RNAهای غیرکدکننده تنظیمی

بر اساس قانون مادری در بیولوژی مولکولی یا Central Dogma، که اولین بار در سال 1958 توسط آقای فرانسیس کریک مطرح گردید، ماده اصلی ژنتیکی DNA می­باشد که از روی آن mRNA سنتز شده و  mRNA در نهایت به پروتئین ترجمه می­شود (هرچند از لحاظ تکاملی و فیلوژنی RNA زودتر از DNA بوجود آمده است). سلول قادر است تولید یک پروتئین را در سطح رونویسی یا ترجمه کنترل کند. مکانیسم مذکور، مکانیسم تنظیم بیان ژن نامیده می­شود. در این فرآیند تنظیمی:

1.  برخی از پروتئین­ها مثل فاکتورهای رونویسی با اتصال به پروموتور، افزایشگر و یا خاموشگرهای یک ژن، رونویسی از آنها را متاثر می کنند (مثل فاکتور GATA-1 که با اتصال به پروموتور ژن EOS47 باعث افزایش بیان آن و تمایز ائوزینوفیلی می­شود یا دایمر Maf-Bach که با اتصال به خاموشگر ژن گلوبین باعث مهار رونویسی آن می گردد).
2. برخی از پروتئین­ها مثل HATCEP/P300، HDAC و متیل ترانسفراز با تغییرات اپی­ژنتیکی بر روی DNA، هیستونها و با تغییر در برهمکنش DNA با پروتئین­های هیستونی، رونویسی از یک ژن را تحت تأثیر قرار می­دهند. تغییرات اپی­ژنتیکی برخلاف تغییرات ژنتیکی، توالی نوکلئوتیدهای DNA را تغییر نداده ولی با متیلاسیون بازهای سیتوزین یا با استیلاسیون، داستیلاسیون، متیلاسیون و فسفریلاسیون هیستون­ها، ساختار کروماتین را به نوعی تغییر می­دهند که شرایط ساختاری و فیزیکی برای رونویسی از یک ژن کاهش یا افزایش یابد.
3. برخی از پروتئین­ها با اتصال به فاکتورهای رونویسی، عملکرد آنها را بلوکه کرده، باعث کاهش برهمکنش آنها با DNA شده و بدین ترتیب رونویسی از ژن­های هدف آنها را کاهش می­دهند (همانند پروتئین IKB که باعث مهار NF-kB می­شود). برعکس برخی از پروتئین­ها نیز با اتصال به فاکتورهای مهارکننده رونویسی و بلوکه کردن آنها، سبب حذف اثر مهاری و افزایش بیان ژن­های هدف می­گردند (همانند IKK که با مهار IKB باعث افزایش فعالیت NF-kB و افزایش رونویسی از ژن­های هدف می­شود).
4. برخی از پروتئین­ها به واسطه سیگنالینگ داخل سلولی و ایجاد توانایی ورود یک فاکتور رونویسی از سیتوپلاسم به داخل هسته، بیان یک ژن را افزایش می دهند (همانند دایمر STAT که طی مسیر سیگنالینگ JAK-STAT فعال شده و با ورود به هسته باعث رونویسی از ژن­های هدف می­شود).
5. برخی از پروتئین­ها با اتصال به زیرواحدهای مختلف ریبوزوم باعث جلوگیری از ترجمه یک mRNA و کاهش بیان یک ژن می­شوند.
6. برخی از پروتئین­ها با اتصال به پروتئین­های دخیل در شروع یا طویل­ سازی ترجمه باعث کاهش سطح ترجمه و درنتیجه کاهش بیان یک ژن می­شوند (همانند فاکتور HRI که با اتصال به eIF2 سبب فسفریلاسیون و غیرفعال­سازی آن و درنتیجه کاهش سطح ترجمه می­شود).
7. برخی از پروتئین­ها با اتصال به یک پروتئین و یوبیکوئیتینه کردن آن، سبب تخریب زودرس و کاهش بیان آن می­شوند (همانند پروتئین β-TrCP که با یوبیکوئیتیناسیون β-کاتنین باعث تخریب آن در پروتئوزوم شده و از عملکرد آن جلوگیری می­کند یا پروتئین VHL که با تخریب HIF-α مانع از سیگنالینگ آن می­شود).
8. برخی از پروتئین­ها با اتصال به نواحی 5′ یک mRNA مانع از اتصال آن به ریبوزوم و کاهش سطح ترجمه می­شوند (همانند پروتئین IRP که با اتصال به mRNA فریتین باعث کاهش سطح ترجمه آن میگردد).
9. برخی از پروتئین­ها با اتصال به نواحی 3′ یک mRNA باعث افزایش پایداری mRNA و افزایش سطح ترجمه می­شوند (همانند پروتئین IRP که با اتصال به mRNA گیرنده ترانسفرین یا CD71 سبب افزایش سطح ترجمه آن می­شود).
10. برخی از پروتئین­ها با اتصال به RNAهای کوچک غیرکدکننده به یک کمپلکس ریبونوکلئوپروتئینی تبدیل می­شوند که از طریق RNA داخل آن به mRNAهای سیتوپلاسمی متصل شده و باعث برش آنزیمی و تخریب mRNA و درنتیجه کاهش ترجمه و بیان آنها می­شوند. از این دسته از RNAها می­توان به RNAiها (miRNAها، SiRNAها و piRNAها) اشاره نمود که در ادامه در مورد ساختار و عملکرد اختصاصی آنها بحث خواهد شد.
11. برخی از mRNA ها مثل ریبوسوئیچ، در صورت اتصال به مواد متابولیت باعث کاهش ترجمه mRNA موجود در ریبوسوئیچ می­شوند.

