RNA

ترکیبی پیچیده که در ساخت پروتئین های سلولی نقش داشته و وزن مولکولی بالایی دارد، RNA یا ریبونوکلئیک اسید نام دارد. این مولکول ترکیبی شبیه DNA می باشد با این تفاوت که در ساختار آن به جای قند دئوکسی ریبوز، ریبوز دیده می شود. اجزای سازنده این ماکرومولکول نیز نوکلئوتید می باشد. در کتاب علوم پایه هشتم مانند مولکول DNA، مولکول RNA نیز معرفی شده است.

در این مقاله ی ژن فناوری اوژن، ساختار مولکول ریبو نوکلئیک اسید و انواع آن بررسی می شود.

۱- مولکول RNA چیست؟

RNA ماکرومولکولی پیچیده است که در سنتز پروتئین ها نقش اساسی دارند. نام دیگر این مولکول ریبو نوکلئیک اسید است که از نوکلئوتید ریبوز تشکیل شده است. RNA مانند DNA از بازهای آلی تشکیل شده که حاوی نیتروژن می باشند (نوکلئوباز). با این تفاوت که به جای باز تیمین در DNA، باز اوراسیل دیده می شود. دیگر بازها همان گوانین، سیتوزین و آدنینی است که در ساختار DNA نیز وجود دارد. در این مولکول به جای قند دئوکسی ریبوز در DNA، قند ریبوز است که حلقه ای متشکل از ۵ کربن و یک اکسیژن است.

• نکته : در کربن شماره ۲ در RNA، وجود گروه هیدروکسیل، آن را آماده برای هیدرولیز می کند. چون در مولکول DNA، گروه OH فعال وجود ندارد، این مولکول را به ساختار ثابتی برای نگه داری اطلاعات ژنتیکی تبدیل کرده است.

۲- ساختار RNA :

می توان گفت ساختار RNA شباهت زیادی به ساختار DNA دارد. البته سه تفاوت اصلی بین این ساختارها وجود دارد. اول این که ساختمان RNA تک رشته ای می باشد، دوم این که به جای باز تیمین، یوراسیل دارد و تفاوت آخر نیز در نوع قند آن است که قند ریبوز می باشد. در ریبو نوکلئیک اسید ساختار سه بعدی پیچیده ای دیده می شود. چون بازها با هم جفت شده و شکل خمیده ای ایجاد می کند که از لوپ ها و مارپیچ ها تشکیل شده است. ساختار تک رشته ای RNA باعث می شود که آن، به شکل سه بعدی پیچ و تاب بخورد و این عمل با تعامل بازها امکان پذیر است.

ساختار RNA

ساختار سه بعدی که در ریبونوکلئیک اسید وجود دارد، امکان دسترسی آنزیم ها به بازها و قندهای این مولکول را فراهم می کند و می تواند گروه های شیمیایی مختلفی را به زنجیره متصل کند. پیوندهای شیمیایی مختلفی که در قسمت های RNA ایجاد می شود، ساختار آن را تثبیت می کند.

۳- انواع RNA :

• Coding
• non Coding

1. RNA کد کننده شامل، mRNA، tRNA و rRNA می شود.
2. RNA غیر کد کننده شامل، LNC RNA و micro RNA می شود.

سه نوع RNA کدکننده در سلول ها به نام های mRNA (RNA پیام رسان)، tRNA (RNA انتقال دهنده) و rRNA (RNA ریبوزومی) وجود دارد. عملکردهای این ریبونوکلئیک اسیدها در سلول ها بسیار پیچیده و مهم و مانند اعمالی است که آنزیم ها انجام می دهند.

• mRNA:

برای اولین بار در سال ۱۹۵۶ دو دانشمند به نام های «الیوت ولیکن» و «لازاروس آستراچان» مولکول های mRNA را توصیف کردند. به دلیل این که اطلاعات DNA نمی تواند به طور مستقیم به پروتئین تبدیل شود، با رونویسی در مولکول های mRNA، توسط آن ها به مناطقی که پروتئین ها باید ساخته شوند، منتقل می شوند. هر رمز ژنتیکی شامل سه باز متوالی می باشد که یک کدون را تشکیل داده و می تواند نشان دهنده ی یک اسید آمینه باشد. هر یک از این مولکول ها برای سنتز یک پروتئین خاص رونویسی می شوند (در باکتری ها ممکن است بیش از یک پروتئین باشد). بعد از انتقال به سیتوپلاسم هسته، مولکول های mRNA به پروتئین ترجمه می شوند و این کار را tRNA انجام می دهد.

