роль многих из этих модификаций в РНК не до конца понятна. Однако примечательно, что в рибосомальной РНК многие посттранскрипционные модификации происходят в высокофункциональных областях, таких как пептидилтрансферазный центр [21] и интерфейс субъединиц, что означает, что они важны для нормального функционирования. [22]
Функциональная форма одноцепочечных молекул РНК, как и белков, часто требует специфической третичной структуры . Каркасом этой структуры служат вторичные структурные элементы, представляющие собой водородные связи внутри молекулы. Это приводит к появлению нескольких узнаваемых «доменов» вторичной структуры, таких как петли-шпильки , выпуклости и внутренние петли . [23] Чтобы создать, то есть спроектировать, РНК для любой заданной вторичной структуры, двух или трех оснований будет недостаточно, но четырех оснований достаточно. [24] Вероятно, поэтому природа «избрала» четырехосновной алфавит: меньше четырех оснований не позволяет создавать все структуры, а более четырех оснований не обязательно. Поскольку РНК заряжена, ионы металлов, таких как Mg 2+ , необходимы для стабилизации многих вторичных и третичных структур . [25]
Встречающийся в природе энантиомер РНК представляет собой D -РНК, состоящую из D -рибонуклеотидов. Все центры хиральности расположены в D -рибозе. Используя L -рибозу или, вернее, L -рибонуклеотиды, можно синтезировать L- РНК. L -РНК гораздо более устойчива к деградации под действием РНКазы . [26]
Как и в случае других структурированных биополимеров , таких как белки, можно определить топологию свернутой молекулы РНК. Это часто делается на основе расположения внутрицепочечных контактов внутри свернутой РНК, называемого топологией цепи .
Синтез РНК обычно катализируется ферментом — РНК-полимеразой — с использованием ДНК в качестве матрицы. Этот процесс известен как транскрипция . Инициация транскрипции начинается со связывания фермента с последовательностью промотора в ДНК (обычно расположенной «выше» гена). Двойная спираль ДНК раскручивается за счет геликазной активности фермента. Затем фермент продвигается вдоль цепи матрицы в направлении от 3’ к 5’, синтезируя комплементарную молекулу РНК с удлинением, происходящим в направлении от 5’ к 3’. Последовательность ДНК также определяет, где произойдет прекращение синтеза РНК. [27]
Первичные транскрипты РНК часто модифицируются ферментами после транскрипции. Например, к эукариотической пре-мРНК добавляются поли(А)-хвост и 5'-кэп , а сплайсосома удаляет интроны .
Существует также ряд РНК-зависимых РНК-полимераз , которые используют РНК в качестве матрицы для синтеза новой цепи РНК. Например, ряд РНК-вирусов (таких как полиовирус) используют этот тип фермента для репликации своего генетического материала. [28] Кроме того, РНК-зависимая РНК-полимераза является частью пути РНК-интерференции у многих организмов. [29]
Информационная РНК (мРНК) — это РНК, которая переносит информацию от ДНК к рибосоме , месту синтеза ( трансляции ) белка в клетке. мРНК является копией ДНК. Кодирующая последовательность мРНК определяет аминокислотную последовательность образующегося белка . [30] Однако многие РНК не кодируют белки (около 97% результатов транскрипции у эукариот не кодируют белки [31] [32] [33] [34] ).
Эти так называемые некодирующие РНК («нкРНК») могут кодироваться собственными генами (генами РНК), но также могут происходить из интронов мРНК . [35] Наиболее яркими примерами некодирующих РНК являются транспортные РНК (тРНК) и рибосомальные РНК (рРНК), обе из которых участвуют в процессе трансляции. [5] Существуют также некодирующие РНК, участвующие в регуляции генов, процессинге РНК и других функциях. Некоторые РНК способны катализировать химические реакции, такие как разрезание и лигирование других молекул РНК [36] и катализ образования пептидных связей в рибосоме ; [8] они известны как рибозимы .
