Ribonükleik asit (RNA), biyolojik süreçlerin çoğunluğu için hayati önem taşıyan temel bir polimerik moleküldür ve doğrudan işlevsel bir varlık (kodlamayan RNA) veya protein sentezi için bir şablon (haberci RNA) olarak hizmet eder. Hem RNA hem de deoksiribonükleik asit (DNA), nükleik asitler sınıfına aittir. Nükleik asitler, bilinen tüm yaşam formları için vazgeçilmez olan dört temel makromolekülden birini temsil eder. Yapısal olarak RNA bir nükleotid zincirinden oluşur. Hücresel organizmalarda haberci RNA (mRNA), belirli proteinlerin sentezine rehberlik etmek için guanin (G), urasil (U), adenin (A) ve sitozin (C) azotlu bazlarını kullanarak genetik bilgiyi iletir. Ayrıca çok sayıda virüs, genetik planlarını bir RNA genomunda saklar.
Ribonükleik asit (RNA), çoğu biyolojik fonksiyon için ya fonksiyonun kendisini gerçekleştirerek (kodlamayan RNA) ya da proteinlerin üretimi için bir şablon oluşturarak (haberci RNA) gerekli olan polimerik bir moleküldür. RNA ve deoksiribonükleik asit (DNA) nükleik asitlerdir. Nükleik asitler, bilinen tüm yaşam formları için gerekli olan dört ana makromolekülden birini oluşturur. RNA bir nükleotid zinciri halinde birleştirilir. Hücresel organizmalar, belirli proteinlerin sentezini yönlendiren genetik bilgiyi (G, U, A ve C harfleriyle gösterilen guanin, urasil, adenin ve sitozinin azotlu bazlarını kullanarak) iletmek için haberci RNA'yı (mRNA) kullanır. Birçok virüs, genetik bilgilerini bir RNA genomu kullanarak kodlar.
Bazı RNA molekülleri, biyolojik reaksiyonların katalizlenmesi, gen ifadesinin düzenlenmesi ve hücresel sinyallerin saptanması ve iletilmesi de dahil olmak üzere hücresel işlevlere aktif olarak katılır. Bu önemli süreçler arasında, RNA moleküllerinin ribozomlardaki proteinlerin oluşumunu düzenlediği, her yerde bulunan bir biyolojik işlev olan protein sentezi yer alır. Bu mekanizma sırasında, transfer RNA (tRNA) molekülleri, amino asitleri ribozoma taşır; burada ribozomal RNA (rRNA), peptit bağı oluşumunu kolaylaştırarak bu amino asitleri spesifik proteinler halinde birleştirir.
Geçerli bir bilimsel hipotez, Dünya'nın biyolojik tarihinin erken dönemlerinde, DNA'nın ve potansiyel olarak protein bazlı enzimlerin evriminden önce gelen bir "RNA dünyası"nın varlığını öne sürer. Bu varsayımsal dünyada, RNA hem genetik bilgi için birincil depo olarak (RNA virüsleri dışında ağırlıklı olarak DNA'nın üstlendiği bir rol) hem de hücresel reaksiyonlar için bir katalizör olarak (kendisi bir ribozim olan ribozom hariç) şu anda protein enzimleri tarafından gerçekleştirilen bir işlev olarak işlev görüyordu.
RNA'nın Kimyasal Yapısı
Temel Kimyasal Bileşimi
Her RNA nükleotidi, karbon atomları geleneksel olarak 1' ila 5' arasında numaralandırılan bir riboz şekeri içerir. Azotlu bir baz (tipik olarak adenin (A), sitozin (C), guanin (G) veya urasil (U)) 1' pozisyonuna kovalent olarak bağlıdır. Adenin ve guanin pürinler olarak sınıflandırılırken sitozin ve urasil pirimidinlerdir. Bir fosfat grubu, bir ribozun 3' pozisyonunu sonraki ribozun 5' pozisyonuna bağlar. Her fosfat grubu negatif bir yük taşır ve RNA'yı genel olarak negatif yüklü bir molekül (bir polianyon) haline getirir. Sitozin ile guanin arasında ve adenin ile urasil arasında kanonik hidrojen bağları oluşur; ancak guanin ve urasil aynı zamanda kanonik olmayan bir G-U yalpalama baz çifti de oluşturabilir. Adenin bazlarının bir çıkıntı içinde istiflenmesi veya bir GNRA tetraloop içinde bir guanin-adenin baz çiftinin oluşması gibi ek etkileşimler meydana gelebilir.
