RNA چیست؟ اسید ریبونوکلئیک (RNA)، یک بیومولکول بنیادین است که نقشی محوری و مرکزی در فرآیندهای زیستی مختلف از جمله سنتز پروتئین، تنظیم بیان ژن و ارتباطات سلولی ایفا میکند.RNA از نظر ساختاری شباهتهایی به DNA دارد اما تفاوتهای کلیدی آن را برای عملکردهای پویا آماده میسازد: RNA معمولاً تکرشتهای است، دارای قند ریبوز (به جای دئوکسیریبوز DNA) است و به جای باز تیمین (T)، از یوراسیل (U) استفاده میکند.
RNA در اشکال متفاوتی وجود دارد که هر کدام برای وظایف خاصی تخصص یافتهاند:
- RNA پیامرسان (mRNA): اطلاعات ژنتیکی را از DNA به ریبوزومها برای ساخت پروتئین حمل میکند.
- RNA ناقل (tRNA): به عنوان یک آداپتور عمل کرده و اسیدهای آمینه مورد نیاز را در طول ترجمه تحویل میدهد.
- RNA ریبوزومی (rRNA): هسته ساختاری و کاتالیزوری ریبوزوم را تشکیل میدهد.
علاوه بر اینها، RNAهای غیرکدکننده (ncRNAs) مانند میکروRNAها (miRNAs) و RNAهای غیرکدکننده طولانی (lncRNAs) وظیفه تنظیم بیان ژن، شکلدهی ساختار کروماتین و حتی مشارکت در مکانیسمهای دفاعی سلول را بر عهده دارند.
RNA تواناییهای بیشتری نیز دارد، از جمله:
- نمایش فعالیت آنزیمی (مانند ریبوزیمها) که واکنشهای شیمیایی را کاتالیز میکند.
- نقش محوری در فرآیندهایی مانند Rna اینترفرنس (RNAi) که برای خاموشسازی هدفمند ژنها استفاده میشود و منجر به نوآوریهایی در بیوتکنولوژی، از جمله ابزارهای ویرایش ژنوم CRISPR و واکسنهای مبتنی بر RNA ، شده است.
بسیار عالی. در اینجا ترجمه روان، طبیعی و تخصصی بخش مربوط به ساختار RNA ارائه شده است.
RNA چیست؟ ساختار RNA
RNA یک مولکول تکرشتهای است که از واحدهای سازنده کوچکتری به نام نوکلئوتید تشکیل شده است. هر نوکلئوتید شامل اجزای زیر است:
- باز نیتروژنی: شامل آدنین (A)، یوراسیل (U)، سیتوزین (C) و گوانین (G). در ساختار RNA، یوراسیل جایگزین تیمین (T) میشود که در DNA یافت میشود.
- قند ریبوز: این قند پنجکربنه (پنتوز) در مقایسه با دئوکسیریبوز در DNA، یک گروه هیدروکسیل (OH-) اضافی دارد.
- گروه فسفات: این گروه ستون اصلی رشته RNA را تشکیل میدهد و نوکلئوتیدها را به یکدیگر متصل میکند.
ساختار تکرشتهای RNA به این مولکول اجازه میدهد تا به اشکال سهبعدی متنوعی تا شود، که این اشکال برای انجام عملکردهای مختلف آن در سلول ضروری هستند.
تفاوتهای کلیدی: RNA در برابر DNA
RNA و DNA هر دو به عنوان اسیدهای نوکلئیک شناخته میشوند، گروهی از بیومولکولها که وظیفه ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی را بر عهده دارند. با این حال، این دو از نظر ساختار و عملکرد تفاوتهای مهمی دارند:
- ساختار: RNA معمولاً تکرشتهای است، در حالی که DNA دورشتهای است و ساختار مارپیچ دوگانه را تشکیل میدهد.
- قند: RNA حاوی قند ریبوز است، در صورتی که DNA از دئوکسیریبوز استفاده میکند که یک اتم اکسیژن کمتر دارد.
- باز نوکلئوتیدی: RNA باز یوراسیل (U) را جایگزین تیمین (T) در DNA میکند.
- عملکرد: RNA به دلیل تنوع ساختاری، عملکردی چندمنظوره دارد و به عنوان پیامرسان، آداپتور، کاتالیزور و تنظیمکننده عمل میکند. در مقابل، DNA در درجه اول برای ذخیرهسازی پایدار و بلندمدت اطلاعات ژنتیکی به کار میرود.
