miniatura|„Ciclul de viață” a unei molecule ARNm într-o celulă eucariotă. ARN-ul este transcris în nucleu; după procesare, este transportat în citoplasmă și translatat de către ribozom. În final, ARNm-ul este degradat. Acidul ribonucleic mesager (ARNm) este o moleculă de ARN monocatenar care corespunde a unei gene și este citită de un ribozom în procesul de sinteză a proteinelor.

ARNm-ul este creat în timpul procesului de transcripție, în care o enzimă (ARN polimerază) convertește gena într-un de ARNm (cunoscut și sub denumirea de ). Acest pre-ARNm conține de obicei încă introni, regiuni care nu vor codifica secvența finală de aminoacizi. Aceștia sunt eliminați în procesul de splicing al ARN-ului, rămânând doar exonii, regiunile care vor codifica proteina. Această secvență de exoni constituie .

ARNm-ul matur este apoi citit de ribozom, iar ribozomul sintetizează proteina folosind aminoacizi transportați de ARN-ul de transfer (ARNt). Acest proces este cunoscut sub numele de translație. Toate aceste procese fac parte din , care descrie fluxul informației genetice într-un sistem biologic.

La fel ca în ADN, informația genetică din ARNm este conținută în secvența de nucleotide, care sunt aranjate în codoni, fiecare format din trei . Fiecare codon codifică un anumit aminoacid, cu excepția , care opresc sinteza proteinei. Traducerea codonilor în aminoacizi necesită alte două tipuri de ARN: ARN-ul de transfer, care recunoaște codonul și furnizează aminoacidul corespunzător, și ARN ribozomal (ARNr), componenta centrală a mașinăriei ribozomale de producere a proteinelor.

Conceptul de ARNm a fost formulat pentru prima dată de Sydney Brenner și Francis Crick în 1960, în timpul unei discuții cu François Jacob. În mai 1961, ARN-ul mesager a fost caracterizat experimental în două articole consecutive publicate în Nature: unul de Brenner, Jacob și Meselson, și altul de Gros și colaboratorii săi (inclusiv Watson). În timp ce analizau datele în pregătirea publicării, Jacob și Jacques Monod au introdus termenul de „ARN mesager”.

Sinteză

miniatura|ARN polimeraza transcrie o catenă de ADN pentru a forma ARNm Existența scurtă a unei molecule de ARNm începe cu transcripția și se termină în cele din urmă cu degradarea. Pe parcursul vieții sale, o moleculă de ARNm poate fi, de asemenea, procesată, editată și transportată înainte de translație. Moleculele de ARNm eucariote necesită adesea procesare și transport extins, în timp ce moleculele de ARNm procariote nu. O moleculă de ARNm eucariot și proteinele care o înconjoară sunt numite împreună .

Transcripția

Transcripția este procesul prin care informațiile genetice stocate în ADN sunt copiate în ARN de către enzima ARN polimerază. În timpul transcripției, ARN polimeraza se leagă de o secvență promotor de pe ADN și sintetizează o catenă de ARN complementară (ARNm) din ADN.

Acest proces diferă între procariote și eucariote. La procariote, transcripția are loc în citoplasmă. Deoarece procariotele nu au un nucleu legat de membrană, ribozomii se pot atașa la catena de ARNm emergentă și pot începe translația în timp ce transcripția este încă în desfășurare.

La eucariote, transcripția are loc în nucleul celular. Produsul inițial al transcripției nu este ARNm funcțional, ci se numește ARNm precursor sau . Acest pre-ARNm trebuie să fie supus unei procesări extinse (inclusiv adăugarea unui capăt 5', splicing pentru a elimina intronii necodificatori și poliadenilare 3') pentru a deveni . Odată procesat, ARNm-ul matur este exportat din nucleu în citoplasmă pentru translație.

Substituția uracilului pentru timină În timp ce ADN-ul conține timină (T), ARN-ul conține uracil (U). În timpul procesului de transcripție, enzima ARN polimerază încorporează uracil în pozițiile opuse ale bazelor adeninice situate pe catena de ADN. Prin urmare, transcriptul de ARN rezultat conține uracil în pozițiile în care catena codificatoare de ADN conține timină.

