Giáo điều trung tâm của sinh học phân tử cho rằng DNA chứa thông tin để mã hóa cho tất cả các protein của chúng ta và ba loại RNA khác nhau dịch mã này thành các polypeptit khá thụ động. Đặc biệt, RNA thông tin (mRNA) mang bản thiết kế protein từ DNA của tế bào đến các ribosome của nó, là những "cỗ máy" điều khiển quá trình tổng hợp protein. Sau đó, RNA (tRNA) sẽ chuyển các axit amin thích hợp đến ribosome để kết hợp thành một protein mới. Trong khi đó, bản thân các ribosome được tạo thành chủ yếu từ các phân tử RNA ribosome (rRNA).
Tuy nhiên, trong nửa thế kỷ kể từ khi cấu trúc của DNA lần đầu tiên được phát triển, các nhà khoa học đã biết rằng RNA đóng một vai trò lớn hơn nhiều so với việc chỉ tham gia vào quá trình tổng hợp protein. Ví dụ, nhiều loại ARN đã được phát hiện có khả năng xúc tác, nghĩa là chúng thực hiện các phản ứng sinh hóa giống như cách mà các enzym thực hiện. Ngoài ra, nhiều loài ARN khác đã được phát hiện có vai trò điều tiết phức tạp trongô.
Vì vậy, các phân tử RNA đóng nhiều vai trò trong cả quá trình tế bào bình thường và trạng thái bệnh tật. Thông thường những phân tử RNA không có dạng mRNA được gọi là không mã hóa vì chúng không mã hóa cho protein. Sự tham gia của các mRNA không mã hóa trong nhiều quá trình điều hòa. Sự phổ biến và đa dạng các chức năng của chúng đã dẫn đến giả thuyết rằng "thế giới RNA" có thể có trước sự tiến hóa của các chức năng DNA và RNA trong tế bào, tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein.
RNA không mã hóa ở sinh vật nhân chuẩn
Có một số loại RNA không mã hóa ở sinh vật nhân thực. Đáng chú ý nhất, chúng chuyển RNA (tRNA) và RNA ribosome (rRNA). Như đã đề cập trước đó, cả tRNA và rRNA đều đóng một vai trò quan trọng trong quá trình dịch mã mRNA thành protein. Ví dụ, Francis Crick đề xuất sự tồn tại của các phân tử RNA tiếp hợp có thể liên kết với mã nucleotide mRNA, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển các axit amin thành các chuỗi polypeptide đang phát triển.
Công việc của Hoagland et al. (1958) đã thực sự xác nhận rằng một phần nhất định RNA của tế bào được liên kết cộng hóa trị với các axit amin. Sau đó, thực tế là rRNA trở thành một thành phần cấu trúc của ribosome cho thấy rằng, giống như tRNA, rRNA cũng không mã hóa.
Ngoài rRNA và tRNA, có một số RNA không mã hóa khác trong tế bào nhân thực. Các phân tử này hỗ trợ trong nhiều chức năng dự trữ năng lượng quan trọng của RNA trong tế bào, các phân tử này vẫn đang được liệt kê và xác định. Những RNA này thường được gọi là RNA điều hòa nhỏ (sRNA).ở sinh vật nhân chuẩn, chúng đã được phân loại thêm thành một số tiểu loại. Cùng với nhau, các RNA điều hòa phát huy tác dụng của chúng thông qua sự kết hợp của quá trình ghép cặp bazơ bổ sung, tạo phức với protein và hoạt động enzym của chính chúng.
RNA hạt nhân nhỏ
Một tiểu loại quan trọng của RNA điều hòa nhỏ bao gồm các phân tử được gọi là RNA nhân nhỏ (snRNA). Các phân tử này đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa gen thông qua quá trình nối RNA. SnRNA được tìm thấy trong nhân và thường liên kết chặt chẽ với protein trong phức hợp gọi là snRNPs (ribonucleoprotein hạt nhân nhỏ, đôi khi được gọi là "snurps"). Phổ biến nhất trong số các phân tử này là các hạt U1, U2, U5 và U4 / U6, chúng tham gia vào quá trình nối tiền mRNA để tạo thành mRNA trưởng thành.
MicroRNA
Một chủ đề khác rất được các nhà nghiên cứu quan tâm là microRNA (miRNA), là những RNA điều hòa nhỏ có chiều dài khoảng 22 đến 26 nucleotide. Sự tồn tại của miRNA và chức năng co rút của chúng Các RNA trong tế bào để điều hòa gen ban đầu được phát hiện ở giun tròn C. elegans (Lee và cộng sự, 1993; Wightman và cộng sự, 1993). Kể từ khi phát hiện ra miRNA, chúng đã được xác định ở nhiều loài khác, bao gồm ruồi, chuột và người. Cho đến nay, hàng trăm miRNA đã được xác định. Có thể còn nhiều nữa (He & Hannon, 2004).
MiRNA đã được chứng minh là có khả năng ức chế sự biểu hiện của gen bằng cách ngăn chặn quá trình dịch mã. Ví dụ: miRNA được mã hóa bởi C. elegans, lin-4 và let-7,liên kết với vùng 3'chưa được dịch mã của các mục tiêu mRNA của chúng, ngăn cản sự hình thành các protein chức năng ở các giai đoạn phát triển nhất định của ấu trùng. Cho đến nay, hầu hết các miRNA được nghiên cứu dường như kiểm soát sự biểu hiện gen bằng cách liên kết với các mRNA đích thông qua sự kết cặp cơ sở không hoàn hảo và sự ức chế sau đó của quá trình dịch mã, mặc dù một số trường hợp ngoại lệ đã được ghi nhận.
