L'RNA, o acido ribonucleico, è un acido nucleico coinvolto nei processi di codifica, decodifica, regolazione ed espressione dei geni. I geni sono segmenti più o meno lunghi di DNA, che contengono le informazioni fondamentali alla sintesi delle proteine. In termini molto semplici, l'RNA deriva dal DNA e rappresenta la molecola di passaggio tra quest'ultimo e le proteine. Le molecole di RNA derivano dall'unione, in catene, di un numero variabile di ribonucleotidi.
Strutturalmente simile all'acido ribonucleico, l'acido desossiribonucleico è il patrimonio genetico, ossia il “magazzino dei geni”, contenuto nelle cellule degli organismi viventi. Sotto il profilo chimico-biologico, l'RNA è un biopolimero. Le molecole di RNA sono molecole costituite, solitamente, da singole catene di nucleotidi (filamenti polinucleotidici). Diversamente dall'RNA, il DNA è un biopolimero formato, generalmente, da due filamenti di nucleotidi.
Un qualsiasi filamento polinucleotidico di RNA presenta due estremità, conosciute come estremità 5' (si legge “estremità cinque primo”) ed estremità 3' (si legge “estremità tre primo”). Dal punto di vista chimico, l'estremità 5' coincide con il gruppo fosfato del primo nucleotide della catena polinucleotidica, mentre l'estremità 3' coincide con il gruppo ossidrilico posto sul carbonio 3 dell'ultimo nucleotide della medesima catena. L'acido nucleico RNA condivide con il DNA soltanto 3 basi azotate su 4. Al posto della timina, infatti, presenta la base azotata uracile. L'RNA può risiedere in vari compartimenti della cellula, dal nucleo al citoplasma.
Fino agli anni Settanta del 20° secolo, le funzioni biologiche note dell'acido ribonucleico o RNA (Ribonucleic Acid) erano ristrette alla funzione codificante (RNA messaggero o mRNA) e alla sintesi proteica (RNA ribosomale o rRNA, RNA transfer o tRNA) e l'idea prevalente era che il RNA svolgesse un ruolo minimo nella regolazione dell'espressione dei geni.
La Rivoluzione degli RNA Non Codificanti
È stato dimostrato che nella cellula esiste una varietà incredibile di molecole di RNA e che il RNA può svolgere funzioni enzimatiche, dirigere la rimozione degli introni dai trascritti nucleari precursori del mRNA, dirigere il processamento del RNA precursore dei RNA ribosomali, funzionare come guida per gli enzimi che modificano i precursori del rRNA ribosomale o altri piccoli RNA e controllare l'espressione genica sia a livello trascrizionale sia a livello post-trascrizionale. Negli organismi eucarioti il RNA comprende una vasta gamma di molecole che in generale vengono classificate a seconda della loro funzione, unità di sedimentazione oppure dimensioni, e localizzazione nella cellula.
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Dal punto di vista storico, l'espressione piccoli RNA fu originariamente introdotta per indicare molecole di RNA non codificanti di lunghezza compresa fra 50 e 300 nucleotidi. Alla fine degli anni Novanta la scoperta dell'interferenza genetica mediata da RNA a doppio filamento (dsRNA) ha portato all'identificazione di nuove classi di piccoli RNA con una lunghezza compresa fra i 20 e i 30 nucleotidi, i più corti RNA conosciuti negli organismi eucarioti. Questi piccoli RNA sono noti come piccoli RNA interferenti o siRNAs (small interfering RNAs) e piccoli RNA microscopici o miRNAs (microRNAs).
In generale questi piccoli RNA riconoscono per complementarità sequenze omologhe presenti in mRNA (o in altri RNA) e servono come guida per indurre la degradazione del RNA bersaglio o per bloccare il processo di sintesi proteica. La scoperta della interferenza genica mediata da questi piccoli RNA ha generato una completa rivoluzione della concezione di come l'espressione dei geni è regolata negli organismi eucarioti. Si calcola che nell'uomo più di un terzo dei geni vengano regolati attraverso i miRNAs e, con buona probabilità, il numero dei geni regolati è ancora più alto.
