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14.7: Tipos de RNA
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Types of RNA
 
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14.7: Types of RNA

14.7: Tipos de RNA

Overview

Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse functions and can be broadly classified as protein-coding or non-coding RNA. Non-coding RNAs play important roles in the regulation of gene expression in response to developmental and environmental changes. Non-coding RNAs in prokaryotes can be manipulated to develop more effective antibacterial drugs for human or animal use.

RNA Performs Diverse but Cooperative Functions During Protein Synthesis

The central dogma of molecular biology states that DNA contains the information that encodes proteins and RNA uses this information to direct protein synthesis. Different types of RNA are involved in protein synthesis. Based on whether or not they encode proteins, RNA is broadly classified as protein-coding or non-coding RNA.

Messenger RNA (mRNA) is the protein-coding RNA. It consists of codons—sequences of three nucleotides that encode a specific amino acid. Transfer RNA (tRNA) and ribosomal RNA (rRNA) are non-coding RNA. tRNA acts as an adaptor molecule that reads the mRNA sequence and places amino acids in the correct order in the growing polypeptide chain. rRNA and other proteins make up the ribosome—the seat of protein synthesis in the cell. During translation, ribosomes move along an mRNA strand where they stabilize the binding of tRNA molecules and catalyze the formation of peptide bonds between amino acids. Thus, different types of RNA perform specific but complementary functions during protein synthesis.

Non-coding RNAs in Eukaryotes Regulate Gene Expression

Non-coding RNAs other than tRNA and rRNA were initially considered to be “genomic junk” since they did not encode proteins. However, their roles in regulating gene expression were discovered over the past few decades and continue to be extensively researched. Based on their length, non-coding RNAs may be classified as small regulatory RNAs (< 100 nucleotides) or long non-coding RNAs (> 200 nucleotides).

Both small regulatory RNAs and long non-coding RNAs regulate gene expression by altering various stages of transcription and translation. Non-coding RNAs affect mRNA splicing—removal of protein non-coding segments and joining the protein coding sequences. In this manner, they control the formation of different protein variants from a single gene. Small regulatory RNAs such as microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs) bind to complementary sequences on mRNA and inhibit protein synthesis either by blocking the access of the translation machinery to the mRNA or by degrading the mRNA itself. Long non-coding RNAs interact with and recruit enzymes that chemically modify DNA and histones — proteins that help package DNA into the nucleus — to either activate or repress transcription.

Non-coding RNAs in Prokaryotes Act as Environmental Sensors

RNA-mediated regulation of gene expression is widespread in bacteria. Regulatory sequences in mRNA—called riboswitches—act as environmental sensors by detecting changes in temperature and nutrient levels.

Riboswitch-based regulation depends on the formation of two mutually exclusive and stable conformations of the RNA secondary structure. The secondary structure switches between the two conformations to turn gene expression on or off in response to environmental changes. For example, when the bacteria Listeria monocytogenes infects a host, the higher body temperature of the host breaks down the secondary structure in the 5’ untranslated region of the bacterial mRNA. This exposes a ribosome-binding site on the mRNA and initiates protein translation, enabling the bacteria to live and grow within the host organism.

Riboswitches Can Be Manipulated to Develop Effective Antibacterials

Some riboswitches detect end products of metabolic pathways and serve as feedback controls for transcription or translation. For instance, the thiamine pyrophosphate riboswitch regulates thiamine biosynthesis in bacteria. When an adequate concentration of thiamine has been synthesized, it binds to the riboswitch and changes its conformation. This change in conformation blocks the translation initiation site and stops protein synthesis.

Compounds that closely resemble thiamine in structure are being studied as potential antibacterial agents. These drugs are intended to bind the riboswitch in the absence of thiamine and cause a conformational change that blocks translation of proteins required for thiamine biosynthesis. Since the bacteria will be unable to produce this nutrient, it will stop growing and eventually die. As riboswitches are more commonly found in prokaryotes than eukaryotes, riboswitch-targeting antibacterials would have minimal adverse effects on mammalian hosts.

Visão Geral

Três tipos principais de RNA estão envolvidos na síntese proteica: RNA mensageiro (mRNA), RNA de transferência (tRNA) e RNA ribossómico (rRNA). Esses RNAs executam funções diversas e podem ser amplamente classificados como RNAs codificantes de proteínas ou não codificantes. Os RNAs não codificantes desempenham papéis importantes na regulação da expressão genética em resposta a mudanças no desenvolvimento e no meio ambiente. RNAs não codificantes em procariotas podem ser manipulados para desenvolver fármacos antibacterianos mais eficazes para uso humano ou animal.

