L' acido ribonucleico o RNA (in inglese, RNA per acido ribonucleico ) è un acido nucleico presente praticamente in tutti gli esseri viventi , e anche in alcuni virus . RNA è chimicamente molto vicino a DNA ed è anche generalmente sintetizzato in cellule da un DNA modello di cui essa è una copia. Le cellule usano l'RNA in particolare come vettore intermedio per i geni per sintetizzare le proteine di cui hanno bisogno. L'RNA può svolgere molte altre funzioni ed in particolare intervenire nelle reazioni chimiche del metabolismo cellulare .
Chimicamente, l'RNA è un polimero lineare costituito da una catena di nucleotidi . Ogni nucleotide contiene un gruppo fosfato , uno zucchero ( ribosio ) e una base azotata (o base nucleica). I nucleotidi sono legati tra loro da legami fosfodiestere . Ci sono quattro basi nucleiche trovate nell'RNA: adenina , guanina , citosina e uracile .
L'RNA ha molte somiglianze con il DNA , con però alcune importanti differenze: da un punto di vista strutturale, l'RNA contiene residui di ribosio dove il DNA contiene desossiribosio , il che rende l'RNA chimicamente meno stabile; inoltre, la timina nel DNA è ivi sostituita dall'uracile, che ha le stesse proprietà di accoppiamento di base con l'adenina. Funzionalmente, l'RNA si trova più spesso nelle cellule in una forma a singolo filamento , cioè a singolo filamento, mentre il DNA è presente come due filamenti complementari che formano una doppia elica . Infine, le molecole di RNA presenti nelle cellule sono più corte del DNA del genoma , la loro dimensione varia da poche decine a qualche migliaio di nucleotidi, contro qualche milione fino a qualche miliardo di nucleotidi per l'acido desossiribonucleico (DNA).
Nella cellula, l'RNA è prodotto dalla trascrizione dal DNA (che si trova nel nucleo negli eucarioti). L'RNA è quindi una copia di una regione di uno dei filamenti di DNA. Gli enzimi che formano la copia DNA → RNA sono chiamati RNA polimerasi . Gli RNA così prodotti possono avere tre tipi principali di funzioni: possono essere portatori dell'informazione genetica di uno o più geni codificanti proteine (si parla poi di RNA messaggero ), possono adottare una struttura secondaria e terziaria stabile e svolgere funzioni catalitiche ( ad esempio RNA ribosomiale ), possono infine fungere da guida o matrice per le funzioni catalitiche svolte da fattori proteici (come è il caso , ad esempio , dei microRNA ).
L'RNA è un acido nucleico , cioè una molecola costituita da una catena ( polimero ) di nucleotidi . Ogni unità nucleotide di RNA è costituita da un pentoso , ribosio , i cui atomi di carbonio sono numerati da 1 a 5 ′, una base azotata variabile, o base nucleica , e un gruppo fosfato . La base azotata è collegata da un atomo di azoto a uno di carbonio del ribosio; e il gruppo fosfato del nucleotide è legato al carbonio 5'. I nucleotidi si legano tra loro attraverso gruppi fosfato, con il gruppo fosfato di un nucleotide (legato al carbonio 5') che si lega attraverso legami fosfodiestere ai atomi di carbonio 3' del nucleotide successivo.
Le quattro basi principali dell'RNA, e le uniche utilizzate nell'RNA di trasferimento, sono l' adenina (nota A), l' uracile (nota U), la citosina (nota C) e la guanina (nota G). Rispetto al DNA, la timina nel DNA è sostituita dall'uracile nell'RNA. La differenza tra queste due basi è la sostituzione di un gruppo metilico in posizione 5 della timina con un atomo di idrogeno nell'uracile. Questa modifica strutturale non cambia le proprietà di accoppiamento con l'adenina.
Il ribozima , in particolare l' RNA ribosomiale e l' RNA di trasferimento includono altri nucleotidi modificati, ne sono stati identificati più di cento.
