RNA

Ribonükleik asid (RNA), bir nükleik asittir, nükleotitlerden oluşan bir polimerdir. Her nükleotit bir azotlu baz, bir riboz şeker ve bir fosfattan oluşur. RNA pek çok önemli biyolojik rol oynar, DNA'da taşınan genetik bilginin proteine çevirisi (translasyon) ile ilişkili çeşitli süreçlerde de yer alır. RNA tiplerinden olan mesajcı RNA, DNA'daki bilgiyi protein sentez yeri olan ribozomlara taşır, ribozomal RNA ribozomun en önemli kısımlarını oluşturur, taşıyıcı RNA ise protein sentezinde kullanılmak üzere kullanılacak aminoasitlerin taşınmasında gereklidir. Ayrıca çeşitli RNA tipleri genlerin ne derece aktif olduğunu düzenlemeye yarar.
RNA, DNA'ya çok benzer olmakla beraber bazı yapısal ayrıntılarında farklılık gösterir. Hücre içinde RNA genelde tek zincirli, DNA ise genelde çift zincirlidir. RNA nükleotitleri riboz içerirler, DNA ise deoksiriboz (bir oksijen atomu eksik olan bir riboz türü) vardır. DNA'da bulunan timin bazı yerine RNA'da urasil vardır ve genelde RNA'daki bazlar ayrıca kimyasal modifikasyona uğrar. RNA, RNA polimeraz enziminin DNA'yı okuması (transkripsiyonu) ile sentezlenir ve ardından başka enzimler tarafından işlenerek değişime uğrar. Bu RNA işleyici enzimlerin bazıları kendi RNA'larını içerirler.
Yapısı
RNA'daki her nükleotit bir riboz şekeri içerir, bunun karbonları 1' ila 5' olarak numaralandırılır. 1' konumuna bir baz bağlıdır, genelde adenin (A), sitozin (C), guanin (G) veya urasil (U). İki riboz arasında bir fosfat grubu vardır, bu fosfat bir ribozun 3' konumuna, öbür ribozun ise 5' konumuna bağlıdır. Fizyolojik pH'de fosfat grubu negatif bir yük taşıdığı için RNA yüklü bir moleküldür (polianyon). Bazı bazlar arasında hidrojen bağları oluşabilir: sitozin ve guanin, adenin ve urasil ve bazen guanin ve urasil arasında bu tür bağlar oluşur. Ancak, RNA zinciri çeşitli şekiller alabildiği için bunlardan başka baz-baz etkileşimleri de mümkündür, örneğin bir grup adenin birbiriyle bağlanarak RNA zincirinde bir tümsek oluşturabilir, veya GNRA dörtlüsü'nde bir guanin-adenin etkileşimi olur.
RNA'yı DNA'dan farklı kılan önemli bir fark, riboz şekerin 2' konumundaki hidroksil grubudur. Bu fonksiyonel grubun varlığı c3'-endo şeker konformasyonunu zorunlu kılar, buna karşın DNA'nın deoksiriboz şekerinin C2'-endo konformasyonu vardır. Bunun sonucu olarak RNA'nın çifte sarmallı kısımları, DNA'da yaygın olarak görülen B şekilli sarmaldan farklı olarak A-şekilli olur. A-şekilli sarmalın büyük oyuğu B şekilli sarmala kıyasla daha derin ve dardır, küçük oyuğu ise sığ ve geniştir. 2' hidroksil grubunun ikinci bir etkisi ise, RNA'nın esnek olan bölgelerinde (yani çift sarmal oluşturmamış kısımlarında) bu hidroksil grubunun yanındaki fosfodiester bağa saldırıp şeker-fosfat zincirin kesilmesine neden olabilmesidir.
RNA transkripsiyonu sırasında sadece dört baz kullanılır (adenin, sitozin, guanin ve urasil) ama ergin RNA'larda pek çok değişime uğramış şeker ve baz vardır. Psödouridin (Ψ) adlı nükleozitte urasil ile riboz arasındaki bağ, bir C-N bağından C-C bağına değişmiştir. Psödouridin ve ribotimidin (T) beraberce çeşitli RNA'larda görülür, özellikle tRNA'ların TΨC ilmiğinde. Değişime uğramış bazlardan bir diğeri olan hipoksantin, deamine olmuş bir guanin bazıdır, nükleozit hali inosin olarak adlandırılır. Genetik kodun değişkenliğinin açıklanmasında inosin anahtar bir rol oynar. Değişime uğramış 100'e yakın nükleozit bilinmektedir, bunların arasında psödouridin ve 2'-O-metilribozlu nükleozitler en yaygın olanlarıdır. Bu modifikasyonların çoğunun işlevi bilinmemektedir. Ancak ribozomal RNA'da çoğu transkripsiyon sonrası modifikasyon, ribozomun en işlevsel bölgelerinde, örneğin peptidil transferaz merkezinde ve altbirim arayüzlerinde yer alması kayda değerdir, bu nedenle bu modifikasyonların normal fonksiyon için gerekli olduğu anlaşılmaktadır.
