RNA הוא מרכיב חיוני במנגנונים הגנטיים המולקולריים של התא. תכולת החומצות הריבונוקלאיות היא אחוזים בודדים ממשקלה היבש, וכ-3-5% מכמות זו נופלת על RNA שליח (mRNA), המעורב ישירות בסינתזת חלבונים, התורם ליישום הגנום.
מולקולת ה-mRNA מקודדת את רצף חומצות האמינו של החלבון הנקרא מהגן. לכן, חומצה ריבונוקלאית מטריצה נקראת אחרת (mRNA).
מאפיינים כלליים
כמו כל החומצות הריבונוקלאיות, RNA שליח הוא שרשרת של ריבונוקלאוטידים (אדנין, גואנין, ציטוזין ואורציל) המחוברים זה לזה בקשרי פוספודיסטר. לרוב, ל-mRNA יש רק מבנה ראשוני, אך במקרים מסוימים יש לו מבנה משני.
ישנם עשרות אלפי מיני mRNA בתא, שכל אחד מהם מיוצג על ידי 10-15 מולקולות המתאימות לאתר ספציפי ב-DNA. mRNA מכיל מידע על המבנה של אחד או יותרחיידקים) חלבונים. רצף חומצות האמינו מוצג כשלישיות של האזור המקודד של מולקולת ה-mRNA.
תפקיד ביולוגי
תפקידו העיקרי של RNA שליח הוא ליישם מידע גנטי על ידי העברתו מ-DNA לאתר של סינתזת חלבון. במקרה זה, mRNA מבצע שתי משימות:
- משכתב מידע על המבנה הראשוני של החלבון מהגנום, שמתבצע בתהליך של שעתוק;
- מקיים אינטראקציה עם מנגנון סינתזה של חלבון (ריבוזומים) כמטריצה סמנטית הקובעת את רצף חומצות האמינו.
למעשה, שעתוק הוא סינתזה של RNA, שבו ה-DNA פועל כתבנית. עם זאת, רק במקרה של RNA שליח יש לתהליך זה ערך של שכתוב מידע על החלבון מהגן.
זה ה-mRNA שהוא המתווך העיקרי שדרכו מתבצע הדרך מגנוטיפ לפנוטיפ (DNA-RNA-protein).
משך החיים של mRNA בתא
Messenger RNA חי בתא לזמן קצר מאוד. תקופת קיומה של מולקולה אחת מאופיינת בשני פרמטרים:
- זמן מחצית חיים פונקציונלי נקבע על פי יכולת ה-mRNA לשמש כתבנית ונמדד על ידי הפחתת כמות החלבון המסונתז לכל מולקולה. בפרוקריוטים, נתון זה הוא בערך 2 דקות. במהלך תקופה זו, כמות החלבון המסונתז מצטמצמת בחצי.
- זמן מחצית חיים כימי נקבע על ידי הפחתת מולקולות RNA שליח המסוגלות להכלאה(תרכובת משלימה) עם DNA, המאפיין את שלמות המבנה הראשוני.
זמן מחצית חיים כימי הוא בדרך כלל ארוך יותר מזמן מחצית חיים תפקודי, שכן פירוק ראשוני קל של המולקולה (לדוגמה, שבירה בודדת בשרשרת הריבונוקלאוטידים) עדיין לא מונע הכלאה עם DNA, אבל כבר מונע חלבון סינתזה.
חצי חיים הוא מושג סטטיסטי, כך שקיומה של מולקולת RNA מסוימת יכול להיות גבוה או נמוך משמעותית מערך זה. כתוצאה מכך, לחלק מה-mRNA יש זמן לתרגם מספר פעמים, בעוד שאחרים מתכלים לפני השלמת הסינתזה של מולקולת חלבון אחת.
במונחים של פירוק, mRNA אוקריוטיים הם הרבה יותר יציבים מאלו פרוקריוטיים (זמן מחצית חיים הוא כ-6 שעות). מסיבה זו, הרבה יותר קל לבודד אותם מהתא שלמים.
מבנה mRNA
רצף הנוקלאוטידים של RNA שליח כולל אזורים מתורגמים, שבהם מקודד המבנה הראשוני של החלבון, ואזורים לא אינפורמטיביים, שהרכבם שונה בפרוקריוטים ובאוקריוטים.