StereochimicaStrutturalmente, la presenza di un atomo di ossigeno in 'posizione 2 di influenze ribosio la conformazione del l' anello furanosico del ribosio. Questo eterociclo a cinque atomi non è planare, il che porta a due principali conformeri dello zucchero, chiamati C2′-endo e C3′-endo. Nell'RNA, che ha un atomo di ossigeno in posizione 2′, è favorita la posizione C3′-endo, che modifica profondamente la struttura delle doppie eliche che compongono i filamenti di RNA. Questi duplex di RNA formano un'elica di tipo A, diversa da quella che si osserva prevalentemente nel DNA convenzionale, che è un'elica di tipo B, dove il desossiribosio è nella conformazione C2′-endo.
L'elica di tipo A che l'RNA adotta quando forma un duplex ha proprietà geometriche abbastanza diverse da quelle dell'elica di tipo B. Innanzitutto, il numero di coppie di basi per giro dell'elica è 11 invece di 10 per il DNA di tipo B. Il piano delle coppie di basi non è più perpendicolare all'asse dell'elica, ma forma con esso un angolo di circa 75°. Ciò si traduce in uno spostamento dell'asse dell'elica che non passa più per il centro dell'accoppiamento delle basi, ma all'interno del solco maggiore. Questo induce un aumento del diametro dell'elica che va da circa 20 Å DNA in forma B a circa 26 Å per l'RNA in forma A. Infine, la geometria delle due scanalature risente profondamente: solco maggiore diventa molto accessibile, mentre il piccolo solco diventa molto profondo, stretto e pizzicato. Ciò ha un impatto su come l'RNA a doppio filamento può interagire con le proteine, poiché la ristrettezza del solco minore è una barriera all'accessibilità dei ligandi proteici.
La maggior parte degli RNA presenti in natura è presente nella cellula in forma a singolo filamento (singolo filamento), a differenza del DNA che ha la forma di un doppio filamento accoppiato. I filamenti di RNA si ripiegano prevalentemente su se stessi, formando una struttura intramolecolare che può essere molto stabile e molto compatta. La base di questa struttura è la formazione di accoppiamenti interni, tra basi complementari ( A con U , G con C e, talvolta, G con U ). La descrizione degli accoppiamenti interni tra le basi di un RNA è chiamata struttura secondaria . Questa struttura secondaria può essere completata da interazioni remote che poi definiscono una struttura tridimensionale o struttura terziaria .
La formazione della struttura dell'RNA dipende molto spesso dalle condizioni fisico-chimiche circostanti ed in particolare dalla presenza, nella soluzione , di cationi bivalenti , come lo ione magnesio Mg 2+ . Questi cationi interagiscono con i gruppi fosfato della spina dorsale e stabilizzano la struttura, in particolare schermando la repulsione elettrostatica tra le cariche negative di questi fosfati.
La struttura terziaria dell'RNA è alla base della ricchezza delle loro funzioni ed in particolare della loro capacità di catalizzare le reazioni chimiche ( ribozimi ).
La struttura secondaria di un RNA è la descrizione di tutti gli accoppiamenti interni all'interno di una molecola a singolo filamento. Questo insieme di accoppiamenti induce una particolare topologia , costituita da regioni elicoidali (barre) e regioni spaiate (loop). Per estensione, la struttura secondaria copre anche la descrizione di questa topologia.
La formazione di strutture secondarie all'interno di un RNA a singolo filamento deriva dall'esistenza di regioni contenenti sequenze palindromiche , che possono accoppiarsi per formare localmente una struttura a doppia elica. Ad esempio, se l'RNA contiene le seguenti due sequenze : --GUGCCACG ------ CGUGGCAC-- , queste formano una sequenza palindromica, essendo i nucleotidi del secondo segmento complementari a quelli del primo, dopo l'inversione del loro senso di lettura; questi due segmenti possono quindi accoppiarsi in modo antiparallelo per formare una regione localmente duplex. La regione tra i due segmenti forma un "anello" che collega i due fili appaiati, questo accoppiamento formando un "asta". Questo viene quindi indicato come una struttura "a forcina" o ad anello di canna .
Negli RNA di maggiore lunghezza possono esserci strutture più complesse che risultano dall'appaiamento di più regioni complementari o palindromiche . A seconda del modo in cui queste diverse regioni sono “nidificate”, si ottengono vari elementi topologici , con aste o regioni appaiate, e vari tipi di anse:
Non sempre esiste un'unica struttura stabile per una data sequenza e capita che certi RNA possano adottare diverse conformazioni alternative a seconda del legame di un ligando ( proteina , piccola molecola, ecc.) o da condizioni fisico-chimiche ( forza ionica , pH ). In generale, la formazione o fusione della struttura secondaria di un RNA può essere seguita da misurazioni spettroscopiche . Così, ad esempio, l'assorbimento nell'ultravioletto delle basi dell'RNA è maggiore nello stato dispiegato rispetto allo stato ripiegato (fenomeno di ipercromicità ).