По длине цепи РНК РНК включает малые РНК и длинные РНК. [37] Обычно малые РНК имеют длину менее 200 нт , а длинные РНК имеют длину более 200 нт . [38] Длинные РНК, также называемые большими РНК, в основном включают длинные некодирующие РНК (днРНК) и мРНК . Малые РНК в основном включают 5.8S рибосомальную РНК (рРНК), 5S рРНК , транспортную РНК (тРНК), микроРНК (миРНК), малую интерферирующую РНК (миРНК), малую ядрышковую РНК (мяРНК), Piwi-взаимодействующую РНК (пиРНК), тРНК- производная малой РНК (цРНК) [39] и малая РНК, производная от рДНК (срРНК). [40] Есть определенные исключения, как в случае с 5S рРНК представителей рода Halococcus ( Archaea ), которые имеют вставку, увеличивающую таким образом ее размер. [41] [42] [43]
Информационная РНК (мРНК) несет информацию о последовательности белка в рибосомы , фабрики по синтезу белка в клетке. Он закодирован так, что каждые три нуклеотида ( кодон ) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках, как только мРНК-предшественник (пре-мРНК) транскрибируется с ДНК, она процессируется до зрелой мРНК. При этом удаляются интроны — некодирующие участки пре-мРНК. Затем мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму , где она связывается с рибосомами и транслируется в соответствующую белковую форму с помощью тРНК . В прокариотических клетках, не имеющих ядра и цитоплазмы, мРНК может связываться с рибосомами во время транскрипции с ДНК. Через определенное время сообщение распадается на составляющие его нуклеотиды с помощью рибонуклеаз . [30]
Транспортная РНК (тРНК) представляет собой небольшую цепочку РНК длиной около 80 нуклеотидов , которая переносит определенную аминокислоту на растущую полипептидную цепь в рибосомальном участке синтеза белка во время трансляции. Он имеет сайты для прикрепления аминокислот и антикодоновую область для распознавания кодонов , которая связывается со специфической последовательностью в цепи информационной РНК посредством водородных связей. [35]
Рибосомальная РНК (рРНК) является каталитическим компонентом рибосом. РРНК — это компонент рибосомы, обеспечивающий трансляцию. Рибосомы эукариот содержат четыре разные молекулы рРНК: 18S, 5,8S, 28S и 5S рРНК. Три молекулы рРНК синтезируются в ядрышке , а одна — в другом месте. В цитоплазме рибосомальная РНК и белок объединяются, образуя нуклеопротеин, называемый рибосомой. Рибосома связывает мРНК и осуществляет синтез белка. К одной мРНК в любое время могут быть присоединены несколько рибосом. [30] Почти вся РНК, обнаруженная в типичной эукариотической клетке, представляет собой рРНК.
Транспортная РНК (тмРНК) обнаружена во многих бактериях и пластидах . Он маркирует белки, кодируемые мРНК, у которых нет стоп-кодонов, для деградации и предотвращает остановку рибосомы. [44]
Самыми ранними известными регуляторами экспрессии генов были белки, известные как репрессоры и активаторы – регуляторы со специфическими короткими сайтами связывания в энхансерных областях рядом с регулируемыми генами. [45] Более поздние исследования показали, что РНК также регулируют гены. У эукариот существует несколько видов РНК-зависимых процессов, регулирующих экспрессию генов на различных этапах, таких как РНКи , репрессирующие гены посттранскрипционно , длинные некодирующие РНК, эпигенетически отключающие блоки хроматина , и РНК-энхансеры, индуцирующие повышенную экспрессию генов. [46] Также было показано , что бактерии и археи используют системы регуляторных РНК, такие как бактериальные малые РНК и CRISPR . [47] Файер и Мелло были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2006 года за открытие микроРНК (миРНК), специфических коротких молекул РНК, которые могут образовывать пары оснований с мРНК. [48]
Уровни посттранскрипционной экспрессии многих генов можно контролировать с помощью РНК-интерференции , при которой микроРНК , специфические короткие молекулы РНК, соединяются с областями мРНК и направляют их на деградацию. [49] Этот антисмысловой процесс включает в себя этапы, на которых сначала обрабатывается РНК, чтобы она могла соединить основания с областью целевой мРНК. Как только происходит спаривание оснований, другие белки направляют мРНК на разрушение нуклеазами . [46]
Следующими были связаны с регуляцией Xist и другие длинные некодирующие РНК , связанные с инактивацией Х-хромосомы . Их роль, поначалу загадочная, как показали Джинни Т. Ли и другие, заключалась в подавлении блоков хроматина посредством рекрутирования комплекса Polycomb , чтобы с них не могла транскрибироваться информационная РНК. [50] Было обнаружено , что дополнительные днРНК, определяемые в настоящее время как РНК длиной более 200 пар оснований, которые, по-видимому, не обладают кодирующим потенциалом, [51] связаны с регуляцией плюрипотентности стволовых клеток и клеточного деления . [51]
