ARN no codificante
Un ARN no codificante (ncRNA) es una molécula de ARN funcional que no se traduce en una proteína. La secuencia de ADN a partir de la cual se transcribe un ARN no codificante funcional a menudo se denomina gen de ARN. Los tipos abundantes y funcionalmente importantes de ARN no codificantes incluyen ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosomal (ARNr), así como ARN pequeños como microARN, siARN, piARN, snoARN, snARN, exARN, scaARN y los ncRNA largos como Xist. y AIRE CALIENTE.
Se desconoce el número de ARN no codificantes dentro del genoma humano; sin embargo, estudios transcriptómicos y bioinformáticos recientes sugieren que hay miles de transcritos no codificantes. Muchos de los ncRNA recién identificados no han sido validados para su función. No hay consenso en la literatura sobre qué parte de la transcripción no codificante es funcional. Algunos investigadores han argumentado que muchos ncRNA no son funcionales (a veces denominados 'ARN basura'), transcripciones espurias. Otros, sin embargo, no están de acuerdo, argumentando en cambio que muchas transcripciones no codificadas tienen funciones y que esas funciones se están descubriendo y se seguirán descubriendo.
Historia y descubrimiento
Los ácidos nucleicos fueron descubiertos por primera vez en 1868 por Friedrich Miescher y, en 1939, el ARN se había implicado en la síntesis de proteínas. Dos décadas más tarde, Francis Crick predijo un componente de ARN funcional que mediaba en la traducción; Razonó que el ARN se adapta mejor al par de bases con una transcripción de ARNm que con un polipéptido puro.
El primer ARN no codificante que se caracterizó fue un ARNt de alanina encontrado en la levadura de panadería; su estructura se publicó en 1965. Para producir una muestra de ARNt de alanina purificada, Robert W. Holley et al. usó 140 kg de levadura de panadería comercial para obtener solo 1 g de ARNtAla purificado para el análisis. El ARNt de 80 nucleótidos se secuenció primero digiriéndolo con ribonucleasa pancreática (produciendo fragmentos que terminan en citosina o uridina) y luego con takadiastasa ribonucleasa T1 (produciendo fragmentos que terminan en guanosina). Cromatografía e identificación de los 5' y 3' Los extremos luego ayudaron a organizar los fragmentos para establecer la secuencia de ARN. De las tres estructuras propuestas originalmente para este ARNt, la 'hoja de trébol' La estructura se propuso de forma independiente en varias publicaciones posteriores. La estructura secundaria de la hoja de trébol se finalizó tras el análisis de cristalografía de rayos X realizado por dos grupos de investigación independientes en 1974.
El ARN ribosomal fue el siguiente en ser descubierto, seguido por el URNA a principios de la década de 1980. Desde entonces, el descubrimiento de nuevos ARN no codificantes ha continuado con snoRNA, Xist, CRISPR y muchos más. Las adiciones notables recientes incluyen riboswitches y miRNA; el descubrimiento del mecanismo de ARNi asociado con este último le valió a Craig C. Mello y Andrew Fire el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2006.
Los descubrimientos recientes de ncRNA se han logrado a través de métodos experimentales y bioinformáticos.
Roles biológicos
Los ARN no codificantes pertenecen a varios grupos y están involucrados en muchos procesos celulares. Estos van desde ncRNA de importancia central que se conservan a lo largo de toda o la mayor parte de la vida celular hasta ncRNA más transitorios específicos de una o unas pocas especies estrechamente relacionadas. Se cree que los ncRNA más conservados son fósiles moleculares o reliquias del último ancestro común universal y el mundo del ARN, y sus funciones actuales siguen siendo principalmente en la regulación del flujo de información del ADN a la proteína.