Meccanismi di Silenziamento Genico Mediati da RNA
Dobbiamo ai laboratori di A. Fire e C.C. Mello, ai quali è stato assegnato il premio Nobel per la fisiologia o la medicina nel 2006, l'osservazione che tutte le preparazioni di molecole di RNA a singolo filamento (che si usano comunemente in laboratorio) sono contaminate da basse concentrazioni di dsRNA e la fondamentale scoperta che sono le molecole di dsRNA a iniziare il processo di silenziamento genico. Il fenomeno fu battezzato RNA interference o RNAi. In seguito al lavoro di Fire e Mello il silenziamento dell'espressione genica mediata da dsRNA fu scoperto e utilizzato sperimentalmente in un ampio spettro di organismi eucarioti, dai protozoi all'uomo.
L'evidenza che piccoli RNA interferenti, i siRNAs, erano correlati con il fenomeno di cosuppression fu documentata per la prima volta da D. Baulcombe e colleghi nel 1999 nelle piante e, poco tempo dopo, il laboratorio di T. Tuschl dimostrò per la prima volta che siRNAs sintetici erano capaci di indurre RNAi in cellule di mammifero. Questa scoperta è stata fondamentale dal momento che nei mammiferi il dsRNA di lunghezza superiore a 30 nucleotidi provoca una generale distruzione di tutti gli mRNA e le cellule vanno incontro successivamente ad apoptosi.
miRNA e siRNA: Origine e Funzione
La scoperta dei miRNAs avvenne indipendentemente dai siRNAs e iniziò nel 1993 con l'identificazione di un piccolo RNA di 22 nucleotidi, necessario per il corretto sviluppo temporale delle larve dell'organismo modello Caenorhabditis elegans. È l'origine e non la funzione a distinguere miRNAs e siRNAs. È importante notare che i miRNAs sono stati identificati solo in piante e animali e nei loro virus, ma non in organismi unicellulari.
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- siRNA: derivati da RNA a doppio filamento (dsRNA) che possono essere lunghi centinaia o forse migliaia di basi. Nelle cellule di piante, nematodi e anche organismi unicellulari, queste lunghe molecole di dsRNA si possono formare come conseguenza della trascrizione di ambedue le eliche del DNA di famiglie di sequenze ripetute.
- miRNA: derivano da lunghi transcritti primari (primary-miRNA o pri-miRNA), sintetizzati dalla RNA polimerasi II, contenenti numerose regioni con strutture secondarie (hairpins, letteralmente forcine per capelli) di circa 70 nucleotidi.
Il Ruolo degli RNA Non Codificanti nella Regolazione Genica
Il vecchio dogma gene->RNA->proteina assumeva che l’informazione genetica contenuta nel DNA fosse tradotta in proteine, le quali rappresentavano gli unici effettori delle risposte biologiche. Tuttavia, per la quasi totalità, il genoma umano è costituito da RNA non codificanti proteine, definiti in passato “genoma spazzatura” in quanto apparentemente privi di funzione. Studi recenti hanno definito strutturalmente e funzionalmente tale “genoma non-coding”, mettendo alla luce nuove molecole con un ruolo chiave nella patogenesi dei tumori umani.
Dopo 50 anni di ricerche centrate sul DNA, ci si è così accorti che oltre ai geni che codificano per proteine esiste un grandissimo numero di altri geni fondamentali per la cellula che non sono utili per la sintesi di proteine. Questi geni nel loro insieme vengono definiti non-coding RNA, o RNA non codificanti, un termine molto generico che racchiude diverse sottofamiglie con funzioni completamente diverse. Una delle famiglie più studiate è quella dei microRNA (o miRNA), a cui appartiene proprio lin-4.
La loro funzione è quella di regolare il metabolismo cellulare e la quantità di proteine prodotte: i miRNA sono perciò un sofisticato meccanismo di controllo dell’espressione genica. I micro-RNA finora identificati nell’Uomo superano i 5000 e molti di essi vengono espressi in modo tessuto-specifico. Sono codificati da particolari geni che, a loro volta, possono essere localizzati a livello di esoni, di introni (geni mirtroni) o di regioni intergeniche.
Il risultato sarà l’assenza del prodotto proteico finale. Se i microRNA regolano l’espressione genica, è logico pensare che alcuni di essi controllino i livelli di tutti quei geni alterati coinvolti nei tumori.
