Όλοι γνωρίζουμε το κεντρικό δόγμα: DNA → RNA → πρωτεΐνη. Γνωρίζατε όμως ότι ορισμένα γονίδια δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες αλλά μόρια RNA με σημαντικές κυτταρικές λειτουργίες;
Σύμφωνα με το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας, το DNA χρησιμοποιείται ως πρότυπο για τη δημιουργία αγγελιοφόρου RNA (mRNA), το οποίο με τη σειρά του μεταφράζεται σε πρωτεΐνες που οικοδομούν τους ιστούς στο σώμα μας και εκτελούν τις κύριες λειτουργίες των κυττάρων και των οργάνων μας. Με άλλα λόγια, DNA → mRNA → πρωτεΐνες. Είναι ενδιαφέρον, όμως, ότι μόνο περίπου το 2% του DNA σε ολόκληρο το γονιδίωμα μας κωδικοποιεί πρωτεΐνες! Σε τι χρησιμεύει λοιπόν το υπόλοιπο 98% του ανθρώπινου γονιδιώματος; Ένα μεγάλο μέρος του μπορεί όντως να μην έχει συγκεκριμένη λειτουργία. Ωστόσο, στα τέλη του 20ου και τις αρχές του 21ου αιώνα, αποδείχθηκε ότι ένα μέρος αυτού του μη κωδικού DNA, όχι μόνο περιέχει σημαντικά ρυθμιστικά στοιχεία για τη μεταγραφή, αλλά και αλληλουχίες που κωδικοποιούν διάφορα μη κωδικά RNA (ncRNAs) που επιτελούν λειτουργίες σε πολλούς κυτταρικούς μηχανισμούς.[1]
Οι πρώτες γνωστές κατηγορίες μη κωδικών RNA ήταν τα ριβοσωμικά (rRNA) και τα μεταφορικά RNA (tRNA), που ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία των 1950. Τα tRNA είναι απαραίτητα για την πρωτεϊνοσύνθεση, καθώς μεταφράζουν την αλληλουχία mRNA σε αλληλουχία αμινοξέων, μια διαδικασία που πραγματοποιείται στο ριβόσωμα, το οποίο αποτελείται από μεγάλα rRNA και διάφορες ριβοσωμικές πρωτεΐνες (εικόνα 1). Στην πραγματικότητα, τα rRNA είναι τα πιο άφθονα RNA στο κύτταρο καθώς τα ριβοσώματα είναι πολύ σημαντικά για τις κυτταρικές λειτουργίες!
Τόσο τα tRNA όσο και τα rRNA έχουν πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές αναδίπλωσης που είναι απαραίτητες για τη λειτουργία τους, όπως και οι πρωτεΐνες.
Τα rRNA και tRNA σχηματίζουν την ομάδα των λεγόμενων διαχειριστικών ncRNA (housekeeping ncRNAs) επειδή είναι απαραίτητα για τη πραγματοποίηση θεμελιωδών κυτταρικών διεργασιών. Μια δεύτερη ομάδα μη κωδικών RNA ανακαλύφθηκε αργότερα στη δεκαετία των 1990. Αυτά τα RNA, που ονομάζονται ρυθμιστικά ncRNA, έχουν ποικίλους ρυθμιστικούς ρόλους στο κύτταρο. Τα ncRNA με λιγότερα από 200 ζεύγη βάσεων ονομάζονται μικρά μη κωδικά RNA (sncRNAs), ενώ όλα τα μη κωδικά RNA που είναι μεγαλύτερα από 200 ζεύγη βάσεων αποτελούν τα μακρά μη κωδικά RNA (lncRNA, σχήμα 3), ενώ και τα δύο είδη μπορούν να διαχωριστούν σε ομάδες με βάση τη λειτουργία τους.[2]
Αν και αποτελούν μόνο ένα μικρό μέρος του γονιδιώματος, γνωρίζουμε σήμερα ότι τα μη κωδικά RNA είναι σημαντικά για διάφορες κυτταρικές διεργασίες. Πώς όμως αυτά τα RNA επιτελούν τις λειτουργίες τους; Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα ncRNA πρέπει να αλληλεπιδράσουν με άλλα μόρια. Για παράδειγμα, τα rRNA αλληλεπιδρούν με πρωτεΐνες κατά την πρωτεϊνοσύνθεση. Ωστόσο, φαίνεται ότι μπορούν να λειτουργήσουν επίσης με σχεδόν οποιοδήποτε είδος μορίου.