RNA ماهیتی پویاتر و ناپایدارتر دارد و اغلب در سیتوپلاسم و هسته فعال است تا فرآیندهای سلولی فوری مانند سنتز پروتئین یا تنظیم ژن را تسهیل کند و در اندامکهای مختلف سلول یافت میشود. در مقابل، DNA (به ویژه DNA ژنومی) در هسته (یا نوکلئوئید در پروکاریوتها) قرار دارد و به شدت بستهبندی میشود تا از یکپارچگی آن محافظت شود.
نحوه ساخت RNA: درک فرآیند رونویسی (Transcription)
RNA چیست؟RNA از طریق فرآیندی به نام رونویسی سنتز میشود که طی سه مرحله کلیدی انجام میگیرد:
- آغاز (Initiation):
- رونویسی زمانی آغاز میشود که آنزیم RNA پلیمراز به یک منطقه خاص از DNA به نام پروموتر متصل میشود. این منطقه نقطه شروع سنتز RNA را علامتگذاری میکند.
- سپس، RNA پلیمراز مارپیچ دوگانه DNA را باز میکند تا رشته الگو (Template Strand) که برای سنتز RNA استفاده خواهد شد، نمایان شود.
- طویل شدن (Elongation):
- در طول طویل شدن، RNA پلیمراز در امتداد رشته الگو DNA حرکت کرده و نوکلئوتیدهای RNA مکمل را به زنجیره RNA در حال رشد اضافه میکند.
- توالی RNA مکمل رشته الگو DNA خواهد بود، با این تفاوت که یوراسیل (U) جایگزین تیمین (T) میشود.
- خاتمه (Termination):
- رونویسی تا زمانی ادامه مییابد که RNA پلیمراز به یک سیگنال خاتمه در توالی DNA برخورد کند. این سیگنال پایان رونوشت RNA را نشان میدهد.
- پس از رسیدن به این سیگنال، RNA پلیمراز مولکول RNA تازه سنتز شده را آزاد کرده و از DNA جدا میشود.
نکته: مولکولهای RNA معمولاً تکرشتهای هستند، زیرا در فرآیند رونویسی، تنها یکی از رشتههای DNA به عنوان الگو استفاده میشود.
انواع مختلف RNA و نقشهای آنها
ساختار تکرشتهای RNA به این مولکول امکان میدهد تا عملکردهای بسیار متنوعی را انجام دهد. RNA به عنوان الگویی برای سنتز پروتئین عمل میکند، به اشکال سهبعدی پیچیده تا میشود تا با مولکولهای دیگر تعامل کند و برای تنظیم بیان ژن، به توالیهای RNA مکمل (مانند miRNA) متصل میشود.
جدول زیر خلاصهای از انواع مختلف RNA و نقشهای حیاتی آنها در سلول را نشان میدهد:
| عملکرد | نوع RNA | نقش | ساختار/شکل |
| سنتز پروتئین (ترجمه) | RNA پیامرسان (mRNA) | حمل اطلاعات ژنتیکی DNA به شکل کدون (توالی سه نوکلئوتیدی متوالی) برای تعیین اسید آمینه خاص در ریبوزوم جهت سنتز پروتئین. | مولکول تکرشتهای که اغلب خطی است. |
| RNA ناقل (tRNA) | آداپتور برای سنتز پروتئین، تطبیق اسیدهای آمینه خاص با کدونها در طول ترجمه. | ساختار شبدر سهبرگی با سه حلقه سنجاق سری. حلقه آنتیکدون آن با کدون mRNA جفت میشود. | |
| RNA ریبوزومی (rRNA) | جزء ساختاری و کاتالیزوری ریبوزومها، تسهیل تشکیل پیوند پپتیدی و همترازی tRNA با mRNA در طول ترجمه. | ساختار سهبعدی پیچیده که بخشی از زیرواحدهای ریبوزوم (بزرگ و کوچک) را تشکیل میدهد. | |
| تداخل RNA (RNAi)/ خاموشسازی ژن | MicroRNA (miRNA) | خاموش کردن ژنها با اتصال به ناحیه UTR’3 (ناحیه ترجمهنشده) mRNA هدف، که منجر به سرکوب ترجمه یا تخریب mRNA میشود. | RNA تکرشتهای کوتاه (حدود ۲۲ نوکلئوتید)، اغلب قبل از پردازش به شکل سنجاق سری تا میشود. |