O RNA Realiza Funções Diversas mas Cooperativas Durante a Síntese de Proteínas

O dogma central da biologia molecular afirma que o DNA contém as informações que codificam proteínas e o RNA usa essas informações para guiar a síntese proteica. Diferentes tipos de RNA estão envolvidos na síntese proteica. Com base em se codifica ou não proteínas, o RNA é amplamente classificado como RNA codificante de proteínas ou não codificante.

O RNA mensageiro (mRNA) é o RNA codificante de proteínas. Consiste em codões—sequências de três nucleótidos que codificam um aminoácido específico. O RNA de transferência (tRNA) e o RNA ribossómico (rRNA) são RNAs não codificantes. O tRNA atua como uma molécula adaptadora que lê a sequência de mRNA e coloca aminoácidos na ordem correta na cadeia de polipeptídeos em crescimento. O rRNA e outras proteínas compõem o ribossoma—o local da síntese proteica na célula. Durante a tradução, os ribossomas movem-se ao longo de uma cadeia de mRNA onde estabilizam a ligação de moléculas de tRNA e catalisam a formação de ligações de peptídeos entre aminoácidos. Assim, diferentes tipos de RNA realizam funções específicas, mas complementares durante a síntese proteica.

RNAs Não Codificantes em Eucariotas Regulam a Expressão Genética

RNAs não codificantes que não são tRNA e rRNA foram inicialmente considerados como “lixo genómico”, uma vez que não codificavam proteínas. No entanto, os seus papéis na regulação da expressão genética foram descobertos ao longo das últimas décadas e continuam a ser amplamente investigados. Com base no seu comprimento, os RNAs não codificantes podem ser classificados como RNAs regulatórios pequenos (< 100 nucleótidos) ou RNAs não codificantes longos (> 200 nucleótidos).

Tanto RNAs regulatórios pequenos como RNAs não codificantes longos regulam a expressão genética alterando várias fases da transcrição e tradução. RNAs não codificantes afetam o splicing do mRNA—remoção de segmentos de proteínas não codificantes e junção das sequências codificantes de proteínas. Assim, eles controlam a formação de diferentes variantes proteicas a partir de um único gene. RNAs regulatórios pequenos como microRNAs (miRNAs) e RNAs interferentes pequenos (siRNAs) ligam-se a sequências complementares no mRNA e inibem a síntese proteica, seja bloqueando o acesso da maquinaria de tradução do mRNA ou degradando o próprio mRNA. RNAs não codificantes longos interagem com e recrutam enzimas que modificam quimicamente o DNA e histonas—proteínas que ajudam a condensar o DNA no núcleo—para ativar ou reprimir a transcrição.

RNAs Não Codificantes em Procariotas Atuam como Sensores Ambientais

A regulação da expressão genética mediada pelo RNA é generalizada em bactérias. As sequências regulatórias do mRNA—chamadas riboswitches—atuam como sensores ambientais detectando alterações nos níveis de temperatura e nutrientes.

A regulação baseada em riboswitches depende da formação de duas conformações mutualmente exclusivas e estáveis da estrutura secundária do RNA. A estrutura secundária alterna entre as duas conformações para ligar ou desligar a expressão genética em resposta às mudanças ambientais. Por exemplo, quando a bactéria Listeria monocytogenes infecta um hospedeiro, a temperatura corporal mais alta do hospedeiro quebra a estrutura secundária na região 5’ não traduzida do mRNA bacteriano. Isso expõe um local de ligação de ribossomas no mRNA e inicia a tradução de proteínas, permitindo que as bactérias vivam e cresçam dentro do organismo hospedeiro.

Riboswitches Podem Ser Manipulados Para Desenvolver Antibacterianos Eficazes

Alguns riboswitches detectam produtos finais de vias metabólicas e servem como controlos de feedback para a transcrição ou tradução. Por exemplo, o riboswitch tiamina pirofosfato regula a biossíntese de tiamina em bactérias. Quando uma concentração adequada de tiamina é sintetizada, ela liga-se ao riboswitch e muda a sua conformação. Essa mudança na conformação bloqueia o local de iniciação da tradução e interrompe a síntese proteica.

Compostos que se assemelham à tiamina na estrutura estão a ser estudados como potenciais agentes antibacterianos. Estes fármacos destinam-se a ligar o riboswitch na ausência de tiamina e causar uma mudança conformacional que bloqueia a tradução de proteínas necessárias para a biossíntese de tiamina. Uma vez que as bactérias serão incapazes de produzir esse nutriente, elas vão parar de crescer e eventualmente morrer. Como riboswitches são mais comumente encontrados em procariotas do que eucariotas, os antibacterianos que visam riboswitches terão efeitos adversos mínimos sobre os hospedeiros mamíferos.


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