DNA ve RNA Arasındaki Farklar
DNA'ya benzer şekilde, mRNA, tRNA, rRNA, snRNA'lar ve diğer kodlamayan RNA'ları kapsayan biyolojik olarak aktif RNA moleküllerinin çoğunluğu, çift sarmal bölgeler oluşturmak için molekül içi katlanmayı ve baz eşleşmesini mümkün kılan kendi kendini tamamlayıcı dizilere sahiptir. Bu RNA'ların yapısal analizleri yüksek derecede organizasyona işaret etmektedir. DNA'nın aksine, RNA yapıları uzatılmış çift sarmallarla değil, protein benzeri mimarilere karmaşık bir şekilde katlanmış daha kısa sarmal bölümlerin birleşimiyle karakterize edilir.
Bu yapısal karmaşıklık, RNA'ların, enzimatik işlevlere benzer şekilde kimyasal kataliz gerçekleştirmesine olanak tanır. Örneğin, protein birleşiminden sorumlu bir RNA-protein kompleksi olan ribozomun yapısal olarak aydınlatılması, katalitik aktif bölgesinin yalnızca RNA bazlı olduğunu gösterdi.
RNA'yı DNA'dan ayıran kritik bir yapısal özellik, riboz şekerinin 2' pozisyonunda bir hidroksil grubunun varlığıdır. Bu fonksiyonel grup öncelikle RNA için bir A-formu sarmal geometrisini belirler, ancak spesifik tek-sarmallı dinükleotid konfigürasyonlarında RNA nadiren DNA'nın karakteristiği olan B-formunu benimseyebilir. A-formu konformasyonu, sığ ve geniş bir küçük oluğun yanı sıra oldukça derin ve dar bir ana oluk ile karakterize edilir. 2'-hidroksil grubunun bir başka anlamı da, bir RNA molekülünün konformasyonel olarak esnek bölgeleri (yani çift sarmal oluşumuna katılmayanlar) içinde, bitişik fosfodiester bağına kimyasal olarak saldırıp RNA omurgasını parçalama kapasitesidir.
RNA İkincil ve Üçüncül Yapıları
Tek iplikçikli RNA moleküllerinin, proteinlere benzer şekilde fonksiyonel yapısı, genellikle spesifik bir uzaysal üçüncül yapı gerektirir. Bu yapı, saç tokası ilmekleri, çıkıntılar ve iç ilmekler gibi farklı ikincil yapısal alanlara yol açan molekül içi hidrojen bağları tarafından oluşturulan ikincil yapısal elemanlar tarafından iskelelenir. Spesifik bir ikincil yapıya sahip RNA'nın de novo tasarımı için iki veya üç tabanlı bir alfabe yetersiz kalırken, dört tabanlı bir alfabenin yeterli olduğu kanıtlanmıştır. Bu yeterlilik muhtemelen dört tabanlı bir alfabenin evrimsel seçimini açıklamaktadır; Daha az baz gerekli tüm yapıların oluşumunu kısıtlayacak, daha fazla baz ise hiçbir ek işlevsel avantaj sunmayacaktır. RNA'nın polianyonik doğası göz önüne alındığında, metal iyonları, özellikle Mg2+, çok sayıda ikincil ve üçüncül yapıyı stabilize etmek için gereklidir.
RNA'nın doğal olarak oluşan baskın enantiyomeri,
Proteinler gibi diğer yapılandırılmış biyopolimerlere benzer şekilde, katlanmış bir RNA molekülünün topolojisi tam olarak tanımlanabilir. Bu tanım tipik olarak, devre topolojisi olarak adlandırılan bir kavram olan, katlanmış RNA içindeki zincir içi temasların düzenlenmesine dayanır.
Kimyasal Değişiklikler
RNA başlangıçta yalnızca dört kanonik baz (adenin, sitozin, guanin ve urasil) kullanılarak kopyalanırken, bu bazlar ve bunlarla ilişkili riboz şekerleri, RNA olgunlaşması sırasında kapsamlı modifikasyona uğrar. Urasil ve riboz arasındaki tipik C-N bağlantısının yerini alan bir C-C bağı ile karakterize edilen psödoüridin (Ψ) ve ribotimidin (T), çeşitli RNA bağlamlarında, özellikle de tRNA'nın TΨC döngüsünde yaygındır. Deamine edilmiş bir adenin türevi olan hipoksantin, başka bir önemli değiştirilmiş bazı temsil eder; karşılık gelen nükleozidi inozindir (I). İnozin, genetik kodun yalpalama hipotezinde önemli bir rol oynar.
