حمض نووي ريبوزي

الحمض النووي الريبوزي ويُسمى اختصارًا رنا RNA، هو جزيء حيوي يتواجد تقريبًا لدى كل الكائنات الحية والفيروسات، كما يلعب أدوارًا متعددة في نقل وتشفير وفك تشفير وتنظيم التعبير عن المعلومات الوراثية وتحفيز العديد من التفاعلات الكيميائية. الرنا والدنا (DNA) من أهم الأحماض النووية التي تُشكِّل إلى جانب كل من البروتينات والليبيدات والسكريات المتعددة الجزيئات الضخمة الأربعة الضرورية للحياة.
بنية الرنا مشابهة لبنية الدنا فكلاهما يتكون من تسلسل نوكليوتيداتٍ متعدد، لكنهما يختلفان في أن الرنا يتواجد في معظم الحالات على شكل سلسلة مفردة قصيرة يتراوح طولها بين عدة نوكليوتيدات إلى آلاف النوكليوتيدات بينما يكون الدنا دائمًا على هيئة لولب مزدوج يبلغ طوله من عدة ملايين إلى عدة مليارات من الأزواج القاعدية. فضلا عن ذلك، سكر العمود الفقري في الرنا هو الريبوز بدل الريبوز منقوص الأكسجين في الدنا والقاعدة المكملة للأدينين هي اليوراسيل بدل الثايمين.
الرنا أكثر غنًى بالقواعد المعدلة من الدنا وذلك لقيامه بالعديد من الوظائف الخلوية، ويوجد فيه ما يزيد عن 100 نوكليوسيد معدل  يتواجد أكثرها في الرنا الناقل  ومن أكثر هذه التعديلات شيوعا السودويوريدين والنوكليوسيدات الممثيلة في أكسجين الذرة 2' المتواجدة في الرنا الريبوسومي. لا توجد بنية مستقرة دائمة يتخذها تسلسل رنا معين، بل يمكن لنفس التسلسل اتخاذ العديد من البنى حسب نوع الربائط التي يترابط معها والظروف الفيسيولوجية الكيميائية الخلوية، ويمكنه مثل البروتين اتخاذ بنية ثانوية وثالثية ورابعية للقيام بوظائفه التحفيزية، تتطلب هذه البُنى ترابط قواعدٍ غير معياريٍ لا يتواجد في الدنا مثل الترابط المقصوص وتآثر ريبوز-قاعدة، حيث لوحظ لدى الرنا ما يزيد عن 150 نوعا من الترابط.
يُخلَّق الرنا من الدنا عبر عملية النسخ بواسطة إنزيمات بوليميراز الرنا وينتج رنا رسول أولي يخضع لتعديلات حتى يصبح رنا ناضجا جاهزا لأداء وظيفته. حوالي 97% من الرنا المخلَّق لا يشفِّر بروتينا  ومعظمه عبارة عن رنا ريبوسومي، أنواع الرنا كثيرة ووظائفها متنوعة منها: الرنا الرسول الذي ينقل المعلومة الوراثية من الدنا إلى الريبوسوم لتخليق البروتين عبر عملية الترجمة، الرنا الناقل الذي ينقل الأحماض الأمينية المطلوبة لتخليق البروتين، الرنا الريبوسومي الذي يدخل في تركيب الريبوسوم والريبوزيمات المحفزة الأخرى، الرنا الميكروي الذي ينظم عملية التعبير الجيني والرنا الصغير المتدخل الذي يقوم بعملية تداخل الرنا.
جينومات العديد من الفيروسات والفيرويدات تحتوي على الرنا فقط كحامل للمعلومة الوراثية وتتضاعف إما بمساعدة إنزيمات الخلية المضيفة أو بتحويل الرنا الخاص بها إلى دنا ودمجه مع دنا الخلية المضيفة. توجد دراسات لاستخدام جزيئات الرنا في العلاج؛ وبشكل خاص الرنا الميكروي والرنا الصغير المتدخل عبر استهداف الجينات الفيروسية لإسكاتها ومحاربة العدوى والأمراض، أو استهداف الجينات الورمية للقضاء على السرطان.

الكيمياء الفراغية للريبوز

من الناحية التصاوغية، يؤثر  تواجد ذرة أكسجين في الموقع 2' في الريبوز على تصاوغ حلقة الفورانوز الخاصة بالريبوز. هذه الحلقة المغايرة المكونة من خمس ذرات ليست ذات مستوٍ واحد، ويوجد لها مصاوغات فراغية عديدة منها مصاوغين أساسيين هما: C'2-إندو وC'3-إندو. المصاوغ C'3-إندو تكون فيه الذرة رقم 3 في نفس الجانب  الذي تتواجد فيه القاعدة النيتروجينية والذرة 5' لسكر الريبوز وتكون المسافة فيه بين مجموعتي الفوسفات هي الأقصر 5.9 أنغستروم (شكل1)، أما المصاوغ C'2-إندو فتكون فيه ذرة الكربون 2 في نفس جانب القاعدة النيتروجينية والذرة 5' لسكر الريبوز ومسافة مجموعتي الفوسفات فيها هي 7 أنغستروم (شكل2). في الرنا الذي يحتوي على ذرة أكسجين بالموقع 2' يكون المصاوغ C'3-إندو مفضلا ما يعني أن لوالب الرنا المزدوجة تكون من النوع أ وهي مختلفة عن لوالب الدنا المزدوجة الشائعة والتي تكون أغلبها من النوع ب الذي يكون فيها الريبوز منقوص الأكسجين على هيئة المصاوغ C'2-إندو.