تفاوتی که در ساختار مولکول های mRNA در سلول های پرو کاریوتی و یوکاریوتی وجود دارد، استری شدن انتهای ۵پرین تری فسفات و تشکیل کلاهک در این انتها در سلول های یوکاریوتی می باشد. انتهای ۳پرین این مولکول توسط DNA کدگذاری نشده و به صورت آنزیمی به آن چسبیده و دم پلی A نامیده می شود. اما سلول های پروکاریوتی دارای یک انتهای ۵پرین تری فسفات و انتهای دیگر ۳پرین هیدروکسیل است.

در سلول های یوکاریوتی mRNA از مولکول پیش ساز که دارای نسخه دقیقی از ژن است ساخته شده و این مولکول های  mRNA با داشتن کلاهک و دم پلی A پایدار می باشند. اما در سلول های پروکاریوتی مولکول های mRNA زود خراب می شوند.

• tRNA:

مولکول هایی که اسیدهای آمینه سنتز شده را به ریبوزوم انتقال می دهند تا پروتئین ها ساخته شوند، tRNA می گویند. در سال ۱۹۶۰ نقش آن ها در سنتز پروتئین ها توسط دانشمندانی چون رابرت ویلیام هوللی کشف شد. ترتیب مولکول های tRNA از روی mRNA توسط مولکول های ریبوزومی تعیین می شود که با این توالی می تواند اسیدهای آمینه را بهم متصل و پروتئین را بسازد. این پروتئین ها که با پیوندهای پپتیدی به هم وصل می شوند، با جدا شدن از ریبوزوم مورد استفاده در قسمت های مختلف بدن می شوند.

peptide synthesis

این مولکول ها برای انواع ۲۰ اسید آمینه ای که برای سنتز پروتئین استفاده می شود، به طور اختصاصی وجود دارد. اگر اسید آمینه ای بیش از یک کدون داشته باشد، تعداد tRNA بیشتری برای یک اسید آمینه استفاده می شود. مولکول tRNA ساختار برگ شبدری ۵ بازویی دارد که یک بازوی آن در یک سمت دارای آنتی کدونی است که متصل به کدون mRNA می شود و از سر دیگر اسید آمینه را قبول می کند. آنزیمی که باعث قرار گرفتن اسیدهای آمینه روی tRNA می شود، آمینواسیل tRNA سنتتاز می باشد.

• rRNA:

مولکول های rRNA در هستک هسته تولید و وارد ساختار ریبوزوم ها می شود. ریبوزوم ها اندامک هایی هستند که وقتی به mRNA متصل می شوند، پروتئین ها را از روی توالی نوکلئوتیدهای mRNA می سازند. ریبوزوم ها دارای tRNA های بزرگ و کوچک هستند که با ترکیب با پروتئین های ریبوزومی می توانند ریبوزوم های کوچک و بزرگ را بسازند. در یک سلول یوکاریوتی می تواند ۱۰ میلیون ریبوزوم و ۵۰ تا ۵۰۰۰ از ژن های tRNA، وجود داشته باشد. یک سلول پروکاریوتی، ریبوزوم و tRNA کمتری دارند. ۴ مولکول tRNA وجود دارد که سه نوع آن در هسته و یک نوع دیگر در سیتوپلاسم ساخته می شوند. عمل سنتز پروتئین ها با اتصال مولکول های ریبوزوم به mRNA انجام می شود.