En traducción
Muchos de los ncRNA conservados, esenciales y abundantes están involucrados en la traducción. Las partículas de ribonucleoproteína (RNP) llamadas ribosomas son las 'fábricas' donde tiene lugar la traducción en la célula. El ribosoma consta de más del 60 % de ARN ribosómico; estos están formados por 3 ncRNA en procariotas y 4 ncRNA en eucariotas. Los ARN ribosómicos catalizan la traducción de secuencias de nucleótidos a proteínas. Otro conjunto de ncRNA, Transfer RNA, forma una 'molécula adaptadora'. entre ARNm y proteína. Los snoRNA de la caja H/ACA y la caja C/D son ncRNA que se encuentran en arqueas y eucariotas. RNasa MRP está restringida a eucariotas. Ambos grupos de ncRNA están involucrados en la maduración de rRNA. Los snoRNA guían las modificaciones covalentes de rRNA, tRNA y snRNA; La RNasa MRP escinde el espaciador interno transcrito 1 entre los ARNr 18S y 5.8S. El omnipresente ncRNA, RNase P, es un pariente evolutivo de RNase MRP. La RNasa P madura las secuencias de ARNt generando extremos 5' maduros de ARNt mediante la escisión de los elementos líderes 5' de los ARNt precursores. Otro RNP ubicuo llamado SRP reconoce y transporta proteínas nacientes específicas al retículo endoplásmico en eucariotas y la membrana plasmática en procariotas. En las bacterias, el ARN mensajero de transferencia (tmRNA) es un RNP involucrado en el rescate de los ribosomas estancados, el etiquetado de polipéptidos incompletos y la promoción de la degradación del ARNm anómalo.
En empalme de ARN
En eucariotas, el empalmosoma realiza las reacciones de empalme esenciales para eliminar secuencias de intrones, este proceso es necesario para la formación de ARNm maduro. El spliceosoma es otro RNP conocido como snRNP o tri-snRNP. Hay dos formas diferentes del spliceosoma, las formas mayor y menor. Los componentes de ncRNA del empalmosoma principal son U1, U2, U4, U5 y U6. Los componentes de ncRNA del spliceosoma menor son U11, U12, U5, U4atac y U6atac.
Otro grupo de intrones puede catalizar su propia eliminación de las transcripciones del huésped; estos se denominan ARN de autoempalme. Hay dos grupos principales de ARN autoempalmados: el intrón catalítico del grupo I y el intrón catalítico del grupo II. Estos ncRNA catalizan su propia escisión de precursores de mRNA, tRNA y rRNA en una amplia gama de organismos.
En los mamíferos se ha descubierto que los snoRNA también pueden regular el empalme alternativo del mRNA, por ejemplo, el snoRNA HBII-52 regula el empalme del receptor de serotonina 2C.
En los nematodos, el ncRNA de SmY parece estar involucrado en el empalme trans del mRNA.
En la replicación del ADN
Los ARN Y son bucles de tallo, necesarios para la replicación del ADN a través de interacciones con cromatina y proteínas de iniciación (incluido el complejo de reconocimiento de origen). También son componentes de la partícula de ribonucleoproteína Ro60 que es un objetivo de los anticuerpos autoinmunes en pacientes con lupus eritematoso sistémico.
En la regulación génica
La expresión de muchos miles de genes está regulada por ncRNA. Esta regulación puede ocurrir en trans o en cis. Cada vez hay más pruebas de que un tipo especial de ncRNA llamados ARN potenciadores, transcritos a partir de la región potenciadora de un gen, actúan para promover la expresión génica.
Transacción
En eucariotas superiores, los microARN regulan la expresión génica. Un solo miARN puede reducir los niveles de expresión de cientos de genes. El mecanismo por el cual actúan las moléculas maduras de miARN es a través de la complementariedad parcial con una o más moléculas de ARN mensajero (ARNm), generalmente en forma 3' UTR. La función principal de los miARN es regular a la baja la expresión génica.
También se ha demostrado que el ncRNA RNase P influye en la expresión génica. En el núcleo humano, la RNasa P es necesaria para la transcripción normal y eficiente de varios ncRNA transcritos por la RNA polimerasa III. Estos incluyen genes tRNA, 5S rRNA, SRP RNA y U6 snRNA. La RNasa P ejerce su papel en la transcripción a través de la asociación con Pol III y la cromatina de genes activos de tRNA y 5S rRNA.
Se ha demostrado que el ARN 7SK, un ARNnc metazoario, actúa como un regulador negativo del factor de elongación P-TEFb de la ARN polimerasa II, y que esta actividad está influenciada por las vías de respuesta al estrés.
El ncRNA bacteriano, 6S RNA, se asocia específicamente con la holoenzima de la ARN polimerasa que contiene el factor de especificidad sigma70. Esta interacción reprime la expresión de un promotor dependiente de sigma70 durante la fase estacionaria.
