RNA

RNA (ראשי תיבות באנגלית של ribonucleic acid, חומצה ריבונוקלאית; בתעתוק לעברית: רנ"א. לעיתים גם אר-אן-איי) היא מולקולה פולימרית, המורכבת מיחידות של נוקלאוטידים. ל-RNA תפקיד מרכזי במגוון תהליכים ביולוגים, בתהליכי תורשה, ביטוי ותרגום של המידע הגנטי. בחלק מהנגיפים הגנום כולו מקודד במולקולות RNA.

הסליל החד גדילי של ה-mRNA המכונה גם RNA שליח. סגול - אטום פחמן, לבן - אטום מימן, אדום - חמצן, צהוב - חנקן

מבנה מולקולת ה-RNA. קבוצות הזרחה באדום-כתום, הריבוז בירוק, והבסיסים החנקנים בירוק-כחול

צילום של RNA שהופק מתאי DA3 (סרטן בלוטת החלב של עכברים). ה-RNA הורץ באלקטרופורזה והופרד לפי גודל. ניתן לראות שתי תת-היחידות של rRNA, ובאופן מעומעם את מולקולות ה-tRNA. בגלל השונות הרבה בגודל מולקולות ה-mRNA מולקולות אלו אינן יוצרות פס

תאוריות מודרניות משערות כי ה-RNA היה ראשון החומרים התורשתיים.

מבנה ה-RNA

מולקולת ה-RNA היא שרשרת נוקליאוטידים, המורכבים מבסיסים חנקניים, מזרחה ומהסוכר ריבוז. ההבדל בין הפולימרים בא לידי ביטוי במבנה הבסיס החנקני. מולקולות RNA מורכבות מארבעה סוגי בסיסים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ואורציל (U), זאת בשונה ממולקולת DNA שבה יש תימין (T) במקום אורציל.

בניגוד למבנה הגדיל הכפול, האופייני בדרך כלל למולקולות DNA, לרוב RNA מצוי בטבע במבנה של גדיל בודד. עם זאת, גם ב-RNA ייתכן זיווג בסיסים, מה שמביא להיווצרות מבנים שניוניים בגדיל. כאשר שרשרת ה-RNA מתקפלת למבנים לולאתיים כתוצאה מזיווג הבסיסים בגדיל הבודד. למבנים שניוניים אלה תפקידים חשובים, בין השאר בבקרת השעתוק והתרגום.

בחלק מנגיפי ה- RNA, החומר הגנטי הוא RNA במבנה דו-גדילי (dsRNA).

RNA היא מולקולה לא יציבה בעלת זמן מחצית חיים קצר יחסית, שלא כמו DNA. הסיבה לכך נעוצה במבנה של שלד ה-RNA. בעוד שב-DNA בעמדה 2' שעל הריבוז יש מימן בלבד, ב-RNA נמצאת קבוצות כוהל המגיבה בקלות עם הזרחן שבשלד ה-RNA (ראו תרשים). קבוצת הכהל תוקפת את הזרחן בתגובה מסוג התמרה נוקלאופילית אינטרא-מולקולרית (תוך מולקולרית) אשר גורמת לפירוק הקשר הפוספו דיאסטרי המחבר את שרשרת ה-RNA. חוסר היציבות הזה גורם למחקר על ה-RNA להיות קשה יותר.

תפקידי ה-RNA

ל-RNA מגוון של תפקידי בתהליכי יסוד בביולוגיה, וביניהם:

תעתוק

ערך מורחב – שעתוק (ביולוגיה)

המידע המקודד ב-DNA משמש ליצירת רצף RNA משלים, בתהליך הנקרא "תעתוק" או "שעתוק". בהמשך מולקולת ה-RNA הנושאת את המידע הגנטי נודדת לריבוזום ומתורגמת לחלבון.

לעיתים קרובות, מולקולת ה-RNA המתועתקת עוברת שחבור חליפי (חיתוך ועריכה מחדש) לפני התרגום.

תרגום לחלבון

ערך מורחב – תרגום (ביולוגיה)

ה-RNA מתורגם לחלבון במבנה הריבוזום שבעצמו מורכב ממולקולת RNA לא מקודדות (rRNA). במהלך יצירת החלבון מוצמדת חומצת אמינו לכל קודון באמצעות מולקולת tRNA ליצירת הפולימר החלבוני.

שכפול DNA

ערך מורחב – שכפול DNA

במהלך שכפול ה-DNA, מסונתזות מולקולות RNA קצרות המשמשות כתחל (פריימר), הנקשר לקצה הגדיל ומאפשר את התחלת סינתזת ה-DNA על ידי האנזים DNA-פולימראז. התחל מפורק לאחר שהשלים את תפקידו.

תפקידים אנזימטיים ובקרת תעתוק

ריבוזים הם מולקולות RNA המתפקדות כזרז (קטליזטור) בדומה לאנזימים. נמצא שלמולקלות RNA לא מקודדות יש גם תפקיד בבקרת תעתוק.

החומר הגנטי בנגיפי RNA

ערך מורחב – נגיף RNA

בנגיפים שונים משמש ה-RNA כחומר תורשתי, והם אינם מכילים DNA. ה-RNA בנגיפים עשוי להיות ליניארי או מעגלי, חד-גדילי או דו-גדילי. בחלק מהנגיפים, כדוגמת נגיפי השפעת, הגנום מצוי על מספר מקטעים נפרדים של RNA. ברטרו-וירוסים הווירוס שחודר לתא, יוצר העתק DNA של גנום ה-RNA בתהליך של תעתוק לאחור, ה-DNA המתועתק משתלב בגנום של הפונדקאי, והגנים שב-DNA מתועתקים ל-RNA ומתורגמים לחלבונים ויראליים.

