Mikro-RNA

MikroRNA-d (lühendatult miRNA; ingl microRNA) on lühikesed, keskmiselt 20–25 nukleotiidi pikkused üksikahelalised RNA-molekulid, mida sünteesitakse eukarüootsete rakkude tuumades.

MikroRNA-203 sekundaarstruktuur

MiRNA-d on posttranskriptsioonilised regulaatorid, mis seonduvad messenger RNA (mRNA) transkriptide komplementaarsetele järjestustele. Tavaliselt on selle tagajärjeks translatsiooniline repressioon või märklaud-mRNA degradatsioon ja geeni vaigistamine. Inimese genoom võib kodeerida üle 1000 miRNA ning nende märklauaks võib olla kuni 60% imetajate geenidest. miRNA-sid leidub inimesel rohkelt väga erinevates koetüüpides.

miRNA-d erinevad oma omadustelt taimedes ja loomades. Taimedes on miRNA-de komplementaarsus oma märklaud-mRNAle täiuslik või mõne üksiku mittesobiva paardumisega. Loomades (Metazoa) hõlmab miRNA komplementaarsus 5` otsa 2–7 aluspaari, mikroRNA alusjärjestust (ingl seed region). Üks mikroRNA võib seostuda ühe ja sama mRNA mitme erineva saidiga või paljude erinevate mRNA-dega.

Veel üks erinevus taimedes ja loomades on märklaud-mRNA seostumissaidi asukohas. Loomades asuvad miRNA-de märklaudsaidid mRNA-de 3` mittetransleeritavates regioonides (3`UTR- untranslated region). Taimedes võivad märklaudsaidid asuda samuti mRNA-de 3`mittetransleerivates regioonides, kuid sagedamini paiknevad nad kodeerivas alas. miRNA-de geenide järjestused on eukarüootsetes organismides küllalt konserveerunud. miRNA-d arvatakse olevat organismidele eluliselt oluline ja evolutsiooniliselt vana geneetilise regulatsiooni komponent.

Esimesi miRNA-sid kirjeldati 1990. aastate algul. Siiski, miRNA-sid ei tunnistatud kui eraldi konserveerunud funktsioonidega bioloogiliste regulaatorite klassi kuni 2000. aastate algusaastateni. Alates sellest ajast on miRNA-de uurimine paljastanud mitmeid rolle negatiivses regulatsioonis (transkripti degradatsioon, translatsiooniline supressioon) ja võimalikku seotust positiivse regulatsiooniga (translatsiooniline ning transkriptsiooniline aktivatsioon). miRNA-d osalevad geeniregulatsiooni mõjutajatena tõenäoliselt peaaegu kõikides bioloogilistes protsessides. Erinevates rakutüüpides ja kudedes esinevad erinevad ekspresseerunud miRNA-de komplektid.

Kõrvalekaldeid miRNA-de ekspressioonis on seostatud mitmete haiguslike seisunditega ning uurimise all on miRNA-del põhinevad teraapiad.

Ajalugu

Victor Ambros, Rosalind Lee ja Rhonda Feinbaum avastasid 1993. aastal mikroRNA-d, kui nad uurisid geen lin-14 rolli varbussi (Caenorhabditis elegans) arengus. Nad leidsid, et valk LIN-14 rohkust reguleeris lühike RNA produkt, mida kodeeris lin-4 geen. Lin-4 geeni 61-nukleotiidne prekursor matureerus 22 nukleotiidi pikkuseks RNAks, mis sisaldas osaliselt komplementaarseid järjestusi mitmetele 3`UTR järjestustele lin-14 mRNAs. See komplementaarsus oli nii vajalik kui ka piisav inhibeerimaks lin-14 mRNA translatsiooni LIN-14 valguks. lin-14 RNA oli esimene identifitseeritud mikroRNA, kuigi tollel ajal peeti selle olemasolu nematoodi (C.elegansi) omapäraks. Alles 2000. aastal kirjeldati järgmist selletaolist RNA-d: let-7, mis represseeris geenide lin-41, lin-14, lin-28, lin-42 ja daf-12 ekspressiooni C.elegansi arengustaadiumite üleminekute jooksul. Peagi leiti, et let-7 on konserveerunud paljudes liikides, viidates võimalusele, et miRNA-sid leidub seni arvatust rohkemates organismides.

Nomenklatuur

Standardse nomenklatuuri süsteemi alusel määratakse eksperimentaalselt kinnitatud miRNA-dele nimed enne nende avastamisest teavitavate publikatsioonide avaldamist. Eesliitele 'mir ' järgneb sidekriips ja number, kusjuures viimane näitab sageli nimetamise järjekorda. Näiteks mir-123 nimetati ning tõenäoliselt ka avastati enne kui mir-456. Eesliide ' mir-' (ilma suurtäheta) viitab pre-miRNAle, suure tähega 'miR-' aga miRNA küpsele vormile. Peaaegu identsete järjestustega miRNA-d, mis erinevad vaid nukleotiidi või paari poolest, märgitakse lisaks alaindeksitega. Näiteks, miR-123a oleks lähedases suguluses miR-123b-ga. Pre-miRNA-d, mille tulemuseks on 100% identsed küpsed miRNA-d, kuid mis asuvad genoomis erinevates kohtades, märgitakse täiendavate numberliidetega, mis on sidekriipsuga eraldatud. Näiteks pre-miRNA-d hsa-mir-194-1 ja hsa-mir-194-2 viivad identse küpse miRNA (hsa-miR-194) avaldumiseni, kuid paiknevad genoomis erinevates kohtades. Päritolu liik on tähistatud kolmetähelise eesliitega, näiteks hsa-miR-123 on inimese (Homo sapiens) ning oar-miR-123 lamba (Ovis aries) miRNA. Teised sageli kasutatavad eesliited: V-viiruslik (miRNA, mis on kodeeritud viiruse genoomi poolt), d-Drosophila miRNA (puuviljakärbes, klassikaline geneetikas kasutatav mudelorganism). Kui kaks küpset miRNAd pärinevad sama pre-miRNA vastasõlgadest (eri otstest), märgitakse need −3p või −5p järelliidetega (varem on kasutatud erinevuse väljatoomiseks 's' (sense) ja 'as' (antisense)). Kui on teada suhtelised üheahelaliste miRNA-de ekspressioonitasemed, tähistab nime taga olev tärn (*) vastava miRNA avaldumist madalamatel tasemetel kui juuksenõela struktuuri vastasõlas olev miRNA. Näiteks miR-123 ja miR-123* jagavad ühist pre-miRNA juuksenõela, aga rakus on rohkem miR-123e.