• lncRNA:

RNA های غیرکدشوندۀ بلند، مولکولهای تنظیمی هستند که بسیاری از فرایندهای حیاتی در سلول را تنظیم میکنند. این RNA های تنظیمی به عنوان يك جزء مهمی از شبکه های تنظيمي ژن ها و بيان ژن هاي كليدي درگير در تنظيم تكامل يك نقش مهمي را در بيماري هاي عصبي سیستم عصبی مرکزی بازی میکنند. هدف از این مطالعه بررسی عملکردهای تنظیمی این lncRNA ها در تکامل سیستم عصبی مرکزی و يك مروری بر نقش هاي آنها در بیولوژی بیماری های عصبی -روانی بود.
بیش از نیمی از تمام lncRNA ها در سلول های سیستم عصبی مرکزی بیان می شوند و بیان تنظیم شدۀ آنها در تکامل و عملکرد سیستم عصبی با اهمیت است. lncRNA ها در تکامل قسمت های مختلف مغز، اختصاصیت و تمایز رده های الیگو دندروسیت و میلیناسیون نهایی دخالت دارند. به علاوه، آنها يك نقشي را در تنظیم عملکردهای حیاتی مانند حفظ سلول های بنيادي عصبی، نورونزايي و گلیوژنز، هموستاز و دارند. lncRNA ها با فرایندهای بیولوژیکی در مغز مانند تکامل هیپوکامپ و پیری اتصالات سیناپتیک مرتبط هستند.

• microRNA:

میکرو RNA ها به اختصار miRNA توالی های RNA ای غیر کد شونده و کوچکی (حدود 22 نوکلئوتید) هستند که در گیاهان، حیوانات و بعضی از ویروس ها وجود دارند و در کنترل  RNA، تنظیمات بعد از رونویسی و بیان ژن نقش بسزایی دارند. با وجود اینکه  بیشتر micro RNA ها ساکن در درون سلول هستند، بخشی دیگر که معمولا ( miRNA) های در حال گردش یا بیرون سلولی نام دارند، در محیط های بیرون سلولی نیز، مانند مایعات بیولوژیک  و محیط کشت سلولی حضور دارند. میکرو RNA   ها طبق  رابطه جفت بازی با توالی های مکمل خود در درون مولکول های mRNA عمل می کنند .

ژنوم انسان در حدود بیش از 1000 رونوشت میکرو آر ان آ کد می کند که در بسیاری از سلول های پستانداری یافت میشوند و در حدود 60 درصد ژن های انسانی و سایر پستانداران را در بر میگیرد.

میکرو آر ان آ ها در گیاهان و حیوانات به خوبی حفظ شده اند و به نظر می رسد از اجزای تکاملی قدیمی و حیاتی در تنظیم بیان ژن باشند. miRNA های گیاهی اغلب به طور کامل با mRNA های مورد هدف جفت می شوند و منجر به سرکوب بیان ژن از طریق شکسته شدن رونوشت های هدف می شوند. در مقابل، آر ان آ های کوچک  حیوانی با استفاده از یک توالی به کوتاهی 8-6 نوکلئوتید در انتهای 5’

خود (Seed Region) قادر به شناسایی mRNA هدف هستند که این میزان از جفت شدگی برای القای شکسته شدن مولکول هدف کافی نیست و معمولا مهار ترجمه را القا می سازد. تنظیم ترکیبی از ویژگی های آر ان آ های کوچک در حیوانات است، به گونه ای که یک میکرو RNA یا ( miRNA) ممکن است صدها mRNA هدف مختلف داشته باشد و یک مولکول هدف مشخص توسط چندینمیکرو RNA یا ( miRNA) تنظیم شود. بسته به روش تخمین مورد استفاده، تعداد متوسط mRNA ای که به وسیله ی یک ( miRNA) مشخص مورد هدف قرار میگیرند، متفاوت است اما روش های متعددی نشان می دهد که میکرو آر ان آ های پستانداری قادر به هدف گیری تعداد زیادی mRNA مجزا باشند. اولین میکرو آر ان آ در اوایل 1990 شناسایی شد، با اینحال این مولکول ها تا اوایل 2000 بعنوان دسته ای مجزا از تنظیم کننده های بیولوژیک شناسایی نشده بودند. از آنجایی که میکرو آر ان آ در عملکرد طبیعی سلول های یوکاریوتی دخیل است، بر هم خوردن تنظیمات آن منجر به بروز بیماری می شود. جهش در seed region این مولکول های تنظیمی و یا حذف دسته ای از آنها می تواند منجر به بروز نواقص ژنتیکی شود. اولین بیماری انسانی مرتبط با تنظیم نامناسب آر ان آ های کوچک ها لوسمی لنفوسیتی و به دنبال آن سایر بدخیمی های مربوط به سلول های B بود. بسیاری از  آر ان آ های کوچک  بروز سرطان ارتباط دارند.

