Что такое РНК

Что это такое

РНК — молекула, которая играет важную роль в регуляции экспрессии генов, кодировании и прочтении информации. 

Молекула ДНК (аббревиатура от дезоксирибонуклеиновой кислоты) содержит генетическую информацию, а РНК  — это то, что позволяет клеткам понимать эту информацию, давая начало белкам, необходимым для функционирования всех тканей и органов тела.

Семинары по антивозрастной медицине

Получайте знания, основанные на доказательной медицине из первых уст ведущих мировых специалистов. В рамках Модульной Школы Anti-Age Expert каждый месяц проходят очные двухдневные семинары, где раскрываются тонкости anti-age медицины для врачей более 25 специальностей

Узнать подробнее

История открытия

Многие ученые и исследователи внесли свой вклад в открытие и изучение РНК. Выделим важные вехи. 

В 1865 году Грегор Мендель открывает законы наследственности и постулирует существование наследственных элементов.

В 1889 году Ричард Альтманн впервые описывает ядерные вещества в ядре клетки, которые позже будут идентифицированы как рибонуклеиновая кислота (РНК).

В 20 веке были сделаны первые открытия о РНК (рибонуклеиновой кислоте). В 1909 году немецкий биохимик Вальтер Зигфрид Альбрехт обнаружил, что РНК представляет собой молекулу, отличную от ДНК. Тогда же  Феб Левен определяет, что РНК состоит из рибозы, фосфата и азотистых оснований в результате гидролиза.

Позже, в 1930-х годах, американские биохимики Джеймс Самнер и Джон Нортроп продемонстрировали, что РНК — это молекула, способная действовать как фермент, за что они получили Нобелевскую премию по химии в 1946 году.

В 1938 году  Марджори Стивенсон выделяет РНК из спирохеты, ответственной за сифилис.

В 1950-х годах испанский биохимик Северо Очоа и его сотрудники описали синтез РНК in vitro, что позволило изучить эту молекулу в лаборатории. Эти открытия заложили основу для понимания структуры и функций РНК и открыли двери для новых исследований в области клеточной и молекулярной биологии.

В 1955 году Алекс Рич и Дэвид Дэвис предлагают структуру двойной спирали РНК. В 1958-м Фрэнсис Крик выдвигает гипотезу «адаптера» или «переходника» РНК, которая играет важную роль в трансляции РНК в белки.

В 1960-м Сидней Бреннер, Франсуа Жакоб и Мэтью Мезельсон открывают информационные РНК (мРНК). Годом позже Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи открывают генетический код, показав, что определенные последовательности азотистых оснований в РНК определяют последовательность аминокислот в белках.

В 1967 году Говард Темин и Дэвид Балтимор открывают обратную транскриптазу, фермент, который позволяет синтезировать ДНК из РНК. А в 1970-м Аарон Клуг получает первое изображение молекулы РНК на атомном уровне с помощью метода рентгеновской кристаллографии.

В 1977 году Фредерик Сэнгер разрабатывает метод секвенирования РНК цепи Сэнгера, который позволил секвенировать фрагменты РНК в больших масштабах.

В 2001-м Линн Маргулис и другие ученые предлагают эндосимбиотическую теорию, которая предполагает, что митохондрии и пластиды имеют наследственное бактериальное происхождение и обладают собственной РНК.

Химический состав и структура РНК

Рибонуклеиновая кислота, как и ДНК, состоит из полинуклеотидных цепей, то есть, линейных полимеров, мономерные единицы которых состоят из нуклеотидов. 

Каждый нуклеотид состоит из трех основных компонентов: пятиуглеродного (пентозного) сахара, фосфатной группы и азотистого основания. В случае РНК сахар представлен рибозой, принадлежащей к стерическому ряду D-глицеральдегида и 2'-группой, замещенной ОН-группой (гидроксильной или спиртовой группой), в отличие от дезоксирибозы (сахара, присутствующего в ДНК), в которой углерод 2' сахара связана с простым атомом водорода. 