Τα RNA μπορούν ακόμη και να αλληλεπιδράσουν με άλλα RNA. Ένα από τα πιο συναρπαστικά παραδείγματα τέτοιας αλληλεπίδρασης RNA είναι τα microRNA, τα οποία βρίσκονται σχεδόν σε όλους τους οργανισμούς, εκτός από τα βακτήρια και ορισμένα είδη ζύμης. Τα microRNA αποτελούνται μόλις από 21-23 νουκλεοτίδια και χαρακτηρίζονται από δομές «φουρκέτας» που σχηματίζονται έπειτα από αυτοαναδίπλωση πριν από την επεξεργασία τους. Παρά το μικροσκοπικό μέγεθός τους, λειτουργούν ως οδηγοί για ισχυρά πρωτεϊνικά «ψαλίδια» μέσα στο κύτταρο καθώς δεσμεύονται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται «επαγόμενο από RNA σύμπλοκο αποσιώπησης» (RISC), το οποίο κόβει κωδικά mRNA. Όταν το RISC που είναι δεσμευμένο σε microRNA συναντά ένα mRNA με συμπληρωματική νουκλεοτιδική αλληλουχία, κόβει το mRNA και εμποδίζει τη μετάφρασή του σε πρωτεΐνη (εικόνα 4). Σήμερα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συχνά αυτόν τον μηχανισμό σίγασης RNA στα πειράματά τους για να μελετήσουν πώς συμπεριφέρονται τα κύτταρα υπό την έλλειψη μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης.[3]
Ένας άλλος συναρπαστικός ρόλος του RNA έχει ανακαλυφθεί στα χρωμοσώματα των θηλαστικών. Τα ανθρώπινα κύτταρα περιέχουν 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων. Για κάθε ζεύγος χρωμοσωμάτων, λαμβάνουμε ένα χρωμόσωμα από τη μητέρα μας και ένα από τον πατέρα μας. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε δύο αντίγραφα από κάθε γονίδιο και η φυσιολογική λειτουργία των κυττάρων βασίζεται στην ποσότητα της πρωτεΐνης που θα μεταφραστεί από τα δύο αντίγραφα γονιδίου. Εάν ένα κύτταρο καταλήξει με περισσότερα ή λιγότερα από δύο χρωμοσώματα κάποιου ζεύγους, τότε αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρά προβλήματα υγείας, όπως το σύνδρομο Down, το οποίο προκαλείται από τρία αντίγραφα του χρωμοσώματος 21.
Ωστόσο, υπάρχει ένα ειδικό ζεύγος χρωμοσωμάτων που δεν είναι πάντα παρόμοια: τα φυλετικά χρωμοσώματα, στα οποία μπορεί να υπάρχουν ως δύο χρωμοσώματα Χ στα θηλυκά κύτταρα ή ένα Χ και ένα Υ στα αρσενικά κύτταρα. Πώς όμως αντιμετωπίζει το κύτταρο τους διαφορετικούς αριθμούς χρωμοσωμάτων Χ σε διαφορετικά άτομα; Αυτό το πρόβλημα επιλύεται ορίζοντας ότι εκφράζεται μόνο ένα χρωμόσωμα Χ και στα δύο φύλα. Στην πρώιμη ανάπτυξη, το μη κωδικό RNA Xist επικαλύπτει ένα από τα χρωμοσώματα Χ σε άτομα ΧΧ και το απενεργοποιεί (εικόνα 5). Με αυτόν τον τρόπο, τα θηλυκά κύτταρα XX έχουν τόσα ενεργά γονίδια χρωμοσώματος Χ όσα και τα αρσενικά κύτταρα XY.[4]