Biogenees

miRNAde produktsioon omaenese geenist

Enamik kirjeldatud miRNA geenidest on intergeensed või on orienteeritud antisense positsioonis naabergeenide suhtes ning seetõttu on alust arvata, et neid transkribeeritakse iseseisvate üksustena. Kuni 40% miRNA geenidest võivad paikneda valke kodeerivate ja valke mittekodeerivate geenide intronites või isegi mittekodeerivate pikkade transkriptide eksonites. Need on tavaliselt, kuid mitte ainult, sense orientatsioonis ning on seetõttu harilikult reguleeritud koos oma peremeesgeenidega. Teised miRNA-de geenid, mille puhul on näidatud üht ühist promootorit, hõlmavad 42–48% kõikidest miRNA-dest, mis pärinevad polütsistroonsetest ühikutest ning sisaldavad mitmeid diskreetseid (eraldiseisvaid) linge, millest küpsed miRNA-d protsessitakse. See ei tähenda tingimata, et ühe perekonna küpsed miRNA-d on struktuurilt ja funktsioonilt homoloogsed. Eelpool mainitud promootori motiivide puhul on leitud mõningaid sarnasusi (valke kodeerivate) geenide promootoritega, mida transkribeerib RNA polümeraas II. 6% inimese miRNA-de puhul esineb RNA toimetamist (RNA editing): järjestuste kohtspetsiifilisi modifikatsioone, mille eesmärk on toota teistsuguseid produkte, kui algselt kodeeritud DNA poolt. See suurendab miRNA-de tegevuse mitmekesisust ja ulatust kaugelt rohkem, kui seda võimaldab genoom üksinda.

Transkriptsioon

Harilikult transkribeerib RNA polümeraas II (Pol II) miRNA-de geene. Polümeraas seondub sageli promootorile, mis asetseb sellise DNA järjestuse lähedal, mis kodeerib tulevast pre-miRNA (prekursor miRNA- tekib Drosha lõikamise tagajärjel, stem-loop struktuuriga) juuksenõela lingu. Transkriptile lisatakse 5’ otsa cap-struktuur, spetsiifiliselt modifitseeritud nukleotiid, ning polüadenüleeritakse mitme adenosiiniga (adeniin + β-D-riboos), selle tagajärjel moodustub polü(A) saba. Viimaks pre-miRNA splaissitakse. Loomade miRNA-d on algselt transkribeeritud osana ~80 nukleotiidse RNA stem-loop struktuuri õlast. See struktuur moodustab omakorda osa mitmesaja nukleotiidi pikkusest primaarsest miRNAst (pri-miRNA- polümeraas II transkriptsiooni tulemus, selle lõikamisel Droshaga saadakse pre-miRNA). Juhul kui stem-loop prekursor asub 3’ UTR järjestuses, võib transkript funktsioneerida nii pri-miRNA kui ka mRNAna. RNA polümeraas III (Pol III) transkribeerib mõningaid miRNA-sid, eriti neid, millel on upstream (ülesvoolu) Alu järjestused (teatud tüüpi mobiilsed elemendid); transport RNA-sid (tRNA) ja MWIR (mammalian wide interspersed repeat) promooteri üksuseid.

Tuumasisene protsessimine

Üksainuke pri-miRNA võib sisaldada 1–6 miRNA prekursorit. Iga juuksenõelastruktuur koosneb umbes 70 nukleotiidist. Juuksenõela ümbritsevad külgedelt efektiivseks protsessinguks vajalikud järjestused. Tuumavalk DGCR8 (DiGeorge Syndrome Critical Region 8 või „Pasha“ selgrootutes), mis on nime saanud DiGeorge sündroomi järgi, tunneb ära juuksenõelte kaheahelalise RNA struktuuri pri-miRNAs. DGCR8 seostub ensüüm Droshaga, mis lõikab RNA-d. Koos moodustavad nad kompleksi, milles DGCR8 suunab Drosha katalüütilist RNaas III domeeni juuksenõela struktuure pri-miRNAst lahti lõikama. Drosha katkestab RNA-d umbes 11 nukleotiidi kauguselt juuksenõela basaalsest osast (kaks helikaalset pööret tüvest eemal). Tekkinud produktil on kahenukleotiidne üleulatuv ots 3’ otsas; 3’ hüdroksüül- ja 5’ fosfaatgrupid. Seda nimetatakse pre-miRNAks (prekursor-miRNA).

Pre-miRNA-sid, mis splaissitakse otse intronitest ning hoiduvad Drosha ja DGCR8 omavahelisest kompleksist, tuntakse mirtronitena. Algselt leiti mirtroneid ainult äädikakärbsel ja varbussil, kuid nüüdseks on neid leitud ka imetajatel.

Võimalik, et kuni 16% pri-miRNA-dest muudetakse RNA toimetamise (ingl RNA editing) kaudu.

Kõige tavalisemal juhul katalüüsib kaheahelalise RNA spetsiifiline adenosiini deaminaas (ingl ADAR- double-stranded RNA-specific adenosine deaminase) adenosiini inosiiniks (A > I) muutumise transitsiooni. RNA toimetamine võib peatada tuumasisest protsessingut (näiteks pri-miR-142 protsessimise, mis viib degradatsioonini ribonukleaas Tudor-SN kaudu) ning muuta downstream (allavoolu) protsesse, kaasa arvatud tsütoplasmaatilist miRNA protsessimist ning märklaua spetsiifilisust (näiteks muutes miR-376 nn alusjärjestust (ingl seed region) kesknärvisüsteemis).

Eksport tuumast

Eksportiin-5 (ingl exportin-5) transpordib pre-miRNA juuksenõelad tuumast tsütoplasmassse. See valk tunneb ära kahenukleotiidse üleulatuva osa pre-miRNA juuksenõela 3' otsas, mille tekitas RNaas III-set aktiivsust omav Drosha. Eksportiin-5 vahendatud transport tsütoplasmasse vajab lisaenergiat, kasutades Ran valgu külge seotud GTPd.