Нумерация атомов углерода сахара в нуклеиновых кислотах не случайна: они отмечены знаком «'», чтобы отличить их от атомов углерода азотистого основания. Присутствие спиртовой группы в положении 2' придает молекуле РНК большую нестабильность по сравнению с ДНК, и эта характеристика, безусловно, способствовала избранию в результате естественного отбора дезоксирибонуклеиновой кислоты в качестве молекулы, несущей генетическую информацию.

В нуклеиновых кислотах можно выделить два класса азотистых оснований: пурины, структуры с двойным гетероциклическим кольцом (т.е. имеющие в цикле атомы, отличные от углерода), состоящие из 9 атомов, и пиримидины с одним гетероциклическим кольцом, состоящим из 6 атомов. Специфическими основаниями, обнаруженными в природных нуклеиновых кислотах, являются два пурина, аденин (А) и гуанин (G), присутствующие как в ДНК, так и в РНК, а также три типа пиримидинов: цитозин (C), тимин (T) и урацил (U),  из которых цитозин является общим для обеих кислот, а урацил заменяет тимин в ДНК. 

Когда одно из вышеупомянутых оснований связывает 1'-углерод сахара, образуются нуклеозиды, к которым на 5'-конце могут быть присоединены одна, две или три фосфатные группы (так называемые альфа-, бета- и гамма-фосфаты). Последние очень важны для синтеза полирибонуклеотидных цепей, поскольку при расщеплении этих связей высвобождается значительное количество энергии, которая затем используется при полимеризации нуклеотидных субстратов.

И ДНК, и РНК состоят из цепочки, нуклеотидов, которые соединены между собой отрицательно заряженными фосфодиэфирными связями.

Эти компоненты организованы в три структурных уровня:

• Первичный уровень. Он состоит из линейной последовательности нуклеотидов, которые определяют следующие структуры.

• Средний уровень. РНК сворачивается сама в себя за счет внутримолекулярного спаривания оснований. Вторичная структура — это форма, которую она приобретает при складывании: спираль, петля, шпилька, внутренняя петля, псевдоузел и т. д.

• Третичный уровень. Хотя РНК по своей структуре не образует двойную спираль, как ДНК, она обычно образует одинарную спираль как третичную структуру, поскольку ее атомы взаимодействуют с окружающим пространством.

Виды и функции РНК

В зависимости от структуры и конкретной функции, которую выполняет каждая РНК, можно говорить о разных типах рибонуклеиновой кислоты. 

Глобально можно разделить все РНК на две группы: кодирующие, к которым относятся матричные/информационные РНК, и некодирующие. Некодирующие РНК, в свою очередь, делятся на инфраструктурные (рибосомальные, транспортные, транспортно-матричные и рибозимы) и регуляторные (длинные некодирующие, малые и антисмысловые) РНК. 

1. Кодирующая РНК.

1.1. Информационная РНК ( мРНК ).

В годы, последовавшие сразу за открытием ДНК, было продемонстрировано, что определенная молекула РНК вырабатывается в ядре и экспортируется в цитоплазму, где информация, содержащаяся в форме нуклеотидной последовательности в РНК, может быть декодирована, чтобы определить точную аминокислотную последовательность белка. 

Благодаря способности передавать генетическое сообщение эту молекулу назвали информационной РНК или мРНК. Ее функция заключается в копировании фрагментов ДНК для удаления указанной информации из ядра и доставки ее к рибосомам, где генетическая информация преобразуется в белки (так называемая трансляция).

2. Некодирующие РНК:

2.1. Инфраструктурные:

• Транспортные ( тРНК ). 

Фрэнсис Крик выдвинул гипотезу, которая впоследствии подтвердилась, о существовании механизма, позволяющего кодонам (кодирующим тринуклеотидам) организовывать отдельные аминокислоты. Последующие эксперименты подтвердили существование адаптерных молекул, получивших название тРНК (транспортная РНК). 

тРНК имеют своеобразную структуру в форме клеверного листа. Их задача — транспортировать определенные аминокислоты к рибосомам для завершения процесса трансляции (от мРНК к аминокислотам, которые соединяются с образованием белков).

• Рибосомные ( рРНК ). 

Вместе с тРНК они составляют другой тип РНК, необходимый для корректного осуществления синтеза белка в клетке. рРНК представляет собой наиболее распространенный тип рибонуклеиновой кислоты, присутствующий в клетке (до 80%), и является преобладающей молекулой в рибосомах (около 60% по массе), ответственных за синтез белков во всех клетках.