Tek iplikli bir RNA'nın işlevsel şekli, tıpkı proteinlerde olduğu gibi, çoğu zaman belli bir üçüncül yapı gerektirir. Bu yapının iskeleti, molekülün içindeki bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla ortaya çıkar. Bu şekilde firkete yapısı, tümsek ve ilmik gibi belli ikincil yapı elemanlarından oluşan bölgeler ortaya çıkar. Bir RNA dizisinin nasıl bir üç boyutlu şekil alacağının tahmini halen aktif bir araştırma konusudur.
DNA ile kıyaslama
RNA ve DNA, üç ana özellikleriyle birbirlerinden farklılık gösterirler. Birincisi, DNA çift iplikli olmasına karşın, çoğu biyolojik fonksiyonunda RNA tek ipliklidir, ve DNA'dan çok daha kısadır. İkincisi, DNA'yı oluşturan şeker molekülleri deoksiriboz, RNA'yı oluşturanlar ise ribozdur, yani DNA'da pentoz halkasının 2' konumunda bir hidroksil grubu yoktur, RNA'da ise pentoz halkasının iki hidroksil grubu vardır. RNA'da fazladan bulunan hidroksil grupları, hidroliz nedeniyle DNA'dan daha az dayanıklı olmasına neden olur. Üçüncüsü, adenin bazını tümleyen baz DNA'daki gibi timin değil, urasildir.
RNA genelde tek iplikli olmasına rağmen, çoğu RNA molekülü katlanarak baz eşleşmesi ile çift sarmallı bölgeler oluşturur. DNA'dan farklı olarak RNA'lar uzun çift iplikli sarmallar değil, birbirine sıkıca sokulmuş kısa sarmallardan oluşur. Bu baz eşleşmeleri RNA molekülüne belli bir şekil verir ve bazların fonksiyonel gruplarının bir araya gelmesi sonucu reaktif özelliğe sahip olan yapılar ortaya çıkar. Bu sayede RNA, bir enzim gibi, kimyasal katalizör olarak işlev görebilir. Örneğin, peptit bağını oluşturan bir enzim olan ribozimin aktif merkezi tamamen RNA'dan oluşmaktadır.
Sentez
RNA sentezi genelde DNA'yı bir şablon olarak kullanarak, RNA polimeraz enzimi tarafından katalizlenir. Sentezin başlaması DNA üzerinde, RNA'ya yazılacak bölgenin hemen "yukarı" tarafındaki bir diziye enzimin bağlanması ile olur. DNA çifte sarmalı, RNA polimerazın helikaz aktivitesi ile açılır. Sonra, enzim DNA'nın şablon ipliği üzerinde 3'- 5' doğrultusunda ilerler ve bunun dizisini tümleyici bir diziye sahip bir RNA zincirini 5'-3' doğrultusunda sentezler. DNA üzerinde bulunan belli bir dizi, RNA sentezinin nerede sona ereceğini belirler.
Yukarıda anlatılan DNA'ya bağımlı RNA polimerazdan farklı olarak bir de RNA'ya bağımlı RNA polimerazlar vardır, bunlar yeni bir RNA zincirini sentezlemek için şablon olarak bir RNA zinciri kullanırlar. Örneğin, bir grup RNA virüsleri (çiçek virüsü gibi) bu enzimi kullanarak genetik malzemelerini çoğaltırlar. Ayrıca, RNA'ya bağımlı RNA polimeraz çoğu canlıda RNA enterferans yolunda görev alır.
RNA Tipleri
Genel bakış
Mesajcı RNA (mRNA) DNA'daki bilgiyi protein sentezi (translasyon) için ribozomlara taşıyan RNA'dır. mRNA'daki kodlayıcı nükleotit dizisi ondan üretilen proteinin amino asit dizisini belirler.
RNA genleri proteine çevrilmeyen, RNA kodlayan genlerdir, bunlar kodlamayan RNA veya küçük RNA olarak adlandırılır. Kodlamayan RNA'lar intronlardan da ortaya çıkabilir. Kodlamayan RNA'ların en belirgin örnekleri taşıyıcı RNA (tRNA) ve ribozomal RNA (rRNA)'dır, bunların ikisi de translasyon sürecinde rol oynarlar. Gen düzenlemesi, RNA işlenmesi ve başka işleveleri olan RNA'lar da vardır. Bazı RNA'lar, başka RNA'ların kesilmesi ve birleştirilmesi (ligasyon) ve ribozomda peptit bağı oluşumu gibi kimyasal tepkimeleri katalizleme yeteneğine sahiptir; bu tip RNA'lar ribozim olarak adlandırılırlar.