Long Non-Coding RNA (lncRNA)
Nell’ultimo decennio è stata scoperta un’altra classe di RNA non codificanti, i long non-coding RNA (long ncRNA). Sono lunghi più di 200 basi e sono ampiamente importanti nella stabilizzazione termodinamica delle proteine e nella loro regolazione genica post-traduzionale, controllando processi come la sintesi di proteine, la maturazione di RNA, il trasporto di una vasta gamma di molecole e i meccanismi di silenziamento genico.
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In quest’ultimo caso è stato osservato un loro attivo ruolo nel regolare la struttura della cromatina, interagendo sia con i complessi che modificano gli istoni sia con quelli che determinano la metilazione del DNA. Inoltre, sono in grado di interagire anche con complessi ribonucleoproteici regolatori della trascrizione, indirizzandoli in modo specifico sui relativi bersagli.
RNA Y
Gli RNA Y sono stati individuati per la prima volta in soggetti affetti da Lupus Eritematoso associati a specifiche proteine, Ro60 (RNA binding protein 60 o TROVE 2) e La (SSB small RNA binding exonuclease protection factor La). Si tratta di una classe di RNA non codificanti ampiamente espressi nel sistema nervoso centrale di tutti i vertebrati. L’uomo e tutti i primati possiedono 4 geni distinti in grado di codificare 4 differenti RNA Y (hY1, hY3, hY4 e hY5). La lunghezza degli RNA Y può variare tra 80 e 120 ribonucleotidi.
L'Influenza degli RNA Non Codificanti nello Sviluppo e nelle Malattie
Alla luce delle ricerche effettuate emerge chiaramente il ruolo degli RNA non codificanti in varie patologie. Gli RNA lunghi non codificanti (lncRNA) sono una classe eterogenea di RNA sintetici o naturali - solitamente più lunghi di 200 nucleotidi - che non vengono tradotti in proteine. I geni per gli lncRNA rappresentano una frazione significativa del genoma umano. Gli lncRNA possono interagire con mRNA, DNA e proteine per regolare l’espressione genica a più livelli e sono stati coinvolti in diversi processi fisiopatologici, tra cui lo sviluppo neurale, i disturbi immunitari e neurologici e il cancro.
Pertanto, il targeting degli lncRNA potrebbe diventare fondamentale per il trattamento di diverse malattie. I SINEUP costituiscono una categoria recentemente identificata di lncRNA che regolano in modo specifico la traduzione di mRNA bersaglio. I SINEUP hanno una struttura modulare: un dominio di legame (Binding Domain, BD) nella regione 5′ che si lega testa a testa al 5′ dell’mRNA bersaglio e un dominio effettore (Effector Domain, ED) contenente uno short interspersed nuclear element (SINE).
In un recente studio coordinato dalla Sapienza Università di Roma e dall’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), e finanziato da un progetto ERC-Synergy, è stata scoperta una nuova molecola di RNA non codificante lungo (lncRNA), denominata CyCoNP, ed è stato descritto il meccanismo attraverso il quale regola la ramificazione dei prolungamenti neurali (neuriti) artefici della trasmissione e ricezione degli impulsi nervosi.
Il nuovo studio ha svelato come lnc-SMaRT sia capace di regolare negativamente la traduzione di un RNA messaggero, MLX-g, che ricopre un ruolo fondamentale nella formazione dei tessuti muscolari.
Il "DNA Spazzatura": Un Cuscinetto Protettivo
Uno studio recente, condotto da ricercatori di Tel Aviv, ha permesso di aggiungere alcune intuizioni fondamentali sulle ragioni della persistenza del DNA non codificante, che potrebbero aiutare a comprendere meglio la ricca varietà di dimensioni dei genomi nel mondo vivente. L’ipotesi dei ricercatori è che l'eliminazione dei segmenti non codificante, intorno alle regioni codificanti, potrebbe danneggiare l’integrità dell’informazione genetica, poiché anche le sezioni codificanti potrebbero subire dei tagli. In sostanza, il "DNA spazzatura" agirebbe come un cuscinetto, proteggendo le regioni che contengono le sequenze più sensibili necessarie per la codifica delle proteine.
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