В частности, рРНК образует комплекс с белками, образуя две отдельные субъединицы рибосомы: главную и минорную. У эукариот клетка имеет миллионы рибосом, и для того, чтобы обеспечить клетку необходимым количеством рРНК, гены, кодирующие эти транскрипты, обычно присутствуют в сотнях копий, сгруппированных в областях генома, называемых рДНК. В интерфазной эукариотической клетке рДНК обычно группируются в структурах внутри ядра, называемых ядрышками. 

Основная характеристика рРНК состоит в их сложной вторичной структуре, обусловленной многочисленными участками внутримолекулярной комплементарности между основаниями, содержащимися в одной и той же рРНК, которые определяют дальнейшую перегруппировку в сложную третичную структуру. 

Основная задача рРНК — обеспечить поддержку механизма декодирования последовательности мРНК, опосредуя адгезию элементов трансляционного комплекса.

• Транспортно-матричные РНК  (тмРНК) — небольшая РНК длиной от 260 до 430 нуклеотидов, которая участвует в высвобождении рибосом, «застрявших» во время трансляции проблемных участков мРНК, а также разрушении получившихся в ходе неполной трансляции дефектных пептидов. Механизм высвобождения рибосомы с дефектной мРНК при участии тмРНК получил название транс-трансляции.

• Рибозимы. Существуют также рибонуклеиновые кислоты с каталитической активностью, известные как рибозимы.  Они способны осуществлять биохимические реакции.

2.2. Регуляторные РНК

Кроме того, существуют РНК, участвующие в регуляции экспрессии генов, то есть молекулы, которые контролируют, какая часть ДНК экспрессируется в виде белка, а какая нет, благодаря тому, что они комплементарны определенным участкам мРНК или ДНК. 

Если фрагмент РНК связывается с ДНК или мРНК, возникает препятствие, которое не позволяет его правильно прочитать и, следовательно, превратить в белок. Можно сказать, что объединение такого фрагмента РНК приводит к тому, что этот участок нуклеиновой кислоты скрывается и не транслируется клеткой. Этот тип РНК известен как регуляторные РНК или РНК-интерференция ( iRNA ). 

В этом классе РНК можно выделить три подкатегории, в зависимости от их длины:

• Длинная некодирующая (днРНК). Это все те некодирующие молекулы РНК, длина которых превышает 200 нуклеотидов. До завершения проекта «Геном человека» было обнаружено и описано несколько примеров длинных некодирующих РНК. Особое внимание было уделено XIST в районе XIC (X-центр инактивации) Х-хромосомы, который у млекопитающих включает инактивацию Х-хромосомы у особей женского пола. Чрезвычайная редкость этих некодирующих транскриптов заставила все научное сообщество думать, что они не играют доминирующей роли в биологии эукариот. Этот сценарий резко изменился к концу 1990-х годов. На сегодняшний день описаны тысячи генов, кодирующих днРНК, которые имеют очень сложный профиль экспрессии, представленный группами смысловых/антисмысловых транскриптов, т.е. областями генома, в которых обе цепи ДНК подвергаются транскрипции.

  Еще одной особенностью, отличающей днРНК, является их низкая степень эволюционной консервативности, что определяет очень разные последовательности у филогенетически близких видов.

  Спустя десятилетия после их открытия были получены экспериментальные данные, демонстрирующие их роль в многочисленных биологических процессах, таких как регуляция транскрипции, сплайсинг и геномный импринтинг.

• Малая РНК (длина менее 200 нуклеотидов). Они играют важные функции в клеточных процессах, таких как дифференцировка клеток, пролиферация, миграция, апоптоз. 

  Выделим несколько вариаций:

  • МикроРНК (миРНК): содержат около 22 нуклеотидов.

    Малые интерферирующие РНК представляют собой двухцепочечные молекулы РНК небольшого размера, открытие которых выявило неизвестный до того способ регуляции генов - РНК-интерференцию. Считается, что она является защитным механизмом против инфекций.