تا سال­های طولانی تصور بر این بود که برای هر پروتئینی یک ژن وجود دارد (قانون یک ژن یک پروتئین)، ولی بعدها با کشف ایزوفرم­های مختلف از یک پروتئین و با شناسایی پدیده پردازش تمایزی مشخص شد که از یک ژن و بسته به آرایش اگزون­های مختلف آن، ایزوفرم­های متفاوتی از یک پروتئین می­تواند شکل گیرد که حتی محل بیان آن نیز ممکن است از یک سلول به سلول دیگر یا از یک بافت به بافت دیگر فرق داشته باشد. از طرفی دیگر، تعداد پروتئین­های موجود در انسان به مراتب بیشتر از تعداد ژن­های موجود در کل 46 کروموزوم آن می­باشد که این یافته نیز تشکیل چندین پروتئین از یک ژن را تایید می نماید. طی فرآیند بلوغ hn-RNA به mRNAی بالغ، اینترون­های hn-RNA حذف شده و اگزون­ها به یکدیگر متصل می­شوند ولی طی پردازش تمایزی، ترکیبات متنوعی از اگزون­ها ایجاد می­شود که بسته به نوع آن، پروتئینی با عملکرد، بیان، ساختار، طول پپتیدی و دومین­های متفاوت ایجاد می­گردد.

از کل ژنوم انسانی تنها، حدود 5% آن کد شده و به پروتئین تبدیل می­شود و 95% بقیه، بیشتر به صورت هتروکروماتین و ساختارهای اپی­ژنتیکی قرار دارد که در حفظ ساختار DNA، توپولوژی آن، تقسیم میتوز و میوز و مهمتر از همه، در تنظیم بیان ژن­ها ایفای نقش می­کند. چنین عنوان می­شود که در هر10% از یک کروموزوم، حدود 40 ژن وجود دارد (4 ژن برای 1% از کروموزوم)، حال اگر کروموزومی به طور متوسط 10⁶×48-22 جفت باز داشته باشد، به ازاء هر 10⁴×4/3 باز، به­طور متوسط یک ژن وجود خواهد داشت. لازم به ذکر است، کل DNA انسان حدود 3 میلیارد جفت باز دارد که در 46 کروموزوم توزیع شده است و در این تعداد باز، حدود 35-30 هزار ژن وجود دارند. بیش از 50% DNA هم از توالی­های تکراری تشکیل شده است. در خود mRNA ای که از یک ژن رونویسی می­شود نیز، نواحی ترجمه شونده و غیرترجمه شونده (UTR) وجود دارد که نواحی UTR (مثل اینترون­ها)، در تولید پروتئین دخالت نداشته و حین بلوغ mRNA، از آن جدا می­شوند. امروزه مشخص شده که اینترون­ها در تولید مقدار قابل توجهی از miRNAها حائز اهمیت هستند.