النوكليوتيدات المعدلة

يُنسخ الرنا بأربع قواعد فقط (أدينين، سايتوسين، غوانين واليوراسيل) لكن يمكن لهذه القواعد والريبوزات المرتبطة بها أن تُعدَّل بطرق مختلفة مع نضوج الرنا، فمثلا في نوكليوتيد السودويوريدين (Ψ) يتغير الربط بين اليوراسيل والريبوز من رابطة C–N إلى رابطة C–C، تتواجد القاعدة المعدلة 5-ميثيل يوريدين (T) في أماكن عديدة (أكثرها شهرة تواجدها في الحلقة TΨC الخاصة بالرنا الناقل). من القواعد المعدلة الشهيرة كذلك الهيبوزانتين، وهي أدنين منزوع الأمين يسمى نوكليوسيدها إينوسين ويلعب الإينوسين دورا مفتاحيا في نظرية ووبل الخاصة بالشيفرة الجينية.
يوجد أزيد من 100 نوكليوسيد معدل يظهر طبيعيا. وأكثر أنواع التعديلات البنيوية يمكن أن تتواجد في الرنا الناقل،
 في حين أن السودويوريدين والنوكليوسيدات الممثيلة في أكسجين الذرة 2' المتواجدة في الرنا الريبوسومي هي الأكثر شيوعا. وظائف العديد من هذه التعديلات في الرنا مازالت غير مفهومة كليا، إلا أنه يتجلى في الرنا الريبوسومي أن العديد من تعديلات ما بعد النسخ تحدث في مناطق عالية الوظيفية مثل مركز بيبتيديل ترانسفيراز وواجهة الوحدة الفرعية، ما يشير إلى أنها ضرورية للنشاط العادي.

الرنا مزدوج السلاسل ولولب الرنا المزدوج

الرنا مزدوج السلاسل (dsRNA) هو رنا له سلسلتين متكاملتين، وهو مشابه للدنا الموجود في الخلايا لكن مع استبدال الثايمين باليوراسيل. يشكل الرنا مزدوج السلاسل المادة الجينية لبعض الفيروسات (فيروسات الرنا مزدوجة السلاسل). ويمكن لأنواع منه  مثل الرنا الفيروسي أو الرنا الصغير المتداخل (siRNA) إثارة تداخل الرنا لدى حقيقيات النوى وكذلك استجابة إنترفيرون لدى الفقاريات.
اللولب المزدوج من النوع أ الذي يتخذه الرنا له خصائص هندسية مختلفة عن النوع ب الشائع في الدنا، فعدد أزواج القواعد لكل دورة هو 11 بدل عشرة لدى النوع ب. مستوى الزوج القاعدي ليس عموديا على محور اللولب المزدوج بل يشكل زاوية 75° درجة معه. ونتيجة لذلك ينزاح محور الولب ويصبح غير مارٍ عبر مركز الزوج القاعدي بل داخل الثلم الكبير، وهذا يزيد قطر اللولب من 20 أنغستروم لدى النوع ب إلى 26 أنغستروم في النوع أ. هندسة الثلمين تتغير كذلك بشكل كبير: الثلم الصغير يصبح قابلا للوصول بينما يصبح الثلم الكبير أكثر عمقا وحدة. وهذا له تأثير على كيفية تآثر لولب الرنا المزدوج مع البروتينات لأن حدة الثلم الكبير تصبح حاجزا أمام وصول الربائط البروتينية.

البنية لدى الكائنات الحية

تتواجد معظم جزيئات الرنا الطبيعية على شكل سلسلة مفردة في الخلية، وذلك عكس الدنا الذي يشكل لولبا مزدوج السلاسل. تتطوى سلسلة الرنا على نفسها مشكلة بنية مستقرة ومتماسكة جدا، أساس هذه البنية هو تشكل الترابط القاعدي بين القواعد المكملة. تكامل الروابط الداخلية بين قواعد الرنا يؤدي إلى تشكيل بنية ثانوية، يمكن أن تتآثر هذه البنية بتآثرات بعيدة مكملة وتشكِّل بنية ثلاثية الأبعاد أو بنية ثالثية. يعتمد تشكُّلُ بنى الرنا على شروط فيسيولوجية ومحيطية أهمها تواجد الكاتيونات المكافئة مثل أيون المغنزيوم ⁺Mg². تتفاعل هذه الكاتيونات مع مجموعات الفوسفات وتعمل على استقرار البنية، بعمل واجهة ضد قوة التنافر الهكروستاتية بين شحنات الفسفور السالبة. البنية الثالثية للرنا هي أساس تنوع وظائفه وبشكل خاص قدرته على تحفيز التفاعلات الكيميائية (ريبوزيم).