  • Piwi-ассоциированные РНК ( piRNA ). Участвуют в эмбриональном развитии, поддержании целостности ДНК зародышевой линии, подавлении транскрипции транспозонов, подавлении трансляции, образовании гетерохроматина и эпигенетической регуляции определения пола.

• Антисмысловые РНК.

  Последовательность ДНК считается смысловой, если ее последовательность такая же, как и ее мРНК . Последовательность, расположенная на противоположной цепи, называется антисмысловой. Поскольку РНК-полимеразы работают путем создания комплементарной копии, цепь, необходимая для транскрипции, является антисмысловой. Как у прокариот, так и у эукариот из смысловой цепи образуются многочисленные антисмысловые молекулы РНК. Центральная догма генетики гласит, что ДНК содержит генетическую информацию, белки выполняют биологические функции, а РНК действует как мост в передаче генетической информации. Лишь около 2% (20 000 генов) ДНК транслируется в белки, остальные 98%, образующиеся в клетках человека, представляют собой некодирующую РНК (нкРНК).

  Антисмысловая РНК ( асРНК ) представляет собой особый тип нкРНК, используемый в регуляции генов на различных уровнях клетки, например, во время транскрипции мРНК и трансляции белка. Структурно они представляют собой диффундирующие некодирующие молекулы, комплементарные мРНК. Антисмысловые транскрипты можно классифицировать в зависимости от их длины на «короткие» (<200 нуклеотидов) и «длинные» (>200 нуклеотидов) нкРНК.

Применение РНК в медицине

Существует несколько применений разных типов РНК, которые способствуют совершенствованию различных областей медицины. Например:

• РНК-вакцины. Их основным компонентом является молекула РНК, несущая информацию от патогенного организма. Рибонуклеиновая кислота при введении в клетки транслируется в безвредные белки инфекционного агента, которые активируют иммунную систему и генерируют лимфоциты памяти для будущих инфекций.

  Технология создания этих вакцин на основе одноцепочечной информационной РНК не нова, поскольку она уже десятилетия используется в доклинических и клинических испытаниях. На животных моделях было показано, что они вызывают мощную защитную реакцию против инфекций Эбола, Зика, гриппа и даже таких бактерий, как стрептококк.

  В последние годы на людях проводились I и II фазы клинических испытаний против ВИЧ, гриппа, бешенства, Зика и др. Еще больше клинических испытаний РНК-вакцин против рака простаты, молочной железы, меланомы, глиобластомы, яичников, поджелудочной железы.

  В целом эти результаты позволяют предположить, что мРНК-вакцины безопасны и достаточно хорошо переносятся.

  Самой большой  их проблемой является нестабильность и низкая эффективность при внедрении их в клетки и экспрессии антигена. Также высказывались опасения по поводу того, что РНК может стимулировать воспалительные иммунные реакции, поэтому все эти факторы частично ограничивают ее развитие. 

  Однако у этой технологии есть и преимущества, и их не мало. Она относительно дешевле,  в сравнении с другими типами, и, прежде всего, позволяет разработать новую вакцину в рекордно короткие сроки. Как только геном возбудителя становится известен, первые прототипы вакцины можно произвести в течение нескольких недель, что крайне важно, например, во время пандемии. Например,  компания Moderna смогла разработать мРНК-вакцину против SARS-CoV-2 всего через шесть недель после того, как геном коронавируса был обнародован.

  Кроме того, производственный процесс не требует использования токсичных химикатов или клеточных культур, которые могут быть заражены другими вирусами или микроорганизмами. Производство происходит быстро и легко, не требует особых манипуляций, тем самым сводя к минимуму риск возможных загрязнений.

• В качестве биомаркеров. И мРНК, и некодирующие РНК могут использоваться в качестве индикаторов активности генов и клеточного статуса. Это, например, может помочь отследить прогресс заболевания.

  Анализ РНК (или анализ экспрессии генов) является особенно актуальным подходом в диагностике и прогностической диагностике с очень хорошими экспериментальными результатами, полученными при различных заболеваниях, особенно в онкологии. Преимущество анализа РНК заключается в том, что его можно проводить на жидкой биопсии, в частности, на образце крови. Это неинвазивный подход, адаптированный для рутинного клинического использования, а значит, он прост, безопасен и относительно дешев. 

