RNA

RNA-molekylets kemiske opbygning minder meget om DNA-molekylets. De enkelte byggedele, ribonukleotiderne, er opbygget af en ribose (pentose, et femledet sukkerstof), hvortil er bundet en af fire forskellige cykliske, nitrogenholdige baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) eller uracil (U). Ribonukleotiderne er indbyrdes forbundet via fosfordiester-bindinger (mellem fosfatgrupper på ribosen), og de danner normalt en ugrenet polymer. Ligesom det er tilfældet for DNA, er de to ender af molekylet kemisk forskellige pga. sukkergruppens orientering og benævnes hhv. 5'- og 3'-enden.

RNA adskiller sig fra DNA på to væsentlige punkter. Som det fremgår af navnet, er sukkergruppen i RNA en ribose i modsætning til en deoxyribose i DNA. Det betyder, at RNA indeholder en hydroxylgruppe (OH) i stedet for et brintatom (H) på anden position af pentosen. Denne lille forskel har dramatiske konsekvenser for RNA-molekylernes struktur og reaktivitet. Desuden indeholder RNA basen uracil (U) i stedet for thymin (T), men de to baser er genetisk betragtet ækvivalente.

I cellen dannes (syntetiseres, transkriberes) RNA vha. enzymet RNA-polymerase under aflæsning af et DNA-molekyle. Processen indledes ved, at de to strenge i DNA-dobbeltspiralen adskilles i et begrænset område kaldet promotoren, hvorefter den ene DNA-streng (template) anvendes som skabelon for dannelsen af et enkeltstrenget RNA-molekyle ud fra de fire ribonukleosid-trifosfater: adenosin-, guanosin-, cytidin- og uridintrifosfat.

De kemiske grupper på basen afgør, hvilke nukleotider der kan bindes til hinanden (baseparre). Et A i DNA-template-strengen kan binde til og dermed kode for et U. På samme måde koder T for A, G for C og C for G. Rækkefølgen af ribonukleotiderne (RNA-sekvensen) bliver derved komplementær til den aflæste DNA-streng, men genetisk set identisk med den modsatte DNA-streng, ofte kaldet sense-strengen (eng. sense 'mening').

Nogle RNA-molekyler (fx messenger-RNA) er fortrinsvis enkeltstrengede, mens andre (fx ribosom-RNA) er fortrinsvis dobbeltstrengede. I RNA gælder andre baseparringsregler end i DNA. Ud over de sædvanlige basepar G-C og A-U (Watson-Crick-basepar), kan G danne et lignende basepar med U. Desuden findes et væld af andre ikke-Watson-Crick-baseparringer, som i allehøjeste grad er med til at forme RNA-molekylerne. Som resultat heraf minder RNA-molekyler i deres strukturelle mangfoldighed mere om proteiner end om DNA. Der findes et stort antal metoder til at bestemme den nøjagtige struktur af RNA-molekyler. De mest detaljerede er undersøgelser baseret på røntgenkrystallografi og kernemagnetisk resonans.

De klassiske hovedtyper af modent RNA i cellen er: 1) ribosomalt RNA, rRNA, der spiller en væsentlig rolle i ribosomerne under proteinsyntesen (udgør ca. 80%); 2) andre stabile RNA-molekyler, fx transfer-RNA, tRNA (’transportør-RNA’), der leverer aminosyrer til ribosomet (ca. 5%); 3) relativt kortlivet messenger-RNA, mRNA (eng. ’budbringer-RNA’), hvis funktion er at overføre den genetiske information ved dannelsen af proteiner, se proteiner (proteinsyntese) (2-5%). Disse RNA-typer kodes hos mennesket af nogle få procent af genomet. Nyere forskning tyder på, at hovedparten af genomet transkriberes, hvilket indebærer, at der findes langt flere typer af RNA-molekyler i cellen end hidtil antaget. Der findes adskillige klasser af små funktionelle RNA-molekyler (fx small nuclear RNA, snRNA, der medvirker ved splejsning, guide-RNA, gRNA, der medvirker ved nukleotid-modifikation af andre RNA-molekyler, og miRNA, mikro-RNA, der regulerer translationen), og at kun ca. halvdelen af de mRNA-lignende RNA-molekyler koder for et protein. Der forestår et stort forskningsarbejde for at opklare de mange nye typer af RNA-molekylers funktion.

Det nydannede RNA kaldes umodnet RNA eller precursor-RNA (eng. 'forløber'), og afhængigt af RNA-type og organismens art sker der en række kemiske ændringer af molekylet i et nøje fastlagt mønster, såkaldt RNA-processering. Hos fx rRNA og tRNA sker en nøjagtig afkløvning af 5'- og 3'-enderne, og i nogle tilfælde udskæres der flere forskellige RNA-molekyler. Desuden ændres den kemiske struktur af enkelte nukleotider ved en proces kaldet RNA-modifikation. Typisk påsættes eller fjernes enkelte methyl- og aminogrupper på sukkerdelen eller basen af nukleotidet; mere end 90 forskellige former for modifikationer er kendt.

