RNA (sigla dell'ingl. RiboNucleic Acid)
RNA (sigla dell’ingl. RiboNucleic Acid)
Acido nucleico presente nel nucleo e nel citoplasma di tutte le cellule. Le molecole di RNA sono sequenze di nucleotidi, nei quali lo zucchero è il ribosio (e non il desossiribosio come nel DNA) e le basi azotate sono adenina, guanina, citosina e uracile (omologo della timina nel DNA). Esistono numerosi tipi di RNA che evidenziano diversi livelli di complessità strutturale, in alcuni casi pari a quello delle proteine; l’RNA può formare strutture secondarie e terziarie estremamente complesse e riconoscere in maniera specifica sequenze complementari presenti sia nel DNA sia in altri RNA. La sintesi degli RNA avviene utilizzando come stampo la doppia elica del DNA, ed è catalizzata dagli enzimi RNA polimerasi; la degradazione dell’RNA è dovuta invece all’azione di enzimi detti ribonucleasi (RNasi).
Funzioni e tipi di RNA
L’RNA non contiene l’informazione genetica, ma svolge un ruolo cruciale nel suo trasferimento al di fuori del nucleo, nella sintesi proteica e nella regolazione dell’espressione genica. Solo in alcuni virus (virus a RNA) l’RNA è la molecola contenente il genoma. Nella classificazione degli RNA è possibile fare una prima distinzione in RNA codificanti e non codificanti. Del primo tipo è l’RNA messaggero (mRNA), che svolge la funzione di trascrizione dell’informazione genetica. Gli RNA non codificanti comprendono l’RNA ribosomale (rRNA) e l’RNA transfer (tRNA), implicati nel processo di traduzione (➔ sintesi proteica), e una grande varietà di altre molecole di RNA (dette piccoli RNA), di lunghezza compresa fra 50 e 300 nucleotidi, coinvolti in tutti gli aspetti che riguardano il mantenimento, il trasferimento, il processamento e la regolazione dell’informazione genetica.
RNA messaggero
L’mRNA è sintetizzato nel nucleo della cellula: la doppia elica del DNA viene separata dall’enzima RNA polimerasi e i nucleotidi ribonucleici si appaiano in modo complementare ai nucleotidi esposti del DNA; si ottiene così una molecola di RNA chiamata precursore, o trascritto, primario (pre-mRNA). Questa molecola, complementare al DNA, contiene sequenze codificanti (esoni) e non codificanti (introni). Piccoli RNA nucleari (snRNA, small nuclear RNA) presenti nel nucleo eliminano gli introni attraverso il processo di splicing, con formazione dell’RNA messaggero maturo. Quest’ultimo trasporta l’informazione genetica fuori dal nucleo, all’RNA ribosomale.
RNA ribosomale
L’rRNA è il principale costituente dei ribosomi (➔), nei quali è presente in quattro forme (28S, 18S, 5,8S e 5S), distinte in base al coefficiente di sedimentazione. La sintesi, la maturazione e l’assemblaggio degli rRNA sono operati all’interno del nucleolo da piccoli RNA nucleolari.
RNA transfer
I tRNA sono piccole molecole nelle quali il filamento ribonucleico assume una caratteristica conformazione ‘a trifoglio’; una delle estremità (anticodone) è costituita da una tripletta di basi, assortite in molte diverse combinazioni, ciascuna corrispondente a un diverso amminoacido (➔ codice genetico). I tRNA legano in modo specifico i diversi amminoacidi all’altra estremità della loro molecola e li trasportano nel complesso formato da mRNA e ribosomi; qui i tRNA scorrono lungo il filamento di mRNA, e in base alla sequenza riconosciuta da ciascun anticodone assemblano i corrispondenti amminoacidi, che si legano tra loro formando la catena polipeptidica.
RNA a doppio filamento (dsRNA, double strandRNA)
In conseguenza della trascrizione di ambedue le eliche del DNA oppure mediante copiatura di RNA a singolo filamento da parte di una specifica RNA polimerasi, chiamata RdRp (RNA dependent RNA polymerase), si possono formare molecole di RNA a doppio filamento. I dsRNA sono in grado di indurre la degradazione di specifici tratti di mRNA (➔ silenziamento), impedendo l’espressione dei geni, con un meccanismo detto di interferenza genetica (RNA interference o RNAi). Il dsRNA costituisce anche il genoma di alcuni tipi di virus.
Piccoli RNA interferenti (siRNA, small interfering RNA) e piccoli RNA microscopici (microRNA o miRNA)
La scoperta dell’interferenza genetica ha portato all’identificazione di nuove classi di piccoli RNA microscopici con una lunghezza compresa fra i 20 e i 25 nucleotidi, i più corti RNA conosciuti negli organismi eucarioti. Questi piccoli RNA riconoscono per complementarietà sequenze omologhe presenti in RNA messaggeri (o in altri RNA) e servono come guida per indurre la degradazione dell’RNA bersaglio o per bloccare il processo di sintesi proteica. Lo studio dell’interferenza genica mediata dai piccoli RNA ha rivoluzionato la concezione del modo in cui l’espressione dei geni è regolata negli organismi eucarioti (➔ espressione genica). Questi RNA svolgono infatti un ruolo essenziale in processi biologici di base, come lo sviluppo embrionale, la proliferazione cellulare, l’apoptosi, il metabolismo dell’insulina, la differenziazione cellulare.
RNA
I microRNA: nuove frontiere nella regolazione dell’espressione genica
I microRNA (o miRNA o miR) rappresentano una classe di molecole di RNA di recente scoperta, che agiscono come importanti regolatori dell’espressione genica in diversi organismi.
