ชีววิทยาและการประมวลผลของ RNA

ชีววิทยาและการประมวลผลของ RNA เป็นสาขาหนึ่งของอณูชีววิทยาที่เกี่ยวข้องกับวิธีการสร้าง การทำให้สมบูรณ์ การดัดแปลง การขนส่ง การใช้งาน และการย่อยสลายกรดไรโบนิวคลีอิกภายในเซลล์ ครอบคลุมบทบาทดั้งเดิมของ RNA ในฐานะตัวกลางระหว่างยีนกับโปรตีน ได้แก่ RNA ผู้ส่งสาร (messenger RNA) RNA ถ่ายโอน (transfer RNA) และ RNA ไรโบโซม (ribosomal RNA) รวมถึงโลกที่กำลังขยายตัวของ RNA ที่ไม่เข้ารหัสซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการแสดงออกของยีนด้วยตัวของมันเอง

Definition

ชีววิทยาและการประมวลผลของ RNA คือการศึกษาการสังเคราะห์ การดัดแปลงหลังการถอดรหัส (post-transcriptional modification) หน้าที่ และการหมุนเวียนของโมเลกุล RNA ของเซลล์ ซึ่งรวมถึง RNA ที่เข้ารหัสของกลไกการแปลรหัส และ RNA ที่ไม่เข้ารหัสซึ่งควบคุมการแสดงออกของยีน

Scope

สาขานี้จะแนะนำผู้อ่านให้รู้จักกับประเภทหลักของ RNA และกระบวนการประมวลผลที่ทำให้เกิดรูปร่างของ RNA เหล่านั้น ได้แก่ การเติมแคป (capping) การตัดต่อ (splicing) และการเติมโพลีอะดีนิลเลชัน (polyadenylation) ของ messenger RNA; การทำให้ transfer RNA และ ribosomal RNA เจริญเต็มที่; การประกอบไรโบโซม; และการกำเนิดและหน้าที่ของ RNA ที่ไม่เข้ารหัสซึ่งทำหน้าที่ควบคุม โดยนำเสนอสิ่งเหล่านี้เป็นชุดของหัวข้อการศึกษาที่เชื่อมโยงกันภายในอณูชีววิทยา มากกว่าที่จะเป็นแนวทางทางคลินิก

Sub-topics

• mRNA Processing and Maturation
• Non-Coding RNA and Regulatory Functions
• Ribosomal RNA and Ribosome Biogenesis
• RNA Splicing and Alternative Splicing
• Transfer RNA and Aminoacyl-tRNA Synthetases

Core questions

• สายถอดรหัสปฐมภูมิถูกเปลี่ยนเป็น RNA ที่ทำงานได้และเจริญเต็มที่ได้อย่างไร?
• RNA ประเภทต่างๆ ได้แก่ mRNA, tRNA, rRNA และ RNA ที่ไม่เข้ารหัส มีส่วนช่วยในการแสดงออกของยีนอย่างไร?
• ขั้นตอนการประมวลผล RNA มีการประสานงาน ควบคุม และตรวจสอบความถูกต้องอย่างไร?
• กิจกรรมของ RNA ที่เร่งปฏิกิริยาได้ (ribozyme) ปรับเปลี่ยนมุมมองของ RNA ที่เป็นมากกว่าผู้ส่งสารเฉยๆ ได้อย่างไร?

Key concepts

• การประมวลผลหลังการถอดรหัส
• messenger, transfer และ ribosomal RNA
• RNA ที่ไม่เข้ารหัสและ RNA ควบคุม
• ไรโบไซม์ (RNA ที่เร่งปฏิกิริยาได้)
• สารเชิงซ้อน RNA-โปรตีน (ไรโบนิวคลีโอโปรตีน)
• การเจริญเต็มที่และการหมุนเวียนของ RNA

Key theories

โลกของ RNA / RNA ที่เร่งปฏิกิริยาได้

การค้นพบว่า RNA สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (ไรโบไซม์) ซึ่งตัวอย่างเช่น อินทรอนของ Tetrahymena ที่ตัดต่อตัวเองได้ ได้ยืนยันว่า RNA ดำเนินการทางเคมีและข้อมูล สนับสนุนแนวคิดที่ว่า RNA มีมาก่อนโปรตีนและ DNA ในชีวิวิทยายุคแรก