Третья основная группа регуляторных РНК называется энхансерными РНК . [51] В настоящее время неясно, являются ли они уникальной категорией РНК различной длины или представляют собой отдельное подмножество днРНК. В любом случае они транскрибируются с энхансеров — известных регуляторных участков ДНК рядом с генами, которые они регулируют. [51] [52] Они усиливают транскрипцию гена(ов) под контролем энхансера, с которого они транскрибируются. [51] [53]
Сначала считалось, что регуляторная РНК является эукариотическим явлением, что частично объясняет, почему у высших организмов наблюдалось гораздо больше транскрипции, чем предполагалось. Но как только исследователи начали искать возможные регуляторы РНК у бактерий, они появились и там, получившие название малых РНК (мРНК). [54] [47] В настоящее время повсеместная природа систем РНК-регуляции генов обсуждается как поддержка теории мира РНК . [46] [55] Есть признаки того, что энтеробактериальные мРНК участвуют в различных клеточных процессах и, по-видимому, играют значительную роль в реакциях на стресс, таких как мембранный стресс, стресс голодания, фосфосахарный стресс и повреждение ДНК. Кроме того, было высказано предположение, что мРНК стали играть важную роль в реакциях на стресс из-за их кинетических свойств, которые позволяют быстро реагировать и стабилизировать физиологическое состояние. [2] Бактериальные малые РНК обычно действуют посредством антисмыслового спаривания с мРНК, подавляя ее трансляцию, либо влияя на стабильность, либо на способность цис-связывания. [46] Также были обнаружены рибопереключатели . Они представляют собой цис-действующие регуляторные последовательности РНК, действующие аллостерически . Они меняют форму, когда связывают метаболиты , приобретая или теряя способность связывать хроматин для регулирования экспрессии генов. [56] [57]
У архей также есть системы регуляторных РНК. [58] Система CRISPR, недавно используемая для редактирования ДНК in situ , действует через регуляторные РНК у архей и бактерий, обеспечивая защиту от вирусных захватчиков. [46] [59]
Многие РНК участвуют в модификации других РНК. Интроны вырезаются из пре-мРНК с помощью сплайсосом , которые содержат несколько малых ядерных РНК (мяРНК) [5] или интроны могут представлять собой рибозимы, которые сплайсируются сами по себе. [60] РНК также можно изменить , изменив ее нуклеотиды на нуклеотиды, отличные от A , C , G и U. У эукариот модификации нуклеотидов РНК обычно направляются небольшими ядрышковыми РНК (мяРНК; 60–300 нт), [35] обнаруженными в ядрышках и кахальных тельцах . мякРНК связываются с ферментами и направляют их к месту на РНК путем спаривания оснований с этой РНК. Эти ферменты затем выполняют модификацию нуклеотидов. рРНК и тРНК сильно модифицируются, но мяРНК и мРНК также могут быть объектом модификации оснований. [61] [62] РНК также может быть метилирована. [63] [64]
Как и ДНК, РНК может нести генетическую информацию. РНК-вирусы имеют геномы , состоящие из РНК, которая кодирует ряд белков. Вирусный геном реплицируется некоторыми из этих белков, в то время как другие белки защищают геном, когда вирусная частица перемещается в новую клетку-хозяина. Вироиды — еще одна группа патогенов, но они состоят только из РНК, не кодируют никаких белков и реплицируются полимеразой клетки растения-хозяина. [65]
Вирусы с обратной транскрипцией реплицируют свои геномы путем обратной транскрипции копий ДНК из их РНК; эти копии ДНК затем транскрибируются в новую РНК. Ретротранспозоны также распространяются путем копирования ДНК и РНК друг у друга [66] , а теломераза содержит РНК, которая используется в качестве матрицы для построения концов эукариотических хромосом . [67]
Двухцепочечная РНК (дсРНК) — это РНК с двумя комплементарными цепями, подобная ДНК, встречающейся во всех клетках, но с заменой тимина на урацил и добавлением одного атома кислорода. дсРНК образует генетический материал некоторых вирусов ( вирусов с двухцепочечной РНК ). Двухцепочечная РНК, такая как вирусная РНК или миРНК , может вызывать интерференцию РНК у эукариот , а также интерфероновую реакцию у позвоночных . [68] [69] [70] [71] У эукариот двухцепочечная РНК (дцРНК) играет роль в активации врожденной иммунной системы против вирусных инфекций. [72]
В конце 1970-х годов было показано, что существует одноцепочечная ковалентно-замкнутая, то есть кольцевая форма РНК, экспрессируемая во всем животном и растительном царстве (см. circRNA ). [73] Считается, что циркРНК возникают в результате реакции «обратного сплайсинга», когда сплайсосома присоединяется к расположенному выше 3'-акцептору к нижележащему 5'-донорному сайту сплайсинга. До сих пор функция circRNAs в значительной степени неизвестна, хотя в нескольких примерах была продемонстрирована спонжирующая активность микроРНК.
