Un ARN no codificante (ncRNA) es una molécula de ARN funcional, que a diferencia del ARN mensajero no se traduce en una proteína. Sinónimos menos frecuentes son, ARN no codifica proteínas (npcRNA en inglés), ARN no mensajero (nmRNA) y ARN funcionales (fRNA). El término small ARN ( sRNA) se utiliza a menudo por sus siglas en las bacterias ncRNAs. La secuencia de ADN de la que un ARN no codificante se transcribe, a menudo se llama un gen de ARN no codificante.
Los genes de ARN no codificante incluyen funcionalidades abundantes y muy importantes como ARN de transferencia (tRNA) y ARN ribosomal (rRNA), así como también en ARN, tales como snoRNAs, microARNs, siRNAs y piRNAs y el ncRNA largo, que incluyen ejemplos tales como Xist y HOTAIR(HOX antisense intergenic RNA). El número de ncARNs (no codificantes de proteínas)en el genoma humano es desconocido; sin embargo, recientes estudios transcriptómicos y bioinformáticos sugieren la existencia de miles de ncARNs. La función de muchos de los ncARNs identificados recientemente no está confirmada, siendo posible,que muchos de estos, sean no funcionales.
Historia y Descubrimiento Los ácidos nucleicos fueron descubiertos por primera vez en 1868 por Friedrich Miescher, para 1939 el ARN había sido implicado en la síntesis de proteínas. Dos décadas más tarde, Francis Crick predijo un componente funcional de ARN que mediaba la traducción, sugirió que el ARN es más adecuado para pares de bases con la transcripción de ARNm de un puro polipéptido. thumb|250px|La estructura de trébol de levadura tRNA Phe (recuadro) y la estructura 3D determinada por análisis de rayos X. El primer ARN no codificante en ser caracterizado fue un tARN de alanina el cual se hallaba en la levadura utilizada para pastelería, su estructura se publicó en 1965. Para producir una muestra (purificada) de tARN de alanina, Robert W. Holley et al. utilizó 140 kg. de levadura de pastelería comercial para obtener no más de 1g de tARNA Ala purificada para su análisis. El tARN de 80 nucleótidos fue secuenciado primero y digerido en ribonucleasa pancreática (producto de fragmentos que producían Citosina o Uridina) y después en ribonucleasa takadiastasa Tl (producto de fragmentos que producía Guanosina). La cromatografía y la identificación de los extremos 5' y 3' va ayudar después a ordenar los fragmentos para estabilizar la secuencia de ARN. De las tres estructuras propuestas originalmente para este tARN, la estructura en forma de trébol va a ser propuesta de forma independiente en siguientes publicaciones. La estructura secundaria en forma de trébol va ser concretada después de un análisis con cristalografía de rayos X realizado por dos grupos de investigación independientes en 1974.
El ARN ribosomal fue el siguiente en ser descubierto, seguido por el UARN a principios de los años 80. Desde entonces el descubrimiento de nuevos ARNs no codificantes ha continuado con los snoRNAs, Xist, CRISPR y muchos más. Adiciones notables recientes incluyen Riboswitches y el miARN, el descubrimiento del mecanismo del ARNi fue descubierto por Craig C. Mello y Andrew Fire (ganadores en el 2006 del Premio Nobel de Medicina y Fisiología).
Funciones Biológicas del ncARN
Los ARNs no codificantes pertenecen a diversos grupos y participan en muchos procesos celulares. Estos van desde los ncARNs de vital importancia que se conservan en la mayoría de la vida celular a través de ncARNs más transitorios, que son específicos para una o unas pocas especies relacionadas. Se cree que los ncARNs más conservados son llamados fósiles o reliquias moleculares de LUCA y el mundo de ARN.
Traducción en ncRNAs
thumb|right|400px|Una ilustración del dogma central de la biología molecular con la anotación de los procesos de ncRNAs que están involucrados RNPs se muestran en rojo, ncRNAs se muestran en azul.
thumb|left|Estructura atómica de la subunidad 50S del Haloarcula marismortui. Las proteínas se muestran en azul y las dos cadenas de ARN en naranja y amarillo. La pequeña porción de verde en el centro de la subunidad es el sitio activo.