Bunların ötesinde, doğal olarak oluşan 100'ün üzerinde ek değiştirilmiş nükleosid tanımlanmıştır. Transfer RNA (tRNA), modifikasyonların en geniş yapısal çeşitliliğini sergilerken, psödouridin ve 2'-O-metilriboz nükleosidleri, ribozomal RNA'da (rRNA) en sık gözlemlenen modifikasyonlardır. Bu RNA modifikasyonlarının çoğunun kesin biyolojik fonksiyonları tam olarak açıklanamamıştır. Bununla birlikte, ribozomal RNA'daki çok sayıda transkripsiyon sonrası modifikasyonun, peptidil transferaz merkezi ve alt birim ara yüzü de dahil olmak üzere oldukça işlevsel alanlar içinde yer alması dikkat çekicidir; bu da bunların normal hücresel süreçlerdeki önemli rollerini akla getirir.
RNA Türleri
Mesajcı RNA (mRNA), genetik bilgiyi DNA'dan sitoplazmada bulunan protein sentezinin (translasyonun) hücresel bölgeleri olan ribozomlara aktaran moleküler aracı olarak işlev görür. MRNA içindeki spesifik kodlama dizisi, elde edilen proteinin amino asit dizisini belirler. Tersine, RNA moleküllerinin önemli bir kısmı proteinleri kodlamaz; ökaryotlarda transkripsiyonel çıktının yaklaşık %97'si protein kodlamayandır.
Bu kodlamayan RNA'lar (ncRNA'lar), özel RNA genlerinden kaynaklanabilir veya haberci RNA intronlarından türetilebilir. NcRNA'ların önemli örnekleri arasında, her ikisi de translasyon makinesinin ayrılmaz bir parçası olan transfer RNA'sı (tRNA) ve ribozomal RNA (rRNA) yer alır. Ek olarak diğer ncRNA'lar gen düzenlemesine, RNA işlemeye ve çeşitli hücresel işlevlere katılır. Ayrıca bazı RNA molekülleri, diğer RNA moleküllerinin bölünmesi ve ligasyonu gibi kimyasal reaksiyonları ve ribozom içinde peptit bağlarının oluşumunu kolaylaştıran katalitik yeteneklere sahiptir; bunlara ribozimler denir.
RNA molekülleri zincir uzunluğuna göre genel olarak küçük RNA ve uzun RNA olarak sınıflandırılır. Tipik olarak küçük RNA'lar, uzunluğu 200 nükleotidden (nt) az olanlar olarak tanımlanırken, uzun RNA'lar 200 nt'yi aşar. Bazen büyük RNA'lar olarak da adlandırılan uzun RNA'lar, öncelikle uzun kodlamayan RNA'yı (lncRNA) ve haberci RNA'yı (mRNA) kapsar. Küçük RNA sınıfı, 5.8S ribozomal RNA (rRNA), 5S rRNA, transfer RNA (tRNA), microRNA (miRNA), küçük girişim yapan RNA (siRNA), küçük nükleolar RNA (snoRNA'lar), Piwi ile etkileşime giren RNA (piRNA), tRNA'dan türetilmiş küçük RNA (tsRNA) ve küçük rDNA'dan türetilmiş RNA (srRNA) dahil olmak üzere çeşitli türleri içerir. Ancak *Halococcus* (Archaea) cinsinin üyelerinde bulunan ve genel boyutunu artıran bir eklenti içeren 5S rRNA gibi istisnalar da mevcuttur.
Protein Sentezinde Yer Alan RNA'lar
Mesajcı RNA (mRNA), protein sentezi için genetik bilgiyi, protein üretiminin hücresel bölgeleri olan ribozomlara iletir. Dizilimi, kodon olarak bilinen her nükleotid üçlüsünün belirli bir amino asidi belirteceği şekilde yapılandırılmıştır. Ökaryotik hücrelerde, DNA'dan transkripsiyonun ardından öncü mRNA (ön mRNA), ön mRNA içinde kodlamayan bölümler olan intronların eksizyonunu içeren bir süreç olan mRNA'ya olgunlaşmaya uğrar. MRNA daha sonra çekirdekten sitoplazmaya aktarılır ve burada tRNA'nın kolaylaştırdığı aynı kökenli proteine çevrilmek üzere ribozomlarla birleşir. Tersine, farklı nükleer ve sitoplazmik bölmelere sahip olmayan prokaryotik hücrelerde mRNA, DNA'dan transkripsiyonu ile eş zamanlı olarak ribozomlarla birleşebilir. Sonuçta mRNA molekülü, ribonükleazların etkisi yoluyla kendisini oluşturan nükleotidlere parçalanır.