Αυτά τα παραδείγματα λειτουργιών του RNA καταδεικνύουν την απίστευτη πολυπλοκότητα των κυττάρων μας. Πώς εξελίχθηκε αυτή η πολυπλοκότητα; Το 1986, ο Walter Gilbert πρότεινε ότι οι πρώτες βιομοριακές διεργασίες βασίζονταν πλήρως στο RNA, πολύ πριν από την εξέλιξη του DNA και των πρωτεϊνών. Αυτή η υπόθεση ονομάζεται «RNA Κόσμος».[5] Υπάρχουν πολλά επιχειρήματα που υποστηρίζουν αυτή την υπόθεση. Γνωρίζουμε ήδη ότι μόρια RNA μπορούν να μεταφέρουν γενετικές πληροφορίες ακριβώς όπως το DNA, αν και το RNA αποικοδομείται πιο εύκολα και έτσι το DNA παρέχει πιο σταθερή αποθήκευση. Ωστόσο, ορισμένοι οργανισμοί, όπως συγκεκριμένοι ιοί, χρησιμοποιούν την αστάθεια του RNA προς όφελός τους, αποθηκεύοντας τα γονιδιώματά τους ως RNA, το οποίο είναι πιο πιθανό να μεταλλαχθεί και έτσι επιτρέπει τη γρηγορότερη εξελικτική προσαρμογή. Επιπλέον, υπάρχουν ειδικά μόρια RNA που ονομάζονται ριβοένζυμα, τα οποία έχουν αναδιπλωμένη δομή όπως τα microRNA αλλά επιπλέον διαθέτουν καταλυτική λειτουργία όπως οι πρωτεΐνες: μπορούν να κόβουν πρωτεΐνες και μόρια RNA ή να επιταχύνουν ενζυμικές αντιδράσεις. Αυτό σημαίνει ότι αν και η θεμελιώδης αρχή της μοριακής βιολογίας είναι το DNA → RNA → πρωτεΐνη, το RNA μπορεί να εκπληρώσει τις λειτουργίες και των τριών σταδίων! Τα πιο διάσημα ριβοένζυμα που βρίσκονται στη φύση είναι το ριβοένζυμο hammerhead και το ριβοένζυμο φουρκέτας (hairpin) (εικόνα 6). Εντοπίστηκαν πρώτη φορά σε φυτικούς ιούς,[6] όπου χρησιμοποιούνται για την κοπή RNA, ακόμη και την παραγωγή μικροσκοπικών μολυσματικών σωματιδίων.[7] Ωστόσο, ερευνητές τα βρήκαν επίσης σε ανθρώπινα κύτταρα, όπου πιθανώς εμπλέκονται στην επεξεργασία του mRNA.[8] Στο μέλλον, ίσως μπορούμε ακόμη και να τα χρησιμοποιούμε για τη θεραπεία του καρκίνου και άλλων ασθενειών.[9]
Μια άλλη κυτταρική λειτουργία που μπορούν να επιτελέσουν τα βιομόρια που βασίζονται στο RNA είναι η διαμεσολάβηση της σηματοδότησης εντός ή μεταξύ των κυττάρων. Οι πρωτεΐνες μπορούν να εκτελέσουν αυτόν τον ρόλο, αλλά υπάρχει επίσης ένας αριθμός μικρών μορίων σηματοδότησης – μερικά πολύ σημαντικά- όπως το κυκλικό AMP και το κυκλικό di-GMP, που παράγονται από δομικούς λίθους RNA.[11] Μαζί με τα ριβοένζυμα, αυτά τα μόρια μπορεί να αντιπροσωπεύουν τα τελευταία απομεινάρια του RNA Κόσμου!
Δυστυχώς, ενώ αυτά τα υπολείμματα στα κύτταρά μας φαντάζουν συναρπαστικά, είναι παρά πολύ δύσκολο να συλλέξουμε άμεσες αποδείξεις υπέρ ή κατά του RNA Κόσμου, όπως θα υπήρχε πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια.