Tsütoplasmaatiline protsessimine

Tsütoplasmas lõikab pre-miRNA juuksenõela RNaas III ensüüm Dicer. See endoribonukleaas interakteerub juuksenõela 3' otsaga ning lõikab ära lingu, mis ühendab 3' ja 5' õlgasid; tootes umbes 22 nukleotiidi pikkuse miRNA-miRNA* dupleksi (guide-ahel ja passanger-ahel, viimane on tähistatud tärniga ning läheb lagundamisele, esimene seevastu ühineb RISC kompleksiga). Üleüldine juuksenõela pikkus ja lingu suurus mõjutavad Diceri protsessimise efektiivsust, samuti mõjutab lõikamist miRNA-miRNA* paardumise mittetäielik iseloom. Kuigi potentsiaalselt võivad funktsionaalse miRNAna tegutseda mõlemad dupleksiahelad, kaasatakse harilikult ainult üks neist RNA-indutseeritud vaigistamise kompleksi (RISC- RNA-induced silencing complex), kus toimub miRNA ja tema märklaud-mRNA interakteerumine.

Biogenees taimedes

miRNA-de biogenees taimedes erineb biogeneesist loomades põhiliselt tuumasisese protsessimise ja ekspordi etappides. Küpsemisjärgus miRNAd ei lõika taimedes kaks erinevat ensüümi, vaid mõlemat lõikamist teostab Diceri homoloog, lühendatult DL1 (ingl Dicer-like). DL1 ekspresseerub ainult taimerakkude tuumades, mis viitab sellele, et mõlemad reaktsioonid leiavad aset tuumasiseselt. Enne kui taime miRNA-miRNA* dupleksid tuumast välja transporditakse, metüleerib Hua-Enhancer1 (HEN1) nende 3' üleulatuvad otsad. Seejärel transpordib valk Hasty (HST, Eksportiin-5 homoloog) dupleksi tuumast tsütoplasmasse. Tsütoplasmas dupleks laguneb ja küps miRNA ühendatakse RISC kompleksiga.

RISC kompleks

Archaeoglobus fulgiduse (arhe) argonatuvalgu PIWI domeen seotuna lühikese kaheahelalise RNA fragmendi külge. Argonauti sisaldava RISC kompleksi seondumine RNA juhtahela 5' otsa on RNA interferentsi jaoks kriitilise tähtsusega. (Konserveerunud türosiini jääk on näidatud helesinisega, kahevalentne magneesiumi katioon halli kerana)

Küps miRNA on osa aktiivsest RISC kompleksist, mis sisaldab veel Dicerit ja mitmeid assotsieerunud lisavalke. RISCi tuntakse ka mikroRNA nukleoproteiin kompleksina (ingl miRNP – microRNA ribonucleoprotein complex), miRNAga seostunud RRISC-ile viidatakse mõnikord ka kui 'miRISC-le.

Diceri pre-miRNA protsessing võib toimuda paaris dupleksi lahtikeerdumisega. Üldiselt on RISC kompleksiga seotud ainult üks ahel, mis on valitud tema termodünaamilise ebastabiilsuse ja nõrgema aluspaardumise tõttu võrreldes teise ahelaga. Stem-loop struktuuri positsioon võib samuti mõjutada ahela valikut. Teist ahelat nimetatakse passenger-ahelaks tema madalamate tasemete pärast stabiilses seisundis ning tähistatakse tärniga (*). Reeglina passenger-ahel degradeeritakse. Mõningatel juhtudel on mõlemad dupleksiahelad elujõulised ning saavad funktsionaalseteks miRNA-deks.

RISC kompleksi funktsiooni täitmisel on tsentraalse tähtsusega argonaut (Ago) valgu perekonna liikmed. Argonaute on vaja miRNA-indutseeritud geenide vaigistamiseks, nad sisaldavad kahte konserveerunud RNA seondamise domeeni: PAZ domeen, millele saab seonduda küpse miRNA üheahelaline 3' ots ning PIWI domeen, mis sarnaneb struktuurilt ribonukleaas H-ga ning funktsioneerib, interakteerudes juhtahela 5' otsaga. Nad seovad küpset miRNA-d ning orienteerivad seda interaktsiooniks märklaud mRNAga. Mõned argonaudid, näiteks inimese Ago2, otseselt lõikavad märklaua transkripti. Argonaudid võivad ka värvata lisavalke saavutamaks translatsioonilist repressiooni. Inimese genoom kodeerib kaheksat argonaut-valku, mis jagatakse järjestuste sarnasuste alusel kahte perekonda: AGO (selle perekonna neli esindajat leiduvad kõikides imetajate rakkudes, inimese rakkudes nimetatakse neid E1F2C/hAgo-deks) ning PIWI (leitud idutee ning hematopoeetilistest tüvirakkudest).

Täiendavad RISC kompleksi komponendid hõlmavad TRBP-d (ingl human immunodeficiency virus (HIV) transactivating response RNA (TAR) binding protein), PACT-i (ingl protein activator of the interferon induced protein kinase(PACT)), SMN kompleksi, fragiilse X vaimse puude valku (ingl FMRP-fragile X mental retardation protein) ja Tudori stafülokokset nukleaas-domeeni sisaldav valku (ingl Tudor-SN -Tudor staphylococcal nuclease-domain-containing protein).

Vaigistamise moodus

Geeni saab vaigistada mRNA-d degradeerides või takistades translatsiooni mRNAlt. On demonstreeritud, et täieliku komplementaarsuse korral miRNA ja tema märklaud-mRNA järjestuse vahel saab Ago2 mRNA-d lõigata ning juhtida selle otsesele degradatsioonile. Kuid kui täielikku komplementaarsust ei esine, siis saavutatakse geeni vaigistamine translatsiooni ärahoidmise teel.

miRNA-de stabiliseerimine

Küpsete miRNA-de ringlus on vajalik järskudeks muutusteks miRNA-de avaldumisprofiilides. miRNA küpsemise jooksul tsütoplasmas tema kasutuselevõtt argonaut-valgu poolt arvatakse olevat stabiliseeriva mõjuga guide-ahelale, samal ajal kui passenger-ahel eelistatult hävitatakse. Seda on nimetatud ka "Use it or lose it" strateegiaks (Kasuta või kaota strateegia). Argonaut võib eelistatult säilitada miRNA-sid, millel on palju märklaudu, miRNA-de suhtes, millel on mõni üksik või ei ole ühtki märklauda. See viib tavaliselt märklaudu mitteomavate molekulide lagundamiseni.