| Small interfering RNA (siRNA) | سرکوب بیان ژنهای خاص با اتصال به توالیهای مکمل در ناحیه کدکننده mRNA، القای برش و جلوگیری از ترجمه. | RNA دورشتهای کوتاه (حدود ۲۵-۲۰ جفت باز)، اما هنگام اتصال به کمپلکس RISC تکرشتهای میشود. | |
| Piwi-interacting RNA (piRNA) | حفظ یکپارچگی ژنوم در سلولهای زایا با خاموش کردن ترانسپوزونها (عناصر ژنتیکی متحرک) و تنظیم بیان ژن. | تکرشتهای، معمولاً بلندتر از miRNA (حدود ۳۰-۲۴ نوکلئوتید)، بدون ساختار ثانویه مشخص. | |
| تنظیم ژن | Long non-coding RNA (lncRNA) | تنظیم بیان ژن در سطوح مختلف، شامل تنظیم اپیژنتیک، تنظیم پسارونویسی، پیرایش جایگزین و انتقال به هسته. | RNA تکرشتهای بلند (غیرپروتئینی) با طول $> 200$ نوکلئوتید، اغلب به ساختارهای ثانویه پیچیده تا شده است. |
| سیگنالینگ درون و برون سلولی | Circulating cell-free RNA (ccfRNA) | اغلب از سلولهای در حال مرگ آزاد میشود و به عنوان بیومارکرهای غیرتهاجمی برای بیماریها (مانند miRNA خارج سلولی در سرطان) و ارتباطات سلولی عمل میکند. | RNA خارج سلولی که معمولاً تکرشتهای است و توسط کمپلکسهای پروتئینی یا وزیکولهایی مانند Ago2 تثبیت میشود. |
| Exosomal RNA (exRNA)* | وزیکولهای ترشحی طبیعی حاوی مولکولهای RNA که اغلب نشاندهنده تغییرات در سیگنالینگ سلولی و بیماریها (مانند متاستاز تومور) هستند. | بستهبندی شده در وزیکولهای خارج سلولی (EVs) با طیف متنوعی از انواع RNA (مانند mRNA miRNA ). | |
| بلوغ و پایداری RNA | Small nuclear RNA (snRNA) | مشارکت در پردازش mRNA و تسهیل پیرایش (splicing) با حذف اینترونها از pre-mRNA از طریق ارتباط با پیرایشگر (spliceosome). | RNA تکرشتهای کوچک (حدود ۱۵۰ نوکلئوتید) که بخشی از کمپلکسهای snRNP (ریبونوکلئوپروتئینهای هستهای کوچک) را تشکیل میدهد. |
| Small nucleolar RNA (snoRNA) | راهنمای اصلاح شیمیایی RNA های دیگر، هدایت متیلاسیون و سودویوریدیلاسیون rRNA ، tRNA و snRNA . | RNA تکرشتهای کوچک که اغلب در جسمکهای هستهای متراکم (نوکلئول) یافت میشود. | |
| Ribonuclease P RNA (RNase P RNA) | جزء RNA ریبوزیم ( RNAآنزیم ) که tRNA پیشساز را میشکافد تا tRNA بالغ تولید شود. | RNA تکرشتهای که بخشی از کمپلکس RNA-پروتئین با فعالیت کاتالیزوری را تشکیل میدهد. | |
| Y RNA | تضمین پایداریRNA و مشارکت در آغاز همانندسازی DNA. همچنین در تکثیر تومور نقش دارد. | RNA تکرشتهای کوتاه (حدود ۱۰۰ نوکلئوتید) که بخشی از کمپلکس ریبونوکلئوپروتئین Ro را تشکیل میدهد. | |
| جابهجایی پروتئین | Signal recognition particle RNA (7SL RNA یا SRP RNA) | هدایت پروتئینهای تازه سنتز شده به شبکه آندوپلاسمی برای ترشح یا ورود به غشاء. | RNA تکرشتهای که به ساختار خاصی تا شده تا با ریبوزومها و پروتئینها تعامل کند. |
| سنتز تلومر | Telomerase RNA | به عنوان الگو برای افزودن تکرارهای تلومری عمل میکند و از دست رفتن DNAدر طول همانندسازی را جلوگیری میکند. | RNA تکرشتهای با توالی الگوی خاص برای سنتز تلومر که به شکل یک کمپلکس تا شده است. |
*توجه: اصطلاح اگزوزوم (Exosome) در حال حاضر بیشتر به عنوان وزیکولهای خارج سلولی (EVs) ارجاع داده میشود. بنابراین، evRNA بیشتر از exRNA مورد استفاده قرار میگیرد.