Otro ncRNA bacteriano, el ARN OxyS reprime la traducción uniéndose a secuencias de Shine-Dalgarno, ocluyendo así la unión al ribosoma. OxyS RNA se induce en respuesta al estrés oxidativo en Escherichia coli.
El ARN B2 es un pequeño transcrito de ARN polimerasa III no codificante que reprime la transcripción de ARNm en respuesta al choque térmico en ratones células. El ARN B2 inhibe la transcripción al unirse al núcleo Pol II. A través de esta interacción, el ARN B2 se ensambla en preiniciación forma complejos en el promotor y bloquea la síntesis de ARN.
Un estudio reciente ha demostrado que solo el acto de transcripción de la secuencia de ncRNA puede influir en la expresión génica. Se requiere la transcripción de ARN polimerasa II de ARNnc para la remodelación de la cromatina en Schizosaccharomyces pombe. La cromatina se convierte progresivamente en una configuración abierta, a medida que se transcriben varias especies de ncRNA.
Acción cis
Varios ncRNA están incrustados en el 5' UTR (regiones no traducidas) de genes que codifican proteínas e influyen en su expresión de varias maneras. Por ejemplo, un riboswitch puede unirse directamente a una pequeña molécula objetivo; la unión del objetivo afecta la actividad del gen.
Las secuencias líder de ARN se encuentran aguas arriba del primer gen de los operones biosintéticos de aminoácidos. Estos elementos de ARN forman una de dos estructuras posibles en regiones que codifican secuencias peptídicas muy cortas que son ricas en el aminoácido producto final del operón. Se forma una estructura terminadora cuando hay un exceso del aminoácido regulador y no se impide el movimiento de los ribosomas sobre el transcrito líder. Cuando hay una deficiencia del ARNt cargado del aminoácido regulador, el ribosoma que traduce el péptido líder se detiene y se forma la estructura antiterminador. Esto permite que la ARN polimerasa transcriba el operón. Los líderes de ARN conocidos son el líder del operón histidina, el líder del operón leucina, el líder del operón treonina y el líder del operón triptófano.
Los elementos de respuesta al hierro (IRE) se unen a las proteínas de respuesta al hierro (IRP). El IRE se encuentra en UTRs de varios mRNAs cuyos productos están involucrados en el metabolismo del hierro. Cuando la concentración de hierro es baja, los IRP se unen al ARNm de ferritina IRE, lo que lleva a la represión de la traducción.
Los sitios internos de entrada al ribosoma (IRES) son estructuras de ARN que permiten el inicio de la traducción en medio de una secuencia de ARNm como parte del proceso de síntesis de proteínas.
En defensa del genoma
Los ARN que interactúan con piwi (piRNA) expresados en los testículos de los mamíferos y las células somáticas forman complejos de proteína de ARN con proteínas Piwi. Estos complejos piRNA (piRC) se han relacionado con el silenciamiento génico transcripcional de retrotransposones y otros elementos genéticos en células de la línea germinal, en particular aquellas en la espermatogénesis.
Las repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas (CRISPR) son repeticiones que se encuentran en el ADN de muchas bacterias y arqueas. Las repeticiones están separadas por espaciadores de longitud similar. Se ha demostrado que estos espaciadores se pueden derivar de fagos y posteriormente ayudar a proteger la célula de la infección.
Estructura cromosómica
La telomerasa es una enzima RNP que agrega repeticiones de secuencias de ADN específicas ("TTAGGG" en vertebrados) a las regiones teloméricas, que se encuentran en los extremos de los cromosomas eucariotas. Los telómeros contienen material de ADN condensado, dando estabilidad a los cromosomas. La enzima es una transcriptasa inversa que transporta el ARN de la telomerasa, que se utiliza como molde cuando alarga los telómeros, que se acortan después de cada ciclo de replicación.
Xist (transcrito específico de X inactivo) es un gen ncRNA largo en el cromosoma X de los mamíferos placentarios que actúa como efector principal del proceso de inactivación del cromosoma X formando cuerpos de Barr. Un ARN antisentido, Tsix, es un regulador negativo de Xist. Los cromosomas X que carecen de expresión de Tsix (y por lo tanto tienen altos niveles de transcripción de Xist) se inactivan con mayor frecuencia que los cromosomas normales. En los drosófilos, que también usan un sistema de determinación del sexo XY, los ARN roX (ARN en el X) están involucrados en la compensación de dosis. Tanto Xist como roX operan mediante la regulación epigenética de la transcripción a través del reclutamiento de enzimas modificadoras de histonas.