C.elegans'is vahendab küpsete miRNA-de lagundamist 5´> 3´ suunaline eksoribonukleaas XRN2, tuntud ka kui Rat1p. Taimedes lagundavad miRNA-sid SDN (ingl small RNA degrading nuclease) perekonna liikmed vastupidises suunas (3 '> 5'). Sarnaseid ensüüme kodeeritakse ka loomade genoomides, aga nende roll pole veel teada. Mitmed miRNA modifikatsioonid mõjutavad tema stabiilsust. Nagu näidatud töös mudelorganismiga Arabidopsis thaliana (harilik müürlook), küpsed taime miRNA-d paistavad olevat stabiliseeritud lisa metüülrühmadega 3' otsas. 2'-O-konjugeeritud metüülrühmad blokeerivad uratsiili (U) jääkide lisandumise 3' otsa uridüültransferaasi ensüümi abil. Seda viimast modifikatsiooni on seostatud võimaliku miRNA degradatsiooniga. Siiski, uridülatsioon võib osasid miRNA-sid hoopis kaitsta. Selle modifikatsiooni tagajärjed pole lõplikult teada. On täheldatud mõnede loomsete miRNA-de uridülatsiooni. Nii taimseid kui loomseid miRNA-sid saab muuta adeniini (A) jääkide lisamisega miRNA 3' otsa. Lisa A lisamine imetaja miR-122le, liver-enriched miRNA, mis on oluline C-hepatiidi puhul, stabiliseerib selle molekuli. Adeniini jäägiga lõppevad taimsed miRNA-d lagunevad aeglasemalt.

Rakulised funktsioonid

miRNA-de funktsioon seisneb geeniregulatsioonis. Geenide aktiivsuse mõjutamiseks on miRNA-d komplementaarsed osaga ühest või mitmest informatsiooni-RNAst (mRNA) (ingl mRNA-messenger RNA). Loomade miRNA-d on tavaliselt komplementaarsed saidiga 3' UTRs, samal ajal kui taimede miRNA-d on harilikult komplementaarsed mRNA-de kodeerivate järjestustega. Perfektne või peaaegu täiuslik aluspaaride seondumine märklaud mRNAga indutseerib RNA lõikamist. See on taimset päritolu miRNA-de esmane talitlusviis. Loomades paarduvad miRNA-d sageli vaid osaliselt ning inhibeerivad märklaud-mRNA valgu translatsiooni selline mehhanism esineb ka taimedes, kuid harvemini. mikroRNA-d, mis on märklaua suhtes osaliselt komplementaarsed, saavad kiirendada deadenülatsiooni, põhjustades mRNA-de varajasema degradatsiooni. Selleks, et osaliselt komplementaarsed miRNA-d oma märklauad ära tunneksid, peavad nukleotiidid 2–7 mRNA seed järjestuses olema perfektselt komplementarsed mRNA teatud järjestusega. miRNA-d võivad aeg-ajalt põhjustada histoonide modifitseerimist ning DNA promootorsaitide metülatsiooni, mis mõjutab märklaudgeenide avaldumist.

Erinevalt taimede miRNA-dest on loomades miRNA-de märklauaks väga lai valik geene. Siiski on kõikidele rakkudele omaste funktsioonidega seotud geenides suhteliselt vähem miRNA-de märklaudsaite ning tundub, et sellised geenid on valiku all, vältimaks miRNA-de märkalauaks olemist.

dsRNA-d (double-strand RNA) võivad aktiveerida geeniekspressiooni, see mehhanism on saanud nimetuse "väikese RNA indutseeritud geeniaktivatsioon" (ingl small RNA-induced gene activation, RNAa). dsRNA-d võivad indutseerida endaga seotud geenide potentsiaalset transkriptsiooni aktivatsiooni. Seda omadust on demonstreeritud inimese rakkudes, kasutades sünteetilisi dsRNA-sid, mida kutsutakse väikesteks aktiveerivateks RNA-deks (ingl saRNAs – small activating RNA molecules), aga on näidatud ka endogeensete miRNA-de puhul.

miRNA-de ja geenide (või pseudogeenide) komplementaarsetel paardumistel ning homoloogilistel järjestustel põhinevad interaktsioonid arvatakse olevat tugikanal, mis reguleerib paraloogsete geenide (ühise eellasega järjestused, tekivad duplikatsiooni teel) ekspressioonitasemeid. "Võistlevate endogeensete RNA-de" (ingl competing endogenous RNAs (ceRNAs) ) nime all tuntud miRNA-de ülesandeks on seonduda "mikroRNA vastuselementidele", geenidele ja pseudogeenidele, sel moel pakkudes veel ühe seletuse mittekodeeriva DNA ("rämps" DNA) püsivusele.

Evolutsioon

mikroRNA-d on olulised fülogeneetilised markerid oma märkimisväärselt madala evolutsioneerumisastme tõttu. Nende tekkimine võib olla üks põhjus, mis on võimaldanud arengut morfoloogiliste uuenduste vallas ning geeniekspressiooni spetsiifilsemaks muutumist ja peentuunimist (ingl fine-tuning), lubades sel viisil komplekssete organite teket ning lõppkokkuvõttes ehk ka kompleksset elu. Tõepoolest, järsud morfoloogiliste uuenduste plahvatused on üldjuhul seotud suurte koguste miRNA-de akumulatsiooniga.

mikroRNA-d pärinevad predominantselt juhuslike juuksenõel-struktuuride moodustumise tõttu mittekodeerivas DNA-s (intronid või intergeensed piirkonnad), aga ka juba olemasolevate mikroRNA-de duplikatsioonide ja modifikatsioonide käigus. Evolutsioneerumise aste (ingl rate of evolution) evolutsioonilises mõttes hiljuti tekkinud miRNA-des on võrreldav mujal mittekodeerivas DNAs esinevate miRNA-dega, vihjates neutraalse triivi kaudu toimunud evolutsioonile. Vanematel miRNA-del on palju madalam järjestuste muutumisaste (sageli vähem kui üks asendus saja miljoni aasta kohta), viidates, et kui miRNA omandab mingi funktsiooni, satub ta äärmusliku puhastava valiku alla. Sellesse punkti jõudnuna läheb miRNA üliharva looma genoomist kaotsi, kuigi hiljutisest ajast (mõeldud on evolutsioonilist aega) pärinevad miRNA-d (värskelt tekkinud), mis on seega ilmselt mittefunktsionaalsed, lähevad pidevalt kaotsi. See muudab nad väärtuslikeks fülogeneetilisteks markeriteks ning neid vaadatakse kui võimalikke lahendusi väljapaistvatele fülogeneetilistele probleemidele, näiteks antropoodide omavahelised suhted.