  По сравнению с анализами, проводимыми на опухоли или спинномозговой жидкости при нейродегенеративных патологиях или с помощью медицинской визуализации, анализ экспрессии генов с использованием (общей) крови полностью отвечает потребностям, выявленным многими учеными и медицинскими группами, поскольку, прежде всего, исключает риски для пациента. 

  Биомаркеры РНК позволяют сделать:

  • очень ранний анализ появления или развития заболевания;

  • дифференциальный анализ экспрессии генов;

  • специфический тест реакции на препарат.

  В последние годы многочисленные исследования продемонстрировали актуальность использования технологий анализа РНК для идентификации соответствующих диагностических биомаркеров. Эти технологии обнаружения РНК сегодня используются в нескольких диагностических тестах in vitro (IVD) и позволяют выявлять заболевание, а также корректировать терапию  пациентов, страдающих раком молочной железы или толстой кишки.

• Еще одним применением рибонуклеиновых кислот является РНК-терапия, новое направления в медицине. При некоторых заболеваниях, включая отдельные формы рака, известны гены, которые экспрессируются неправильно. Отдельные типы РНК способны изменять эту экспрессию, возвращая ее в нормальное состояние и обращая болезнь вспять. 

  ТВо многих из этих методов фрагменты РНК взаимодействуют с информационной РНК ( мРНК). В клетках мРНК использует информацию, содержащуюся в генах, для создания плана создания белков. Взаимодействуя с мРНК, эти методы лечения влияют на то, сколько белка вырабатывается геном, что может компенсировать последствия генетических изменений. 

  Примеры такой терапии РНК включают терапию антисмысловыми олигонуклеотидами (ASO), малыми интерферирующими РНК (миРНК) и микроРНК (миРНК). РНК-терапия, называемая терапией РНК-аптамеров, предполагает введение небольших кусочков РНК, которые прикрепляются непосредственно к белкам, изменяя их функции.

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

• РНК (рибонуклеиновая кислота) - это биомолекула, содержащаяся в клетках всех организмов, включая растения, животных и бактерии. 

• Она играет ключевую роль в передаче генетической информации и синтезе белка в клетках. 

• РНК состоит из нитей нуклеотидов, которые содержат сахар (рибозу), фосфатную группу и одну из четырех азотистых оснований (аденин, урацил, цитозин, гуанин).

• Она играет ключевую роль в передаче генетической информации и синтезе белка в клетках.  РНК выполняет множество функций в клетке, включая транспорт генетической информации из ДНК в рибосомы, участие в процессе трансляции (синтез белка) и регуляции экспрессии генов.

• Все РНК можно разделить на две группы: кодирующие, к которым относятся матричные/информационные РНК, и некодирующие. 

• В медицине РНК применяется в качестве вакцин, биомаркеров, а также развивается новое направление - РНК-терапия. 

Список использованной литературы

1. Stark, R., Grzelak, M. & Hadfield, J. RNA sequencing: the teenage years. Nat. Rev. Genet. 20, 631–656 (2019).

2. Marco-Puche, G., Lois, S., Benitez, J. & Trivino, J. C. RNA-Seq perspectives to improve clinical diagnosis. Front. Genet. 10, 1152 (2019).

3. Byron, S. A., Van Keuren-Jensen, K. R., Engelthaler, D. M., Carpten, J. D. & Craig, D. W. Translating RNA sequencing into clinical diagnostics: opportunities and challenges. Nat. Rev. Genet. 17, 257–271 (2016).

4. Conesa, A. et al. A survey of best practices for RNA-seq data analysis. Genome Biol. 17, 13 (2016).

5. Peymani, F., Farzeen, A. & Prokisch, H. RNA sequencing role and application in clinical diagnostic. Pediatr. Investig. 6, 29–35 (2022).

6. Geraci, F., Saha, I. & Bianchini, M. Editorial: RNA-Seq analysis: methods, applications and challenges. Front. Genet. 11, 220 (2020).

7. Wang, Y. et al. Changing technologies of RNA sequencing and their applications in clinical oncology. Front. Oncol. 10, 447 (2020).

8. Миронова, Падкина, Самбук: РНК. Синтез и функции. Учебное пособие (2017).