Al di là della topologia di anse ed eliche composte da coppie di basi standard, un RNA può adottare una struttura tridimensionale compatta, o struttura terziaria , come una proteina . All'interno di questa struttura, le eliche canoniche sono completate da accoppiamenti non canonici, cioè distinti dagli accoppiamenti classici, di Watson - Crick ( A = U e G ≡ C ) e wobble ( wobble , G = U ). Un'ampia varietà di tali accoppiamenti è stata osservata in strutture tridimensionali di RNA risolte mediante cristallografia a raggi X o risonanza magnetica nucleare . Ci sono, per esempio, abbinamenti Hoogsteen e “tranciate” abbinamenti . Ci sono anche interazioni base - ribosio , specialmente con 2' idrossile , che possono formare legami idrogeno . Una nomenclatura sistematica di tutte queste interazioni è stata proposta da Eric Westhof e dai suoi collaboratori. Sono stati osservati più di 150 tipi di accoppiamenti, raggruppati in dodici grandi famiglie. Questi accoppiamenti non canonici coinvolgono sempre legami idrogeno tra le basi, che sono complanari , come nelle coppie Watson-Crick.
Interazioni a distanzaAccoppiamenti canonici o non canonici possono verificarsi tra regioni distanti della struttura secondaria, spesso disposte ad anelli, il che consente di stabilizzare una piegatura compatta della struttura.
Alcune di queste interazioni non canoniche a lunga distanza includono:
Le principali differenze tra le due molecole sono che:
Le prime tre differenze danno all'RNA molta meno stabilità del DNA:
Da un punto di vista evoluzionistico, alcuni elementi fanno pensare che l'RNA sarebbe anteriore al DNA come portatore di informazione genetica, il che spiegherebbe le sue funzioni più estese e la sua generalizzazione. Il DNA sarebbe apparso in seguito e avrebbe soppiantato l'RNA solo per il ruolo di conservazione a lungo termine, grazie alla sua maggiore stabilità.
La sintesi di una molecola di RNA dal DNA è chiamata trascrizione . È un processo complesso che coinvolge un enzima della famiglia delle RNA polimerasi e proteine associate. Le diverse fasi di questa sintesi sono l'inizio, l'allungamento e la terminazione. Il processo di sintesi dell'RNA è nettamente diverso negli organismi procarioti e nelle cellule eucariotiche . Infine, dopo l'effettiva trascrizione, l'RNA può subire una serie di modificazioni post-trascrizionali come parte di un processo di maturazione durante il quale la sua sequenza e struttura chimica possono essere modificate (vedi sotto).
L'inizio della trascrizione di un RNA da parte di una RNA polimerasi avviene a livello di una specifica sequenza sul DNA, detta promotore . Tale promotore comprende uno o più elementi di sequenza conservati a cui sono generalmente fissate specifiche proteine, i fattori di trascrizione . Appena a monte del sito di inizio della trascrizione, l'elemento prossimale è generalmente ricco di nucleotidi T e A , ed è quindi chiamato scatola TATA negli eucarioti o scatola di Pribnow nei batteri. I fattori di trascrizione promuovono il reclutamento della RNA polimerasi al promotore e l'apertura del duplex del DNA. Quella che viene chiamata una bolla di trascrizione viene quindi formata con il DNA aperto, uno dei cui filamenti (il modello) è ibridato con l'RNA che viene sintetizzato.
Una volta che la RNA polimerasi si è fissata sul promotore e si è formata la bolla di trascrizione, sintetizza i primi nucleotidi in maniera statica senza abbandonare la sequenza del promotore. I fattori di trascrizione si rompono e l'RNA polimerasi diventa processiva. Quindi trascrive l'RNA nella direzione 5 'a 3' , utilizzando uno dei due filamenti di DNA come stampo e ribonucleotidi trifosfati ( ATP , GTP , CTP e UTP ) come precursori.