mikroRNA-d esinevad enamiku eukarüootsete organismide genoomides, pruunvetikatest loomadeni. Kõikides liikides kokku on 2010. aasta märtsi seisuga identifitseeritud üle 5000 miRNA. Kuigi bakterites esinevad võrreldava funktsiooniga lühikesed (50 – sadu aluspaare) RNA järjestused, puuduvad neis siiski tõelised miRNA-d.

miRNA-de eksperimentaalne avastamine ja manipulatisoon

miRNA-de ekspressiooni võib loendada kaheetapilises polümeraasi ahelreaktsiooni (RT-PCR; ingl real-time polymerase chain reaction) protsessis, millest esimene on modifitseeritud RT-PCR, sellele järgneb kvantitatiivne reaalaja PCR. Selle meetodi variatsioonid võimaldavad leida miRNA-de absoluutse või suhtelise hulga.

miRNA-sid saab hübridiseerida mikrokiipidele (ingl microarray), mis on plaadid või kiibid kaevukestega sadade või tuhandete miRNA märklaudadega, nii et miRNA-de suhtelisi tasemeid erinevates proovides saab kindlaks määrata. mikroRNA-sid saab avastada ja profileerida suure läbilaskvusega sekveneerimismeetoditega. miRNA aktiivsust saab eksperimentaalselt inhibeerida lukustatud nukleiinhappe (LNA- ingl locked nucleic acid) oligo, Morpholino oligo või 2`-O-metüül-RNA oligo järjestusega. Lisaks võib spetsiifilist miRNA-d vaigistada komplementaarse antagomir järjestusega (lühike sünteetiline märklaud-miRNAle komplementaarne järjestus). miRNA küpsemist võivad mitmetes punktides inhibeerida steric-blocking oligojärjestused. Nende oligojärjestustega saab blokeerida ka mRNA transkripti miRNA märklaudjärjestust. LNA on miRNA-de “in situ” detektsiooniks praegu ainus efektiivne meetod. LNA lukustatud konformatsioon põhjustab suurenenud hübridisatsiooniomadusi ning vähendab tundlikkust ja selektiivsust, tehes selle ideaalseks lühikeste miRNA-de tuvastamiseks.

miRNA-d ja haigused

Just nagu miRNA-d on seotud eukarüootse raku normaalse funktsioneerimisega, on miRNA-de düsregulatsiooni seostatud haigustega. Käsitsi hallatud avalikus andmebaasis miR2Disease dokumenteeritakse teadaolevad suhted miRNA-de düsregulatsiooni ja inimese haiguste vahel.

miRNA-d ja pärilikud haigused

Mutatsioon miR-96 alusjärjestuses (ingl seed region) põhjustab pärilikku progressiivset kuulmiskaotust. Mutatsiooni miR-184 seemnejärjestuses tagajärjeks on pärilik keratokoonus (kreeka kerato 'sarv, sarvkest'; konos 'koonus') koos eesmise polaarse kataraktiga. miR-17 ~92 klastri deletsioon põhjustab skeleti ja kasvu defekte.

miRNA-d ja vähk

Mitme miRNA puhul on leitud seoseid mitmesuguste vähitüüpidega. miRNA-21 oli üks esimesi mikroRNA-sid, mis identifitseeriti kui onkomiR. Katse hiirtega, keda oli muudetud tootma ülehulgas c-Myc-d, näitas, et miRNA-del on roll vähi arengus. c-Myc on muteerunud vormidega valk, mis on seotud mitmete kasvajatüüpidega. Hiirtel, kes olid kavandatud produtseerima liiga palju erinevaid lümfis leiduvaid miRNA-sid, arenes haigus 50 päeva jooksul ning nad surid kaks nädalat hiljem. Võrdluseks, hiired ilma miRNA-de liigsete kogustega elasid üle saja päeva.

Leukeemiat võib põhjustada viiruse genoomi insertsioon miRNA-de rea 17–92 kõrvale, viies selle miRNA suurenenud ekspressioonini. Ühes teises uurimuses näidati, et kaks miRNA-de tüüpi inhibeerivad E2F1 valku, mis reguleerib raku proliferatsiooni. Antud juhul järeldub, et miRNA seostub mRNA-ga enne, kui sellest jõuavad translatsiooni teel tekkida valgud, mis lülitavad geene sisse ja välja.

Mõõtes 217-ne miRNA-sid kodeeriva geeni aktiivsust, leiti, et on võimalik tuvastada geenimustreid, mis on erinevat tüüpi vähkide puhul erinevad (mingi kindel muster on iseloomulik mingile vähitüübile). miRNA-de signatuurid annavad võimaluse vähi klassifikatsiooni loomiseks. See võimaldab arstidel kindlaks teha koe, kust vähk on alguse saanud, ning määrata ravi mis põhineb algsel koetüübil. miRNA-de profileerimine on juba praegu võimaldanud kindlaks teha, kas patsientidel kroonilise lümfotsütaarse leukeemiaga (KLL) on vähi aeglane või agressiivne vorm.

Teatud miRNA-sid ala- või üleekspresseerivate hiirte uurimine on lubanud pilgu heita väikeste RNA-de rollile mitmesugustes pahaloomulistes kasvajates.

Kliinilistel katsetustel on praegu uudne miRNA-de profileerimisel põhinev sõeluuring varases staadiumis oleva kolorektaalse vähi (käärsooles (ladina colon) või pärasooles (ladina rectum)) tuvastamiseks. Esimesed tulemused on näidanud, et varase eemaldatava (II staadiumi) kolorektaalse vähiga patsientide vereplasma proove on võimalik eristada samasooliste ja -vanuseliste tervete vabatahtlike proovidest. Piisava selektiivsuse ja spetsiifilisuse on võimalik saavutada kasutades väikeseid (alla 1 ml) vereproove. Sellel testil on potentsiaal saada tasuvaks mitteinvasiivseks mooduseks identifitseerida riskirühma kuuluvaid patsiente, kes muidu peaksid läbima kolonoskoopia protseduuri.