ژن­های کد شونده دو دسته هستند، برخی از آنها (مثل اکتین، آنزیم­های گلیکولیز و ژن سازنده ATP)، در تمامی سلول­ها و تمامی مقاطع تکاملی بیان شده و به­عنوان مایحتاج روزانه و خانگی یک سلول به شمار می­روند و ژن­های خانه دار یا house kipping نامیده می شوند. این ژن­ها تنظیم بیان خاص و پیچیده­ای نداشته و به راحتی در شرایط مختلف سلول بیان می­شوند. در مقابل ژن­هایی وجود دارند که مختص بافت و سلول­های خاصی بوده و یا در مقطع تکاملی خاصی بیان می­شوند (مثل ژن تستسترون در بیضه یا ژن سازنده انسولین در پانکراس) که دارای تنظیم بیان ژنی مشخص و زمان­بندی شده­ای بوده و ژن­های خاص نامیده می­شوند.

RNA های کدکننده، mRNA  ها هستند، و RNAهای غیرکدکننده(nc-RNAs)  شامل موارد زیر می­باشند:

• tRNA(transfer RNA)
• rRNA(ribosomal RNA)
• snRNA(Small nuclear RNA- splicing)
• snoRNA(Smal nucleolar RNA)
• Natural Antisense یا RNA interference (RNAi)
• miRNA یا microRNA
• Ribozyme
• Riboswitch
• siRNA

نسبت قسمت­های مختلف DNAی انسانی که حدود 95% آن را هتروکروماتین و 5% آن را یوکروماتین تشکیل می­دهد. از کل کروموزوم­ها،30% آن را ژن­ها تشکیل می­دهد که از این 30%، 5/1% آن­ اگزون­ و 5/28% مابقی آن اینترون­های غیرکدکننده هستند. از نگاهی دیگر، حدود 53% DNA انسان از توالی­های تکراری و 5% آن از نواحی مضاعف شده تشکیل می گردد و حدود 8% از ژنوم انسان نیز منشاء رتروویروسی دارد.

snRNAها گروهی ازRNA ها هستند که تنها در سلول­های یوکاریوتی دیده می‌‌شوند و توسط RNA پلیمراز  IIیا III کد می‌گردند. این مولکول­ها در فرایند­های مهمی همانند پردازش، تنظیم فاکتورهای رونویسی، تنظیم RNA پلیمراز II و نگهداری تلومر نقش دارند. snRNA ها را به همراه پروتئین­های همکارشان، اسنورپ نیز می­نامند. SnoRNAها، دسته­ای از snRNAها هستند که در بیوسنتز RNA و راهنمایی تغییرات شیمیایی مانند متیلاسیون درtRNA، rRNA و snRNA دخالت دارند. این دسته در هستک و در بخشی از هسته به نام Cajal body که محل سنتز RNA می­باشد، قرار دارند. انواع non-coding RNA بسته به عملکردی که دارند، به انواع مختلفی تقسیم می­شوند، به­عنوان مثال دسته­ای از آنها در مهار رونویسی نقش دارند (miRNA, Antisense)، دسته­ای در تخریب (siRNA, Ribozyme, Antisense) RNA ، دسته­ای در بازسازی کروماتین (dsRNA)، دسته­ای در متیلاسیونDNA (dsRNA)، دسته­ای در Imprinting ژنی (non-coding antisense)، دسته­ای در پردازش hnRNA نابالغ (snRNA)، دسته­ای در  Editingو ترمیم (snoRNA)، دسته­ای در رونویسی معکوس (telomerase, retrotransposone)، دسته­ای به­عنوان سنسورهای متابولیکی (Riboswitch) و دسته ای در تعدیل عملکرد پروتئین­ها ((OxyS نقش دارند. به فرم­های سنتتیک Antisenseها مورفولینو نیز گفته می­شود.