ARN bifuncional
LosARN bifuncionales, o ARN de doble función, son ARN que tienen dos funciones distintas. La mayoría de los ARN bifuncionales conocidos son ARNm que codifican tanto una proteína como ncARN. Sin embargo, un número creciente de ncRNA se dividen en dos categorías diferentes de ncRNA; por ejemplo, caja H/ACA snoRNA y miRNA.
Dos ejemplos bien conocidos de ARN bifuncionales son SgrS RNA y RNAIII. Sin embargo, se sabe que existen algunos otros ARN bifuncionales (p. ej., activador del receptor de esteroides/SRA, ARN VegT, ARN Oskar, ENOD40, ARN p53 y ARN SR1. Los ARN bifuncionales han sido objeto recientemente de un número especial de Biochimie.
Como hormona
Existe un vínculo importante entre ciertos ARN no codificantes y el control de las vías reguladas por hormonas. En Drosophila, hormonas como la ecdisona y la hormona juvenil pueden promover la expresión de ciertos miARN. Además, esta regulación ocurre en distintos puntos temporales dentro del desarrollo de Caenorhabditis elegans. En los mamíferos, miR-206 es un regulador crucial del receptor alfa de estrógeno.
Los ARN no codificantes son cruciales en el desarrollo de varios órganos endocrinos, así como en enfermedades endocrinas como la diabetes mellitus. Específicamente en la línea celular MCF-7, la adición de 17β-estradiol aumentó la transcripción global de los ARN no codificantes llamados lncRNA cerca de los genes codificantes activados por estrógenos.
En la evitación de patógenos
C. elegans demostró aprender y heredar la evitación patógena después de la exposición a un solo ARN no codificante de un patógeno bacteriano.
Papeles en la enfermedad
Al igual que con las proteínas, las mutaciones o desequilibrios en el repertorio de ncRNA dentro del cuerpo pueden causar una variedad de enfermedades.
Cáncer
Muchos ncRNA muestran patrones de expresión anormales en tejidos cancerosos. Estos incluyen miARN, ncARN similares a ARNm largo, GAS5, SNORD50, ARN de telomerasa y ARN Y. Los miARN están involucrados en la regulación a gran escala de muchos genes que codifican proteínas, los ARN Y son importantes para el inicio de la replicación del ADN, el ARN de la telomerasa que sirve como cebador para la telomerasa, un RNP que extiende las regiones teloméricas en los extremos de los cromosomas (ver telómeros y enfermedad para obtener más información). La función directa de los ncRNA similares a ARNm largos es menos clara.
Se ha demostrado que las mutaciones de la línea germinal en los precursores primarios miR-16-1 y miR-15 son mucho más frecuentes en pacientes con leucemia linfocítica crónica en comparación con las poblaciones de control.
Se ha sugerido que un SNP raro (rs11614913) que se superpone a hsa-mir-196a-2 se ha asociado con el carcinoma de pulmón de células no pequeñas. Del mismo modo, una pantalla de 17 miARN que se predijo que regulan una serie de genes asociados con el cáncer de mama encontró variaciones en los microARN miR-17 y miR-30c-1 de los pacientes; estos pacientes no eran portadores de mutaciones BRCA1 o BRCA2, lo que brinda la posibilidad de que el cáncer de mama familiar pueda ser causado por una variación en estos miARN. El supresor de tumores p53 es posiblemente el agente más importante para prevenir la formación y progresión de tumores. La proteína p53 funciona como un factor de transcripción con un papel crucial en la orquestación de la respuesta al estrés celular. Además de su papel crucial en el cáncer, p53 se ha implicado en otras enfermedades, como la diabetes, la muerte celular después de la isquemia y varias enfermedades neurodegenerativas como Huntington, Parkinson y Alzheimer. Los estudios han sugerido que la expresión de p53 está sujeta a la regulación por parte del ARN no codificante.