Teiseks miRNA-de kasutusalaks vähi puhul on nende ekspressioonitasemete kasutamine prognostikaks, näiteks uurimuses NSCLC (mitteväikerakuline kopsukartsinoom) (ingl non-small-cell lung carcinoma) proovidest leiti, et madalad miR-324a tasemed võivad olla prognostiliseks indikaatoriks kehva elumuse jaoks; teine uurimus näitas, et kas kõrged miR-185 või madalad miR-133b tasemed korreleeruvad metastaasi ja madala elumusega kolorektaalse vähi puhul.

miRNA-d ja südamehaigused

Varem on miRNA-de rolli südames käsitletud kui konditsionaalset miRNA maturatsiooni pärssimist hiire puhul, ning on selgunud, et miRNA-d tõepoolest mängivad südame arengus olulist rolli. miRNA-de ekspressiooni profileerimise uuringud demonstreerivad, et spetsiifiliste miRNA-de avaldumistasemed inimeses muutuvad südame haigestumise korral, viidates nende seotusele kardiomüopaatiale. Veelgi enam, spetsiifilised uuringud loommudelite peal on tuvastanud miRNA-de selgelt eristuvad rollid südame arengu jooksul ning patoloogiliste tingimuste korral, hõlmates kardiogeneesi võtmekomponentide regulatsiooni, hüpertroofilise kasvu (hüpertroofia – elundi või koe mahu suurenemine) vastust ja südame juhtivust.

miRNA-d ja närvisüsteem

miRNA-d paistavad reguleerivat ka närvisüsteemi. Neuraalsed miRNA-d osalevad mitmesugustes sünaptilise arengu etappides, kaasa arvatud dendriitide geneesis (hõlmab miR-132, miR-134 ja miR-124), sünapsi moodustumises ja küpsemises (miR-134 ja miR-138 arvatakse olevat seotud). Mõned uurimused on leidnud skisofreenia korral muutunud miRNA-de ekspressiooni.

miRNA-d ja mittekodeerivad RNA-d

Kui inimese genoomi projekti raames kaardistati esimene kromosoom 1999. aastal, ennustati, et inimese genoom sisaldab üle saja tuhande valku kodeeriva geeni. Vaatamata sellele oli 2004. aastaks viimaks identifitseeritud ainult 20 000 geeni ringis (International Human Genome Sequencing Consortium poolt). Alates sellest ajast on kombineeritud bioinformaatika lähenemisi genoomi mosaiiksuse uuringutega, mis vaatlevad transkriptoomi, süstemaatilise täispikkuses cDNA raamatukogude cDNA järjestamise ja eksperimentaalse hindamisega (hõlmates miRNA-de tuletatud antisense oligonukleotiidide ehk antagomiride loomist). Selline meetod on paljastanud, et paljud transkriptid on valku mittekodeerivad RNA-d, sisaldades ka mitmesuguseid snoRNA-sid ja miRNA-sid.

Ribonukleiinhape (RNA)

Ribonukleiinhape ehk RNA (inglise ribonucleic acid; varasem eestikeelne lühend RNH) on bioloogiline makromolekul ehk biopolümeer. RNA osaleb mitmetes eluks vajalikes protsessides, näiteks geenide kodeerimisel ja dekodeerimisel, geenide regulatsioonis ja ekspressioonis. RNA on üheahelaline polünukleotiidide jada, mis on omavahel seotud fosfodiestersidemetega. Rakulised organismid kasutavad geneetilise informatsiooni vahendajana informatsiooni-RNA-d (mRNA ehk messenger-RNA), samas on mõnedel viirustel geneetiline informatsioon kodeeritud RNA kujul.

Mõned RNA molekulidest rakus on katalüütiliselt aktiivsed, mõned vastutavad geeniekspressiooni eest, mõned on rakuliste signaalide vastuvõtjad ning vahendajad. Üks nendest protsessidest on valgusüntees ribosoomis, kus mRNA-d osalevad valgu monomeeride ehk aminohapete kokkuliitmisel polüpeptiidideks. Selleks protsessiks on vajalikud ka transport-RNA-d (tRNA), mis transpordivad aminohappeid ribosoomi, ja ribosoomi-RNA-d (rRNA), mis ühendavad aminohapped omavahel valkudeks.

Võrdlus DNA-ga

RNA keemiline struktuur on väga sarnane DNA omaga, kuid erineb sellest kolmel moel:

• Erinevalt kaheahelalisest DNA-st on RNA enamasti üheahelaline molekul ning tunduvalt lühem kui DNA molekulid. Sellegipoolest võib RNA komplementaarsuse alusel paarduda ja moodustada kaksikheelikseid, näiteks tRNA puhul.
• DNA sisaldab suhkrujäägina desoksüriboosi, kuid RNA sisaldab riboosi. Desoksüriboosis puudub tsüklilises pentoosis 2’ positsioonis hüdroksüülgrupp. See hudroksüülgrupp muudab RNA ebastabiilsemaks, kuna hüdrolüüs saab toimuda suurema tõenäosusega.
• DNA-s on adeniinile komplementaarne alus tümiin, RNA-s aga uratsiil, mis on tümiini metüleerimata vorm.

Nagu ka DNA-s on enamikus bioloogiliselt aktiivsetes RNA-des, näiteks mRNA, tRNA, rRNA, snRNA ja teised mittekodeerivad RNA-d, komplementaarsed järjestused, mis võimaldavad RNA-l voltuda ja moodustada kaksikheeliks. Selliste RNA-de analüüsimine on näitanud, et nad ei ole primaarstruktuuriga. Erinevalt DNA-st ei sisalda paardunud RNA pikki kaksikheelikseid, vaid pigem lühikeste heeliksite kogumeid, mis moodustavad globulaarsete valkudega sarnaseid struktuure. Heeliksite kogumeid moodustades on RNA võimeline omandama ensüümidele omast katalüütilist aktiivsust. Katalüütilise aktiivsusega RNA-d nimetatakse ribosüümiks. Näiteks peptiidsideme sünteesi eest vastutab ribosoomis 23S rRNA, millel on katalüütiline ehk ribosüümne aktiivsus.

Struktuur

Iga nukleotiid RNA-s sisaldab suhkrujäägina riboosi, mille süsinikud nummerdatakse 1’ kuni 5’. 1’ positsioonile on seondunud alus, adeniin (A), tsütosiin (C), guaniin (G) või uratsiil (U). Adeniin ja guaniin on puriinid, tsütosiin ja uratsiil on pürimidiinid. Fosfaatgrupp on seondunud ühe riboosi 3’ ja teise riboosi 5’ süsinikuga. Füsioloogilisel pH-l on fosfaatgrupid negatiivse laenguga ja seega on RNA negatiivse laenguga molekul ehk polüanioon. Lämmastikalused võivad vesiniksidemeid moodustada tsütosiini ja guaniini, adeniini ja uratsiili ning guaniini ja uratsiili vahel.