ترابطات غير معيارية

بالإضافة إلى هيكلة الحلقات واللوالب الخاصة بالبنية الثانوية والتي تنشأ من ترابطِ قواعدٍ معياريٍّ، يمكن للرنا اتخاذ بنية ثلاثية الأبعاد أو بنية ثالثية مثل البروتين. داخل هذه البنية تتكامل اللوالب بواسطة ترابط قاعدي غير معياري، أي أنه مختلف عن الترابط القاعدي الكلاسيكي من نوع واتسون-كريك (A=U و G≡C) وووبل (G=U). توجد في البنى الثالثية للرنا أنواع عديدة من الترابطات تم تحديدها بواسطة علم البلورات السيني أو الرنين المغناطيسي النووي منها على سبيل المثال: ترابط هوغستين،  والترابط المقصوص (الصورة). كما توجد كذلك تآثرات ريبوز-قاعدة وخاصة مع مجموعة الهيدروكسيل 2' التي يمكنها تكوين روابط هيدروجينية. لوحظ ما يزيد عن 150 نوعا من الترابطات وتم تصنيفهم وتجميعهم في عدة عائلات تصنيفية، واقتُرح نظام تسمية لجميع هذه التآثرات بواسطة إريك ويستهوف وزملائه. هذه الترابطات غير المعيارية هي دائمًا روابط هيدروجينية بين القواعد -المشتركة في المستوي- كما هو الحال في ارتباط واتسون-كريك.

البدء والاستطالة

البدء في النسخ بواسطة بوليميراز الرنا يتم على مستوى تسلسل محدد على الدنا يسمى محفز، يشمل هذا المحفز عنصرا أو عدة عناصر ذات تسلسل محفوظ. والتي ترتبط بها بروتينات محددة تسمى عوامل النسخ. يكون العنصر المجاور لموقع بداية النسخ في العادة غني بنوكليوتيدات T وA ولهذا يطلق عليه صندوق TATA عند حقيقيات النوى أو صندوق بربنو لدى البكتيريا. تقوم عوامل النسخ بتوظيف بوليميراز الرنا للقيام بالنسخ في المحفز وفك لولبة اللولب المزدوج، فينشأ ما يسمى فقاعة النسخ حين يُفتح الدنا ويتم الشروع في نسخ إحدى السلسلتين (السلسلة القالب).
بعد أن يرتبط بوليميراز الرنا بالمحفز وتتشكل فقاعة النسخ، يقوم البوليميراز بنسخ النوكليوتيدات الأولى بطريقة ساكنة دون أن يغادر تسلسل المحفز. بعد ذلك تفك عوامل النسخ ارتباطها ويبدأ إنزيم البوليميراز بالتقدم. ويتم النسخ في الاتجاه 5' إلى 3' باستخدام إحدى السلسلتين كقالب والريبونوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات (ATP وGTP وCTP وUTP) كمواد أولية. في الكائنات الحية، تبلغ سرعة الاستطالة لدى الإشريكية القولونية حوالي 50 إلى 90 نوكليوتيد لكل ثانية.

الإنهاء

آليات الإنهاء تختلف بشكل كامل  بين البكتيريا وحقيقيات النوى، فلدى البكتيريا الآلية الرئيسية للإنهاء تكون بتدخل تسلسل خاص من الرنا يسمى المُنهي وهو مركب من ثلاث حلقات جذعية مستقرة متبوعة بسلسلة من وحدات اليوريدين (U). عندما يخلِّق بوليميراز الرنا هذا التسلسل يُحدث تطوي حلقة الرنا توقف البوليميراز. بعد ذلك يقوم الرنا الذي لم يعد متصلا بالسلسلة القالب سوى بعدة أزواج قاعدية A-U ضعيفة بالانفصال من دون تدخل العوامل البروتينية الأخرى، يمكن أن يحدث الإنهاء كذلك بتدخل عامل بروتيني محدد يسمى رهو (Rho).
لدى حقيقيات النوى إنهاء النسخ بواسطة بوليميراز الرنا 2 يكون مقترنا مع التذييل بعديد الأدينيلات. يقوم المنهي بإرسال إشارات تتعرف عليها بروتينات مصاحبة للبوليميراز 2 والتي تبدأ عملية الإنهاء بتوظيف بروتيني CPSF وCStF اللذان يتعرفان على إشارة التذييل بعديد الإدينيلات 5′-AAUAAA-3′ وإشارة قص الرنا، فيقومان بقص الرنا وعند انفصال البوليميراز 2 يقومان بتوظيف بوليميراز عديد الأدينيلات لإضافة ذيل عديد الإدينيلات.

تخزين ومراقبة الرنا في حبيبات الرنا

الرنا الرسول الذي لا تتم ترجمته يتم تخزينه في العادة داخل حبيبات رنا، وتتواجد حبيبات الرنا هذه في الغالب بالسيتوبلازم وهي تكدسات كروية مميزة مكونة من الرنا والبروتينات. تُنظم حبيبات الرنا الترجمة وتحافظ على استقرار الرنا الرسول الموجود بداخلها، بالإضافة إلى الرنا الرسول يمكن أن تحتوي الحبيبات على الوحدات الفرعية الريبوسومية، عوامل الترجمة، الإنزيمات المسؤولة على تفكيك الرنا، مكونات تدخل الرنا، الهيليكازات، البروتينات البنيوية، وغيرها من البروتينات المرتبطة بالرنا، ومن أهم أنواعها:
حبيبات الخلية المنتشة: والتي تظهر أثناء تطور هذه الخلايا وتبقى فيها بعد أن تصبح خلية بيضية. تحتوي هذه الحبيبات على جزيئات رنا رسول محددة تشفر البروتينات الضرورية لتطور الجنين، وتخزنها على هيئة غير نشطة حتى تحتاج إليها الخلية لاحقا. فضلا عن ذلك، تحتوي حبيبات الخلايا المنتشة على جزيئات الرنا المستعملة في  تدخل الرنا وبشكل خاص الرنا المتآثر مع بيوي والذي يعطل الينقولات ويمنع تضرر الجينوم.
حبيبات الإجهاد: تتشكل حين تتعرض الخلايا للإجهاد وتحتوي على جزيئات الرنا الرسول المشفرة للبروتينات الخلوية الشائعة. كما تحتوي هذه الحبيبات على ريبوسومات جاهزة لترجمة جزيئات الرنا الرسول، لكنها تكون مخزنة على هيئة غير نشطة طوال فترة الإجهاد لكى لا تتعرض للتضرر. تتآثر هذه الحبيبات في العادة مع أجسام P وتنقل إليها جزيئات الرنا لتقوم بتفكيكها.
أجسام P (الأجسام المعالجة): تتواجد في الخلايا الجسدية وتساهم في تفكك الرنا الرسول وتتوسط عملية إسكات الرنا باستخدام جزيئات الرنا الميكروي. ونظرا لقدرتها على تفكيك الرنا، تعمل كذلك على مراقبة جودة الرنا الرسول الخلوي.
الحبيبات العصبونية وتتواجد في العصبونات وتعمل على نقل الرنا الرسول إلى محواراتها. تحمل داخلها ريبوسوماتٍ وعوامل بدء الترجمة، لكن لا تتم الترجمة حتى تصل الحببيبة إلى المكان الصحيح. تلعب الحبيبات العصبونية دورا مهما في التجدد العصبي واضطرابات نقل الرنا الرسول بواسطتها تصاحبها اضطرابات عصبية.