Çift iplikli RNA (İng. double stranded RNA'''nın kısaltması olan dsRNA olarak değinilir), birbirini tümleyici iki iplikten oluşmuş RNA'dır, bu bakımdan şekli DNA'ya benzer. Çift iplikli RNA, bazı virüslerin (çift iplikli virüslerin) genetik malzemesini oluşturur. Ökaryotlarda, virüs RNA'sına benzeyen uzun çift iplikli RNA'lar RNA enterferansını harekete geçirir. RNA enterferansında, siRNA (İng. small interfering RNA, kısa enterferansçı RNA) olarak adlandırılan kısa çift iplikli RNA'lar gen ifadesini susturur.
Translasyonda
Mesajcı RNA (mRNA) bir proteinin amino asit dizisi hakkında bilgiyi protein sentez yeri olan ribozomlara taşır. Bu bilgi, her üç nükleotit (bir kodon) bir amino asite karşılık gelecek şekilde şifrelenmiştir. Ökaryotlarda bir öncül (prekürsör) mRNA (pre-mRNA) DNA'dan yazıldıktan sonra ergin mRNA'ya dönüştürülür. Bu işlem sırasında pre-mRNA'nın protein kodlamayan kısımları (intronlar) çıkartılır, ayrıca mRNA'nın iki ucuna, onu nükleazlardan koruyucu eklemeler yapılır. Bunun ardından mRNA çekirdekten sitoplazmaya taşınır, orada ribozomlara bağlanır ve tRNA'nın yardımıyla çevirisi (translasyonu) yapılır. Prokaryotlarda, çekirdek olmadığından, RNA'nın transkripsiyonu sürerken ribozomlar tarafından çevirisi başlar. Bir süre sonra mesajcı RNA ribonükleazlar tarafından parçalanır.
Taşıyıcı RNA (tRNA) yaklaşık 80 nükleotit uzunluğunda bir RNA zinciri olup, ribozomun protein sentez konumunda büyümekte olan polipeptide spesifik aminoasitler taşır. Yapısında, mRNA'daki kodonları tanımak için onlarla hidrojen bağı kuran bir antikodon bölgesi ve amino asidin ona bağlanması için gerekli bölgeler vardır.
Ribozomal RNA (rRNA) ribozomların katalitik kısmıdır. Ökaryotik ribozomlar dört RNA içerirler: 18S, 5.8S, 28S ve 5S rRNA. Bu rRNA'lardan üçü çekirdekçikte sentezlenir. Sitoplazmada ribozomal RNA ve proteinler bir araya gelip ribozomu oluştururlar. Ribozom mRNA'ya bağlanır ve protein sentezini gerçekleştirir. Bir mRNA'ya aynı andan birkaç yüz ribozom bağlanabilir. Tipik bir ökaryotik hücre sitoplazmasındaki RNA konsantrasyonu 10 mg/ml'dir, bunun %80 rRNA'dan oluşur.
Gen düzenlemesinde
Bazı RNA tipleri genin belli bir kısmının dizisine tümleyici olarak gen ifadesinin aşağı ayarlayabilirler. Ökaryotlarda bulunan mikro RNA'lar (miRNA; 21-22 nt) RNA enterferans yoluyla etki eder. RNA enterferansında miRNA ve enzimlerden oluşan bir kompleks, miRNA'nın tümleyici olduğu bir mRNA'yı parçalayabilir, veya mRNA'nın translasyonunu bloke edebilirler, veya promotörün metilasyonuna neden olarak genelde geni aşağı ayarlarlar. Bazı miRNA'lar ise genleri yukarı ayarlarlar (RNA aktivasyonu). Küçük enterferansçı RNA (İng. small ınterfering RNA, siRNA)'lar 20-25 nt uzunlukta olurlar, genelde viral RNA'nın parçalanmasından meydana gelmelerine karşın, bu RNA tiplerinin endojen kaynakları da mevcuttur. siRNA'lar, miRNA'ya benzer şekilde)RNA aktivasyonu da dahil olmak üzere) RNA enterferansı aracılığyla etki ederler. Hayvanlarda bulunan Piwi etkileşimli RNA'lar (İngilizce Piwi-interacting RNAs, piRNA; 29-30 nt) eşey hücrelerinde etkindirler, transpozonlara karşı savunmaya yaradıkları ve gametogenezde rol oynadıkları düşünülmektedir. Dişi hayvanlarda görülen X kromozom inaktivasyonu, X kromozomlarından birini kaplayarak onu inaktive eden Xist adlı bir RNA tarafından meydana gelir. Ters anlamlı RNA bakterilerde yaygındır; çoğu genleri aşağı ayarlar ama bazıları da transkripsiyon aktivatörüdür. Bir mRNA'nın kendisi de 5 üssü çevrilmeyen bölgesinde veya 3 üssü çevrilmeyen bölgesinde riboanahtar gibi düzenleyici elemanlar içerebilir. Bu beri-düzenleyici unsurlar (İng. cis-regulatory element) mRNA'nın etkinliğini düzenlerler.
