Un ARN non codificante ou ARNnc (en inglés ncRNA) é unha molécula de ARN funcional que non se traduce a proteínas. Outros sinónimos menos frecuentes son ARN non codificador de proteínas, ARN non mensaxeiro e ARN funcional. O termo ARN pequeno úsase con frecuencia para referirse aos ARNnc curtos bacterianos. A secuencia de ADN a partir da que se transcribe un ARN non codificante denomínase a miúdo xene de ARN.
Entre os xenes dos ARN non codificantes inclúense os de ARNs moi abundantes e importantes funcionalmente como os ARN transferentes (ARNt) e ARN ribosómicos (ARNr), xunto cos ARN nucleolares pequenos, microARNs, ARN interferentes pequenos, os ARN que interacionan con piwi e os ARNnc longos como Xist e HOTAIR. O número de ARNnc codificados no xenoma humano descoñécese, pero recentes estudos de transcritómica e bioinformática suxiren a existencia de miles de ARNnc., pero ver Como a moitos dos ARNnc recentemente identificados non lles se confirmou a súa función, é posible que moitos sexan non funcionais.
Funcións biolóxicas do ARN non codificante
Hai ARNs non codificantes de varias clases distintas e están implicados en moitos procesos celulares. Hai ARNnc de importancia central para os seres vivos que foron conservados en todos ou na gran maioría das especies, e outros máis específicos presentes nunha ou nunhas poucas especies relacionadas. Os ARNnc máis conservados pénsase que son fósiles moleculares ou reliquias do último antepasado común universal (LUCA) e do mundo de ARN.
Os ARNs non codificantes na tradución de proteínas
miniatura|dereita|400px|Ilustración do dogma central da bioloxía molecular cos procesos nos que están envolvidos os ARNnc. As RNPs móstranse en vermello e os ARNnc en azul.
miniatura|dereita|Estrutura atómica da subunidade de 50S do ribosoma da bacteria Haloarcula marismortui. As proteínas móstranse en azul e as dúas cadeas de ARN en laranxa e amarelo. A mancha verde pequena do centro da subunidade é o centro activo.
Moitos dos ARNnc conservados, esenciais e abundantes están implicados na tradución. As partículas ribonucleoproteicas chamadas ribosomas son os lugares onde ten lugar a tradución na célula. O ribosoma consta de máis dun 60% de ARN ribosómico, constituído por tres ARNnc distintos nos procariotas e catro nos eucariotas. Os ARNs ribosómicos catalizan a tradución de secuencias de nucleótidos a proteínas. Outro conxunto de ARNnc son os ARN transferentes, que son "moléculas adaptadoras" entre o ARNm e as proteínas. Os snoRNA de caixa H/ACA e de caixa C/D son ARNnc que se encontran nas arqueas e eucariotas, a RNase MRP está restrinxida aos eucariotas, e ambos os grupos de ARNnc están implicados na maduración do ARNr. Os snoRNAs dirixen a realización de modificacións covalentes do ARNr, ARNt e ARN nuclear pequeno; a RNase MRP cliva (corta) o espazador transcrito interno 1 entre os ARNr 18S e 5,8S. A RNase P é un ubicuo ARNnc, que ten un parentesco evolutivo coa RNase MRP. A RNase P madura as secuencias de ARNt xerando extremos 5' maduros de ARNt por medio da clivaxe dos elementos líder 5' dos ARNts precursores. Outra ribonucleoproteína ubicua chamada partícula de recoñecemento do sinal (SRP) recoñece e transporta proteínas nacentes específicas ao retículo endoplasmático dos eucariotas e á membrana plasmática nos procariotas. Nas bacterias o ARN transferente-mensaxeiro (ARNtm) é unha ribonucleoproteína implicada no rescate de ribosomas estancados (que non poden completar a tradución dun polipéptido), marcando os polipéptidos incompletos e promovendo a degradación do ARNm aberrante.
Os ARNs non codificantes no splicing do ARN
miniatura|esquerda|Imaxes de microscopia electrónica do espliceosoma de lévedo. Nótese que a maior parte do complexo é ARNnc.