کیت استخراج میکرو RNA یا miRNA کمپانی Favorgen  تایوان برای استخراج میکرو RNA ها (miRNA) و دیگر سلول های کوچک از بافت طراحی شده است.
خالص سازی آر ان آ های کوچک از سلول ها و نمونه های کشت شده روند تحقیقات در پروسه های بیولوژیکی جهت تنظیم ژن را هموار میسازد
پروتکل های استانداردی که برای جداسازی کامل RNA و mRNA  استفاده میشوند ،برای استخراج مولکول های کوچک RNA بهینه نیستند و درنتیجه باعث از دست دادن مقدار قابل توجهی از micro RNA و دیگر RNA های کوچک میشوند.
علاوه بر این، در این پروسه نیاز به حذف RNA های غالب بزرگتر برای تجزیه و تحلیل دقیق micro RNA توسط qPCR یا تجزیه و تحلیل میکروارگانیسم ها میباشد.
این کیت به طور خاص و ویژه برای استخراج micro RNA با حداقل آلودگی از مولکول های بزرگ RNA یا ژنوم DNA طراحی شده است.
روش این کیت روش ستونی با ماتریکس فیبر مبتنی بر سیلیکا میباشد که منجر به اتصال  RNA  در حضور یک نمک شاتروپیک میشود.
این روش بر اساس اتصال انتخابی مولکولهای RNA با اندازه های متفاوت به ماتریکس فیبر بر پایه سیلیکا است.

4- تفاوت DNA با RNA چیست؟

 این دو نوع ماکرومولکول، دو نوع متمایز از اسیدنوکلئیک (Nucleic acid) هستند و برای آن که متوجه شویم تفاوت های DNA با RNA چیست، باید آن ها را از لحاظ ساختار و عملکرد مقایسه کنیم.

در ادامه این تفاوت ها را ذکر می کنیم:

• نوکلئوتیدهایی که DNA را تشکیل می دهند، شامل آدنین (Adenine) (A)، گوانین (Guanine) (G)، سیتوزین (Cytosine) (C) و تیمین (Thymine) (T) هستند؛ در حالی که نوکلئوتیدهای RNA شامل آدنین (Adenine) (A)، گوانین (Guanine) (G)، سیتوزین (Cytosine) (C) و اوراسیل (Uracil) (U) هستند.
• ساختار DNA یک مارپیچ دوگانه در سلول های یوکاریوتی (Eukaryotic cells) است؛ اما RNA به طور معمول تک رشته ای است و به اشکال مختلف وجود دارد.
  ساختار تک رشته ای RNA به این مولکول اجازه می دهد تا بر روی خود تا شود و ساختارهای ثانویه پایدار و مختلفی را در صورت لزوم تشکیل دهد.

5- عملکرد و نقش RNA چیست؟

سال های متمادی اعتقاد بر این بود که RNA تنها سه نقش اصلی در سلول دارد:

• یک فتوکپی DNA که به عنوان مرحله “رونویسی DNA (تبدیل DNA به mRNA) ” از آن نام برده می شود.
• جفت کننده بین کد ژنتیکی و عنوان اجزای سازنده پروتئین که مرحله “ترجمه (تبدیل mRNA به پروتئین)” نام دارد.
• یک جزء ساختاری ریبوزوم ها (rRNA) که به عنوان کاتالیزور عمل می کنند؛ یعنی RNA نقش یک کاتالیزور بیولوژیکی را دارد.

با این حال در سال های اخیر متوجه شده ایم که نقش های بیشتر RNA چیست. این نقش ها بسیار گسترده تر و جالب تر هستند.