محلهای زیرسلولی و نقشهای RNA
مولکولهای RNA در سراسر اندامکها و بخشهای مختلف زیرسلولی (Subcellular) توزیع شدهاند. محل قرارگیری RNA تعیینکننده عملکرد آن و اهمیتش در فرآیندهای بیولوژیکی و کاربردهای زیستپزشکی مرتبط است.
تعیین موقعیت فضایی RNA، نحوه توزیع آن در سلول و تغییرات دینامیکی موقعیت آن، به محققان کمک میکند تا تنظیم فرآیندهای سلولی، بیان ژن و مکانیسمهای بیماری را بهتر درک کنند.
این دانش همچنین امکان شناسایی انواع RNA حیاتی برای عملکردهای بیولوژیکی خاص را فراهم میسازد و توسعه درمانهای هدفمند برای بیماریهای مختلف را هدایت میکند. این آگاهی برای بهینهسازی روشهای استخراج RNA بسیار حیاتی است، زیرا جمعیتهای مختلف RNA برای اطمینان از حفظ یکپارچگی (Integrity) و تجزیه و تحلیل دقیق در تحقیقات پایه و کاربردهای بالینی، نیازمند پروتکلهای متناسب و سفارشیسازی شده هستند.
- کاربردهای عمومی: در بیشتر کاربردهای تحقیقاتی، مانند تجزیه و تحلیل بیان ژن، ایزولههای RNA کل (Total RNA) که بین مکانهای زیرسلولی تمایزی قائل نمیشوند، کافی هستند.
- کاربردهای تخصصی: اما برای کاربردهای خاص، مانند مطالعه عملکرد RNA میتوکندری، خالصسازی RNA برای روشن شدن ساختار مولکولی، یا تعیین ویژگیهای RNAهای اختصاصی اندامکها (مانند snoRNAها)، باید ملاحظات ویژهای در روشهای استخراج RNA برای بازیابی بهینه در نظر گرفته شود.
مکانهای زیرسلولی RNA
| مکان زیرسلولی | نقش | ملاحظات استخراج | کاربردها |
| سیتوپلاسم | سنتز پروتئین (ترجمه)؛ تنظیم ژن (کنترل پسارونویسی و ترجمهای). | اجتناب از آلودگی RNA هستهای؛ جلوگیری از آلودگی RNAse؛ استفاده از روشهای جداسازی کسری (Fractionation) برای تفکیک RNA سیتوپلاسمی. | واکسنهای mRNA؛ ژن درمانی؛ مطالعه پروفایلهای متابولیک. |
| هسته | تنظیم رونویسی؛ پیرایش جایگزین (Alternative Splicing)؛ بازسازی کروماتین. | جلوگیری از آلودگی RNA سیتوپلاسمی؛ استفاده از پروتکلهای مبتنی بر آنزیم برای ایزولاسیون RNA خاص؛ به حداقل رساندن آلودگی متقاطع. | ژن درمانی؛ درمان سرطان؛ تشخیص بیماریهای ژنتیکی (خطاهای پیرایش به عنوان بیومارکر). |
| هستک (Nucleolus) | بیوژنز ریبوزوم؛ اصلاح و مونتاژ اجزای ریبوزومی. | جلوگیری از آلودگی RNA سیتوپلاسمی و هستهای؛ استفاده از پروتکلهای تخصصی برای استخراج RNA هستکی. | درک تکثیر سلولی؛ اهداف درمانی برای سرطان و بیماریهای عصبی-تباهی (Neurodegenerative). |
| برون سلولی (Exosomal) | ارتباط سلول به سلول؛ انتقال RNA؛ نشاندهندهRNA آزاد شده در جریان خون که تغییرات سیستمیک در بیان ژن و فعالیت سلولی را بازتاب میدهد. | ایزوله کردن RNA از وزیکولهای خارج سلولی (EVs)، به حداقل رساندن آلودگی متقاطع؛ استفاده از کیتهای استخراج RNA تخصصی برای EVs؛ ایزولاسیون دقیق از پلاسما و سایر مایعات بدن؛ به حداقل رساندن آلودگی RNA سلولی. | تشخیصهای غیرتهاجمی (سرطانها، بیماریهای عفونی، التهاب)؛ توسعه درمان (اختلالات تخریبی)؛ نظارت بر پیشرفت بیماری و پاسخ به درمان. |