Din punct de vedere structural, perechile de baze uracil-adenină (U-A) seamănă foarte mult cu perechile de baze timină-adenină (T-A), ceea ce asigură păstrarea fidelă a informațiilor genetice transmise de secvență.

O explicație frecvent citată pentru prezența timinei în ADN implică necesitatea menținerii genomului. Deoarece citozina se poate dezamina spontan pentru a forma uracil, sistemele de reparare a ADN-ului recunosc uracilul ca o formă de deteriorare. Utilizarea timinei ca bază standard permite celulei să distingă bazele legitime de cele greșite, menținând astfel uracilul ca semnal specific pentru reparare.

Prelucrarea eucariotă a pre-ARNm

miniatura|Gena ADN este transcrisă în pre-ARNm, care este apoi procesat pentru a forma un ARNm matur și, în final, translatat de un ribozom într-o proteină. Prelucrarea ARNm diferă foarte mult între eucariote, bacterii și archaee. ARNm-ul non-eucariot este, în esență, matur după transcripție și nu necesită procesare, cu excepția unor cazuri rare. Pre-ARNm-ul eucariot, însă, necesită mai multe etape de procesare înainte de transportul său în citoplasmă și translația sa de către ribozomi.

Splicing

Prelucrarea extensivă a pre-ARNm-ului eucariot care duce la ARNm matur este splicingul ARN-ului, un mecanism prin care intronii sau (regiunile necodificatoare) sunt îndepărtați și exonii (regiunile codificatoare) sunt uniți.

Adăugarea unui capăt 5'

miniatura|Structura capătului 5' Un capăt 5''' (denumită și capăt ARN, capăt ARN sau capăt ARN m7G) este un nucleotid guaninic modificat care a fost adăugat la al unui ARN mesager eucariot la scurt timp după începerea transcripției. Capătul 5' constă dintr-un reziduu terminal de 7-metilguanozină care este legat printr-o legătură 5'-5'-trifosfat de primul nucleotid transcris. Prezența sa este esențială pentru recunoașterea de către ribozom și protecția față de .

Adăugarea de capete este cuplată cu transcripția și are loc cotranscripțional, astfel încât fiecare se influențează pe cealaltă. La scurt timp după începerea transcripției, capătul 5' al ARNm-ului sintetizat este legat de un asociat cu ARN polimeraza. Acest complex enzimatic catalizează reacțiile chimice necesare pentru adăugarea de capete la ARNm. Sinteza are loc ca o reacție biochimică în mai multe etape.

Editare În unele cazuri, o moleculă de ARNm este , ceea ce modifică compoziția nucleotidică a transcriptului. Un exemplu proeminent la om implică ARNm-ul apolipoproteinei B. În anumite țesuturi, editarea ARN-ului a acestui transcript creează un codon „stop” prematur, ceea ce duce la producerea unei variante proteice mai scurte. Un alt mecanism bine studiat este editarea A-la-I (adenozin-la-inozină). Această reacție este catalizată de enzimele ADAR (adenozin deaminază care acționează asupra ARN-ului) și are loc de obicei în regiunile ARN-ului bicatenar. Editarea A-la-I poate avea loc atât în secvențele codificatoare, cât și în regiunile care nu au trecut prin procesul de translație. Prin aceste modificări, procesul poate afecta recodificarea proteinelor, structura ARN-ului și reglarea genelor.

Poliadenilare

miniatura|Poliadenilare Poliadenilarea este legătura covalentă a unei componente poliadenilil la o moleculă de ARN mesager. În organismele eucariote, majoritatea moleculelor de ARN mesager (ARNm) sunt poliadenilate la capătul 3', dar studii recente au arătat că sunt comune și porțiuni scurte de uridină (oligouridilare). Coada poli(A) și proteina legată de aceasta ajută la protejarea moleculelor ARNm de degradarea de către exonucleaze. Poliadenilarea este importantă și pentru terminarea transcripției, exportul moleculelor ARNm din nucleu și translație. ARNm poate fi, de asemenea, poliadenilat în organismele procariote, unde cozile poli(A) acționează pentru a facilita, mai degrabă decât pentru a împiedica, degradarea exonucleolitică. Poliadenilarea are loc în timpul și/sau imediat după transcripția ADN-ului în ARN. După ce transcripția a fost terminată, lanțul moleculei ARNm este scindat prin acțiunea unui complex endonucleazic asociat cu ARN polimeraza. După ce molecula ARNm a fost scindată, aproximativ 250 de reziduuri de adenozină sunt adăugate la capătul 3' liber la locul de scindare. Această reacție este catalizată de . La fel ca în cazul splicingului alternativ, pot exista mai multe variante de poliadenilare ale unei molecule ARNm.