اکنون می دانیم که RNA می تواند فعالیت های زیر را داشته باشد:

• به عنوان آنزیم برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی عمل می کند.
• در تعدادی از ویروس های مهم بالینی، RNA به جای DNA حامل اطلاعات ژنتیکی ویروسی است. ارگانیسم هایی که نیاز به تغییر سریع دارند تمایل دارند که از RNA به عنوان ماده ژنتیکی خود استفاده کنند. ویروس هایی مانند آنفولانزا و اچ آی وی، RNA را به جای DNA انتخاب می کنند تا بتوانند سریع تغییر کنند تا سیستم ایمنی بدن آن را شناسایی نکند.
• نقش مهمی در تنظیم فرآیندهای سلولی ایفا می کند.

در ادامه به توضیح سه نقش اصلی RNA ها می پردازیم.

• 5-1- رونویسی DNA (DNA به mRNA)

از آن جایی که DNA نمی تواند هسته را ترک کند، به تنهایی قادر به تولید پروتئین نیست. تولید پروتئین ها از توالی کدکننده DNA، با فرآیندی به نام “رونویسی” آغاز می شود. بازهای یک رشته RNA یا DNA می توانند به پایه های یک رشته دیگر بچسبند. همچنین آن ها می توانند به بازهای مکمل خود متصل شوند. یعنی در C ،RNA و A به ترتیب می توانند به G و U متصل شوند؛ بنابراین DNA به عنوان الگویی قرار می گیرد که RNA از روی آن رونویسی را انجام می دهد و توالی DNA را منعکس می کند.

در طول رونویسی، چندین آنزیم از جمله هلیکاز (Helicase)، سبب می شوند که ساختار مارپیچی DNA باز شود تا آنزیم دیگری به نام RNA پلیمراز (RNA polymerase) بتواند فعالیت خود را آغاز کند. RNA پلیمراز در امتداد رشته DNA پیچیده نشده حرکت می کند که مولکول mRNA را بسازد تا زمانی که آماده خروج از هسته شود.

حال که متوجه شدیم در رونویسی mRNA چگونه ساخته می شود و نقش RNA چیست، باید درباره عملکردی که mRNA دارد صحبت کنیم.

• 5-2- ترجمه (mRNA به پروتئین)

ترجمه یک فرآیند زیستی است که برای ساخت پروتئین از mRNA انجام می شود. علاوه بر این که متوجه شدیم RNA چیست و همچنین فهمیدیم که به عنوان ماده ژنتیکی عمل می کند، در همه موجودات زنده عملکرد دیگری به عنوان یک پیام رسان نیز دارد؛ یعنی یک واسطه کوتاه مدت است که اطلاعات موجود در ژن های ما را به بقیه سلول منتقل می کند.

از آن جا که پروتئین ها نقش اصلی را در اجزای ساختاری و سیگنال دهی به سلول و به عنوان آنزیم در سلول ایفا می کنند، تولید آن ها بسیار مهم است.

هنگامی که mRNA از هسته خارج و وارد سیتوپلاسم (Cytoplasm) سلول می شود، یک ریبوزوم پیدا می کند تا فرآیند ترجمه آغاز شود.

به سه باز نوکلئوتیدی از مولکول mRNA، “کدون (Codon)” گفته می شود و هر کدون تنها برای یک اسیدآمینه خاص است.

در طول ترجمه، مولکول های انتقال دهنده RNA (همان tRNA) که به یک اسیدآمینه خاص متصل هستند، یک کدون را روی مولکول mRNA تشخیص می دهند و اسیدآمینه مناسب را در آن محل به رشته وارد می کنند.

به عنوان مثال، کدون CUC آمینو اسید لوسین (Leucine) را تولید می کند؛ در حالی که کدون UAG یکی از کدون های توقف است که نشان می دهد ترجمه ژن کامل شده است.

ریبوزوم ها حاوی پروتئین و چندین مولکول مختلف RNA ریبوزومی (rRNA) هستند. هنگامی که اسید آمینه ها تولید شدند، مولکول های rRNA در طول مولکول mRNA حرکت می کنند تا تشکیل پروتئین ها را کاتالیز کنند؛ بنابراین فرآیند ترجمه اتفاق می افتد.