Nos eucariotas o espliceosoma realiza as reaccións do splicing do ARN esenciais para eliminar as secuencias dos intróns, proceso que se require para a formación de ARNm maduro. O espliceosoma é outra ribonucleoproteína tamén chamada snRNP ou tri-snRNP. Hai dúas formas diferentes de espliceosoma, chamadas espliceosoma maior e menor. Os compoñentes de ARNnc do espliceosoma maior son U1, U2, U4, U5, e U6. Os compoñentes de ARNnc do espliceosoma menor son U11, U12, U5, U4atac e U6atac.
Outro grupo de intróns poden catalizar a súa propia eliminación do transcrito no que se hospedan, e denomínanse ARNs de auto-splicing. Hai dous grupos principais de ARNs de autosplicing, que son o intrón catalítico grupo I e intrón catalítico grupo II. Estes ARNnc catalizan a súa propia excisión dos precursores do ARNm, ARNt e ARNr nunha ampla gama de organismos.
Nos mamíferos atopouse que os snoRNAs poden tamén regular o splicing alternativo do ARNm; por exemplo o snoRNA HBII-52 regula o splicing do receptor 2C da serotonina.
Nos nematodos, o ARNnc SmY parece estar implicado no trans-splicing do ARNm.
Os ARNs non codificantes na regulación xénica
A expresión xénica de miles de xenes está regulada por ARNncs. Esta regulación xénica pode ocorrer actuando a través doutra molécula, o que se chama en trans (trans-acting) ou ben de forma directa ou en cis (cis-acting).
ARNs non codificantes que actúan en trans
Nos eucariotas superiores os microARNs regulan a expresión xénica. Un só microARN pode reducir os niveis de expresión de centos de xenes. O mecanismo de actuación das moléculas de micro ARN maduras está baseado na complementariedade de bases parcial cunha ou máis moléculas de ARN mensaxeiro, xeralmente na zona 3' UTR. A principal función dos microARN é regular á baixa a expresión xénica.
O ARNnc RNase P tamén inflúe na expresión xénica. No núcleo das células humanas requírese a RNase P para a transcrición normal e eficiente de varios ARNnc transcritos pola ARN polimerase III. Entre eles están os ARNt, o ARNr 5S, o ARN da SRP, e o snRNA U6. A RNase P exerce a súa función na transcrición asociándose coa ARN polimerase III e a cromatina de xenes de ARNt e ARNr 5S activos.
Pola súa parte, o ARN 7SK, que é un ARNnc de metazoos, actúa como un regulador negativo do factor de elongación P-TEFb da ARN polimerase II, e a súa actividade está influída polas vías de resposta ao estrés.
O ARN de 6S é un ARNnc bacteriano que se asocia especificamente co holoencima da ARN polimerase, que contén o factor de especificidade sigma70. Esta interacción reprime a expresión desde un promotor durante a fase estacionaria do crecemento bacteriano.
Outro ARNc bacteriano é o ARN OxyS, que reprime a tradución ao unirse ás secuencias Shine-Dalgarno e impide así a unión do ribosoma. O ARN OxyS é inducido en resposta ao estrés oxidativo en Escherichia coli.
O ARN B2 é un pequeno transcrito de ARNnc producido pola ARN polimerase III que reprime a transcrición do ARNm en resposta ao choque térmico nas células de rato. O ARN B2 inhibe a transcrición ao unirse ao núcleo da ARN polimerase II. Por medio desta interacción, o ARN B2 únese aos complexos de preiniciación no promotor e bloquea a síntese de ARN.
Un estudo recente mostrou que a transcrición dunha secuencia de ARNnc pode ter unha influencia na expresión xénica. Requírese a transcrición por parte da ARN polimerase II de ARNnc para que se produza a remodelación da cromatina no lévedo Schizosaccharomyces pombe. A cromatina pasa progresivamente a unha configuración aberta a medida que se transcriben varias especies de ARNnc.
ARNs non codificantes que actúan en cis
Nas rexións 5' UTR dos xenes que codifican proteínas (xenes de ARNm) están incluídos varios ARNnc, que inflúen na súa expresión de varios xeitos. Por exemplo, un riboswitch (ribointerruptor) pode unirse directamente a unha pequena molécula diana, e esta unión afecta á actividade do xene.