In vivo , in Escherichia coli , la velocità di estensione della RNA polimerasi è di circa 50-90 nucleotidi al secondo.
La terminazione della trascrizione dell'RNA procede secondo meccanismi completamente diversi nei batteri e negli eucarioti .
Nei batteri, il principale meccanismo di terminazione coinvolge una particolare struttura di RNA, il terminatore , costituito da un'ansa-staminale stabile seguita da una serie di residui di uridina (U). Quando l'RNA polimerasi sintetizza questa sequenza, il ripiegamento dell'asta dell'RNA provoca la pausa della polimerasi. L'RNA, che non è più accoppiato al DNA stampo se non da una serie di deboli accoppiamenti AU, si stacca, senza l'intervento di altri fattori proteici. La terminazione può avvenire anche tramite l'intervento di uno specifico fattore proteico, il fattore Rho.
Negli eucarioti, la terminazione della trascrizione da parte della RNA polimerasi II è accoppiata alla poliadenilazione . Due complessi proteici, CPSF (en) e CStF (en) riconoscono i segnali di poliadenilazione (5′-AAUAAA-3 ) e di scissione dell'RNA. Fendono l'RNA, inducono il distacco della DNA polimerasi e reclutano la poli-A polimerasi che aggiunge la coda poli (A) (vedi sotto).
L'elaborazione dell'RNA comprende una serie di modificazioni post-trascrizionali osservate principalmente negli eucarioti e gioca un ruolo importante nel destino dell'RNA maturato. Le principali modifiche sono l'aggiunta di un cappuccio 5, la poliadenilazione 3′, lo splicing , l'introduzione di modifiche chimiche a livello di base o ribosio e infine l' editing .
CapIl tappo , o 5'-cap in inglese, è una modifica nucleotidica che viene aggiunto alla estremità 5 ' del RNA messaggero in eucariotiche cellule . Consiste in un residuo di guanosina metilata legato da un legame 5'-5' trifosfato al primo nucleotide trascritto dalla RNA polimerasi . Questa modificazione viene introdotta nel nucleo della cellula, per azione successiva di diversi enzimi: polinucleotide 5'-fosfatasi , RNA guanililtransferasi , metiltransferasi .
Il cappuccio svolge diversi ruoli: aumenta la stabilità dell'RNA proteggendolo dalla degradazione da parte delle 5xon-3 ′ esonucleasi e consente inoltre il reclutamento di fattori di inizio della traduzione necessari per il legame del ribosoma agli RNA messaggeri cellulari. Il cappuccio è quindi essenziale per la traduzione della maggior parte degli mRNA.
poliadenilazioneLa poliadenilazione è l'aggiunta di un'estensione all'estremità 3' dell'RNA composta esclusivamente da ribonucleotidi di tipo adenosina (A). Per questo motivo l'estensione è chiamata poly tail (A) . Sebbene composta da nucleotidi standard, questa coda poli (A) viene aggiunta post-trascrizionale da un enzima specifico chiamato poli (A) polimerasi e non è codificata nel DNA genomico . La coda poli (A) si trova principalmente all'estremità degli RNA messaggeri . Negli eucarioti, la poliadenilazione degli mRNA è necessaria per la loro traduzione da parte del ribosoma e partecipa alla loro stabilizzazione. La coda poli(A) è in particolare riconosciuta da PABP ( proteina legante poli(A), “ proteina legante poli(A) ”).
Nei batteri e in alcuni mitocondri , la poliadenilazione dell'RNA è, al contrario, un segnale di degradazione.
giunturaLo splicing è una modifica post-trascrizionale che comporta la rimozione degli introni e la sutura degli esoni nell'mRNA e in alcuni RNA strutturati come il tRNA. Trovato negli organismi eucarioti, gli introni sono segmenti di RNA codificati nel genoma e trascritti nell'RNA precursore, ma che vengono rimossi dal prodotto finale. Nella maggior parte dei casi, questo processo coinvolge uno specifico macchinario complesso chiamato spliceosoma . Lo splicing avviene nel nucleo delle cellule eucariotiche, prima dell'esportazione dell'RNA maturato nel citoplasma.