تحلل الرنا

تفكيك الرنا بواسطة الريبونوكلياز (رناز) هي عملية مراقبة وتنظيم تقوم بها الخلية لإزالة الرنا المتضرر أو الرنا الذي أدى وظيفته ولم تعد هنالك حاجة إليه، كما أنه آلية تستخدم في معالجة الرنا والدفاع ضد الفيروسات، فهو أساس أنظمة دفاعية أكثر تعقيدا مثل تدخل الرنا. بشكل عام، تتم عملية التفكيك إما من نهايتي جزيئة الرنا بواسطة النوكلياز الخارجي (يبدأ القص من النهاية 5' أو 3') أو بواسطة النوكلياز الداخلي أين يكون القص داخل السلسلة. توجد العديد من الريبونوكليازات ذات وظائف متداخلة، وكل رنا لا تتم معالجته ضد تأثيراتها يتم تفكيكه.
لدى البكتيريا تحدث عمليتي النسخ والترجمة في آن واحد وعمر النصف للرنا الرسول يتراوح بين ثانية وساعة. النهاية 5' للرنا محمية بمجموعة ثلاثية الفوسفات في النوكليوتيدة الأولى وإشارة البدء لعملية التفكيك هي قص جزيئتي فوسفات وإضافة ذيل عديد الأدينيلات. لدى حقيقيات النوى عمر النصف للرنا الرسول أطول ويتراوح بين دقائق إلى عدة أيام، واستقراره ومنع تحلله يتم بإضافة القبعة للنهاية 5' وذيل عديد الأدينيلات للنهاية 3' والارتباط ببروتينات نووية ريبوزية لتجنب وصول الريبونوكليازات إليه.
أكبر مركبات التفكيك هما الإكسوسوم لدى حقيقيات النوى وجسيم التفكيك لدى البكتيريا. ويحتوي هذان المركبان في العادة على نوكليازات داخلية وخارجية وفوسفوريلاز عديد النوكليوتيد الذي يقص قطع الرنا الصغيرة التي تنتجها النوكليازات الداخلية ويحولها إلى نوكليوتيدات. يساعد الهيليكاز في تحلل الرنا بفك تطوي البنية الثانوية للرنا. فضلا عن ذلك يحتوى جيسم التفكيك البكتيري على
بوليميراز عديد الأدينيلات ويحتوي الإكسوسوم على بروتينات مسؤولة على التعرف وإزالة استقرار مناطق في الرنا، مثل  العنصر الغني بـAU

الرنا الرسول

لا تُستخدم المعلومة الوراثية الموجودة في الدنا من طرف الخلية مباشرة لتخليق البروتينات، بل تُستخدم نسخٌ مؤقتة منها تسمى الرنا الرسول. يحمل كل رنا رسول سيسترونا واحدا أو عدة سيسترونات أي نسخة من جين واحد أو عدة جينات (رنا رسول عديد السيسترونات). لا يحتوى الرنا الرسول سوى على معلومة إحدى سلسلتي الدنا، أي السلسلة القالب ولا يحتوي على معلومة السلسلة المكملة. يختلف تسلسل الجين المتواجد في الدنا عن نظيره في الرنا الرسول الناضج الذي تعرض إلى تعديلات أهمها التضفير الذي يزيل المناطق غير المشفرة. يُخلَّقُ الرنا الرسول في نواة الخلية ثم ينتقل إلى السيتوبلازم ليُترجم بواسطة الريبوسوم إلى بروتين، وعلى عكس الدنا الذي هو جزيء معمر يتواجد طوال فترة عمر الخلية، الرنا الرسول له فترة محدودة تتراوح بين عدة دقائق إلى عدة ساعة يتم بعدها تحليله وإعادة تدويره.
يتكون الرنا الرسول الناضج من ثلاث مناطق مميزة: منطقة 5' غير مترجمة (5′-UTR) تقع عكس التيار في السيسترون الذي يحملها، منطقة مشفرة، ومنطقة 3' غير مترجمة (3′-UTR). تحتوى المنطقة 5' غير المترجمة على إشارات الترجمة التي تسمح بتوظيف الريبوسوم على السيسترون، يساهم الرنا الناقل في عملية الترجمة بنقل وإحضار الأحماض الأمينية الضرورية للتخليق الحيوي للبروتين. داخل الريبوسوم تقوم جزيئات الرنا الناقل باستخدام ضد الكودون الخاص بها للارتباط بثلاث قواعد -أو كودونات- من تسلسل الرنا الرسول، وحين يكون الارتباط كودون-ضد الكودون صحيحا يضيف الريبوسوم الحمض الأميني المحمول بواسطة الرنا الناقل إلى سلسلة البروتين التي في طور التخليق. العلاقة بين الكودونات والأحماض الأمينية تشكل الشيفرة الجينية.
وظيفة الرنا الرسول متعددة، فهو يسمح بالحفاظ على مادة الدنا الأساسية من الاستخدام المباشر في الترجمة. يمنح تواجد الرنا الرسول للخلية آلية أساسية في تنظيم دورة إنتاج البروتين الذي يتغير الاحتياج الخلوي إليه حسب الوسط، نوع الخلية ومرحلة النمو، تنظيم نسخ الدنا إلى الرنا يتم بواسطة عوامل نسخ محددة تعمل على محفزات الجينات المستهدفة، فحين تبلغ كمية البروتين مستوى كافيا تُثبط عملية نسخ الرنا الرسول ويتم تحليله وتتوقف عملية إنتاج البروتين.

