El descubrimiento de que la mayor parte del genoma humano se transcribe en ARN que no codifica proteínas ha cambiado fundamentalmente nuestra comprensión de la regulación genética. Los ARN no codificantes (ARNnc) constituyen una clase diversa y abundante de moléculas reguladoras que controlan la expresión génica en múltiples niveles, desde la remodelación y transcripción de la cromatina hasta la estabilidad y traducción del ARNm. Su desregulación contribuye a un amplio espectro de enfermedades, incluido el cáncer, los trastornos neurológicos y las enfermedades cardiovasculares.

MicroARN

Los microARN (miARN) son pequeños ncARN de aproximadamente 22 nucleótidos que regulan la expresión génica postranscripcionalmente uniéndose a secuencias complementarias en las 3 regiones no traducidas (UTR) de los ARN mensajeros diana. Los genes de miARN se transcriben mediante la ARN polimerasa II como miARN primarios (pri-miARN) que contienen estructuras en horquilla, que se escinden en el núcleo mediante el complejo de microprocesador (Drosha y DGCR8) para liberar miARN precursores (pre-miARN) de aproximadamente 70 nucleótidos. Los pre-miARN se exportan al citoplasma mediante Exportin-5 y luego son procesados por Dicer, una endonucleasa ARNasa III, para generar dúplex de miARN maduros. Una hebra del dúplex se carga en el complejo silenciador inducido por ARN (RISC), donde guía a las proteínas Argonaute (AGO) para que se dirijan a los ARNm a través de una complementariedad de secuencia parcial, principalmente dentro de la región de la semilla (nucleótidos 2 a 8). La unión de miARN generalmente reprime la traducción y promueve la muerte y degradación del ARNm. Un solo miARN puede regular cientos de ARNm diana, y se han identificado más de 2600 miARN humanos maduros, que en conjunto regulan aproximadamente el 60% de los genes que codifican proteínas. Los miARN están involucrados en prácticamente todos los procesos biológicos, incluida la proliferación, diferenciación, apoptosis y respuestas inmunes celulares, y el perfil de expresión de miARN tiene valor diagnóstico y pronóstico en el cáncer.

ARN largos no codificantes

Los ARN largos no codificantes (lncRNA) se definen como transcripciones de más de 200 nucleótidos que carecen de potencial de codificación de proteínas, aunque algunos contienen pequeños marcos de lectura abiertos o producen micropéptidos funcionales. El genoma humano contiene aproximadamente 20.000 genes de lncRNA, muchos de los cuales se expresan de una manera específica del tipo de célula y regulada por el desarrollo. Los LncRNA regulan la expresión genética a través de diversos mecanismos. En el núcleo, Xist (transcripción específica inactiva de X) media la inactivación del cromosoma X en las mujeres recubriendo el futuro cromosoma X inactivo y reclutando complejos modificadores de la cromatina, incluido el complejo represivo 2 de Polycomb (PRC2), que deposita marcas represivas H3K27me3. HOTAIR, un lncRNA del locus HOXC, recluta PRC2 en sitios genómicos específicos para silenciar los genes HOXD en trans. Los LncRNA también pueden funcionar como andamios moleculares, reuniendo múltiples proteínas para formar complejos de ribonucleoproteínas; como señuelos, secuestrando factores de transcripción o miARN; y como ARN asociados a potenciadores (ARNe) que promueven el bucle potenciador-promotor y la activación transcripcional. MALAT1 (transcripción 1 de adenocarcinoma de pulmón asociado a metástasis) es un lncRNA nuclear altamente expresado que regula el empalme alternativo mediante la modulación de la fosforilación del factor de empalme rico en serina/arginina y está asociado con metástasis en múltiples tipos de cáncer.