As secuencias líder do ARN encóntranse augas arriba do primeiro xene dos operóns para a biosíntese de aminoácidos. Estes elementos de ARN cis-reguladores forman unha das dúas posibles estruturas en rexións que codifican secuencias de péptidos moi curtas que son ricas no aminoácido que é o produto final do operón. Fórmase unha estrutura terminadora cando hai un exceso de aminoácidos reguladores e non está impedido o movemento do ribosoma sobre o transcrito líder. Cando hai unha deficiencia do ARNt que leva o o aminoácido regulador, o ribosoma que está traducindo o péptido líder detense e fórmase a estrutura antiterminadora. Isto permite que a ARN polimerase transcriba o operón. Entre os ARN líderes coñecidos están o líder do operón da histidina, o líder do operón da leucina, o líder do operón da treonina e o líder do operón do triptófano.
Os elementos de resposta ao ferro (IRE, Iron Response Elements) únense a proteínas de resposta ao ferro (IRP). O IRE atópase nas rexións UTR (Rexións Non Traducidas) de varios ARNm, cuxos produtos están implicados no metabolismo do ferro. Cando a concentración de ferro é baixa, as IRPs únense ao IRE do ARNm da ferritina, o que leva a reprimir a tradución.
O sitio de entrada ao ribosoma interno (IRES) é unha estrutura de ARN que permite a iniciación da tradución no medio dunha secuencia de ARNm como parte do proceso de síntese de proteínas.
Os ARNs non codificantes e a defensa do xenoma
Os ARN que interaccionan con piwi (piRNAs) exprésanse nos testículos dos mamíferos e en células somáticas, e forman complexos ARN-proteínas coas proteínas piwi. Estes complexos con piRNA (piRCs) foron asociados ao silenciamento de xenes transcricional de retrotransposóns e outros elementos xenéticos en células da liña xerminal, especialmente na espermatoxénese.
As CRISPR (Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) son repeticións que se encontran no ADN de moitas bacterias e arqueas. As repeticións están separadas por espazadores de lonxitude similar. Foi demostrado que estes espazadores poden derivar dun fago e axudan a protexer a célula da infección.
Os ARNs non codificantes e a estrutura dos cromosomas
A telomerase é un encima ribonucleoproteico que engade secuencias repetidas de ADN específicas ("TTAGGG" en vertebrados) ás rexións teloméricas, que forman os extremos dos cromosomas eucarióticos. Os telómeros conteñen ADN condensado, que lle dá estabilidade aos cromosomas. O encima é unha reversotranscriptase que leva ARN, que se utiliza como molde cando se elongan os telómeros, os cales se acortan despois de cada ciclo de replicación celular.
O Xist é un xene de ARNnc longo situado no cromosoma X de mamíferos placentarios que actúa como un efector principal no proceso de inactivación do cromosoma X orixinando os corpos de Barr. Un ARN antisentido chamado Tsix funciona como regulador negativo de Xist. Os cromosomas X que carecen de expresión de Tsix (e dese modo teñen altos niveis de transcrición de Xist) son inactivados máis frecuentemente do que os cromosomas normais. En drosofílidos, que tamén utilizan un sistema de determinación do sexo XY, os ARNs roX (ARN no cromosoma X) están implicados na compensación de dose. Tanto Xist coma roX operan por medio de regulacións epixenéticas da transcrición ao recrutaren encimas que modifican as histonas.
ARN bifuncional
Os ARNs bifuncionais, ou os ARNs de función dual, son ARNs que teñen dúas funcións distintas. A maioría dos ARN bifuncionais coñecidos son á vez ARNm codificadores de proteínas e ARNnc. Porén, hai tamén un número crecente de ARNnc que se clasifican á vez en dúas categorías de ARNnc, como o snoRNA de caixa H/ACA e o microARN.
Dous exemplos ben coñecidos de ARNs bifuncionais son o ARN SgrS e o ARNIII. Porén, coñécense algúns outros como o activador do receptor de esteroides/SRA, ARN VegT, o ARN Oskar e o ENOD40. Os ARNs bifuncionais están sendo obxecto de publicacións especiais da revista Biochimie.
ARNs non codificantes e enfermidades
Igual que ocorre coas proteínas, as mutacións ou desequilibrios no repertorio de ARNnc no corpo poden causar diversas enfermidades.
Cancro
Moitos ARNnc presentan patróns de expresión anormais en tecidos cancerosos. Entre eles os microARNs,