Muchos de los ncARNs esenciales y abundantes conservados están implicados en la traducción. Las partículas de ribonucleoproteina (RNP) o ribosomas son llamadas "fábricas" donde la traducción tiene lugar en la célula. El ribosoma cuenta con más del 60% de ARN ribosomal, formado por tres ncARNs en procariotas y cuatro ncARNs en eucariotas. Los ARNs ribosomales catalizan la traducción de secuencias de nucleótidos a proteína. Otro tipo de ncARNs, los ARN de transferencia, forman una molécula adaptadora” entre el mARN y las proteínas. Los snoARNs H/ACA box y C/D box son ncARNs que se encuentran en arqueas y eucariotas y la ARNasa MRP está restringida solo para las eucariotas, ambos grupos de ncARN están implicados en la maduración del rARN. Los snoARNs guían modificaciones covalentes de rARN, tARN y nARNs, la ARNasa MRP rompe el primer espaciador interno trascrito entre 18S u 5,8S rARNs. El ncARN omnipresente, RNasa P, es un pariente evolutivo de la RNasa MRP. La RNasa P madura secuencias de tARN generando 5' extremos maduros de tARN y cortando el 5' elemento líder de los tARNs precursores. Otro omnipresente RNP llamado SRP reconoce y transporta nuevas proteínas al retículo endoplasmatico en eucariotas y a la membrana plasmática en procariotas. En bacterias el ARN mensajero de trasferencia (tmRNA)N) es un RNP implicado en rescatar ribosomas estancados, etiquetando polipéptidos incompletos y promoviendo la degradación de mARN en mal estado.
ncRNAs in RNA splicing (empalme)
thumb|left|Imágenes de microscopía electrónica de la spliceosome de levadura. Se Tiene en cuenta que la mayor parte del complejo es en realidad ncRNA.
En las eucariotas el espliceosoma (spliceosome) realiza las reacciones de empalme, esenciales para retirar las secuencias de los Intrones. Este proceso es necesario para la formación de mARN maduro. El spliceosome es un empalmador RNP a menudo también conocido como snRNP o tri-snRNP. Hay dos formas diferentes de espliceosoma, la mayor y la menor. Los componentes principales del espliceosoma ncRNA son U1, U2, U4, U5, U6. Los componentes menores del espliceosoma ncRNA son U11, U12, U5, U4atac y U6atac. Otro grupo de intrones pueden catalizar su propia eliminación de las transcripciones acogidas, a esto se le conoce como auto-empalme de ARNs y se dividen en dos grupos principales, el grupo I de intrones catalíticos y el grupo II de intrones catalíticos. Estos ncARNs catalizan su propia escisión a partir de los precursores de mARN, tARN y rARN en una gran diversidad de organismos.
En mamíferos, se ha descubierto que los snoARNs pueden regular el empalme alternativo del ARNm. Por ejemplo, el snoARN HBII-52 regula el empalme del receptor de serotonina 2C.
En los nematodos, el SmY ncARN parece estar involucrada en el trans-splicing del mARN.
ncARNs en la Regulación Genética
La expresión de muchos miles de genes son regulados por ncRNAs. Esta regulación se puede producir en el trans o en cis.
trans-acting ncRNAs
En las eucariotas superiores el microARN regula la expresión génica. Un solo microARN puede reducir los niveles de expresión de centenares de genes. Es el mecanismo por el cual las moléculas de microARN maduro actúan a través de moléculas parcialmente complementarias a uno o más mensajeros mARNs, generalmente en 3'UTRs. La función principal de los microARNs es inhibir la expresión genética.
Se ha demostrado que la ncARN RNasa P también influye sobre la expresión génica. En el núcleo humano, la RNasa P es necesaria para la trascripción normal y eficiente de diversos ncARNs transcritos por el ARN polimerasa III. Estos incluyen genes de tARN, 5S rARN, SRP ARN y U6 snARN. La ARNasa P ejerce su función en la trascripción asociándose con la Pol III y la cromatina de los genes activos de tARN y 5S rARN.