Μόλις πρόσφατα αρχίζουμε να αποκαλύπτουμε τις λειτουργίες και τη σημασία των μορίων RNA στις κυτταρικές διεργασίες. Το ερευνητικό έργο μου διερευνά τη λειτουργία των RNA στην επιφάνεια των χρωμοσωμάτων κατά την κυτταρική διαίρεση. Άλλες ερευνητικές ομάδες διερευνούν τον ρόλο των ncRNA σε ασθένειες και τον τρόπο χρήσης τους σε ιατρικές θεραπείες.[12] Οι επιστήμονες μόλις πρόσφατα ολοκλήρωσαν την αλληλούχιση των 3,2 δισεκατομμυρίων νουκλεοτιδίων του ανθρώπινου γονιδιώματος[13] και υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει για την κατανόηση όλων των λειτουργιών του.
Η ιστορία της έρευνας των μη κωδικών RNA δείχνει ότι ενώ αρχικά πιστεύαμε πως κατανοούσαμε το γονιδίωμα, στη συνέχεια συνειδητοποιήσαμε ότι η φύση είναι ακόμα πολύ πιο περίπλοκη από όσο θεωρούσαμε. Είναι σημαντικό να παραμείνουμε περίεργοι και να είμαστε ανοιχτόμυαλοι για να προσέξουμε όλα τα απροσδόκητα και όμορφα πράγματα που κρύβονται πίσω από την πολυπλοκότητα της φύσης.
Editor’s note: Some parts of the introduction and conclusion were rephrased to avoid any misunderstanding concerning the nature of ‘junk DNA’, which is not the focus of this article. The title was also modified to better reflect this.
DNA: Η αλληλουχία δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος μεταφέρει τη γενετική πληροφορία του οργανισμού μέσα σε κάθε κύτταρο
RNA: Το ριβονουκλεϊκό οξύ είναι λιγότερο σταθερό από το DNA, αλλά επιτελεί διάφορες σημαντικές λειτουργίες στο κύτταρο
mRNA: Τα αγγελιαφόρα RNA χρησιμεύουν ως μετάγραφο του DNA και ως καλούπι για τη μετάφρασή του σε πρωτεΐνες
tRNA: Τα μεταφορικά RNA μεταφράζουν το mRNA σε μια αλληλουχία αμινοξέων για τη δημιουργία πρωτεϊνών στα ριβοσώματα
rRNA: Τα ριβοσωμικά RNA είναι τα πιο άφθονα είδη RNA στο κύτταρο· μαζί με τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες αποτελούν τα δομικά συστατικά των ριβοσωμάτων
ncRNA: Τα μη κωδικά RNA είναι μόρια RNA που δεν μεταφράζονται σε πρωτεΐνες. Αυτά περιλαμβάνουν τα tRNA και τα rRNA, καθώς και τα ρυθμιστικά ncRNA
Ριβοένζυμα: Αυτά τα RNA έχουν καταλυτική λειτουργία όπως τα ένζυμα. Δεν πρέπει να συγχέονται με τα ριβοσώματα.