Struktuuriliselt eristab RNA DNA-st riboosi 2’ süsinikule seondunud hüdroksüülgrupp. RNA biheeliks võtab selle funktsionaalse grupi tõttu A-vormi, DNAl on dominantseks konformatsiooniks ehk ruumiliseks struktuuriks B-vorm. A-vorm tingib RNA kaksikheeliksil väga sügava ja kitsa suure vao ning madala ja laia väikse vao. 2’-OH grupi olemasolu tõttu on konformatsiooniliselt paindlikes RNA regioonides võime keemiliselt atakeerida külgnevaid fosfodiestersidemeid ja lõhestada RNA suhkur-fosfaat selgrooga.

RNA transkribeeritakse ainult nelja lämmastikalusega (adeniin, tsütosiin, guaniin ja uratsiil), kuid aluseid ja seondunud suhkrujääke on võimalik erinevatel viisidel modifitseerida. Pseudouridiin (Ψ) ja ribotümidiin (T) on ühed enamlevinud RNA modifikatsioonid. Pseudouridiin moodustub, kui uratsiili ja riboosi vahel muutub C-N side C-C sidemeks. Veel üks tavaline RNA molekulis leiduv modifikatsioon hüpoksantiin on puriini derivaat ning nukleosiidina kutsutakse inosiiniks (I). Inosiinil on võtmeroll geneetilise koodi Wobble hüpoteesis, mille järgi tRNA antikoodoni 5'alus, mis seondub mRNA koodoni 3'alusega ei ole ruumiliselt nii piiratud ning võivad ebastandardselt aluspaarduda.

Süntees

RNA sünteesi katalüüsib ensüüm, RNA polümeraas, mis kasutab üht DNA-ahelat matriitsina, et sünteesida komplementaarne RNA ahel eehk transkript, seda protsessi nimetatakse transkriptsiooniks. Transkriptsiooni initsiatsioon algab ensüümi seondumisega DNA promootori järjestusele. DNA kaksikheeliksi kerib lahti polümeraasi helikaasse aktiivsusega piirkond. RNA polümeraas liigub seejärel mööda matriitsahelat 3’–5’ suunal ja uue RNA molekuli süntees toimub 5’–3’ suunal. DNA järjestuses on kindlaks määratud, millal RNA süntees lõpetatakse ehk termineeritakse.

RNA molekule modifitseeritakse tihti kohe pärast transkriptsiooni. Näiteks eukarüootsele pre-mRNA-le lisatakse polü-A saba ja 5’-cap struktuur ning splaissosoomi abil lõigatakse pre-mRNAst välja intronid, et saaks moodustuda funktsionaalne mRNA.

On olemas ka rida RNA-sõltuvaid RNA polümeraase, mis kasutavad matriitsina RNA-d, et sünteesida uus RNA ahel. Näiteks mitmed RNA viirused kasutavad seda ensüümi oma genoomi replitseerimiseks. Lisaks on RNA-sõltuv RNA polümeraas oluline RNA interferentsi toimimisel.

RNA tüübid

Ülevaade

Informatsiooni-RNA (mRNA) on RNA, mis kannab informatsiooni DNA-lt ribosoomile. mRNA-de kodeerivad järjestused määravad aminohappelise järjestuse sünteesitavas valgus. Paljud RNA-d ei kodeeri valku, umbes 97% transkriptsiooni produktidest eukarüootides.).

Mittekodeerivad RNAd võivad olla kodeeritud enda geenide poolt (RNA geenid), kuid võivad olla ka pre-mRNA-st välja lõigatud intronid. Kõige tavalisemad mittekodeerivad RNA-d on transpordi-RNA (tRNA) ja ribosoomi-RNA (rRNA) ning mõlemad on olulised translatsiooni protsessis. On olemas selliseid mittekodeerivaid RNA-sid, mis osalevad geeniregulatsioonis, RNA töötlemises ja teistes protsessides. Mõned RNA-d on võimelised katalüüsima keemilisi reaktsioone nagu näiteks teiste RNA-de lõikamine ja ligeerimine ning peptiidsideme moodustumine ribosoomis – selliseid RNA-sid kutsutakse ribosüümideks.

Translatsioonis

mRNA kannab informatsiooni valgujärjestuse kohta ribosoomi, mis on valgusünteesi masinavärgiks rakus. mRNA on kodeeritud niimoodi, et järjestikused kolm nukleotiidi (koodon) vastavad ühele aminohappele. Kui eukarüootsetes rakkudes on DNA-lt transkribeeritud mRNA eellasmolekul (pre-mRNA), siis protsessitakse see mRNA-ks. Protsessimise käigus lõigatakse välja intronid – pre-mRNA mittekodeerivad alad. Seejärel eksporditakse mRNA tuumast tsütoplasmasse, kus ta seondub ribosoomile ja transleeritakse tRNA abiga vastavaks valguks. Prokarüootses rakus, millel puudub tuum ja tsütoplasmavõrgustik, võib mRNA seonduda ribosoomile ka juba mRNA transkribeerimise ajal.

Transpordi-RNA (tRNA) on väike RNA ahel, mis kannab kindlaid aminohappeid ribosoomi valgusünteesi aktiivtsentrisse, kus aminohapped liidetakse kasvavale polüpeptiidahelale. tRNA-l on piirkonnad aminohapete seondumiseks ja antikoodonregioon koodonite äratundmiseks mRNA ahelal.

Ribosoomi-RNA (rRNA) on ribosoomi katalüütiline komponent. Eukarüootsed ribosomid koosnevad neljast erinevast rRNA molekulist: 18S, 5.8S, 28S and 5S rRNA. Kolm rRNA molekuli sünteesitakse tuumakeses ja üks sünteesitakse mujal. Tsütoplasmas moodustavad ribosomaalsed RNA-d ja valgud nukleoproteiini ehk ribosoomi. Ribosoom seob mRNA-d ja teostab valgusünteesi. Ühele mRNA-le võib korraga seonduda mitu ribosoomi.