Nucleotidi modificatiDopo la loro trascrizione da parte della RNA polimerasi, alcuni RNA subiscono modificazioni chimiche sotto l'azione di enzimi specifici. Gli RNA chiave che subiscono cambiamenti sono gli RNA di trasferimento e gli RNA ribosomiali . Si può anche ritenere che le metilazioni coinvolte nella sintesi del cap siano modificazioni di particolari nucleotidi . Nel caso generale le modifiche possono riguardare sia la base che il ribosio . Le principali modifiche riscontrate sono:
Negli RNA di trasferimento, l'introduzione di nucleotidi modificati contribuisce ad aumentare la stabilità delle molecole.
La modificaL'editing dell'RNA consiste in una modifica della sequenza dell'acido ribonucleico, successiva alla trascrizione da parte dell'RNA polimerasi. Al termine del processo di editing, la sequenza dell'RNA è quindi diversa da quella del DNA. Le modifiche apportate possono essere la modifica di una base, la sostituzione di una base o l'aggiunta di una o più basi. Queste modificazioni sono eseguite da enzimi che agiscono sull'RNA come la citidina deaminasi , che converte chimicamente i residui di citidina in uridina .
Nelle cellule, gli RNA svolgono quattro ruoli distinti e complementari:
Una classe speciale di RNA, gli RNA di trasferimento, si trova all'interfaccia di molte di queste funzioni guidando gli amminoacidi durante la traduzione .
Infine, il genoma di alcuni virus è costituito esclusivamente da RNA e non da DNA. Questo è particolarmente vero per i virus dell'influenza , dell'AIDS , dell'epatite C , della poliomielite e dell'Ebola . A seconda dei casi, la replicazione di questi virus può passare attraverso un DNA intermedio ( retrovirus ), ma può anche avvenire direttamente da RNA a RNA.
L'RNA è una molecola versatile, che ha portato Walter Gilbert , co-inventore del sequenziamento del DNA , a proporre nel 1986 l'ipotesi che l'RNA sarebbe la più antica di tutte le macromolecole biologiche. Questa teoria, nota come ipotesi del mondo a RNA (" ipotesi del mondo a RNA "), permette di superare un paradosso dell'uovo e della gallina che si presenta quando si cerca di sapere quale delle proteine ( catalizzatori ) e quale del DNA (gene informazioni) è apparso per primo. In questo modello, l'RNA, in grado di combinare contemporaneamente entrambi i tipi di funzioni, sarebbe il precursore universale.
L'informazione genetica contenuta nel DNA non viene utilizzata direttamente dalla cellula per sintetizzare la proteina . Per questo, utilizza copie transitorie di informazioni genetiche che sono RNA messaggeri o mRNA. Ogni RNA messaggero porta uno o, talvolta, più cistroni , cioè le istruzioni per formare una singola proteina. Corrisponde quindi alla copia di uno solo dei geni del genoma (si parla quindi di mRNA monocistronico) o talvolta di pochi ( mRNA policistronico ).
L'RNA messaggero contiene una copia di uno solo dei due filamenti di DNA, quello codificante, e non la sequenza complementare. Rispetto alla sequenza del gene contenuta nel DNA del genoma, quella del corrispondente mRNA può contenere modificazioni, in particolare dovute allo splicing (vedi sopra) che elimina le regioni non codificanti . L'RNA messaggero sintetizzato nel nucleo della cellula viene esportato nel citoplasma per essere tradotto in proteine. A differenza del DNA, che è una molecola perenne, presente per tutta la vita della cellula, gli RNA messaggeri hanno una durata di vita limitata, da pochi minuti a qualche ora, dopodiché vengono degradati e riciclati.
Un RNA messaggero ha tre regioni distinte: una regione 5′ non tradotta chiamata 5′-UTR, situata a monte del o dei cistroni che trasporta; una regione codificante corrispondente a questo oa questi cistroni; e infine, una regione non tradotta 3 3 chiamata 3 called-UTR. Gli RNA messaggeri sono tradotti in proteine dai ribosomi . La regione 5 non tradotta contiene generalmente i segnali traslazionali che consentono il reclutamento del ribosoma sul cistrone. Il processo di traduzione coinvolge anche gli RNA di trasferimento che forniscono al ribosoma gli amminoacidi necessari per la biosintesi delle proteine . All'interno del ribosoma, attraverso il loro anticodone , i tRNA si accoppiano successivamente con le triplette di basi, o codoni , della sequenza dell'mRNA. Quando l'accoppiamento codone-anticodone è corretto, il ribosoma aggiunge l'amminoacido trasportato dal tRNA alla proteina da sintetizzare. Le corrispondenze tra codoni e amminoacidi costituiscono il codice genetico .