الرنا الناقل

الرنا الناقل هو أحد أنواع الرنا القصير ويتراوح طوله بين 70 و100 نوكليوتيد ويقوم بنقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم أثناء الترجمة. بنيته ثلاثية الأبعاد على شكل ورقة النفل وتتكون من أربع حلقات جذعية، تحتوي إحدى هذه الحلقات على الكودون المضاد وهو ثلاث نوكليوتيدات ترتبط بكودونٍ أثناء ترجمة الرنا الرسول في الريبوسوم. الطرف المقابل لحلقة ضد الكودون يحمل الحمض الأميني الموافق للكودون ويكون مرتبطا بالرنا عبر رابطة إستر في النهاية 3′-OH. يُحفَّز تكوين رابطة الإستر هذه بواسطة إنزيمات خاصة تسمى مخلقات أمينوسيل الرنا الناقل. بمنظور ثلاثي الأبعاد، تتطوى بنية ورقة النفل الخاصة بالرنا الناقل على شكل حرف L يكون ضد الكودون في أحد الأطراف والحمض الأميني المؤستر في الطرف الآخر.
جميع الخلايا الحية تمتلك مجموعة من جزيئات الرنا الناقل المختلفة التي تحمل عدة أحماض أمينية وقادرة على قراءة عدة كودونات. تعتبر جزيئات الرنا "موائمات" بين التسلسل الجيني والبروتيني، وكان فرنسيس كريك هو من اقترح وجود مثل هذه الموائمات قبل اكتشافها سنة 1958.

الرنا الرسول الناقل

الرنا الرسول الناقل (tmRNA) يتواجد لدى العديد من البكتيريا والبلاستيدات، ويقوم بوسم البروتينات المشفرة بواسطة جزيئات الرنا الرسول التي لاتملك كودون توقف ليتم تفكيكها ومنع الريبوسوم من التوقف عن العمل.

الرنا الريبوسومي

الرنا الريبوسومي هو المكون الذي يقوم بالتحفيز في الريبوسومات. تحتوي ريبوسومات حقيقيات النوى على أربع جزيئات رنا ريبوسومي مختلفة وهي: 18S و 5.8S و28S و5S، ثلاثة منها تُخلََّق في النواة والرابعة تخلق في مكان آخر. يرتبط الرنا الريبوسومي بالبروتين في السيتوبلازم لتشكيل بروتين نووي يسمى الريبوسوم، يرتبط الريبوسوم بالرنا الرسول ويقوم بعملية تخليق البروتين. يمكن للعديد من الريبوسومات الارتباط برنا واحد في أي وقت. الرنا الريبوسومي سائد في معظم أنواع الخلايا ويشكل حوالي 80% من الرنا الخلوي.

الرنا الدائري

الرنا الدائري ويرمز له (circRNA) هو أحد أنواع الرنا منفردة السلاسل والتي تشكل -على عكس الرنا الخطي الشائع- حلقة تساهمية مغلقة تكون فيها النهايتان 3' و5' مترابطتان مع بعظهما. تمنح هذه الميزة العديد من الخصائص للرنا الدائري، والعديد من هذه الخصائص لم يتم اكتشافها إلا حديثا.
تنشأ جزيئات الرنا الدائرية من جينات مشفرة للبروتين، وقد صنفت على أنها رنا غير مشفر لكن ظهر حديثا أنها تشفِّر البروتينات. بعض الرنا الدائري أظهر احتمالا لكونه رنا منظم، ومثل العديد من المصاوغات غير المشفِّرة، الوظيفة البيولوجية لمعظم جزيئات الرنا الدائري غير واضحة لحد الآن.
لأن الرنا الدائري لا يملك النهايتين 5' و3' فهو مقاوم للتفكك بواسطة النوكلياز الخارجي، ويفترض أنه أكثر استقرار من معظم الرنا الخطي المتواجد في الخلايا.