[1] Ένα άρθρο του BBC Future για το ρόλο του «σκοτεινού γονιδιώματος»: https://www.bbc.com/future/article/20230412-the-mystery-of-the-human-genomes-dark-matter
[2] Palazzo AF, Lee EW (2015) Non-coding RNA: what is functional and what is junk? Frontiers in Genetics 6: 2. doi: 10.3389/fgene.2015.00002
[3] Filipowicz W et al. (2005) Post-transcriptional gene silencing by siRNAs and miRNAs. Current Opinion in Structural Biology 15: 331–341. doi: 10.1016/j.sbi.2005.05.006
[4] Ένα άρθρο σχετικά με την αδρανοποίηση του χρωμοσώματος Χ στον ιστότοπο του UCLA News: https://newsroom.ucla.edu/releases/rna-silences-x-chromosome
[5] Higgs P, Lehman N (2015) The RNA World: molecular cooperation at the origins of life. Nat Rev Genet 16: 7–17. doi: org/10.1038/nrg3841
[6] Fedor MJ (2000) Structure and function of the hairpin ribozyme. J Mol Biol 297: 269–291. doi: 10.1006/jmbi.2000.3560
[7] Hammann C et al. (2012) The ubiquitous hammerhead ribozyme. RNA 18: 871–885. doi: 10.1261/rna.031401.111
[8] de la Peña M, García-Robles I (2010). Intronic hammerhead ribozymes are ultraconserved in the human genome. EMBO Rep. 11: 711–716. doi: 10.1038/embor.2010.100
[9] Ένα άρθρο για το ριβοένζυμο trans-splicing ως γενετική θεραπεία στο Advanced Science News: https://www.advancedsciencenews.com/therapeutic-applications-group-intron-based-trans-splicing-ribozymes/
[10] Lee K-Y, Lee B-J (2017) Structural and Biochemical Properties of Novel Self-Cleaving Ribozymes. Molecules 22: 678. doi: 10.3390/molecules22040678
[11] Nelson JW, Breaker RR (2017) The lost language of the RNA World. Sci Signal 10: eaam8812 doi:10.1126/scisignal.aam8812
[12] Bhatti GK et al. (2021) Emerging role of non‐coding RNA in health and disease. Metab Brain Dis 36: 1119–1134. doi: 10.1007/s11011-021-00739-y
[13] Ένα άρθρο του BBC Future σχετικά με την πρώτη αλληλούχιση του πλήρους ανθρώπινου γονιδιώματος: https://www.bbc.com/future/article/20230210-the-man-whose-genome-you-can-read-end-to-end
Η Zuzana Koskova είναι διδακτορική φοιτήτρια στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στη Χαϊδελβέργη. Είναι κάτοχος πτυχίου στις Βιοεπιστήμες και μεταπτυχιακού τίτλου στη Μοριακή και Κυτταρική Βιολογία από το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, Γερμανία. Τα επιστημονικά της ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν τις πρωτεΐνες που δεσμεύουν RNA και τα μη κωδικά RNA που εμπλέκονται στην κυτταρική διαίρεση.
Ο Miguel Hernandez είναι διδακτορικός φοιτητής σε εργαστήριο βιοϊατρικών υπολογιστικών συστημάτων στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο της Χαϊδελβέργης. Είναι κάτοχος πτυχίου Βιολογίας από το Πανεπιστήμιο της Γκουανταλαχάρα του Μεξικού και μεταπτυχιακού τίτλου στη Μοριακή και Κυτταρική Βιολογία από το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης της Γερμανίας. Ο Miguel είναι παθιασμένος με τη βιολογία και το έργο του επικεντρώνεται στην ανοσολογία και τη γονιδιακή ρύθμιση στο πλαίσιο των ανθρώπινων ασθενειών.
Αυτό το άρθρο σχετίζεται με κεφάλαια Μοριακής βιολογίας, Κυτταρικής βιολογίας και Νουκλεϊκών οξέων και θα μπορούσε να βοηθήσει στην εμβάθυνση πιο ικανών μαθητών πέρα από το πρόγραμμα σπουδών.
Ερωτήσεις κατανόησης:
Καλή επέκταση θα μπορούσε να είναι η οργάνωση συζήτησης στην τάξη σχετικά με το ποιο μόριο είναι το πιο σημαντικό στο κύτταρο – το DNA, το RNA ή η πρωτεΐνη;
Kathy Freeston, Καθηγήτρια Βιολογίας, Ακαδημία East Leake, Ηνωμένο Βασίλειο
Παίξτε το θεατρικό: οι μαθητές αναλαμβάνουν τους ρόλους των διαφορετικών δομικών συστατικών μιας σύναψης για να πραγματοποιήσουν τη συναπτική μετάδοση και να μάθουν για τη νευροβιολογία.
Περιηγηθείτε στις βιολογικές βάσεις δεδομένων: Η Ανάγνωση των χρωμοσωμάτων είναι ένα έργο του πανεπιστημίου CusMiBio που διδάσκει στους μαθητές πώς να εξερευνούν βιολογικές βάσεις δεδομένων και να εξάγουν βασικές πληροφορίες για τα ανθρώπινα γονίδια. Είναι μια ομαδική δραστηριότητα που βασίζεται στη συνεργασία και την ανταλλαγή ανακαλύψεων.