Исследования РНК привели ко многим важным биологическим открытиям и многочисленным Нобелевским премиям . Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 году Фридрихом Мишером , который назвал этот материал «нуклеином», поскольку он был обнаружен в ядре . [74] Позже было обнаружено, что прокариотические клетки, не имеющие ядра, также содержат нуклеиновые кислоты. О роли РНК в синтезе белка заподозрили уже в 1939 году. [75] Северо Очоа получил Нобелевскую премию по медицине 1959 года (совместно с Артуром Корнбергом ) после того, как открыл фермент, способный синтезировать РНК в лаборатории. [76] Однако позднее было показано, что фермент, открытый Очоа ( полинуклеотидфосфорилаза ), ответственен за деградацию РНК, а не за синтез РНК. В 1956 году Алекс Рич и Дэвид Дэвис гибридизовали две отдельные цепи РНК, чтобы сформировать первый кристалл РНК, структуру которого можно было определить с помощью рентгеновской кристаллографии. [77]
Последовательность из 77 нуклеотидов дрожжевой тРНК была обнаружена Робертом У. Холли в 1965 году [78] и принесла Холли Нобелевскую премию по медицине 1968 года (совместно с Хар Гобиндом Хораной и Маршаллом Ниренбергом ).
В начале 1970-х годов были открыты ретровирусы и обратная транскриптаза , что впервые показало, что ферменты могут копировать РНК в ДНК (противоположно обычному пути передачи генетической информации). За эту работу Дэвид Балтимор , Ренато Дульбекко и Говард Темин были удостоены Нобелевской премии в 1975 году. В 1976 году Уолтер Фирс и его команда определили первую полную нуклеотидную последовательность генома РНК-вируса, последовательность бактериофага MS2 . [79]
В 1977 году интроны и сплайсинг РНК были обнаружены как в вирусах млекопитающих, так и в клеточных генах, что привело к вручению Нобелевской премии 1993 года Филипу Шарпу и Ричарду Робертсу . Каталитические молекулы РНК ( рибозимы ) были открыты в начале 1980-х годов, что привело к Нобелевской премии 1989 года Томасу Чеху и Сидни Альтману . В 1990 году у петунии было обнаружено, что введенные гены могут заглушить аналогичные собственные гены растения, что, как теперь известно, является результатом интерференции РНК . [80] [81]
Примерно в то же время было обнаружено, что РНК длиной 22 нуклеотида, теперь называемые микроРНК , играют роль в развитии C. elegans . [82] Исследования интерференции РНК принесли Нобелевскую премию Эндрю Файру и Крейгу Мелло в 2006 году, а еще одна Нобелевская премия была присуждена за исследования транскрипции РНК Роджеру Корнбергу в том же году. Открытие регуляторных РНК генов привело к попыткам разработать лекарства из РНК, такие как миРНК , для подавления генов. [83] Помимо Нобелевской премии, присужденной за исследования РНК в 2009 году, она была присуждена за выяснение атомной структуры рибосомы Венки Рамакришнану , Томасу А. Стейцу и Аде Йонат .
В 1968 году Карл Вёзе выдвинул гипотезу о том, что РНК может играть роль катализатора, и предположил, что самые ранние формы жизни (самовоспроизводящиеся молекулы) могли полагаться на РНК как для переноса генетической информации, так и для катализа биохимических реакций – мир РНК . [84] [85] В мае 2022 года ученые сообщили, что они обнаружили спонтанные формы РНК на пребиотическом базальтовом лавовом стекле , которое, как предполагается, было в изобилии доступно на ранней Земле . [86] [87]
Сообщалось , что в марте 2015 года нуклеиновые основания ДНК и РНК , включая урацил , цитозин и тимин , были сформированы в лаборатории в условиях космического пространства с использованием стартовых химических веществ, таких как пиримидин , органическое соединение, обычно встречающееся в метеоритах . Пиримидин , как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), является одним из наиболее богатых углеродом соединений, обнаруженных во Вселенной, и , возможно, образовался в красных гигантах или в межзвездных пылевых и газовых облаках. [88] В июле 2022 года астрономы сообщили об открытии огромного количества пребиотических молекул , включая возможные предшественники РНК, в галактическом центре галактики Млечный Путь . [89] [90]
Предположение о том, что жизнь на Земле возникла из мира РНК, широко распространено.