Transfer RNA (tRNA), translasyon işlemi sırasında ribozomal lokustaki uzayan polipeptit zincirine belirli bir amino asidi iletme işlevi gören, tipik olarak yaklaşık 80 nükleotit içeren kompakt bir RNA molekülüdür. Yapısı, bir amino asit bağlanma bölgesi ve haberci RNA molekülü üzerindeki tamamlayıcı bir diziyle hidrojen bağları oluşturarak kodonun tanınmasını kolaylaştıran bir antikodon bölgesi içerir.
Ribozomal RNA (rRNA), ribozomların katalitik bileşeni olarak görev yapar. Spesifik olarak rRNA, translasyonun gerçekleştiği ribozom içindeki yapısal çerçeveyi sağlar. Ökaryotik ribozomlar dört farklı rRNA molekülünden oluşur: 18S, 5.8S, 28S ve 5S rRNA. Bu rRNA moleküllerinden üçü nükleolusta sentezlenirken, dördüncüsü farklı bir hücresel lokasyonda üretilir. Sitoplazma içinde ribozomal RNA, proteinlerle birleşerek ribozom adı verilen bir nükleoprotein kompleksi oluşturur. Bu ribozom daha sonra mRNA'ya bağlanarak protein sentezini gerçekleştirir. Birden fazla ribozom aynı anda tek bir mRNA molekülüyle birleşebilir. Ribozomal RNA, tipik bir ökaryotik hücrede bulunan baskın RNA türünü oluşturur.
Transfer haberci RNA'sı (tmRNA), çok sayıda bakteri türü ve plastidde bulunur. İşlevi, durdurma kodonları olmayan mRNA'lardan sentezlenen proteinlerin sonraki bozunma için etiketlenmesini, böylece ribozomal durmanın önlenmesini içerir.
Düzenleyici RNA
Tarihsel olarak, gen ekspresyonunun ilk tanımlanan düzenleyicileri, hedef genlerine yakın güçlendirici bölgeler içinde farklı, kısa bağlanma bölgelerine sahip olan, özellikle baskılayıcılar ve aktivatörler olmak üzere proteinlerdi. Daha sonraki araştırmalar, RNA moleküllerinin benzer şekilde gen düzenlemesine katıldığını ortaya çıkardı. Ökaryotik hücreler, gen ekspresyonunu birçok aşamada modüle etmek için çeşitli RNA'ya bağımlı mekanizmalar kullanır; bunlar arasında, genleri transkripsiyon sonrası olarak baskılayan RNA müdahalesi; kromatin alanlarını epigenetik olarak susturan uzun kodlamayan RNA'lar; ve gen transkripsiyonunu uyaran güçlendirici RNA'lar. Ayrıca bakteriler ve arkeler, bakteriyel küçük RNA'lar ve CRISPR ile örneklendirilen düzenleyici RNA sistemlerini kullanır. Fire ve Mello, mRNA'larla baz eşleşmesi yapabilen kısa RNA molekülleri olan mikroRNA'ları (miRNA'lar) keşfettikleri için 2006 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü aldı.
MicroRNA (miRNA) ve Küçük Girişim yapan RNA (siRNA)
Çok sayıda genin transkripsiyon sonrası ifadesi, miRNA'lar olarak bilinen spesifik kısa RNA moleküllerinin mRNA bölgelerine bağlandığı ve dolayısıyla onları baskı için hedeflediği bir süreç olan RNA müdahalesi ile düzenlemeye tabidir. Bu RNA müdahale mekanizması, baz eşleştirme etkileşimleri yoluyla tamamlayıcı mRNA'ları düzenlemek için bir kılavuz olarak bir miRNA kullanan ve sonuçta mRNA bozulmasına veya translasyonel inhibisyona yol açan RNA kaynaklı susturma kompleksi (RISC) tarafından yürütülür.
Uzun Kodlamayan RNA'lar
Daha sonra Xist ve diğer uzun kodlamayan RNA'lar (lncRNA'lar), X kromozomu inaktivasyonunda rol oynayan düzenleyici moleküller olarak tanımlandı. Başlangıçta esrarengiz olan işlevleri Jeannie T. Lee ve meslektaşları tarafından açıklığa kavuşturuldu ve Polycomb kompleksinin toplanması yoluyla kromatin alanlarını susturma ve böylece bu bölgelerden haberci RNA transkripsiyonunu önleme kapasiteleri gösterildi. Belirgin kodlama potansiyeli olmayan, 200 baz çiftini aşan RNA molekülleri olarak karakterize edilen diğer lncRNA'ların, kök hücre pluripotensisinin ve hücresel bölünmesinin düzenlenmesinde rol oynadığı gösterilmiştir.