La funzione degli RNA messaggeri è molteplice. Da un lato permettono di preservare il DNA stampo originale, che non viene utilizzato direttamente per la traduzione, la cellula lavora solo sulla copia che è l'mRNA. Soprattutto, l'esistenza di RNA messaggeri fornisce alla cellula un meccanismo cruciale per regolare il ciclo di produzione delle proteine dal genoma. Il fabbisogno cellulare di una particolare proteina può variare a seconda dell'ambiente, del tipo di cellula, dello stadio di sviluppo. La sintesi proteica deve quindi essere attivata o interrotta a seconda delle condizioni cellulari. La regolazione della trascrizione del DNA in mRNA risponde a questa esigenza ed è controllata da specifici fattori di trascrizione che agiscono sui promotori dei geni bersaglio. Quando la quantità di una data proteina è sufficiente, la trascrizione dell'mRNA viene inibita, viene gradualmente degradata e la produzione di proteine cessa. È quindi importante che l'mRNA sia una molecola transitoria, per poter svolgere questa regolazione essenziale.
Gli RNA di trasferimento , o tRNA, sono RNA corti, lunghi circa 70-100 ribonucleotidi coinvolti nell'indirizzare gli amminoacidi al ribosoma durante la traduzione .
Gli RNA di trasferimento hanno una caratteristica struttura a foglia di trifoglio, costituita da quattro steli accoppiati. Uno di questi steli è terminato da un anello che contiene l' anticodone , la tripletta di nucleotidi che si accoppia con il codone durante la traduzione di un mRNA da parte del ribosoma . All'altra estremità, il tRNA trasporta l' amminoacido corrispondente attaccato da un legame estere alla sua estremità 3'-OH. Questa esterificazione è catalizzata da enzimi specifici, le aminoacil-tRNA sintetasi . In tre dimensioni, la struttura a foglia di trifoglio si piega a forma di "L", con l'anticodone a un'estremità e l'aminoacido esterificato all'altra estremità.
Tutte le cellule viventi contengono un insieme di diversi tRNA che trasportano diversi amminoacidi e sono in grado di leggere diversi codoni.
Gli RNA di trasferimento sono talvolta indicati come "adattatori" tra la sequenza genetica e la sequenza proteica . Fu Francis Crick a proporre l'esistenza di questi adattatori, ancor prima della loro scoperta nel 1958.
La scoperta di RNA con una capacità di catalizzatore è stata fatta nel 1980, in particolare dal team di Thomas Cech , che ha lavorato al introni del gene del RNA ribosomiale del protozoo ciliato Tetrahymena , e il Sidney Altman , che ha studiato il P ribonucleasi , il enzima di maturazione del tRNA . Cech e Altman ricevettero il Premio Nobel per la Chimica nel 1989 per questa scoperta.
In entrambi i casi, l'RNA da solo è in grado di catalizzare una specifica clivaggio (clivaggio) o reazione di transesterificazione in assenza di proteine . Questi RNA catalitici sono stati chiamati ribozimi perché sono enzimi costituiti da acido ribonucleico. Nel caso dell'introne Tetrahymena , è un auto-splicing , l'introne è il suo stesso substrato , mentre la ribonucleasi P è un enzima che agisce in trans , su più substrati.
Da queste prime scoperte, sono stati identificati altri ribozimi naturali:
In generale, in tutti questi ribozimi, è il loro ripiegamento specifico che consente loro di eseguire il riconoscimento del loro substrato e la catalisi, come nel caso degli enzimi proteici.