Se ha demostrado que el 7SK ARN, un ncARN de metazoos, actúa como un regulador negativo del factor de elongación P-TEFb de la ARN polimerasa II, y que esta actividad está influenciada por las vías de respuesta al estrés.
El ncARN bacterial, 6S ARN, se asocia específicamente en la holoenzima ARN polimerasa, que cuenta con el factor específico sigma 70. Esta interacción reprime la expresión de un promotor dependiente de sigma 70 durante la fase estacionaria.
Otro ncARN bacterial, el OxyS ARN, reprime la traducción asociándose a secuencias de Shine-Dalgarno obstaculizando la unión de los ribosomas. El OxyS ARN es producido como respuesta al estrés oxidativo en Escherichia coli.
El B2 ARN es un pequeño trascrito de ncARN polimerasa III que reprime la trascripción del mARN en respuesta al choque térmico producido en las células del ratón. El B2 ARN inhibe la trascripción asociándose al núcleo de la Pol II. A través de esta interacción, el B2 ARN reúne complejos de preiniciación en el promotor y bloquea la síntesis de ARN.
Un estudio reciente ha demostrado que solo el acto de trascripción de la secuencia de ncARN puede tener influencia sobre la expresión genética. La trascripción a ncARN de la ARN polimerasa II se necesita para la remodelación de la cromatina en los Shizosaccharomyces pombe. La cromatina adopta progresivamente una configuración abierta, así es como diversas especies de ncARN son transcritos.
cis-acting ncRNAs
Un número de ncARNs están unidos a los 5 'UTRs de los genes codificantes de proteínas e influencian su expresión de diversas maneras. Por ejemplo, un riboswitch puede unir directamente una molécula objetivo pequeña y esta unión afecta la actividad genética.
Se encuentran secuencias de ARN líder en la zona superior del primer gen de los peronés biosintetizadores de aminoácidos. Estos elementos de ARN forman una de las dos posibles estructuras en regiones codificadas con secuencias péptidas muy cortas que son ricos en aminoácidos producto final del operon. Una estructura degradadota se forma cuando existe un exceso de los aminoácidos reguladores y el movimiento ribosómico sobre la trascripción del líder no se simplifica. Cuando hay una deficiencia de tARN cargado del aminoácido regulador, el ribosoma actúa formando la estructura no-degradativa. Así permite al ARN polimerasa transcribir el operón. Los ARN líderes conocidos son el operó líder de histidina, el operón líder de leucina, el operón líder de treonina y el operón líder de triptòfan.
El IRE (“Iron reponse elements”, Elementos de respuesta al hierro) están unidos por IRP (Iron response proteins”, proteínas de respuesta al hierro). El IRE se encuentra en UTRs de diferentes mARNs producidos que participan en el metabolismo del hierro. Cuando la concentración del hierro es baja, los IRPs conducen la IRE mARN de ferritina para la represión de su traducción.
IRES (“Internal ribosome entry sites”, sitios de entrada internos de los ribosomas) son una estructura de ARN que permiten la iniciación de la traducción en la mitad de la secuencia de mARN como parte del proceso de síntesis proteica.
ncRNAs y la defensa del Genoma
Los ARNs Piwi-interactivos (piARNs) se expresan en los testículos y las células somáticas de los mamíferos, forman proteínas de ARN con las proteínas Piwi. Estas complejas piARNs están relacionadas con la inhibición de la trascripción genética de los retrotransposones y otros elementos genéticos de las células de la línea germinal, especialmente aquellas implicadas en la espermatogénesis.
El CRISPR (“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”) son repeticiones encontradas en el DNA de muchas bacterias y de las arqueas. Las repeticiones están separadas por espacios de longitud similar. Se ha demostrando que estos espacios pueden derivar de infecciones víricas y, consecuentemente, pueden ayudar a las células a protegerse de las infecciones.
ncRNAs y la estructura Cromosómica