رنا منظم لدى بدائيات النوى

اعتُقد في البداية أن الرنا المنظِم خاصٌ بحقيقيات النوى فقط، وكان ذلك جزءا من تفسير ملاحظةِ أن النسخ لدى الكائنات العليا كان أكثر من المتوقع، لكن بمجرد بدء البحث عن الرنا المنظِم في البكتيريا اكتشف أنه موجود لديها كذلك. حاليا، الوفرة الطبيعية لآليات تنظيم التعبير الجيني بالرنا تُناقش على أنها حجة لصالح فرضية عالم الرنا. يعمل الرنا الصغير البكتيري عبر الترابط عكس الاتجاه مع الرنا الرسول لتنظيم الترجمة بإنقاصها، سواء بالتأثير على استقرارية الرنا الرسول أو قابلية الإرتباط مقرون. اكتشفت الريبوسويتشات كذلك لدى البكتيريا، وهي تسلسلات رنا تعمل على التنظيم تفارغيا، حيث تغير شكلها عند الارتباط بالمستقلبات لكي يكسبوا أو يفقدوا القدرة على التنظيم الجيني. لدى العتائق أيضا آليات تنظيم بالرنا، نظام كريسبر -الذي يُستخدم حديثا لتعديل الدنا في الموقع- يعمل بواسطة جزيئات رنا منظمة في العتائق والبكتيريا لتوفير حماية ضد الفيروسات الغازية.

تدخل الرنا وتنظيم التعبير الجيني

بالإضافة إلى وظيفته في قراءة ونقل المعلومة الوراثية للتعبير عنها، يقوم الرنا كذلك بالتحكم في وتنظيم عملية التعبير هذه. لدى حقيقيات النوى أهم آلية لتنظيم التعبير الجيني هي تدخل الرنا والتي تحدث بعد عملية النسخ ويتم فيها قص جزيء رنا مزدوج السلاسل وإضافة إحدى سلسلتيه إلى مركب ريسك (RISC )، ثم إذا وجدت جزيئة رنا رسول مترابطة كليا مع الرنا الموجود في مركب ريسك فإنها تُقص بواسطة المركب ويتم تفكيكها، أما إن كان الترابط جزئيا فلا يتم قص الرنا الرسول لكن تُمنع عملية ترجمته.
يحدث تدخل الرنا بواسطة نوعين أساسيين من الرنا:  الرنا المتدخل الصغير والرنا الميكروي. ينتج الرنا المتدخل الصغير من رنا مزدوج السلاسل ذي مصدر خارجي في الغالب (كالفيروسات مزدوجة السلاسل)، ولأن إحدى السلسلتين تضاف إلى المركب، فإن السلسلة الأخرى المتطابقة كليا معها يتم تفكيكها بواسطة مركب ريسك. أما الرنا الميكروي فمصدره داخلي من الخلية ويشفر سواء: من جيناتٍ خاصةٍ بجزيئات رنا ميكروي أو من مناطق داخل إنترونات جينات مشفرة للبروتين أو من جينات مشفرة لجزيئات رنا غير مشفرة أخرى (ليست رنا ميكروي). ينظم الرنا الميكروي التعبير الجيني بمنع ترجمة جزيئات الرنا الرسول غير المترابطة كليا معه، وتسمى هذه الآلية "إسكات الرنا". تبعا لإحصاءات المعلوماتية الحيوية حوالي 60% من الجينات البشرية تُنظَّم بواسطة الرنا الميكروي  وحاليا يتم إجراء بحوثات مكثفة لربط جزيئات الرنا الميكروي بمختلف الأمراض كالسرطان مثلا.
بالإضافة إلى هذين النوعين الأساسيين، توجد أنواع أخرى تتحكم في تدخل الرنا مثل الرنا المتآثر مع بيوي الذي يلعب دورا في الدفاع ضد الينقولات الراجعة وجزيئات الرنا المتدخل الصغير المشتقة من التسلسلات المتكررة. تُستخدم جزيئات رنا الحلقة الجذعية الصغير (shRNA) لأغراض البحث العلمي وإنتاج الدواء وهي جزيئات رنا تتعرف عليها عملية تدخل الرنا وتقوم بتعديلها أكثر هي وجزيئات الرنا الأولية الخاصة بالرنا الميكروي والرنا المتدخل الصغير. رغم أن عملية تدخل الرنا معروفة لدى حقيقيات النوى فقط، إلا أن البكتيريا والعتائق طورتا عملية مماثلة لها تسمى نظام كريسبر للدفاع ضد العاثيات وعناصر الدنا الطفيلية الأخرى.
تحدث عملية التنظيم الجيني بواسطة الرنا على عدة مستويات، على سبيل المثال: بتحوير بنية الكروماتين في النواة، ومن الأمثلة النموذجية على ذلك الرنا غير المشفر الطويل XIST الذي يُعطل لدى إناث الثدييات أحد الصبغيين X بالالتفاف حوله مانعا ترجمة الجينات الموجودة به.