De asemenea, apar mutații la nivelul situsului de poliadenilare. Transcriptul ARN primar al unei gene este scindat la situsul de adiție poli-A, iar 100-200 de A sunt adăugate la capătul 3' al ARN-ului. Dacă acest situs este modificat, se va forma o construcție ARNm anormal de lungă și instabilă.

Transport O altă diferență între eucariote și procariote este transportul ARNm. Deoarece transcripția și translația eucariotelor sunt separate compartimental, moleculele ARNm eucariote trebuie exportate din nucleu în citoplasmă - un proces care poate fi reglat de diferite căi de semnalizare. Moleculele ARNm mature sunt recunoscute prin modificările lor procesate și apoi exportate prin prin legarea la proteinele de legare a capătului CBP20 și CBP80, precum și la complexul transcripție/export (TREX). La eucariote au fost identificate multiple căi de export al moleculelor ARNm.

În celulele cu complexitate spațială, unele molecule ARNm sunt transportate către anumite destinații subcelulare. În neuronii maturi, anumite molecule ARNm sunt transportate din în dendrite. Un situs de translație a moleculelor ARNm se află la poliribozomi localizați selectiv sub sinapse. ARNm pentru este indus de activitatea sinaptică și se localizează selectiv în apropierea sinapselor active pe baza semnalelor generate de . Alte molecule ARNm se deplasează, de asemenea, în dendrite ca răspuns la stimuli externi, cum ar fi ARNm de . Pentru exportul din nucleu, ARNm-ul de actină se asociază cu și mai târziu cu . Complexul este legat de o și este transportat către locația țintă () de-a lungul citoscheletului. În cele din urmă, ZBP1 este fosforilat de pentru ca translația să fie inițiată. În neuronii în curs de dezvoltare, moleculele ARNm sunt transportate și în axonii în creștere și în special în conurile de creștere. Multe molecule ARNm sunt marcate cu așa-numitele „coduri poștale” („zip codes”), care vizează transportul lor către o anumită locație. ARNm-urile se pot transfera, de asemenea, între celulele mamiferelor prin structuri numite .

Translație

miniatura|Translație ARNm în proteină Deoarece ARNm-ul procariot nu trebuie procesat sau transportat, translația de către ribozom poate începe imediat după sfârșitul transcripției. Prin urmare, se poate spune că translația procariotă este cuplată cu transcripția și are loc co-transcripțional.

În celulele eucariote, procesul de translație începe cu informațiile stocate în secvența de nucleotide a ADN-ului. Acesta este mai întâi transformat în ARNm, apoi ARN-ul de transfer (ARNt) specifică cărui aminoacid îi corespunde codonul format din trei nucleotide din codul genetic.

ARNm-ul eucariot care a fost procesat și transportat în citoplasmă (adică ARNm matur) poate fi apoi translatat de ribozomi. Translația poate avea loc la nivelul ribozomilor liberi în citoplasmă sau poate fi direcționată către reticulul endoplasmatic de către . Prin urmare, spre deosebire de procariote, translația eucariotă nu este direct cuplată cu transcripția. În unele contexte, abundența proteinelor poate crește chiar și atunci când abundența ARNm scade, deoarece eficiența translației și rotației proteinelor sunt reglate independent de nivelurile de transcripție; acest lucru a fost raportat pentru nivelurile de ARNm și proteine ale în cancerul de sân.

Structură centru|miniatura|700x700px|Structura unui ARNm eucariotic matur. Un ARNm complet procesat include un , , , și o coadă poli(A).

Regiuni codante