| میتوکندری | تولید انرژی؛ حفظ ژنوم. | ایزولاسیون RNA میتوکندریایی بدون آلودگی هستهای و سیتوپلاسمی؛ بهینهسازی پروتکلها برای حفظ یکپارچگی میتوکندری. | هدف قرار دادن اختلال عملکرد میتوکندری در بیماریهای متابولیک و مرتبط با سن؛ تحقیقات اختلالات ژنتیکی. |
| خط زاینده (Germline) | تنظیم پایداری ژنومی؛ تنظیم ترانسپوزونها. | حفظ یکپارچگی RNA؛ ایزولاسیون RNA جرملاین خاص، جلوگیری از آلودگی متقاطع از سلولهای سوماتیک. | تحقیقات باروری؛ پیشگیری از بیماریهای ارثی؛ مطالعات الگوی وراثتی. |
کاربردهای RNA در تحقیقات
RNA در طیف گستردهای از فرآیندهای سلولی درگیر است که برای عملکرد صحیح یک ارگانیسم بسیار حیاتی هستند. همانطور که دیدیم، RNA در اشکال مختلف با عملکردهای متمایز وجود دارد و در بخشهای زیرسلولی خاصی قرار گرفته است. نقشها و توزیع پویای RNA، آن را به ابزاری ارزشمند برای محققانی تبدیل میکند که هدفشان کاوش و دستکاری اطلاعات ژنتیکی است.
- تحقیقات بیومارکرهای RNA: یکی از برجستهترین کاربردهای تحقیقاتی RNA در مطالعه بیماریها است. دخالت RNA در تنظیم بیان ژن به این معنی است که تغییرات در مولکولهایRNA میتواند پیامدهای عمیقی برای بیماریهای مختلف از جمله سرطان، اختلالات ژنتیکی و بیماریهای عصبی-تباهی داشته باشد. به عنوان مثال، در تحقیقات سرطان، RNA میتواند نشان دهد که تومورها چگونه از سیستم ایمنی فرار میکنند یا به درمان مقاوم میشوند، که دادههای مرتبطی برای توسعه درمانهای مؤثرتر فراهم میکند.
- بیوتکنولوژی: یکی از قابل توجهترین کاربردهای تحقیقات RNA، توسعه واکسنهای RNA است، مانند واکسنهای mRNA کووید-۱۹، که پتانسیل RNA را در ایجاد پاسخهای ایمنی و مبارزه با بیماریهای عفونی نشان دادهاند. فراتر از واکسنها، RNA به عنوان یک ابزار درمانی برای طیف وسیعی از شرایط، از جمله عفونتهای ویروسی، اختلالات ژنتیکی و حتی برخی سرطانها، در حال بررسی است.
- پاتولوژی: حضور و الگوهای بیان RNA اطلاعات حیاتی در مورد وضعیت سلامتی یک فرد ارائه میدهد. از طریق تکنیکهایی مانند توالییابی RNA RNA-seq ، دانشمندان میتوانند پروفایلهای بیان ژن را تجزیه و تحلیل کرده و ناهنجاریهایی را که ممکن است نشاندهنده بیماری یا سایر شرایط سلامتی باشد، تشخیص دهند.
- تحقیقات محیطی و کشاورزی: مطالعاتRNA در گیاهان، به عنوان مثال، به محققان کمک میکند تا بفهمند گیاهان چگونه به استرسزاهای محیطی مانند خشکسالی یا بیماری پاسخ میدهند و چگونه میتوانند برای افزایش انعطافپذیری یا بازده، مهندسی شوند. در تحقیقات حیوانی، مطالعات RNA به دانشمندان کمک میکند تا صفات ژنتیکی، حساسیت به بیماری و اثرات عوامل محیطی بر بیان ژن را بررسی کنند.
منبع : https://www.qiagen.com/