Gli RNA guida sono RNA che si combinano con enzimi proteici e servono a guidare la loro azione su RNA o DNA di sequenza complementare . L'RNA guida si accoppia con l'acido nucleico substrato e aiuta a indirizzare l'attività dell'enzima. Sono stati identificati diversi tipi:
Alcuni RNA svolgono un ruolo di regolatori diretti dell'espressione genica. Questo è in particolare il caso degli RNA non codificanti che possiedono regioni complementari agli RNA messaggeri cellulari e che possono quindi accoppiarsi con essi per formare localmente un doppio filamento di RNA. Questi RNA antisenso possono essere derivati dallo stesso locus genetico del loro RNA bersaglio, mediante la trascrizione del filamento complementare, questo viene quindi indicato come RNA cis- regolatorio. Possono anche essere derivati dalla trascrizione di un'altra regione del genoma, sono quindi trans normativi RNA .
L'accoppiamento dell'RNA regolatorio con il suo RNA messaggero bersaglio può agire sulla capacità di quest'ultimo di essere tradotto dal ribosoma o sulla sua stabilità, che porta ad una regolazione della traduzione del/i gene/i portato/i dall'RNA messaggero. . Nei batteri, ci sono quindi molti esempi di anti-senso cis - o trans normativo RNA che bloccano il sito di inizio della traduzione. Ad esempio, il gene che codifica per la porina OmpF è regolato da un RNA antisenso chiamato MicF.
Negli eucarioti , ci sono anche grandi RNA regolatori, che sono coinvolti nei processi regolatori epigenetici . L'esempio più noto è quello dell'RNA Xist nei mammiferi. Questo inattiva non un gene, ma un intero cromosoma. Xist copre uno dei due cromosomi X di ogni cellula negli individui di sesso femminile che diventa così inattivo. Solo uno dei due cromosomi della coppia XX è quindi attivo, il che consente di avere lo stesso livello di espressione dei geni portati dal cromosoma X come negli individui maschi, che ne hanno uno solo. L'inattivazione di X è un processo casuale, che può portare all'espressione di diversi fenotipi da parte di cellule diverse, nella stessa femmina. Questo è ad esempio il caso del colore del mantello dei gatti.
L'RNA è oggi utilizzato in una serie di applicazioni in biologia molecolare, in particolare grazie al processo di interferenza dell'RNA , che consiste nell'introduzione nelle cellule eucariotiche di brevi frammenti di RNA a doppio filamento denominati " Piccoli RNA interferenti ". Lunghi una ventina di paia di basi, questi piccoli RNA interferenti (pRNA) sono utilizzati da un macchinario cellulare in grado di degradare gli mRNA in modo specifico. Vengono degradati solo gli mRNA contenenti una sequenza corrispondente a quella del pRNAi , il che rende possibile diminuire selettivamente l'espressione di una data proteina. Questo approccio tecnologico è molto più semplice e veloce rispetto alla creazione di linee di topo inattivate ( knock-out ) ed è chiamato knock-down .
Sono previsti tentativi di utilizzare questa tecnica a fini terapeutici, ad esempio mirando a geni virali per combattere le infezioni, o oncogeni , nel caso dei tumori. Tuttavia, richiedono la stabilizzazione dei piccoli RNA interferenti (pRNAi) per evitare la loro degradazione da parte delle ribonucleasi e per indirizzare la loro azione verso le cellule interessate.
Gli acidi nucleici furono scoperti nel 1868 da Friedrich Miescher . Miescher chiamò la nuova sostanza "nucleina" perché si trovava nel nucleo delle cellule. La presenza di acidi nucleici nel citoplasma del lievito è stata individuata nel 1939 ed è stata stabilita la loro natura ribonucleica, a differenza dei cromosomi che contenevano DNA con desossiribosi.
Intorno al 1940 , il biologo belga Jean Brachet studiò molecole fino ad allora poco caratterizzate, che all'epoca erano ancora chiamate “acidi timonucleico e zimonucleico” (rispettivamente DNA e RNA). Scopre che l'acido timonucleico è un componente dei cromosomi e che viene sintetizzato quando le cellule si dividono dopo la fecondazione . Si evidenzia l'esistenza di acidi zimonucleici (RNA) in tutti i tipi cellulari: nel nucleo , nucleolo e citoplasma di tutte le cellule (mentre all'epoca si pensava che queste molecole fossero caratteristiche delle cellule vegetali e degli eucarioti inferiori come i lieviti ). Infine, mostra che questi acidi sono particolarmente abbondanti nelle cellule (più in particolare nell'ergastoplasma ) che sono molto attive in termini di sintesi proteica . Sono state stabilite le basi fondamentali della biologia molecolare . Correva l'anno 1940. Nel dopoguerra a Brachet si unì il biologo molecolare belga Raymond Jeener che avrebbe partecipato attivamente alle ricerche sul ruolo dell'RNA nella biosintesi delle proteine .