Lignende ændringer kan forekomme i mRNA, og i de tilfælde, hvor modifikationen ændrer på RNAets basesammensætning og dermed den genetiske information i forbindelse med proteinsyntesen, kaldes fænomenet for RNA-editering. Hos visse organismer anvendes RNA-editering til at ændre den genetiske information mere radikalt ved at indsætte og fjerne flere nukleotider. Sådanne "rettelser" i RNA foregår efter et mønster, der bestemmes af en særlig gruppe af RNA-molekyler, de såkaldte guide-RNA (gRNA, eng. 'lede-RNA'). Det er stadig uklart, hvorfor nogle organismer benytter et så indviklet system til kodning af den genetiske information.

I eukaryote celler, dvs. celler med cellekerne, sker der en række særegne ændringer med precursor-mRNA. 5'-enden af RNA-molekylet forsynes med en cap (eng. 'hue') bestående af et modificeret guanosinnukleotid, og i 3'-enden påsættes 200-300 adenosiner ved en proces kaldet polyadenylering. Desuden fjernes ofte hovedparten af RNA-molekylet ved en proces kaldet RNA-splejsning: Hele segmenter af RNA-molekylet (exons) udskæres på nøjagtige positioner for derefter at splejses sammen til et færdigt mRNA. Resten af molekylet (introns) spiller ingen direkte rolle i informationsformidlingen og nedbrydes oftest hurtigt i cellens kerne. Denne opdeling af den genetiske information i genomet blev påvist i slutningen af 1970'erne af Phillip A. Sharp og Richard J. Roberts, som i 1993 modtog Nobelprisen i medicin/fysiologi for opdagelsen. Se også alternativ splejsning og mikro-RNA.

Efter modningsprocessen transporteres mRNA fra cellens kerne ud i cytoplasma, hvor det bruges til at kode for aminosyrerækkefølgen i proteiner, som dannes under translationsprocessen. Transporten er nøje reguleret, og det sikres, at alle trin i modningsprocessen er udført korrekt, inden mRNA forlader kernen. I kerneløse organismer (prokaryoter) sker der kun i sjældne tilfælde RNA-splejsning, og som oftest foregår transkriptionen og translationen af et RNA-molekyle på samme tid.

Et vigtigt led i reguleringen af udtrykket af gener hos alle organismer er hastigheden, hvormed mRNA nedbrydes. Processen katalyseres i cellen af en række ribonukleaser, RNA-specifikke enzymer (RNaser), der enten skærer i RNA-strengen (endonukleaser) eller skærer fra den ene ende af molekylet (eksonukleaser). Nogle mRNA-molekyler indeholder et regulatorisk element, der øger nedbrydningen af det pågældende RNA-molekyle under bestemte omstændigheder.

Sidney Altman og Thomas R. Cech påviste i begyndelsen af 1980'erne, at nogle RNA-molekyler kaldet ribozymer har katalytiske egenskaber i lighed med enzymer (i 1989 modtog de nobelprisen i kemi for denne opdagelse). De opdagede hhv., at både kløvningen af et umodent tRNA og splejsningen af et RNA-molekyle kan katalyseres af RNA selv. Siden har man opdaget flere ribozymer. Nogle forekommer sporadisk, fortrinsvis i mikroorganismer, mens andre forekommer i alle eller i de fleste celler. Fx er ribosomet, der varetager cellernes proteinsyntese, et ribozym og det samme gælder formodentligt spliceosomet, der varetager udsplejsningen af de fleste introner i eukaryoter. I tillæg er der i laboratoriet skabt en lang række kunstige RNA-molekyler, der er i stand til at katalysere mange forskellige kemiske reaktioner.

Påvisningen af, at RNA både kan lagre genetisk information og katalysere komplekse reaktioner, har overbevist mange forskere om, at det er mest sandsynligt, at livet har sin oprindelse i en verden bestående af RNA (RNA world-hypotesen; se også liv). Tanken er, at der i ursuppen for omkring 4 mia. år siden tilfældigt opstod RNA-molekyler, der var i stand til at kopiere sig selv ved en primitiv replikationsproces. Man kan videre forestille sig, at replikationen er blevet effektiviseret ved naturlig selektion (dvs. darwinistisk evolution): De selvkopierende RNA-molekyler (opstået ved tilfældige mutationer), som var mest effektive i kopieringsprocessen, ville talmæssigt udkonkurrere de mindre effektive RNA-molekyler.

Senere under udviklingen er RNA indgået i et samarbejde med proteiner (bedre katalysatorer end RNA) og siden med DNA (en mere stabil informationsbærer end RNA). For at underbygge hypotesen har man påbegyndt eftersøgningen eller genskabelsen af selvkopierende RNA, som måske uddøde, efter at de mere effektive proteinbaserede enzymer var opstået, hvorfor man også forsøger at genskabe et sådant molekyle.

RNA's katalytiske egenskaber kan anvendes til målrettet sygdomsbekæmpelse. Man er i stand til at designe ribozymer, der specifikt genkender og kløver uønsket mRNA i cellen og andre ribozymer, der vha. splejsning kan reparere defekte mRNA. Behandlingen har bl.a. været rettet mod mRNA fra virus, fx fra hiv-1, og mod mRNA fra cellulære onkogener, der spiller en rolle i udviklingen af kræft. Det er også muligt at nedregulere funktionen af et bestemt mRNA vha. RNA (eller DNA), der indeholder en sekvens, der er komplementær til den genetiske kode og derfor blokerer for proteindannelsen (en såkaldt antisense-strategi).

Et vægtigt alternativ til anvendelse af ribozymer og antisense-RNA og -DNA er RNA-interferens.