Mechanisms

RNA polymerase สร้างสายถอดรหัสปฐมภูมิ (primary transcripts) ซึ่งมักจะไม่สามารถทำงานได้ทันที messenger RNA จะถูกเติมแคป ตัดต่อ และเติมโพลีอะดีนิลเลชัน; transfer RNA และ ribosomal RNA จะถูกตัด แยก ดัดแปลงทางเคมี และพับตัว; และหน่วยย่อยของไรโบโซมจะถูกประกอบเข้ากับแกน RNA ของพวกมัน ขั้นตอนเหล่านี้จำนวนมากดำเนินการหรือได้รับความช่วยเหลือจากเครื่องจักร RNA-โปรตีน และบางส่วนโดยการเร่งปฏิกิริยาของ RNA เอง ดังที่อินทรอนที่ตัดต่อตัวเองได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรก นอกเหนือจากกลไกการแปลรหัสแล้ว ส่วนใหญ่ของจีโนมยังผลิต RNA ที่ไม่เข้ารหัสซึ่งทำหน้าที่นำทาง เป็นโครงสร้าง หรือยับยั้งโมเลกุลอื่น ๆ ทำให้ RNA เป็นทั้งสารตั้งต้นและตัวกระตุ้นการควบคุม

Clinical relevance

เนื่องจากการประมวลผลของ RNA เป็นพื้นฐานของการแสดงออกของยีนเกือบทั้งหมด การหยุดชะงักในการตัดต่อ การดัดแปลง RNA หรือการประกอบไรโบโซมจึงเกี่ยวข้องกับโรคของมนุษย์หลายชนิด และ RNA เองก็ได้กลายเป็นแพลตฟอร์มสำหรับการวินิจฉัยและการบำบัดรักษา สาขานี้อธิบายชีววิทยาที่การประยุกต์ใช้ดังกล่าวอาศัยอยู่ โดยเป็นพื้นฐานทางการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

ภาพของ RNA ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ที่เป็นเพียงผู้ส่งสารง่ายๆ ระหว่าง DNA และโปรตีนนั้นมีความซับซ้อนขึ้นเรื่อยๆ: ยีนแยกส่วนและการตัดต่อถูกค้นพบในช่วงปลายทศวรรษ 1970, RNA ที่เร่งปฏิกิริยาได้ในช่วงต้นทศวรรษ 1980, และคลื่นของ RNA ที่ไม่เข้ารหัสซึ่งทำหน้าที่ควบคุมตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา การค้นพบแต่ละครั้งได้ขยายขอบเขตของสาขาจากการประมวลผลของสายถอดรหัสที่เข้ารหัสไปสู่ชีววิทยาที่กว้างขึ้น ซึ่ง RNA เป็นทั้งข้อมูล เครื่องจักร และตัวควบคุมในเวลาเดียวกัน

Key figures

• Thomas Cech
• Sidney Altman
• Phillip Sharp
• Richard Roberts
• Joan Steitz

Seminal works

• kruger-1982
• cech-2014

Frequently asked questions

RNA เป็นเพียงผู้ส่งสารระหว่าง DNA และโปรตีนเท่านั้นหรือไม่?

ไม่ ในขณะที่ messenger RNA นำข้อมูลการเข้ารหัส เซลล์ยังต้องพึ่งพา transfer RNA และ ribosomal RNA สำหรับการแปลรหัส และ RNA ที่ไม่เข้ารหัสจำนวนมากที่ควบคุมการแสดงออกของยีน และ RNA บางชนิดก็สามารถเร่งปฏิกิริยาได้

ทำไม RNA จึงต้องผ่านกระบวนการประมวลผลเลย?

สายถอดรหัสปฐมภูมิมักจะยังไม่สมบูรณ์ การเติมแคป การตัดต่อ การตัดแต่ง และการดัดแปลงทางเคมีจะเปลี่ยนให้เป็นโมเลกุลที่เสถียร พับตัวอย่างถูกต้อง และทำงานได้ และยังเป็นจุดควบคุมอีกด้วย