Geliştirici RNA'lar
Geliştirici RNA'lar, düzenleyici RNA moleküllerinin üçüncü ana sınıfını oluşturur. Şu anda, farklı uzunluklarda RNA'ların farklı bir kategorisini mi temsil ettikleri yoksa lncRNA'ların belirli bir alt sınıfını mı oluşturdukları belirsizliğini koruyor. Ne olursa olsun, bu RNA'lar, hedef genlerin yakınında bulunan yerleşik düzenleyici DNA dizileri olan güçlendiricilerden kopyalanır. İşlevleri, kaynaklandıkları güçlendirici tarafından düzenlenen gen(ler)in transkripsiyonunun yukarı doğru düzenlenmesini içerir.
Prokaryotlarda Küçük RNA
Küçük RNA
Başlangıçta, düzenleyici RNA'nın ökaryotik bir özellik olduğu düşünülüyordu; bu durum, yüksek organizmalarda gözlenen beklenmedik derecede yüksek transkripsiyon seviyelerini kısmen açıklıyor. Ancak daha sonraki araştırmalar, bakterilerde küçük RNA'lar (sRNA'lar) olarak adlandırılan RNA düzenleyicilerinin varlığını ortaya çıkardı. RNA aracılı gen düzenleme sistemlerinin yaygın olarak ortaya çıkması, artık RNA Dünyası hipotezini destekleyen kanıt olarak gösteriliyor. Özellikle Enterobakteriyel sRNA'ların çeşitli hücresel süreçlere katıldığı ve membran bütünlüğü, besin yoksunluğu, fosfat şekeri metabolizması ve DNA hasarı ile ilgili olanlar da dahil olmak üzere stres yanıtlarında önemli bir rol oynadığı görülmektedir. Hızlı adaptasyonu ve fizyolojik stabilizasyonu kolaylaştıran kinetik özelliklerinden dolayı sRNA'ların stres yanıtlarında önemli olacak şekilde evrimleştiği öne sürülmüştür. Tipik olarak bakteriyel sRNA'lar, haberci RNA (mRNA) ile antisens eşleşmesi yoluyla işlev görür, böylece mRNA stabilitesini veya cis-bağlanma kapasitesini etkileyerek çeviriyi aşağı doğru düzenler. Ek olarak riboswitch'ler, allosterik olarak çalışan cis-etkili düzenleyici RNA dizileri olarak tanımlanmıştır. Bu moleküller, metabolit bağlanması üzerine konformasyonel değişikliklere uğrar, bu da onların kromatin bağlama kapasitelerini değiştirir ve sonuç olarak gen ifadesini düzenler.
CRISPR RNA'sı
Archaea ayrıca düzenleyici RNA sistemlerine de sahiptir. Son zamanlarda "yerinde DNA düzenlemesi için kullanılan CRISPR sistemi, viral istilalara karşı savunma sağlamak için hem arkelerde hem de bakterilerde düzenleyici RNA'lardan yararlanıyor.
RNA Sentezi ve İşleme
Sentez
RNA sentezi öncelikle hücre çekirdeğinde gerçekleşir ve tipik olarak transkripsiyon olarak bilinen bir işlemde bir DNA şablonu kullanan bir enzim olan RNA polimeraz tarafından katalize edilir. Transkripsiyonel başlatma, enzimin, genellikle bir genin üst akışında bulunan DNA üzerindeki bir promoter dizisine bağlanmasıyla başlar. DNA çift sarmalı daha sonra enzimin helikaz aktivitesiyle çözülür. RNA polimeraz daha sonra şablon iplikçik boyunca 3' ila 5' yönünde ilerler, tamamlayıcı bir RNA molekülü sentezler ve uzama 5' ila 3' yönünde ilerler. Spesifik DNA dizisi aynı zamanda RNA sentezinin sona ereceği noktayı da belirler.
Transkripsiyonun ardından birincil RNA transkriptleri sıklıkla enzimatik modifikasyonlara uğrar. Örneğin, ökaryotik pre-mRNA bir poli(A) kuyruğu ve bir 5' başlığı alırken, intronlar spliceozom tarafından çıkarılır.
Ayrıca, yeni RNA şeritlerinin sentezi için bir RNA şablonu kullanan çeşitli RNA'ya bağımlı RNA polimerazlar mevcuttur. Örneğin, çocuk felci virüsü de dahil olmak üzere çok sayıda RNA virüsü, genetik materyallerinin kopyalanması için bu enzim sınıfını kullanır. Ayrıca RNA'ya bağımlı RNA polimeraz, çeşitli organizmalardaki RNA girişim yolunun ayrılmaz bir bileşenidir.