Alla fine degli anni '50 Severo Ochoa riuscì a sintetizzare molecole di RNA in vitro mediante un enzima specifico, la polinucleotide fosforilasi, che consentì di studiare le proprietà chimiche e fisiche dell'RNA.
Il ruolo dell'RNA come “messaggero” intermediario tra l'informazione genetica contenuta nel DNA e le proteine è stato proposto nel 1960 da Jacques Monod e François Jacob a seguito di una discussione con Sydney Brenner e Francis Crick . La dimostrazione dell'esistenza dell'RNA messaggero è stata fatta da François Gros . Quindi, la decifrazione del codice genetico è stata effettuata da Marshall Nirenberg nella prima metà degli anni '60. Per questo, ha utilizzato RNA sintetici di sequenza nucleotidica nota, di cui ha studiato le proprietà di codifica.
I ribosomi furono osservati per la prima volta dal biologo belga Albert Claude nei primi anni 1940. Utilizzando tecniche di frazionamento subcellulare e microscopia elettronica , ha rivelato "piccole particelle" di natura ribonucleoproteica, presenti in tutti i tipi di cellule cellule viventi. Li chiamò "microsomi", in seguito ribattezzati ribosomi.
La struttura secondaria dei tRNA è stata stabilita da Robert Holley , che è riuscito a purificare e analizzare la sequenza di tRNA specifica dell'alanina nel 1964. Questo è stato un importante passo avanti nella comprensione della decifrazione del messaggio genetico da essi trasportato. La struttura tridimensionale di un tRNA fu risolta nel 1974, indipendentemente, dai team di Aaron Klug e Alexander Rich, mostrando per la prima volta la complessa struttura di un RNA. L'esistenza di proprietà catalitiche degli RNA è stata stabilita indipendentemente da Sidney Altman e Tom Cech nel 1982, sulla ribonucleasi P da un lato e sugli introni auto-splicing dall'altro. La risoluzione della struttura delle singole subunità del ribosoma nel 2000 dai team di Tom Steitz , Ada Yonath e Venki Ramakrishnan , poi quella dell'intero ribosoma da parte del team di Harry Noller nel 2001, ha costituito un progresso essenziale nella comprensione di il meccanismo centrale della biologia che è la traduzione degli mRNA in proteine. Inoltre, ha permesso di dimostrare, tra l'altro, che anche il ribosoma era un ribozima.
Durante gli anni '70, Timothy Leary , nella sua opera The Politics of Ecstasy , vedeva nell'RNA la promessa di una futura modificazione della coscienza (possibilmente attraverso nuove droghe e/o esercizi spirituali), includendola come una componente che aumentava le capacità di apprendimento di uno che si impegnasse in tali esperienze.
L' ipotesi del mondo a RNA è un'ipotesi secondo la quale l'RNA è il precursore di tutte le macromolecole biologiche ed in particolare del DNA e delle proteine che avrebbero consentito in un ambiente abiotico (caratterizzato da una chimica prebiotica in parte ipotetica) l'apparizione dei primi cellule, vale a dire che formano un compartimento e comprendono informazioni e sottosistemi metabolici.
Nell'ambito dello studio delle origini della vita , questa ipotesi permette di spiegare la comparsa di diverse funzioni biologiche attraverso la costituzione di alcuni blocchi biomolecolari da plausibili intermedi prebiotici e molecole a base di carbonio. È stato dimostrato nel 2009 dal team di John Sutherland che plausibili precursori di ribonucleotidi, amminoacidi e lipidi possono essere tutti ottenuti mediante l'omologazione riduttiva dell'acido cianidrico e di alcuni dei suoi derivati. Ciascuno dei sottosistemi cellulari conosciuti potrebbe quindi essere spiegato dalla chimica del carbonio, con reazioni catalizzate dalla luce ultravioletta a priori molto presenti prima della comparsa dello strato di ozono , dall'acido solfidrico come agente riducente. Il ciclo fotoriduttivo potrebbe essere esso stesso accelerato dal rame [Cu (I) -Cu (II)].