طرق دراسة الرنا

دراسة الرنا مماثلة لدراسة الدنا في العديد من النواحي، فاستخلاص الرنا يتم  بتحطيم الخلية وتمزيق غشائها، وتمسيخ البروتينات بواسطة مركبات كيميائية، وعكس استخلاص الدنا الذي يمكن فيه تثبيط الإنزيمات القاصة للدنا (دناز) بمجرد الارتباط بالأيونات ثنائية التكافؤ، يجب عند استخلاص الرنا إبقاء الإنزيمات القاصة للرنا (رناز) غير نشطة بالتبريد أو عبر عوامل تمسيخ شديدة الفعالية مثل كلوريد الغوانيدينيوم. حاليا أكثر الطرق شيوعا في استخلاص الرنا تستخدم استخلاص فينول-كلوروفورم بوجود كلوريد الغوانيدينيوم. بشكل عام، الريبونوكليازات مشكل كبير في دراسة الرنا بسبب قدرتها على تحمل الحرارة وإعادة التشكل والتطوي عند التمسخ.
عند استخلاص مجموع الرنا الخلوي، حوالي 98% من العينة عبارة عن رنا ريبوسومي وهذا يعقد دراسة الأنواع الأقل تواترا. يمكن تفكيك الرنا الريبوسومي المتواجد بكثرة إنزيميا أو عبر استخدام طرق أخرى. أكثر الطرق  المستخدمة في استخلاص أنواع الرنا الأقل تواترا هي استخلاص الرنا الرسول الخاص بحقيقيات النوى باستخدام مُشرِّع قليل الثيميدين (oligo(dt) primer) لتهجين ذيل عديد الأدينيلات الخاص بالرنا الرسول، وهذا يسمح باستخلاص جميع جزيئات الرنا الرسول وكذلك الأنواع الأخرى التي تحتوي على ذيل عديد الأدينين (مثل الرنا غير المشفر الطويل). من الطرق الأخرى لاستخلاص جزيئات الرنا المستهدفة من خلائطها: الطرد المركزي الفائق لفصل الرنا أو البروتينات النووية الريبوزية حسب كثافة الطفو وحسب الاستشراب بالألفة أو عبر الترسيب المناعي للمكون البروتيني الخاص بالبروتين النووي الريبوزي واستخلاص المكون الرنوي المتبقي.
يُستخدم الرحلان الكهربائي بهلام الأغاروز أو عديد الأكريلاميد بتواجد عوامل تمسيخ تقوم بفك البنية الثانوية للرنا لدراسة الرنا المستخلص. بعد الرحلان الكهربائي، من الممكن تحديد جزيئات معينة من الرنا عبر تقنية لطخة نورثرن التي يُنقل فيها الرنا من الهلام إلى غشاء يتم فيه تحديد أنواع الرنا عبر تهجينها بأحماض نووية مشعة أو موسومة بمواد فلورية والتي تعمل  كمسابير تهجين.
رغم طرق الدراسة هذه، إلى أن تحديد أنواع وتسلسل الرنا حاليا يتم في أغلب الأحيان عبر نسخ الرنا إلى دنا ومضاعفته بواسطة النسخ العكسي-تفاعل البوليميراز المتسلسل وينتج عن ذلك دنا متمم للرنا المدروس. هنالك أسباب عديدة لاستخدام هذه الطريقة منها الاستقرارية العالية للدنا وحقيقة أن إنزيمات الدنا أكثر فعالية وأقل ميولا للخطأ. يمكن دراسة الدنا المتمم المتحصل عليه بطرق متعددة، على سبيل المثال تحديد الكمية الأصلية لنُسَخِ الرنا في عينة ما بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي والذي يحدد عدد جزيئات الرنا الرسول المتواجدة في خلية ما لجين معين، أي مقدار وقوة نسخ الجين. يمثل  مجموع جزيئات الدنا المتممة المتحصل عليها والذي يسمى مكتبة الدنا المتمم جميع الجينات التي نُسخت إلى رنا ويمكن دراستها بطرق متعددة. من الطرق المميزة في دراسة مجموعة كبيرة من الجينات هي مصفوفة الدنا الدقيقة التي تُسخدم فيها آلاف مسابير التهجين المتنوعة المشتقة من جينات معروفة، في هذه الطريقة ترتبط جزيئات الدنا المتممة في العينة بمسابير التهجين المثبتة على سطح الرقاقة (المصفوفة) ولأن العينة تكون موسومة في الغالب بالفلورية فإن الإرتباط يعطي إشارة معينة، بعد الغسيل لا تبقى الإشارة سوى في مكان ارتباط الدنا المتمم بالمسبار. بعد ذلك يتم التعرف على نُسَخ الجينات الجديدة عبر سَلسَلَة (تحديد تسلسل) تسلسلات الدنا المتممة القصيرة والتي تسمى تسلسل وسم معبر عنه (EST). حاليا سَلسَلة جميع جزيئات الرنا في عينة ما يتم باستخدام جيل جديد من طرق تحديد التسلسل يسمى سلسلة الرنا.
من بين الطرق الأخرى لدراسة الرنا: التهجين الموضعي المتألق ويسمح برؤية مكان رنا معين في الخلية، برفلة الريبوسوم الذي يحدد جزيئات الرنا الرسول التي في طور الترجمة، أو طرق تدخل الرنا لتنظيم التعبير الجيني في الخلايا.

الرنا الرسول

اقتٌرِح استخدام جزيئات رنا رسول كاملة الطول منذ بداية حقبة التقانة الحيوية، لكنها لم تلق اهتماما حتى العقد 2010، حين أُسِست شركة "مودرنا ثريبيوتيكا" وتمكنت من جمع مليار دولار تقريبا لتمويل المشروع خلال الأعوام الثلاثة الأولى. نظريا جزيئات الرنا الرسول المعدلة يمكن أن تترجمها الخلية إلى بروتينات يمكنها معالجة الأمراض أو استخدامها كلقاحات، أو حتى أن تقود البروتينات الخلايا الجذعية الأصلية إلى التمايز بالطريقة المرغوب فيها. لكن الإشكال الأساسي للعلاج بالرنا يتركز حول توصيل الرنا إلى الخلايا المستهدفة، أكثر من تركيزه على التسلسل الذي سيتم توصيله. الرنا غير المعدل سيتم تفكيكه طبيعيا بعد تحضيره، وقد يثير النظام المناعي للجسم ليهاجمه كسجم دخيل، بالإضافة إلى أنه غير قابل للنفاذ عبر الغشاء الخلوي. وحين يكون داخل الخلية يجب أن يغادر آلية  النقل ليقوم بعمله في السيتوبلازم أين توجد الريبوسومات التي تترجمه إلى بروتينات.