Otro ejemplo de ARN no codificante desregulado en células cancerosas es el ARN largo no codificante Linc00707. Linc00707 está regulado al alza y absorbe miARN en células madre mesenquimales derivadas de médula ósea humana, en carcinoma hepatocelular, cáncer gástrico o cáncer de mama y, por lo tanto, promueve la osteogénesis, contribuye a la progresión del carcinoma hepatocelular, promueve la proliferación y la metástasis, o regula indirectamente la expresión de proteínas involucradas en agresividad del cáncer, respectivamente.
Síndrome de Prader-Willi
Se ha demostrado que la eliminación de las 48 copias del snoRNA SNORD116 de la caja C/D es la causa principal del síndrome de Prader-Willi. Prader-Willi es un trastorno del desarrollo asociado con comer en exceso y dificultades de aprendizaje. SNORD116 tiene sitios objetivo potenciales dentro de una serie de genes que codifican proteínas y podría desempeñar un papel en la regulación del empalme alternativo.
Autismo
El locus cromosómico que contiene el grupo de genes SNORD115 del ARN nucleolar pequeño se ha duplicado en aproximadamente el 5 % de las personas con rasgos autistas. Un modelo de ratón diseñado para tener una duplicación del grupo SNORD115 muestra un comportamiento similar al autista. Un pequeño estudio reciente de tejido cerebral post-mortem demostró una expresión alterada de ARN largos no codificantes en la corteza prefrontal y el cerebelo de cerebros autistas en comparación con los controles.
Hipoplasia de cartílago-cabello
Se ha demostrado que las mutaciones dentro de la RNasa MRP causan hipoplasia del cartílago y el cabello, una enfermedad asociada con una variedad de síntomas como baja estatura, cabello escaso, anomalías esqueléticas y un sistema inmunitario debilitado que es frecuente entre los amish y los finlandeses. La variante mejor caracterizada es una transición A-a-G en el nucleótido 70 que se encuentra en una región de bucle de dos bases 5' de un pseudonudo conservado. Sin embargo, muchas otras mutaciones dentro de RNase MRP también causan CHH.
Enfermedad de Alzheimer
El ARN antisentido, BACE1-AS, se transcribe desde la hebra opuesta a BACE1 y se regula positivamente en pacientes con enfermedad de Alzheimer. BACE1-AS regula la expresión de BACE1 aumentando la estabilidad del ARNm de BACE1 y generando BACE1 adicional a través de un mecanismo de avance postranscripcional. Por el mismo mecanismo también eleva las concentraciones de beta amiloide, el principal constituyente de las placas seniles. Las concentraciones de BACE1-AS están elevadas en sujetos con enfermedad de Alzheimer y en ratones transgénicos con proteína precursora de amiloide.
MiR-96 y pérdida de audición
La variación dentro de la región de la semilla de miR-96 maduro se ha asociado con pérdida de audición autosómica dominante y progresiva en humanos y ratones. Los ratones mutantes homocigotos eran profundamente sordos y no mostraban respuestas cocleares. Los ratones heterocigotos y los humanos pierden progresivamente la capacidad de oír.
ARN de transferencia mitocondrial
Varias mutaciones dentro de los ARNt mitocondriales se han relacionado con enfermedades como el síndrome MELAS, el síndrome MERRF y la oftalmoplejía externa progresiva crónica.
Distinción entre ARN funcional (ARNf) y ARNnc
Los científicos han comenzado a distinguir el ARN funcional (fRNA) del ncRNA, para describir regiones funcionales a nivel de ARN que pueden o no ser transcripciones de ARN independientes. Esto implica que el fRNA (como los ribointerruptores, los elementos SECIS y otras regiones reguladoras en cis) no es ncRNA. Sin embargo, el ARNf también podría incluir ARNm, ya que este es ARN que codifica proteínas y, por lo tanto, es funcional. Además, los ARN evolucionados artificialmente también se incluyen en el término general fRNA. Algunas publicaciones afirman que ncRNA y fRNA son casi sinónimos, sin embargo, otros han señalado que una gran proporción de los ncRNA anotados probablemente no tengan ninguna función. También se ha sugerido usar simplemente el término ARN, ya que la distinción de un ARN que codifica una proteína (ARN mensajero) ya se da mediante el calificador mRNA. Esto elimina la ambigüedad al abordar un gen "que codifica un gen no codificante" ARN. Además, puede haber una serie de ncRNA que están mal anotados en la literatura y los conjuntos de datos publicados.
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