RNA işlenmesinde
Çoğu RNA başka RNA'ların modifikasyonunda rol oynar. Örneğin uçbirleştirmede, pre-mRNA'daki intronların çıkartılmasını sağlayan splisozom, küçük nükleer RNA (snRNA)'lar içerir.
RNA'yı oluşturan nükleotitlerler A, C, G ve U'dan farklı bazlara değişime uğrayabilir. Ökaryotlarda RNA nükleotitlerinin modifikasyonu genelde çekirdekçik ve Cajal cisimlerinde bulunan küçük nükleolar RNA (small nucleolar RNA, snoRNA; 60-300 nt) tarafından yönlendirilir. SnoRNA'lar enzimlerle birleşip onları RNA üzerindeki belli bir noktaya yönlendiriler, bunu sağlamak için RNA ile baz eşleşmesi yaparlar. Bu enzimler sonra o noktadaki nükleotit modifikasyonunu gerçekleştirler. rRNA ve tRNA bu şekilde büyük oranda değişime uğrarlar, ama snRNA ve mRNA'ların da bu yolla modifiye oldukları görülmüştür,
RNA tipleri
Yukarıda belirtilenlere ilaveten, pek çok virüs genomu RNA'dan oluşur. Bunlar çift iplikli RNA virüsleri, pozitif anlamlı tek zincirli RNA virüsler, negatif anlamlı tek zincirli RNA virüsleri ve çoğu satelit virüslerdir.
Keşif
Nükleik asitler 1868'de Friedrich Miescher tarafından keşfedilmiş, hücre çekirdeğinde (nucleusta) yer aldığı için Miescher bu maddeye 'nüklein' adını vermişti. Daha sonradan nükleik asitlerin çekirdeksiz olan prokaryotlarda da olduğu bulunmuştu. RNA'nın protein sentezinde rol oynadığı 1939'ten itibaren, Torbjörn Caspersson, Jean Brachet ve Jack Schultz'un deney sonuçlarından dolayı, tahmin edilmekteydi. Gerard Marbaix ilk mesajcı RNA'yı (tavşan hemoglobinine ait olan) saflaştırmış, ve onu yumurta hücrelerine enjekte edince bunun hemoglobin sentezini sağladığını göstermişti. Severo Ochoa RNA'nın nasıl sentezlendiğini keşfettikten sonra 1950 Nobel Tıp Ödülünü kazandı. Robert W. Holley bir maya RNA'sının ilk 77 nükleotidinin dizisini 1965'te çözmüş, bundan dolayı 1968 Nobel Tıp ödülünü kazanmıştır. Carl Woese ve diğerleri 1967'de RNA'nın katalitik olduğunu buldular en eski canlı tiplerinin bir "RNA Dünyası" içinde yaşadıklarını, RNA'yı hem genetik bilgi taşımak hem de biyokimyasal tepkimeleri katalizlemek için kullanmış olabileceğini öne sürdüler. 1976'da Walter Fiers ve arkadaşları ilk defa bir RNA virüs genomunun (bakteriyofaj MS2'nin) tüm nükleotit dizisini belirlediler.
1990 başlarında bitki hücrelerinin içine sokulan genlerin bunlara benzer endojen genleri susturduğu bulundu. Yaklaşık aynı dönemde, 22 nt uzunlukta (günümüzde mikroRNA olarak adlandırılan) RNA'ların C. elegans'' solucanının gelişimine etki ettiği keşfedildi.
Gen düzenleyici RNA'ların keşfi üzerine, onkogenleri ve viral genleri susturabilecek RNA'dan oluşmuş ilaçlar geliştirmeye yönelik çabalar başladı.. 2006 itibarıyla piyasada bu özellikli tek bir ilaç bulunmaktadır, bir sitomegalovirüs genini inhibe etmeye yarayan Vitravene (bir ters anlamlı RNA), ama RNA enterferans yoluyla genleri aşağı ayarlamak için siRNA kullanmaya yönelik ümit verici araştırmalar sürmektedir.