אזור הקידוד מתחיל בקודון התחלה (AUG) ומסתיים באחד מקודוני הסיום (UAG, UGA, UAA). בהתאם לסוג התא (גרעיני או פרוקריוטי), RNA שליח עשוי להכיל אזור תרגום אחד או יותר. במקרה הראשון, זה נקרא מונוציסטרוני, ובשני - polycistronic. האחרון מאפיין רק חיידקים וארכיאה.
תכונות המבנה והתפקוד של mRNA בפרוקריוטים
תהליכי תמלול בפרוקריוטיםותרגומים מתרחשים בו זמנית, כך של-RNA שליח יש רק מבנה ראשוני. בדיוק כמו באיקריוטים, הוא מיוצג על ידי רצף ליניארי של ריבונוקלאוטידים, המכיל אזורי מידע ולא מקודדים.
רוב ה-mRNA של חיידקים וארכיאה הם פוליציסטרוניים (מכילים מספר אזורי קידוד), מה שנובע מהמוזרות של ארגון הגנום הפרוקריוטי, בעל מבנה אופרונים. משמעות הדבר היא שמידע על מספר חלבונים מקודד בתעתיק DNA אחד, אשר מועבר לאחר מכן ל-RNA. חלק קטן מה-RNA שליח הוא חד-ציסטרוני.
אזורים לא מתורגמים של mRNA חיידקי מיוצגים על ידי:
- רצף מנהיגים (ממוקם בקצה ה-5);
- רצף טריילר (או סוף) (ממוקם בקצה ה-3);
- אזורים אינטרציסטרוניים לא מתורגמים (מרווחים) - ממוקמים בין האזורים המקודדים של RNA פוליציסטרוני.
אורך הרצפים הבין-ציסטרוניים יכול להיות בין 1-2 ל-30 נוקלאוטידים.
mRNA איקריוטי
mRNA איקריוטי הוא תמיד מונוציסטרוני ומכיל קבוצה מורכבת יותר של אזורים לא מקודדים הכוללים:
- cap;
- 5`-אזור לא מתורגם (5`NTR);
- 3`-אזור לא מתורגם (3`NTR);
- זנב פוליאדניל.
ניתן לייצג את המבנה הכללי של RNA שליח באיקריוטיםתוכניות עם רצף האלמנטים הבא: cap, 5`-UTR, AUG, אזור מתורגם, קודון עצירה, 3`UTR, poly-A-tail.
באאוקריוטים, תהליכי התעתיק והתרגום מופרדים הן בזמן והן במרחב. ה-RNA השליח רוכש כובע וזנב פוליאדניל במהלך ההתבגרות, מה שנקרא עיבוד, ולאחר מכן מועבר מהגרעין לציטופלזמה, שם מרוכזים הריבוזומים. העיבוד גם מנתק אינטרונים המועברים ל-RNA מהגנום האוקריוטי.
היכן מסונתזות חומצות ריבו-נוקלאיות
כל סוגי ה-RNA מסונתזים על ידי אנזימים מיוחדים (RNA polymerases) המבוססים על DNA. בהתאם לכך, הלוקליזציה של תהליך זה בתאים פרוקריוטים ואיקריוטים שונה.
באאוקריוטים, השעתוק מתבצע בתוך הגרעין, שבו מרוכז ה-DNA בצורה של כרומטין. במקביל, מסונתז תחילה פרה-mRNA, שעובר מספר שינויים ורק לאחר מכן מועבר לציטופלזמה.
בפרוקריוטות, המקום שבו מסונתזות חומצות ריבונוקלאיות הוא אזור הציטופלזמה הגובל בנוקלואיד. אנזימים מסינתזה של RNA מקיימים אינטראקציה עם לולאות מפושטות של כרומטין חיידקי.
מנגנון תמלול
הסינתזה של RNA שליח מבוססת על עקרון ההשלמה של חומצות גרעין ומתבצעת על ידי פולימראזות RNA המזרזות את סגירת הקשר הפוספודיסטר בין טריפוספטים של ריבונוקלאוזיד.
בפרוקריוטים, mRNA מסונתז על ידי אותו אנזים כמו מינים אחריםריבונוקלאוטידים, ובאיקריוטים על ידי RNA פולימראז II.
תמלול כולל 3 שלבים: התחלה, התארכות וסיום. בשלב הראשון, הפולימראז נצמד לפרומוטור, אתר מיוחד שקודם לרצף המקודד. בשלב ההתארכות, האנזים בונה את שרשרת ה-RNA על ידי הוספת נוקלאוטידים לשרשרת המקיימים אינטראקציה משלימה עם שרשרת ה-DNA התבנית.