RNA İşleme
Diğer RNA moleküllerinin modifikasyonuna önemli sayıda RNA katılır. İntronlar, çeşitli küçük nükleer RNA'ları (snRNA'lar) içeren spliceozomlar tarafından ön-mRNA'dan çıkarılır; alternatif olarak intronlar, kendi kendine birleşen ribozimler olarak işlev görebilir. RNA ayrıca nükleotidlerinin adenin, sitozin, guanin ve urasilden farklı formlara modifikasyonu yoluyla da değişikliklere uğrayabilir. Ökaryotik hücrelerde, nükleolus ve Cajal cisimcikleri içinde yer alan küçük nükleolar RNA'lar (snoRNA'lar, tipik olarak 60-300 nükleotid uzunluğunda), genellikle RNA nükleotid modifikasyonlarını yönlendirir. SnoRNA'lar enzimlerle kompleksler oluşturur ve onları baz eşleştirme yoluyla hedef RNA'ların belirli bölgelerine yönlendirerek bu enzimlerin nükleotid modifikasyonunu gerçekleştirmesini sağlar. Ribozomal RNA'lar (rRNA'lar) ve transfer RNA'lar (tRNA'lar) geniş ölçüde modifiye edilirken, snRNA'lar ve haberci RNA'lar (mRNA'lar) da baz modifikasyonu için hedefler olabilir. Ayrıca RNA molekülleri metilasyona uğrayabilir.
Genetikte RNA
RNA Genomları
DNA'ya benzer şekilde RNA da genetik bilgiyi aktarma yeteneğine sahiptir. RNA virüsleri, çeşitli proteinleri kodlayan RNA'yı içeren genomlara sahiptir. Viral genom belirli proteinler tarafından kopyalanırken diğerleri, viral parçacık yeni bir konakçı hücreye geçerken genomu korur. Viroidler başka bir patojen sınıfını temsil eder; ancak yalnızca RNA'dan oluşurlar, herhangi bir proteini kodlamazlar ve konakçı bitki hücresinin polimerazı tarafından kopyalanırlar.
Ters Transkripsiyon
Tersine transkripsiyon yapan virüsler, daha sonra yeni RNA moleküllerine kopyalanan RNA şablonlarından DNA kopyalarını sentezleyerek genomlarını çoğaltır. Retrotranspozonlar da benzer şekilde birbirlerinden DNA ve RNA kopyaları üreterek çoğalırlar. Ayrıca telomeraz, ökaryotik kromozomların terminal bölgelerinin sentezi için şablon görevi gören bir RNA bileşeni içerir.
Çift-sarmallı RNA
Çift sarmallı RNA (dsRNA), yapısal olarak hücresel DNA'ya benzer, ancak timin'in urasil ile ikame edilmesi ve ek bir oksijen atomunun varlığıyla ayırt edilen iki tamamlayıcı RNA zincirinden oluşur. Bu moleküler form, çift sarmallı RNA virüsleri olarak bilinen bazı virüsler için genetik materyal görevi görür. Ayrıca viral RNA ve küçük müdahaleci RNA (siRNA) dahil olmak üzere dsRNA, ökaryotik organizmalarda RNA müdahalesini başlatabilir ve omurgalılarda bir interferon tepkisi ortaya çıkarabilir. Ökaryotlarda dsRNA, viral enfeksiyonlarla savaşmak üzere doğuştan gelen bağışıklık sistemini harekete geçirmek için çok önemlidir.
Dairesel RNA
1970'lerin sonlarında, hem hayvan hem de bitki krallıklarında ifade edilen, tek sarmallı, kovalent olarak kapalı veya dairesel bir RNA formunun varlığı tanımlandı. Bu dairesel RNA'ların (circRNA'lar), spliceozomun yukarı yöndeki bir 3' alıcı bölgesini aşağı yöndeki 5' donör ekleme bölgesine bağladığı bir "geri ekleme" reaksiyonu yoluyla kaynaklandığı varsayılmaktadır. CircRNA'ların kesin işlevleri büyük ölçüde tanımlanmamış halde kalırken, sınırlı sayıda örnekte bir mikroRNA süngerleme aktivitesi gözlemlenmiştir.