ذکر این نکته ضروری است که tRNA ،mRNA و rRNA همگی نقش مهمی در مسیر سنتز پروتئین دارند.

• 5-3- RNA به عنوان یک کاتالیزور بیولوژیکی چیست؟

ریبوزوم ها آنزیم هایی هستند که از مولکول های RNA تشکیل شده اند. اگرچه در طی سال های متمادی جست و جو درباره این که RNA چیست، اعتقاد بر این بود که فقط پروتئین ها می توانند آنزیم باشند؛ اما با گذشت زمان معلوم شد که مولکول های خاص RNA که ساختار سوم پیچیده ای دارند هم به عنوان آنزیم عمل می کنند.

به عنوان مثال، مولکول های rRNA می توانند به عنوان ریبوزوم در طول ترجمه عمل کنند؛ یعنی هنگامی که اسیدآمینه ها تولید می شوند rRNA ها در طول مولکول mRNA حرکت می کنند و در تشکیل پروتئین نقش دارند.

ریبوزوم ها بسیاری از ویژگی های متداول یک آنزیم را دارند.

این ویژگی ها عبارتند از موارد زیر:

• وجود محل فعال آنزیم
• وجود یک محل اتصال برای کوفاکتور (Cofactor) مانند یک یون فلزی
• پیوند اسیدآمینه ها در طول سنتز پروتئین به RNA
• نقش در انتقال و تکثیر ویروس ها

6- بیماری‌های مرتبط با RNAها

ارتباطات مهمی بین RNA و بیماری‌های انسانی کشف شده است. به عنوان مثال، همان طور که قبلاً شرح داده شد، برخی از miRNA‌ها قادرند ژن‌های مرتبط با سرطان را به روش‌هایی که توسعه تومور را تسهیل ‌می‌کنند، مورد تنظیم قرار دهند. علاوه بر این، اختلال در تنظیم متابولیسم miRNA به بیماری‌های مختلف عصبی، از جمله بیماری آلزایمر مرتبط است.

از سویی دیگر، tRNA‌ها ‌می‌توانند به پروتئین‌های تخصصی معروف به کاسپازها متصل شوند که در آپوپتوز (مرگ سلولی برنامه ریزی شده) نقش دارند. tRNA‌ها با اتصال به پروتئین کاسپاز، آپوپتوز را مهار ‌می‌کنند. توانایی سلول‌ها برای فرار از سیگنالینگ مرگ برنامه‌ریزی شده، ویژگی بارز سلول‌های سرطانی است. RNA‌های غیرکدکننده که به عنوان قطعات مشتق از tRNA که به نام (tRFs) شناخته ‌می‌شوند، نیز ممکن است که در بروز سرطان نقش داشته باشند.

ظهور تکنیک‌هایی مانند توالی‌یابی RNA منجر به شناسایی گروه‌های جدیدی از رونوشت‌های RNA اختصاصی تومور، مانند MALAT1 (رونوشت آدنوکارسینوما ریه مرتبط با متاستاز) شده است که باعث افزایش سطح این رونوشت‌ها در بافت‌های سرطانی مختلف شده و با تکثیر و متاستاز (گسترش) سلول‌های تومور مرتبط هستند.

یک گروه دیگر از RNA‌ها که دارای توالی‌های تکراری هستند، به عنوان توالی RNA متصل به پروتئین (RBPs) شناخته می‌شوند. این گروه از RNAها، موجب ایجاد گره‌ها و نقاط تجمع پروتئینی در بافت‌های عصبی ‌می‌شوند. این پروتئین‌های تجمع یافته نقش مهمی در پیشرفت بیماری‌های عصبی مانند اسکلروز جانبی آمیوتروفیک جانبی (Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا (ALS) و دیستروفی میوتونیک بازی ‌می‌کنند. از بین رفتن عملکرد، اختلال در تنظیم و جهش در RBP‌های مختلف در ایجاد بسیاری از بیماری‌های انسانی نقش دارند.