Nghiên cứu bổ sung cho thấy miRNA cũng đóng một vai trò quan trọng trong bệnh ung thư và các bệnh khác. Ví dụ: loài miR-155 được làm giàu trong các tế bào B có nguồn gốc từ ung thư hạch Burkitt và trình tự của nó cũng tương quan với sự chuyển đoạn nhiễm sắc thể đã biết (trao đổi DNA giữa các nhiễm sắc thể).
RNA can thiệp nhỏ
RNA can thiệp nhỏ (siRNA) là một lớp RNA khác. Mặc dù các phân tử này chỉ dài từ 21 đến 25 cặp bazơ nhưng chúng cũng có tác dụng ngăn chặn sự biểu hiện của gen. Đặc biệt, một sợi của phân tử siRNA sợi kép có thể được bao gồm trong một phức hợp gọi là RISC. Phức hợp chứa RNA này sau đó có thể ức chế sự phiên mã của phân tử mRNA có trình tự bổ sung cho thành phần RNA của nó.
MiRNA lần đầu tiên được xác định bởi sự tham gia của chúng vào quá trình can thiệp RNA (RNAi). Chúng có thể đã phát triển như một cơ chế bảo vệ chống lại vi rút RNA sợi đôi. SiRNA có nguồn gốc từ các bản sao dài hơn trong một quá trình tương tự như quá trình mà miRNA xảy ra và quá trình xử lý cả hai loại RNA đều liên quan đến cùng một loại enzymeDicer. Hai lớp dường như khác nhau về cơ chế đàn áp của chúng, nhưng người ta đã tìm thấy những trường hợp ngoại lệ trong đó siRNA thể hiện các hành vi điển hình hơn miRNA và ngược lại (He & Hannon, 2004).
RNA hạt nhân nhỏ
Trong nhân sinh vật nhân chuẩn, nucleolus là cấu trúc diễn ra quá trình xử lý rARN và lắp ráp ribosom. Các phân tử được gọi là RNA nucleolar nhỏ (snoRNAs) đã được phân lập từ các chiết xuất nucleolar do sự phong phú của chúng trong cấu trúc này. Các phân tử này có chức năng xử lý các phân tử rRNA, thường dẫn đến quá trình methyl hóa và pseudouridyl hóa các nucleoside cụ thể. Các sửa đổi được thực hiện qua trung gian một trong hai lớp snoRNA: họ C / D-box hoặc H / ACA-box, thường liên quan đến việc bổ sung các nhóm metyl hoặc đồng phân uradine trong các phân tử rRNA chưa trưởng thành, tương ứng.
RNA không mã hóa ở sinh vật nhân sơ
Tuy nhiên, sinh vật nhân chuẩn đã không hướng thị trường vào các RNA không mã hóa với các chức năng điều chỉnh năng lượng cụ thể của RNA trong tế bào. Vi khuẩn cũng sở hữu một lớp RNA điều hòa nhỏ. Các rRNA của vi khuẩn tham gia vào các quá trình từ độc lực đến chuyển từ giai đoạn phát triển sang giai đoạn tĩnh xảy ra khi vi khuẩn phải đối mặt với tình huống thiếu chất dinh dưỡng.
Một ví dụ về rRNA của vi khuẩn là RNA 6S được tìm thấy trong Escherichia coli. Phân tử này đã được đặc trưng tốt, với trình tự đầu tiên của nó xảy ra vào năm 1980. RNA 6Sđược bảo tồn trên nhiều loài vi khuẩn, cho thấy vai trò quan trọng trong việc điều hòa gen.
RNA đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến hoạt động của RNA polymerase (RNAP), phân tử phiên mã RNA thông tin từ DNA. RNA 6S ức chế hoạt động này bằng cách liên kết với một tiểu đơn vị polymerase kích thích phiên mã trong quá trình tăng trưởng. Thông qua cơ chế này, 6S RNA ức chế sự biểu hiện của các gen kích thích tăng trưởng tích cực và giúp tế bào bước vào giai đoạn tĩnh (Jabri, 2005).
Riboswitches
Điều hòa gen - ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn - chịu ảnh hưởng của các yếu tố điều hòa RNA được gọi là riboswitches (hoặc RNA switch). Riboswitches là các cảm biến RNA phát hiện và phản hồi lại các tín hiệu môi trường hoặc chuyển hóa và do đó ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen.
Một ví dụ đơn giản của nhóm này là RNA cảm biến nhiệt độ được tìm thấy trong các gen độc lực của vi khuẩn gây bệnh Listeria monocytogenes. Khi vi khuẩn này xâm nhập vào vật chủ, nhiệt độ tăng cao bên trong cơ thể vật chủ sẽ làm tan chảy cấu trúc thứ cấp của đoạn trong vùng 5 'chưa được dịch mã của mRNA do gen prfA của vi khuẩn tạo ra. Do đó, các thay đổi xảy ra trong cấu trúc phụ.
Các riboswitch bổ sung đã được chứng minh là phản ứng với các cú sốc nhiệt và lạnh ở nhiều loại sinh vật và cũng điều chỉnh sự tổng hợp các chất chuyển hóa như đường và axit amin. Mặc dù riboswitch dường như phổ biến hơn ở sinh vật nhân sơ, nhiều loại cũng được tìm thấy trong tế bào nhân thực.