RNA Biyolojisinde Önemli Keşifler
RNA'ya yönelik kapsamlı araştırmalar çok sayıda önemli biyolojik keşiflere yol açtı ve çok sayıda Nobel Ödülüyle sonuçlandı. Nükleik asitlerin ilk tanımlanması, 1868'de, nükleer lokalizasyonundan dolayı maddeyi "nüklein" olarak adlandıran Friedrich Miescher tarafından gerçekleşti. Daha sonraki bulgular, prokaryotik hücrelerin, çekirdeği olmamasına rağmen, aynı zamanda nükleik asitler de içerdiğini ortaya çıkardı. 1939'a gelindiğinde, RNA'nın protein sentezine dahil olduğu zaten varsayılmıştı. Severo Ochoa, in vitro RNA sentezleyebilen bir enzimi keşfetmesi nedeniyle 1959 Nobel Tıp Ödülü'nden (Arthur Kornberg ile birlikte) pay aldı. Bununla birlikte, Ochoa tarafından tanımlanan enzimin, polinükleotid fosforilazın, daha sonra sentezden ziyade RNA bozunmasında rol oynadığı belirlendi. 1956'da Alex Rich ve David Davies, iki farklı RNA zincirini başarılı bir şekilde hibritleyerek yapısı X-ışını kristalografisi yoluyla aydınlatılan ilk RNA kristalini üretti.
1965'te Robert W. Holley, bir maya tRNA'sının 77 nükleotid dizisini belirledi; bu başarı sayesinde kendisine 1968 Nobel Tıp Ödülü'nden pay (Har Gobind Khorana ve Marshall ile birlikte) verildi. Nirenberg).
1970'lerin başlarında retrovirüsler ve ters transkriptaz keşfedildi; bu, ilk kez enzimlerin, geleneksel genetik bilgi akışına aykırı bir süreç olan RNA'yı DNA'ya kopyalayabildiğini gösterdi. David Baltimore, Renato Dulbecco ve Howard Temin bu katkılarından dolayı 1975'te Nobel Ödülü'nü aldılar. Daha sonra, 1976'da Walter Fiers ve araştırma grubu, bir RNA virüsü genomunun, özellikle de bakteriyofaj MS2'nin nükleotid dizisini başarıyla açıkladı.
1977 yılı, hem memeli virüslerinde hem de hücresel genlerde intronların ve RNA birleşmesinin keşfine tanık oldu; bu başarı, Philip Sharp ve Richard Roberts'a verilen 1993 Nobel Ödülü ile tanınan bir başarıdır. Ribozimler olarak adlandırılan katalitik RNA molekülleri 1980'lerin başında tanımlandı ve bu, Thomas Cech ve Sidney Altman'a 1989 Nobel Ödülü'nü kazandırdı. 1990'a gelindiğinde Petunia'daki gözlemler, eklenen genlerin benzer endojen bitki genlerini susturabildiğini ortaya çıkardı; bu, artık RNA müdahalesi olarak anlaşılan bir olgudur.
Aynı zamanda, artık mikroRNA olarak adlandırılan 22 nükleotid uzunluğundaki RNA'ların, C'nin gelişim süreçlerinde rol oynadığı keşfedildi. elegans. RNA müdahalesine ilişkin araştırmalar 2006'da Andrew Fire ve Craig Mello'ya Nobel Ödülü kazandırdı; aynı yıl Roger Kornberg, RNA transkripsiyonuyla ilgili araştırmalarından dolayı Nobel aldı. Gen düzenleyici RNA'ların tanımlanması, gen susturulması için siRNA gibi RNA bazlı terapötikler yaratma çabalarını teşvik etti. 2009 yılında Venki Ramakrishnan, Thomas A. Steitz ve Ada Yonath'ın ribozomun atomik yapısını açıkladıkları için onurlandırılmasıyla RNA araştırmalarının Nobel ödülü daha da arttı. En son, 2023'te Katalin Karikó ve Drew Weissman, değiştirilmiş nükleozidlerle ilgili çığır açan keşifleri nedeniyle Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'ne layık görüldü. Bu keşifler, COVID-19'a karşı etkili mRNA aşılarının geliştirilmesinde etkili oldu.
Prebiyotik Kimya ve Abiyogenez ile İlgisi
1968'de Carl Woese, RNA'nın katalitik özelliklere sahip olabileceği hipotezini öne sürerek, kendini kopyalayan moleküllerle karakterize edilen en eski yaşam formlarının, hem genetik bilgi depolama hem de biyokimyasal kataliz için RNA'ya bağlı olabileceğini öne sürdü; bu kavram "RNA dünyası" olarak adlandırıldı. Daha yakın bir zamanda, Mayıs 2022'de araştırmacılar, RNA'nın, Dünya'nın erken dönemlerinde yaygın olduğuna inanılan bir malzeme olan prebiyotik bazalt lav camı üzerinde kendiliğinden sentezlenebildiğini gösterdi.
