הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית מציעה ש-DNA מכיל את המידע לקוד עבור כל החלבונים שלנו, ושלושה סוגים שונים של RNA מתרגמים את הקוד הזה לפוליפפטידים באופן פסיבי למדי. במיוחד, RNA שליח (mRNA) נושא את שרטוט החלבון מה-DNA של התא אל הריבוזומים שלו, שהם ה"מכונות" השולטות בסינתזת החלבון. לאחר מכן ה-RNA (tRNA) מעביר את חומצות האמינו המתאימות לריבוזום לצורך שילובם בחלבון חדש. בינתיים, הריבוזומים עצמם מורכבים בעיקר ממולקולות RNA ריבוזומות (rRNA).
עם זאת, בחצי המאה מאז שמבנה ה-DNA פותח לראשונה, מדענים למדו של-RNA יש תפקיד הרבה יותר גדול מאשר רק השתתפות בסינתזת חלבונים. לדוגמה, סוגים רבים של RNA נמצאו כקטליטיים, כלומר הם מבצעים תגובות ביוכימיות באותו אופן שבו אנזימים עושים. בנוסף, נמצאו מינים רבים אחרים של RNA ממלאים תפקידים רגולטוריים מורכביםתאים.
לכן, מולקולות RNA ממלאות תפקידים רבים הן בתהליכים תאיים נורמליים והן במצבי מחלה. בדרך כלל אותן מולקולות RNA שאינן לובשות צורה של mRNA נקראות לא מקודדות מכיוון שהן אינן מקודדות לחלבונים. השתתפות של mRNA לא מקודדים בתהליכי רגולציה רבים. השכיחות ומגוון התפקודים שלהם הובילו להשערה ש"עולם הרנ"א" יכול להקדים את האבולוציה של תפקודי הדנ"א והרנ"א בתא, השתתפות בביוסינתזה של חלבונים.
RNAs לא מקודדים באוקריוטים
יש כמה סוגים של RNA לא מקודד באוקריוטים. בעיקר, הם מעבירים RNA (tRNA) ו-RNA ריבוזמלי (rRNA). כפי שהוזכר קודם לכן, הן tRNA והן rRNA ממלאות תפקיד חשוב בתרגום של mRNA לחלבונים. לדוגמה, פרנסיס קריק הציע את קיומן של מולקולות RNA מתאמות שיכולות להיקשר לקוד הנוקלאוטיד mRNA, ובכך להקל על העברה של חומצות אמינו לשרשראות פוליפפטיד הגדלות.
עבודתם של Hoagland et al. (1958) אכן אישר שחלק מסוים של RNA תאי היה מקושר קוולנטי לחומצות אמינו. מאוחר יותר, העובדה ש-rRNA התברר כמרכיב מבני של ריבוזומים העלתה שכמו tRNA, גם rRNA אינו מקודד.
בנוסף ל-rRNA ו-tRNA, ישנם מספר RNAs אחרים שאינם מקודדים בתאים איקריוטיים. מולקולות אלו מסייעות ברבות מתפקידי אגירת האנרגיה החשובים של RNA בתא, שעדיין נמנו ומוגדרים. RNAs אלה מכונים לעתים קרובות כ-RNA רגולטורי קטן (sRNAs).באוקריוטים, הם סווגו למספר קטגוריות משנה. יחד, RNA רגולטורי מפעילים את השפעתם באמצעות שילוב של זיווג בסיסים משלים, קומפלקס עם חלבונים ופעילות אנזימטית משלהם.
RNA גרעיני קטן
תת-קטגוריה אחת חשובה של RNAs רגולטורי קטנים מורכבת ממולקולות הידועות בשם RNAs גרעיני קטן (snRNAs). למולקולות אלו תפקיד חשוב בוויסות הגנים באמצעות שחבור RNA. SnRNAs נמצאים בגרעין ובדרך כלל קשורים באופן הדוק לחלבונים בקומפלקסים הנקראים snRNPs (קטן גרעיני ריבונוקלאופרוטאין, המכונה לפעמים "סנורק"). המולקולות הנפוצות ביותר הן חלקיקי U1, U2, U5 ו-U4/U6, המעורבים בחבור טרום-mRNA ליצירת mRNA בוגר.
MicroRNA
נושא נוסף שמעניין חוקרים הוא מיקרו-RNA (miRNA), שהם RNA רגולטורי קטן באורך של כ-22 עד 26 נוקלאוטידים. קיומם של miRNAs ותפקודי ההתכווצות שלהם RNAs בתא בוויסות גנים התגלו במקור בנמטודה C. elegans (Lee et al., 1993; Wightman et al., 1993). מאז גילוי ה-miRNAs, הם זוהו במינים רבים אחרים, כולל זבובים, עכברים ובני אדם. עד כה זוהו כמה מאות miRNAs. אולי יהיו עוד רבים (He & Hannon, 2004).
MiRNAs הוכחו כמעכבים ביטוי גנים על ידי דיכוי התרגום. לדוגמה, מירנאים המקודדים על ידי C. elegans, lin-4 ו-let-7,נקשרים לאזור ה-3' הלא מתורגם של יעדי ה-mRNA שלהם, ומונעים היווצרות של חלבונים פונקציונליים בשלבים מסוימים של התפתחות הזחל. עד כה, נראה שרוב ה-miRNA שנחקרו שולטים בביטוי גנים על ידי קשירה ל-mRNA מטרה באמצעות זיווג בסיסים לא מושלם ועיכוב תרגום לאחר מכן, אם כי צוינו כמה חריגים.