الرنا الصغير المتدخل

يُستخدم الرنا اليوم في العديد من التطبيقات في علم الأحياء الجزيئي، وبشكل خاص عبر عملية تدخل الرنا والتي يتم فيها إدراج جزيئات رنا قصيرة مزدوجة السلاسل تسمى  الرنا الصغير المتدخل (siRNA) داخل خلايا حقيقيات النوى. تُستخدم جزيئات الرنا هذه التي طولها حوالي 20 زوج قاعدي بواسطة آلية خلوية قادرة على تفكيك الرنا بشكل محدد. لا يتم تفكيك سوى جزيئات الرنا الرسول التي تحوي تسلسلا مماثلا للرنا المتدخل، وهذا يتيح إمكانية تخفيض التعبير عن البروتينات بشكل محدد. هذا النهج التقني أكثر بساطة وسرعة من تحضير سلالات فئران معطلة الجين ويسمى knock down. التجارب التي تستخدم هذه التقنية لأغراض علاجية هي في مرحلة الدراسة، على سبيل المثال: تُدرس إمكانية استهداف الجينات الفيروسية لمحاربة العدوى والأمراض، أو الجينات الورمية للقضاء على السرطان. لكن يتطلب ذلك  جعل جزيئات الرنا المتدخل مستقرة  لمنع تحليلها بواسطة الريبونوكليازات وتوجيه نشاطها نحو الخلايا المستهدفة.

التاريخ

قاد البحث في الرنا إلى العديد من الاكتشافات البيولوجية والعديد من جوائز نوبل. اكُتشفت الأحماض النووية سنة 1868 بواسطة
فريدريك ميسشر الذي أسماها "نوكليين" لأنه وجدها في النواة. ثم اكتُشف لاحقا أن خلايا بدائيات النوى -التي ليس لديها نواة- تحتوي على أحماض نووية كذلك. دور الرنا في تخليق البروتين كان محل تخمين منذ 1939. فاز سيفيرو أوتشوا بجائزة نوبل في الطب (مشاركة مع آرثر كورنبرغ) بعد اكتشافه إنزيما يمكنه تخليق الرنا في المختبر. لكن اتضح لاحقا أن الإنزيم المكتشف بواسطة أوتشوا (فوسفوريلاز عديد النوكليوتيد) مسؤول عن تفكيك الرنا وليس تخليقه. في سنة 1956 هجَّن أليكس ريتش وديفيد دافيس سلسلتي رنا منفصلتين لتشكيل أول بلورة رنا كانت بنيته قابلة للتحديد بواسطة علم البلورات السيني.
حدد روبرت هولي تسلسل نوكليوتدات الرنا الناقل الخاص بالخميرة والتي عددها 77 سنة 1965، وفاز بجائزة نوبل للطب سنة 1968 (مشاركة مع هار غوبند خورانا ومارشال نيرنبرغ). خلال بداية العقد 1970 اكتُشفت الفيروسات الراجعة والمنتسخة العكسية، وأظهر ذلك لأول مرة أن الرنا يمكن نسخه إلى دنا. نتيجة لهذا الاكتشاف نال ديفيد بلتيمور وريناتو دولبيكو وهوارد تيمن جائزة نوبل سنة 1975. في سنة 1976 حدد وولتر فيرز وفريقه أول تسلسل نوكليوتيدات كامل لجينوم فيروس رنا، وهي العاثية MS2. في سنة 1977 تم اكتشاف الإنترونات وتضفير الرنا عند كل من فيروسات الثدييات وفي الجينات الخلوية فحصل فيليب شارب وريتشارد روبرتس على جائزة نوبل سنة 1993. اكتُشِفت جزيئات الرنا المحفزة (الريبوزيمات) في بداية العقد 1980 وأدى ذلك إلى حصول توماس تشيك وسيدني ألتمان على جائزة نوبل سنة 1989. في العقد 1990 وُجد لدى البتونيا أن إضافة جينات يمكن أن يُسكِت جينات أخرى مماثلة خاصة بالنبتة، وهو ما يُعرف الآن بكونه نتيجة لتداخل الرنا.
في نفس الوقت تقريبا، وُجد أن لجزيئات رنا طولها 22 نوكليوتيد -تعرف حاليا باسم الرنا الميكروي- دور في تطور الربداء الرشيقة. وحصل أندرو فاير وكريغ ميلو على جائزة نوبل سنة 2006 نتيجة أبحاثهم في تداخل الرنا، كما نال روجر كورنبيرغ جائزة نوبل في نفس العام عن دراساته لنسخ الرنا. قاد اكتشاف جزيئات الرنا المنظِّمة إلى تطوير أدوية مصنوعة من الرنا مثل الرنا الصغير المتدخل لإسكات الجينات. وفي سنة 2009 نال فينكاترامان راماكريشنان وتوماس ستايتز وعادا يونات جائزة نوبل لتوضيحهم البنية الذرية للريبوسوم.