Mart 2015'teki araştırma, simüle edilmiş uzay koşulları altında DNA ve RNA nükleobazlarının, özellikle de urasil, sitozin ve timin'in laboratuvar sentezini gösterdi. Bu sentezde, meteorlarda sıklıkla tanımlanan organik bir bileşik olan pirimidin gibi başlangıç kimyasalları kullanıldı. Polisiklik aromatik hidrokarbonlara (PAH'lar) benzeyen pirimidin, potansiyel olarak kırmızı devlerden veya yıldızlararası toz ve gaz bulutlarından kaynaklanan, evrenin en fazla karbon içeren bileşiklerinden birini temsil eder. Daha yakın bir zamanda, Temmuz 2022'de gökbilimciler, Samanyolu Galaksisi'nin galaktik merkezinde bulunan, potansiyel RNA öncülleri de dahil olmak üzere önemli miktarda prebiyotik molekülü belgeledi.
Tıbbi Uygulamalar
RNA'nın sınırlı yarı ömrü nedeniyle terapötik kullanıma uygun olmadığı yönündeki ilk algılara rağmen, stabilizasyon tekniklerindeki ilerlemeler onun uygulanmasını mümkün kılmıştır. RNA'nın terapötik faydası, katalitik merkezler oluşturmak için proteinler, nükleik asitler ve küçük moleküllerle bağlanmayı kolaylaştırarak karmaşık yapılara katlanma kapasitesinden kaynaklanır. RNA bazlı aşıların üretiminin genellikle inaktive edilmiş veya zayıflatılmış patojenlere dayanan geleneksel aşılardan daha basit olduğu düşünülmektedir. İkincisi, patojen ekimi, karakterizasyonu ve aşı formülasyonu için uygun moleküler bileşenlerin tanımlanması için genellikle aylar veya yıllar gibi uzun süreler gerektirir. Ayrıca, yerleşik terapötik özelliklere sahip küçük moleküller, RNA ve DNA yapılarını hedef alarak yeni hastalıkların tedavisi için yollar sunabilir. Bununla birlikte, spesifik olarak RNA'yı hedefleyen küçük moleküller ve insan hastalıklarına yönelik onaylanmış RNA-hedefleyici ilaçlar üzerine kapsamlı araştırmalar sınırlı kalmaktadır. Şu anda, çift sarmallı RNA yapılarını stabilize ederek ve çeşitli patolojik durumlarda birleşmeyi düzenleyerek işlev gören Ribavirin, branaplam ve ataluren gibi ilaçlar mevcuttur.
Protein kodlayan haberci RNA'lar (mRNA'lar), umut verici terapötik adaylar olarak ortaya çıkmıştır ve RNA değiştirme stratejilerinin, geçici ancak sağlam protein ekspresyonu elde etmek için özellikle avantajlı olduğu kanıtlanmıştır. İn vitro kopyalanan mRNA'lar (IVT-mRNA), kemik rejenerasyonu, pluripotensi indükleme ve kalp fonksiyonunu geliştirme gibi amaçlar için proteinlerin sağlanması amacıyla hayvan modellerinde başarıyla kullanılmıştır. Kısa RNA molekülleri olan küçük müdahaleci RNA'lar (siRNA'lar), doğuştan gelen antiviral savunma mekanizmalarının ve kromatin yapısının korunmasının ayrılmaz bir parçasıdır. Yapay olarak uygulanmaları belirli genlerin susturulmasına olanak tanıyarak onları gen fonksiyonunu araştırmak, terapötik hedefleri doğrulamak ve ilaç geliştirmeyi kolaylaştırmak için paha biçilmez araçlar haline getirir.
Messenger RNA (mRNA) aşıları, bağışıklık tepkisi ortaya çıkaran proteinlerin hücresel sentezini yönlendirmek için mRNA'yı kullanarak çalışan, önemli yeni bir bağışıklama kategorisini temsil eder. Bunların ilk yaygın ve başarılı uygulaması, küresel COVID-19 salgını sırasında COVID-19 aşılarının geliştirilmesiyle gerçekleşti.
Referanslar
Referanslar
- RNA Dünyası web sitesi Bağlantı koleksiyonu (yapılar, diziler, araçlar, günlükler)
- Anna Marie Pyle'ın Semineri: RNA Yapısı, İşlevi ve Tanıma 2018-06-21 tarihinde Wayback Machine'de Arşivlendi