Struttura
I microRNA sono RNA non codificanti di 20÷25 nucleotidi che legano, mediante un appaiamento parziale, la regione 3’ non tradotta (3’ UTR, 3’ UnTranslated Region) di RNA messaggeri (mRNA) target, inibendone la traduzione o causandone la degradazione. Per poter agire sull’mRNA target, la molecola di microRNA viene incorporata in un complesso ribonucleoproteico, chiamato RISC (RNA-Induced Silencing Complex) che è coinvolto anche nell’azione dei siRNA.
Scoperta
Il primo microRNA a essere scoperto è stato lin-4 nel 1993. Tale microRNA è stato identificato in uno screening di geni importanti per lo sviluppo post-embrionale del verme Caenorhabditis elegans. Nel 2001 altre decine di microRNA sono stati identificati sia in animali che in piante. Le sequenze dei microRNA sono contenute in una banca dati (miRBase): nella sua ultima versione del 2008 sono annotati 1.638 microRNA vegetali e 6.930 microRNA provenienti da animali e virus. Successivamente sono stati scoperti molti altri microRNA sia attraverso il sequenziamento di librerie di piccoli RNA, sia utilizzando metodi di predizione per via computazionale.
Biogenesi
Nel genoma umano, i microRNA sono localizzati su tutti i cromosomi tranne che sul cromosoma Y e si trovano principalmente negli introni dei geni; inoltre, possono trovarsi singolarmente o raggruppati in cluster. I microRNA sono trascritti dalla RNA polimerasi come un trascritto primario chiamato pri-miRNA (primary-microRNA), il quale contiene strutture a forcina che sono riconosciute da un complesso proteico denominato microprocessore. Uno dei costituenti di questo complesso è l’enzima Drosha, una endonucleasi nucleare responsabile del processamento del pri-miRNA, che porta alla formazione del pre-miRNA (precursor microRNA), un RNA che ha una lunghezza di 60÷70 nucleotidi. Il pre-miRNA viene esportato dal nucleo al citoplasma dalle proteine Exportin 5 e Ran, una GTPasi che trasporta RNA e proteine attraverso il poro nucleare. Nel citoplasma, il pre-miRNA è ulteriormente processato dalla endonucleasi Dicer, la quale genera un RNA a doppio filamento che contiene la molecola di microRNA maturo. Dopo la separazione dei due filamenti, il microRNA si associa al 3’ UTR dell’RNA bersaglio e svolge la sua funzione.
Regolazione dell’espressione
Nonostante non posseggano un promotore canonico, i microRNA sono sottoposti a una regolazione trascrizionale simile a quella dei geni convenzionali. Sono stati identificati diversi fattori trascrizionali capaci di legare la regione genomica presente al terminale 5’ dei microRNA e di attivare o inibire l’espressione di uno o più microRNA. Si è visto che alcuni fattori di trascrizione alterati in talune patologie causano una deregolazione dell’espressione dei microRNA. Per es., l’oncogene MYC, sovraespresso in alcuni tumori, causa un’alterata trascrizione di un gruppo di microRNA che a loro volta causano lo spegnimento di alcuni geni oncosoppressori e quindi la progressione del tumore.
Ruolo
Come i fattori di trascrizione, i microRNA svolgono un ruolo essenziale in vari processi biologici. Negli ultimi anni sono stati identificati diversi microRNA che regolano lo sviluppo, il differenziamento, l’apoptosi e i processi metabolici. Alcuni microRNA sono tessuto-specifici mentre altri sono espressi in più tessuti. Inoltre l’espressione di alcuni microRNA è regolata durante le varie fasi di sviluppo o in risposta a determinati stimoli. Un singolo microRNA può regolare l’espressione di diversi geni, mentre un determinato gene può essere regolato da microRNA differenti che agiscono in maniera sinergica sul gene target: si stima che il 30% dei geni umani sia regolato da microRNA. I cosiddetti geni housekeeping, geni costitutivi che vengono normalmente espressi dalla cellula, hanno UTR molto corti e in genere non sono sottoposti a una regolazione da parte dei microRNA. Negli ultimi anni sono stati identificati microRNA che hanno un ruolo essenziale in diversi processi metabolici. In partic., è stato identificato un microRNA coinvolto nel metabolismo del colesterolo. Studi su primati non umani hanno dimostrato che attraverso l’inibizione di questo microRNA è possibile diminuire i livelli di colesterolo nel plasma. Tale inibitore è attualmente in fase clinica e potrebbe rappresentare una nuova terapia contro l’ipercolesterolemia.
MicroRNA e tumori
Diversi lavori hanno indicato un’alterata espressione dei microRNA in vari tipi di tumori. La prima indicazione che i microRNA sono associati ai tumori venne dall’osservazione che molti microRNA si trovano in regioni genomiche che sono frequentemente amplificate, delete o riarrangiate in diversi tumori. I microRNA coinvolti nello sviluppo di tumori possono essere classificati in due gruppi: microRNA oncogenici (anche detti oncomir), che nei tumori sono espressi a livelli maggiori che nella controparte normale, e microRNA oncosoppressori, che nei tumori sono presenti a livelli più bassi rispetto alle cellule normali. I microRNA appartenenti al primo gruppo in genere regolano l’espressione di geni oncosoppressori, mentre quelli appartenenti al secondo gruppo in genere regolano l’espressione di oncogeni. Studi su modelli animali hanno mostrato che inibendo l’azione di microRNA oncogenici è possibile bloccare la crescita del tumore. Sebbene tali studi siano ancora in fase preliminare, terapie basate sulla modulazione dei microRNA sono estremamente promettenti per la cura dei tumori.
Andrea Carfí
Laura Fontana