מחקר נוסף מראה ל-miRNAs גם תפקיד חשוב בסרטן ובמחלות אחרות. לדוגמה, המין miR-155 מועשר בתאי B שמקורם מלימפומה של בורקיט, והרצף שלו מתאם גם עם טרנסלוקציה כרומוזומלית ידועה (החלפת DNA בין כרומוזומים).
RNA מפריע קטן
Small interfering RNA (siRNA) הוא מחלקה נוספת של RNA. למרות שהמולקולות הללו הן באורך של 21 עד 25 זוגות בסיסים בלבד, הן פועלות גם כדי להשתיק את ביטוי הגנים. בפרט, ניתן לכלול גדיל אחד של מולקולת siRNA דו-גדילית בקומפלקס הנקרא RISC. קומפלקס המכיל RNA יכול אז לעכב את השעתוק של מולקולת mRNA שיש לה רצף משלים לרכיב ה-RNA שלה.
MiRNAs זוהו לראשונה על ידי מעורבותם בהפרעות RNA (RNAi). ייתכן שהם התפתחו כמנגנון הגנה מפני נגיפי RNA דו-גדילי. SiRNAs מופקים מתמלילים ארוכים יותר בתהליך דומה לזה שבו מתרחשים miRNAs ועיבוד של שני סוגי ה-RNA כולל את אותו אנזיםדוקר. נראה ששתי המחלקות שונות במנגנוני ההדחקה שלהן, אך נמצאו יוצאי דופן שבהם siRNAs מפגינים התנהגויות אופייניות יותר ל-miRNAs ולהיפך (He & Hannon, 2004).
Small Nucleolar RNA
בתוך הגרעין האוקריוטי, הגרעין הוא המבנה שבו מתרחשים עיבוד rRNA והרכבה ריבוזומלית. מולקולות הנקראות RNAs גרעיניות קטנות (snoRNAs) בודדו מתמציות גרעיניות בשל ריבוין במבנה זה. מולקולות אלו מתפקדות לעיבוד מולקולות rRNA, מה שגורם לעיתים קרובות למתילציה ולפסאודורידילציה של נוקלאוזידים ספציפיים. השינויים מתווכים על ידי אחת משתי מחלקות של snoRNAs: משפחות C/D-box או H/ACA-box, הכוללות בדרך כלל הוספת קבוצות מתיל או איזומריזציה של אוראדין במולקולות rRNA לא בשלות, בהתאמה.
RNAs לא מקודדים בפרוקריוטים
עם זאת, איקריוטים לא הניעו את השוק ל-RNAs לא מקודדים עם פונקציות אנרגיה רגולטוריות ספציפיות של RNAs בתא. לחיידקים יש גם סוג של RNA רגולטורי קטן. rRNA של חיידקים מעורבים בתהליכים הנעים בין ארסיות למעבר משלב גדילה לשלב נייח המתרחש כאשר חיידק מתמודד עם מצב של מניעת חומרי הזנה.
דוגמה אחת ל-rRNA חיידקי היא ה-6S RNA שנמצא ב-Escherichia coli. מולקולה זו אופיינה היטב, כאשר הרצף הראשוני שלה התרחש בשנת 1980. 6S RNAנשמר על פני מינים רבים של חיידקים, מה שמעיד על תפקיד חשוב בוויסות הגנים.
הוכח כי RNA משפיע על פעילותו של RNA פולימראז (RNAP), המולקולה שמתמללת RNA שליח מ-DNA. 6S RNA מעכב פעילות זו על ידי קשירה לתת-יחידת פולימראז הממריצה שעתוק במהלך הצמיחה. באמצעות מנגנון זה, 6S RNA מעכב את הביטוי של גנים הממריצים צמיחה פעילה ומסייע לתאים להיכנס לשלב הנייח (Jabri, 2005).
Riboswitches
וויסות הגנים - גם בפרוקריוטים וגם באוקריוטים - מושפע מאלמנטים מווסתים של RNA הנקראים ריבוסוויצ'ים (או מתגי RNA). Riboswitchs הם חיישני RNA שמזהים ומגיבים לאותות סביבתיים או מטבוליים ובכך משפיעים על ביטוי גנים.
דוגמה פשוטה לקבוצה זו היא RNA חיישן הטמפרטורה שנמצא בגנים הארסים של הפתוגן החיידקי Listeria monocytogenes. כאשר חיידק זה חודר למארח, הטמפרטורה המוגברת בתוך גוף המארח ממיסה את המבנה המשני של המקטע באזור ה-5' הלא מתורגם של ה-mRNA המיוצר על ידי הגן prfA החיידקי. כתוצאה מכך מתרחשים שינויים במבנה המשני.
מתווי ריבו נוספים הוכחו כמגיבים לזעזועים של חום וקור במגוון אורגניזמים וגם מווסתים את הסינתזה של מטבוליטים כגון סוכרים וחומצות אמינו. למרות שנראה כי ריבוזוויץ' נפוצים יותר בפרוקריוטים, רבים נמצאו גם בתאים איקריוטים.