ARN circulares

Los ARN circulares (circRNA) son una clase de moléculas de ARN covalentemente cerradas generadas mediante empalme hacia atrás, donde un sitio de empalme 5 aguas abajo se une a un sitio de empalme 3 aguas arriba, produciendo una transcripción circular sin extremos libres. Los CircRNA son resistentes a la degradación exonucleolítica y son muy estables en comparación con los ARN lineales. La mayoría de los circRNA se expresan en niveles bajos, pero algunos se acumulan en gran abundancia, particularmente en el cerebro, y su expresión a menudo se conserva en todas las especies. La función mejor caracterizada de los circRNA es la de esponjas de miRNA: al contener múltiples sitios de unión para miRNA específicos, los circRNA secuestran los miRNA y evitan que repriman sus mRNA diana. CDR1as (proteína 1 antisentido relacionada con la degeneración cerebelosa), también llamada ciRS-7, contiene más de 60 sitios de unión conservados para miR-7 y es esencial para el desarrollo normal del cerebro en peces cebra y ratones. Los CircRNA también pueden regular la transcripción al interactuar con la ARN polimerasa II, modular el empalme compitiendo con el empalme lineal y algunos pueden traducirse para producir proteínas o péptidos de manera independiente de la tapa. La desregulación del CircRNA está implicada en el cáncer, los trastornos neurológicos, las enfermedades cardiovasculares y el envejecimiento.

ARN que interactúan con Piwi

Los ARN que interactúan con piwi (piRNA) son pequeños ncRNA de 24 a 31 nucleótidos que se expresan principalmente en células germinales y funcionan en el silenciamiento de transposones y la integridad del genoma. Los piRNA se asocian con proteínas PIWI, una subclase de proteínas Argonautas, y las guían hacia transcripciones de transposones complementarios a través del emparejamiento de bases, lo que lleva al silenciamiento transcripcional mediante la metilación del ADN y modificaciones de histonas, o escisión postranscripcional. La vía del ARNpi es esencial para mantener la integridad del genoma de la línea germinal al suprimir la actividad de los transposones, y su alteración conduce a esterilidad y tumores de células germinales en modelos animales. Los piRNA se generan a partir de precursores largos de ARN monocatenario transcritos a partir de grupos de piRNA, procesados por la endonucleasa Zucchini y cargados en proteínas PIWI. En el ratón, tres proteínas PIWI (MIWI, MILI, MIWI2) funcionan en diferentes etapas de la espermatogénesis. La evidencia emergente sugiere que los ARNpi y las proteínas PIWI también pueden funcionar en tejidos somáticos, incluidas las células cancerosas, donde su expresión se correlaciona con un mal pronóstico en varios tipos de cáncer.

Pequeños ARN de interferencia

Los ARN de interferencia pequeños (ARNip) son ARN bicatenarios de 20 a 25 nucleótidos que median la interferencia de ARN (ARNi), un mecanismo de silenciamiento génico conservado desencadenado por ARN bicatenario exógeno, como el ARN viral o construcciones introducidas experimentalmente. Los ARNip sintéticos se utilizan ampliamente como herramientas de investigación para anular la expresión genética y se están desarrollando como terapias. En la vía del ARNi, Dicer escinde el ARN bicatenario largo en ARNip, que se cargan en RISC. A diferencia de los miARN, los siARN suelen tener una complementariedad perfecta con su objetivo, lo que lleva a la escisión endonucleolítica del ARNm objetivo mediada por argonauta. Los ARNip endógenos, producidos a partir de transposones, elementos repetitivos o transcripción convergente, regulan el silenciamiento de los transposones en algunos organismos y pueden funcionar en la defensa antiviral en plantas e invertebrados.

NcRNA en enfermedades y terapéutica

La desregulación de los ncRNA está asociada con muchas enfermedades humanas. En el cáncer, los miARN pueden funcionar como oncogenes (oncomiR, como miR-21, miR-155) o supresores de tumores (como la familia let-7, miR-34), y las firmas de expresión de miARN se utilizan para la clasificación y el pronóstico de tumores. Los LncRNA, incluido el PCA3, se utilizan como biomarcadores de diagnóstico y el PCA3 se mide en orina para la detección del cáncer de próstata. Se están desarrollando activamente estrategias terapéuticas dirigidas a los ncRNA. Los oligonucleótidos antisentido (ASO) dirigidos a lncRNA o pri-miRNA pueden inhibir su función, mientras que los imitadores de miRNA restauran la expresión de miRNA supresores de tumores. El primer tratamiento terapéutico basado en ARNi, patisirán (un ARNip dirigido a la transtiretina), se aprobó en 2018 para la amiloidosis hereditaria mediada por transtiretina. Varias terapias dirigidas a miARN, incluido miravirsen (un anti-miR-122 para la hepatitis C), han avanzado hasta llegar a ensayos clínicos. Se están explorando enfoques basados en CRISPR para editar genes de ncRNA o modular su expresión, y los circRNA diseñados son prometedores como vectores de expresión sostenida para proteínas terapéuticas.