סוגי RNA עיקריים

ה-RNA בתא מחולק לכמה סוגים, לפי פעילותו או תפקידו.

• mRNA (קיצור של Messenger RNA) – מולקולת RNA המכילה את המידע שהיה קיים בגן מסוים ב-DNA והדרוש ליצירת חלבון מסוים. על פי הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית, רצף ספציפי ב-DNA מקודד לחלבון ספציפי, או מספר חלבונים. ה-mRNA הוא השליח הנושא את המידע שב-DNA לצורך תרגומו לחלבון.
• ncRNA (קיצור של non-coding RNA) – מולקולות RNA שאינן מקודדות לחלבון הנפוצות בתא. מולקולות אלו מחולקות לסוגים שונים על פי אופיין והפעילויות הביולוגיות בהן הן מעורבות, כמו תהליכי התרגום, עריכת הרנ"א, השחבור, הבקרה על ביטוי הגנים, הגנה על הגנום ועוד. להלן רשימה חלקית של סוגי ה־RNA:
  • rRNA (קיצור של Ribosomal RNA) – מולקולה המהווה את אבני הבניין של הריבוזומים. RNA ריבוזומלי מהווה כ-80% מכלל ה-RNA ברוב התאים. ה-rRNA מורכב מ-RNA וחלבון כאחד, אך מחקרים הוכיחו כי דווקא ה-RNA מבצע את הפעילות האנזימטית של הריבוזומים - סינתזת חלבונים.
  • tRNA (קיצור של Transfer RNA) – מולקולת עזר בסינתזת החלבונים. תפקיד ה-tRNA הוא להתאים את חומצות האמינו, שהן אבני הבניין של החלבונים, על פי הקוד הגנטי.
  • lncRNA (קיצור של long non-coding RNA) – מולקולות RNA בעלות אורך מוגדל של מעל 200 בסיסים, המבקרות תהליכים רבים ומגוונים בתא.
  • סוג נוסף, הוא snRNA (קיצור של small nuclear RNA), שהן מולקולות RNA קטנות בעלות תפקידים שונים בתא. לא ידוע עליהן הרבה, אך לאחרונה ההכרה בחשיבותן הולכת ומתגברת, וכך גם המחקר עליהן.

במחקר וברפואה

חוסר היציבות של מולקולת ה-RNA מהווה אתגר למחקר המדעי ולדיאגנוזה הרפואית. על מנת לחקור תהליכי שעתוק ומנגנונים אחרים תלויי-RNA, מתעתקים קודם כול מולקולת DNA מקבילה באמצעות האנזים רוורס טרנסקריפטאז, ואת המשך המחקר מבצעים על מולקולת ה-DNA היציבה יותר. כך ניתן לבצע אמפליפיקציה בטכנולוגיית PCR, שאותה לא ניתן לבצע על מולקולת ה-RNA המקורית.

כדי לגרום להשתקת תרגום של גנים מסוימים לצורכי מחקר, משתמשים במולקולת RNA מסונתזת שתיצור זיווג בסיסים עם הקצה של מולקולת ה-mRNA המתועתק ותביא לפירוקה טרם תרגום (RNA interference – RNAi).

במגפת הקורונה, חיסונים של החברות פייזר ומודרנה, המבוססים על מנגנון ה-RNA, היו הראשונים להציג תוצאות חיוביות, ואף טובות יותר מהמקובל בחיסונים הרגילים המבוססים על חיידק מומת או מוחלש, מה שנחשב כפריצת דרך מדעית בעולם הרפואה.

השערת עולם ה-RNA

ערך מורחב – השערת עולם ה-RNA

על פי השערת עולם ה-RNA צורות החיים הקדומות ביותר בכדור הארץ היו בנויות בעיקר מ-RNA שמילא הן את תפקיד האנזימים שממלאים בעיקר חלבונים והן את תפקיד החומר התורשתי שממלא היום כמעט לחלוטין ה-DNA. לפי השערה זו, כאשר ה-RNA נעטף בקרום ליפידי, נוצרו התאים החיים הראשונים. עד לפני שנים מעטות סברו החוקרים כי מולקולת ה-RNA משמשת כ-"מולקולת עזר" למיצוי פוטנציאל החומר הגנטי הגלום ב-DNA. עם זאת, בעשורים האחרונים עולה כי למולקולה זו תפקידים נוספים ומהותיים, כגון השתתפות בבקרת תעתוק גנים וקטליזטור בתהליכים שונים. תפקידים אלה ותפקידו של ה-RNA כנשא החומר התורשתי במגוון נגיפים מחזקים את השערת עולם ה-RNA.

ראו גם

• עריכת RNA
• PNA
• רוורס טרנסקריפטאז
• נגיפי RNA דו-גדילי

קישורים חיצוניים

• ארז גרטי, השעתוק – יצירת תבנית RNA בתא, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 31 באוקטובר 2009
• ארז גרטי, תהליך יצירת החלבונים – סוד החיים, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 ביולי 2009
• אורן שולדינר, עולם הרנ"א, באתר הספרייה הווירטואלית של מטח, פורסם בגליליאו 42, נובמבר-דצמבר 2000
• ד"ר גל חיימוביץ', מולקולת העתיד, במדור "מדע במבט-על" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 1 בדצמבר 2022
• RNA, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• רנ"א (חומצה ריבונוקלאית), דף שער בספרייה הלאומית