За пределами центральной догмы

Центральная догма молекулярной биологии объясняет, что ДНК кодирует РНК, которая кодирует белки. В «Центральной догме» вы можете узнать о важной роли матричной РНК, транспортной РНК и рибосомной РНК в процессе построения белка. Но РНК делает больше, чем просто строит белки. РНК выполняет множество функций в клетке, в том числе функции, традиционно связанные с ДНК и белками. Читайте дальше, чтобы узнать о том, как РНК может нести наследственную информацию, действовать как ферменты и регулировать производство белка. И узнайте, как достижения в области технологии РНК помогают исследователям изучать гены, а также диагностировать и лечить заболевания.

ВИЧ, вирус, вызывающий СПИД, несет свою генетическую информацию в виде РНК.

Большинство организмов используют ДНК для хранения генетической информации. ДНК передается от родителей к потомству на протяжении поколений. Но некоторые вирусы, в том числе ВИЧ, вирус, вызывающий СПИД, используют РНК для переноса генетической информации. РНК-вирусы известны как ретровирусы.
РНК имеет структуру, аналогичную ДНК; в обеих молекулах последовательность оснований может кодировать белки. РНК, вероятно, была молекулой наследственности у некоторых из самых ранних форм жизни.

Ферменты — это катализаторы: они строят и расщепляют молекулы со скоростью, достаточной для поддержания жизни. Раньше ученые думали, что все ферменты в клетке являются белками. Затем было обнаружено, что некоторые молекулы РНК тоже могут быть ферментами. Так называемые рибозимы встречаются редко, но они играют ключевую роль в клетке. В рибосоме РНК соединяет аминокислоты вместе, позволяя клеткам строить белки. Некоторые молекулы мРНК содержат саморасщепляющиеся интроны, которые могут разрывать цепь мРНК и присоединяться к ней. А рибозим в комплексе РНКазы Р активирует молекулы тРНК, отсекая их концы.
Рибозимы служат дополнительным доказательством того, что РНК могла быть первой молекулой жизни. В примитивной форме жизни РНК могла одновременно катализировать химические реакции и хранить генетическую информацию, функции, которые позже были переданы ДНК и белкам.

Когда тРНК образуется впервые, у нее есть длинный «хвост». РНКаза Р представляет собой специализированную молекулу РНК, которая оборачивается вокруг верхней части молекулы тРНК и отсекает хвост.

Некоторые молекулы РНК могут подавлять определенные гены, отключая производство белков, которые не нужны в определенном месте или в определенное время. Эта работа особенно важна во время развития, когда клетки начинают дифференцироваться в определенные типы, такие как мышцы, кожа и печень. Каждому типу клеток нужна только часть его генов, чтобы быть активной, чтобы выполнять свою работу.
Молекулы РНК, подавляющие гены, распознают определенные генетические последовательности посредством комплементарного спаривания оснований. Эти молекулы РНК могут отключать участки генома, отключая производство белка. РНК делает это, рекрутируя белки для модификации гистонов (или эпигенома). Модифицированные гистоны плотно обволакивают ДНК, делая ее недоступной для машин транскрипции.

РНК-интерференция . Ученые могут использовать клеточный механизм подавления генов для изучения генов. Во-первых, они строят небольшую молекулу РНК с последовательностью нуклеотидов, соответствующей определенному гену. Когда РНК вводят эмбриону, она находит ген и навсегда отключает его, чтобы из него не производился белок. Наблюдая за тем, что происходит, когда организм развивается без гена, ученые узнают кое-что о естественной функции гена.

РНК-интерференция — это естественный процесс, который клетки развили для уничтожения вирусов на основе РНК. Клеточный механизм идентифицирует и разрезает молекулы двухцепочечной РНК (1). Затем он использует фрагменты для поиска более длинных комплементарных цепей РНК (3), которые затем уничтожает.

Некоторые РНК подавляют вредные последовательности ДНК, которые находятся в наших геномах как реликвии нашего эволюционного прошлого. Транспозоны («прыгающие гены») и гены заражающих вирусов проникли в ДНК наших предков и продолжают передаваться от родителей к потомкам. РНК инактивируют вирусные гены и транспозоны, не позволяя им причинить нам вред.

Разнообразие молекул РНК помогает клетке точно настроить, когда, где и сколько конкретной молекулы мРНК и, соответственно, определенного белка производится. Регуляторные РНК могут действовать практически на каждом этапе процесса производства белка. Некоторые РНК (называемые риборегуляторами) связывают переключатели ДНК, чтобы включать и выключать гены. Другие взаимодействуют непосредственно с молекулами мРНК, чтобы изменить сплайсинг, защитить мРНК от повреждений или разрезать ее на части.

Эта молекула мРНК имеет рибопереключатель. Когда небольшая молекула связывается, рибопереключатель сворачивается таким образом, что скрывает стартовый кодон, и белок не образуется. Когда маленькая молекула высвобождается, рибопереключатель меняет форму. Стартовый кодон становится доступным, и образуется белок.

Рибопереключатели помогают некоторым клеткам реагировать на внешний сигнал, обычно небольшой молекулы. Рибопереключатели находятся на больших молекулах мРНК, и они складываются в сложные формы. Когда небольшая молекула, такая как ион металла, аминокислота или нуклеиновая кислота, связывается с рибопереключателем, это вызывает изменение формы РНК. Изменение формы влияет на то, транслируется ли мРНК в белок.
У бактерий рибопереключатели регулируют мРНК, кодирующие белки, участвующие в метаболических путях. Небольшая молекула, которая запускает рибопереключатель, обычно является частью того же пути. Таким образом, рибопереключатель обеспечивает обратную связь с этим путем.

Ученые создают молекулы РНК и используют их в качестве инструментов для диагностики и даже лечения заболеваний, включая рак, диабет, артрит, болезни сердца, болезни мозга и вирусные инфекции.
Ученые могут легко разработать молекулы РНК, которые будут присоединены к определенной последовательности нуклеотидов в гене или молекуле мРНК. Эти молекулы РНК когда-нибудь могут быть использованы для инактивации сломанного гена болезни. В качестве диагностического инструмента молекулы РНК могут быть разработаны для идентификации определенных веществ в крови, которые присутствуют только при определенном заболевании.
Неправильно работающие молекулы РНК также могут вызывать заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные заболевания. Чем больше мы узнаем о роли РНК в этих заболеваниях, тем лучше мы будем готовы их лечить.