RNA ist eine vielseitige Nukleinsäure, die bei der Informationsübertragung, Katalyse, Genregulation und Zellstruktur fungiert. Ihre Expression und Identität werden mittels RNA-Sequenzierung und Northern Blot analysiert. Im Gegensatz zu DNA ist RNA typischerweise einzelsträngig, enthält Ribose statt Desoxyribose und verwendet Uracil anstelle von Thymin. Die 2’-Hydroxylgruppe der Ribose macht RNA chemisch reaktiver als DNA.

Boten-RNA

Boten-RNA trägt genetische Information von der DNA zum Ribosom für die Proteinsynthese. In Eukaryoten durchläuft die Prä-mRNA umfangreiche Prozessierung. Eine 7-Methylguanosin-Kappe wird an das 5’-Ende angefügt, schützt das Transkript vor Abbau und erleichtert die Translationsinitiation. Ein Poly-A-Schwanz von 100 bis 250 Adeninresten wird an das 3’-Ende angehängt, was die Stabilität und den Export aus dem Zellkern verbessert. Introns werden durch Spleißen entfernt, sodass ein einzelnes Gen durch alternatives Spleißen mehrere Proteinvarianten produzieren kann.

Transfer-RNA

Transfer-RNA ist das Adaptermolekül, das den genetischen Code übersetzt. Jede tRNA hat eine charakteristische Kleeblatt-Sekundärstruktur mit drei Stamm-Schleifen und einem Akzeptorstamm. Die Anticodon-Schleife enthält drei Basen, die mit dem mRNA-Codon Basenpaare bilden. Das 3’-Ende trägt immer die Sequenz CCA, an die die Aminosäure gebunden wird. tRNAs sind stark modifiziert, mit über 100 identifizierten Basenmodifikationen. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen binden die korrekte Aminosäure an jede tRNA, ein Prozess, der als Beladung bezeichnet wird, ATP benötigt und die Genauigkeit der Proteinsynthese sicherstellt.

Ribosomale RNA

Ribosomale RNA ist die katalytische und strukturelle Komponente von Ribosomen. In E. coli besteht das 70S-Ribosom aus einer 50S-großen Untereinheit mit 23S- und 5S-rRNA und einer 30S-kleinen Untereinheit mit 16S-rRNA. In Eukaryoten hat das 80S-Ribosom 60S- und 40S-Untereinheiten mit entsprechend größeren rRNAs. Die 23S-rRNA der großen Untereinheit katalysiert die Peptidbindungsbildung, was das Ribosom zu einem Ribozym macht. rRNA-Sequenzen sind hochkonserviert und werden in der phylogenetischen Analyse verwendet.

Kleine nukleäre RNA

Kleine nukleäre RNAs sind Bestandteile des Spleißosoms, des Komplexes, der Introns aus der Prä-mRNA entfernt. Die wichtigsten snRNPs, U1, U2, U4, U5 und U6, erkennen Spleißstellen und katalysieren die Spleißreaktion durch RNA-RNA-Wechselwirkungen. U1-snRNA paart Basen mit der 5’-Spleißstelle, und U2-snRNA erkennt die Verzweigungsstelle. Das Spleißosom assembliert schrittweise und durchläuft mehrere Konformationsänderungen, die durch ATP-Hydrolyse angetrieben werden.

MicroRNA und kleine interferierende RNA

MicroRNAs sind kleine nicht-kodierende RNAs von etwa 22 Nukleotiden, die die Genexpression post-transkriptionell regulieren. Sie werden als primäre miRNAs transkribiert, im Zellkern durch Drosha prozessiert und ins Cytoplasma exportiert, wo Dicer die reife miRNA produziert. Die miRNA wird in den RNA-induzierten Silencing-Komplex geladen, wo sie mit Ziel-mRNAs Basenpaare bildet, typischerweise in der 3’-untranslatierten Region, was zu translationaler Repression oder mRNA-Abbau führt.

Kleine interferierende RNAs stammen von längeren doppelsträngigen RNA-Molekülen exogenen Ursprungs, wie viraler RNA. Sie folgen einem ähnlichen Weg, zeigen aber typischerweise perfekte Komplementarität zu ihren Zielen, was eher zu mRNA-Spaltung als zu translationaler Repression führt. Der RNA-Interferenzweg ist ein konservierter antiviraler Abwehrmechanismus und ein leistungsfähiges Forschungswerkzeug.

Lange nicht-kodierende RNA

Lange nicht-kodierende RNAs sind Transkripte länger als 200 Nukleotide, die keine Proteine kodieren. Sie regulieren die Genexpression durch verschiedene Mechanismen, darunter Chromatin-Remodellierung, transkriptionelle Regulation und post-transkriptionelle Prozessierung. XIST vermittelt die X-Chromosomen-Inaktivierung bei Frauen, indem es das inaktive X-Chromosom beschichtet und repressive Chromatinmodifikationen rekrutiert. Andere lncRNAs fungieren als Gerüste für Proteinkomplexe, Köder für Transkriptionsfaktoren oder Leitstrukturen für Chromatin-modifizierende Enzyme.

Andere funktionelle RNAs

Mehrere zusätzliche RNA-Typen erfüllen spezialisierte Funktionen. Ribonuklease P ist ein Ribozym, das tRNA-Vorläufer prozessiert. Das Signalerkennungspartikel-RNA ist Teil des Komplexes, der Proteine zum endoplasmatischen Retikulum steuert. Die Telomerase-RNA liefert die Vorlage für die Telomerverlängerung. CRISPR-RNAs führen Cas-Proteine zu fremden Nukleinsäuren in der bakteriellen adaptiven Immunität. Riboschalter sind RNA-Elemente in der 5’-untranslatierten Region von mRNAs, die direkt Metaboliten binden und die Genexpression ohne Proteinbeteiligung regulieren.