Regulatoorsed RNA-d

Mitmed RNA-de tüübid on võimelised geeniekspressiooni maha suruma olles komplementaarsed transleeritavale mRNA-le või geenidele DNA-s. MikroRNA-sid (miRNA; 21-22nt) leidub eukarüootsetes rakkudes. Enam on kirjeldatud neid taimedes ja ussikestes, samuti on inimestel umbes 250 geeni, mis kodeerivad miRNA-sid. miRNAd toimivad läbi RNA interferentsi (RNAi), kus miRNA efektorkompleks ja ensüümid saavad seonduda komplementaarsele RNA-le, blokeerida mRNA transleerimist või kiirendada mRNA degradatsiooni.

Väike interfereeriv RNA (siRNA; 20–25 nt) on lühike kaheahelaline RNA. Neid tekib tihti viraalsete RNAde lagundamisel, samas on ka endogeenseid siRNAde allikaid.siRNA-d käituvad sarnaselt miRNA-dega läbi RNA interferentsi. Mõned miRNA-d ja siRNA-d võivad põhjustada märklaud-geenide metüleerimist, mis lõpetab või vähendab nende geenide transkriptsiooni.

Paljudel prokarüootidel on CRISPR RNA-d, mis moodustavad RNA interferentsiga sarnase süsteemi.

Antisenss-RNA-d on laialt levinud, enamus neist surub maha geene, kuid mõned võivad olla transkriptsiooni aktivaatorid. Antisenss-RNA võib seonduda mRNA-le ning seejärel moodustub kaheahelaline RNA, mille lagundavad ensüümid.

Pikad mittekodeerivad RNA-d reguleerivad eukarüootide geene. Üks neist RNA-dest on Xist, mis katab emaste imetajate ühe X kromosoomi ning see kromosoom inaktiveeritakse.

mRNA võib sisaldada regulatoorseid elemente nagu näiteks ribolüliti, 5’ mittetransleeritav regioon või 3’ mittetransleeritav regioon: need cis-regulatoorsed elemendid reguleerivad vastava mRNA aktiivsust. Mittetransleeritavad regioonid võivad sisaldada ka elemente, mis reguleerivad teisi geene.

RNA töötlemisel osalevad RNA-d

Mitmed RNA-d osalevad teiste RNA-de modifitseerimisel. Pre-mRNA-st lõigatakse splaissosoomidega välja intronid, mis sisaldavad erinevaid väikeseid tuuma RNA-sid (snRNA). Mõned intronid võivad olla ribosüümid.RNA-d saab modifitseerida ka nukleotiidide modifitseerimisega. Eukarüootides modifitseeritakse RNA nukleotiide üldjuhul väikeste tuumakese RNA-de abil (snoRNA; 60–300 nt), mida leidub tuumakeses ja Cajali kehakestes. snoRNA-d assotsieeruvad ensüümidega, mis juhitakse aluspaardumise abil RNA piirkonda, mida modifitseerima hakatakse. Seejärel modifitseerivad need ensüümid RNA nukleotiide. RNA võib olla ka metüleeritud.

RNA genoomid

Nagu DNA, kannab ka RNA geneetilist informatsiooni. RNA viiruste genoomid koosnevad RNA-st, mis kodeerib ka erinevaid viiruse valke. Viroidid on grupp patogeene, mis koosnevad ainult RNA-st, ei kodeeri valke ja replitseeritakse peremeestaime raku polümeraasiga.

RNA ümberpööratud transkriptsioonis

Viirused, mis kasutavad ümberpööratud transkriptsiooni replitseerivad oma DNA genoome kasutades matriitsahelana RNA-d. Seejärel transkribeeritakse DNA koopiatelt uued RNA-d. Retrotransposoonid levivad samuti kopeerides DNA-d ja RNA-d üksteise pealt.

Telomeraas sisaldab RNA-d, mida kasutatakse matriitsina eukarüootsete kromosoomide otste sünteesimiseks.

Kaheahelaline RNA

Kaheahelaline RNA (dsRNA) on RNA, millel on sarnaselt DNA-ga kaks komplementaarset ahelat. Mõnede viiruste geneetilise materjali moodustab dsRNA (dsRNA viirused). dsRNA-d (viraalne RNA või siRNA) võivad põhjustada eukarüootsetes rakkudes RNA interferentsi.

Desoksüribonukleiinhape (DNA)

Desoksüribonukleiinhape ehk DNA (inglise keeles deoxyribonucleic acid; varem kasutati eesti keeles ka lühendit DNH) on enamikus elusorganismides pärilikku informatsiooni säilitav aine, keemiliselt desoksüriboosist, lämmastikalustest ja fosforhappe jääkidest koosnev polümeer. Puhas DNA on happeline, toatemperatuuril tahke, suhteliselt pehme, värvitu või õrnalt violetja varjundiga, vees hästi lahustuv makromolekul.

DNA molekuli lõik

DNA struktuur

DNA on polümeer, mille elementaarlülideks on desoksüribonukleotiidid (lühidalt ka lihtsalt nukleotiidid). Harilikult koosneb DNA adeniinist (A), guaniinist (G), tsütosiinist (C) ja tümiinist (T). Polümeer on moodustunud sidemetega nukleotiidi fosforhappejääkide ja desoksüribooside 3' süsinikuaatomite vahel. Seega moodustavad fosforhappejäägid ja desoksüriboosid DNA ahela nn. suhkur-fosfaat selgroo, mille küljes paiknevad glükosiidsidemetega erinevad lämmastikalused (vastavalt adeniin, guaniin, tsütosiin ja tümiin). Molekuli otstes paiknevad telomeerid. DNA on elusorganismide suurim makromolekul.

DNA skeem

Lämmastikaluste vabad hüdroksüülrühmad, aminorühmad ja hapniku aatomid moodustavad kergesti omavahelisi vesiniksidemeid. Konkreetsete nukleotiidide järjestust üksikus DNA ahelas nimetatakse DNA primaarstruktuuriks (DNA esmane struktuur) . Enamasti esineb DNA elusorganismides kahe antiparalleelse omavahel komplementaarse ahela kujul (st kohakuti paiknevad ahelate A ja T ning G ja C nukleotiidid). Sellisel juhul moodustuvad vastavate lämmastikaluste vahele kõige stabiilsemad vesiniksidemete rühmad (toimub Watson-Cricki paardumine), ja DNA ahelad pöörduvad nende vahelise pikitelje ümber kaksikheeliksiks, nii et lämmastikaluste paarid jäävad heeliksi sisemusse (seda nimetatakse DNA sekundaarstruktuuriks). Kaksikheeliksit stabiliseerivad omavahel komplanaarselt paiknevate lämmastikaluste vahelised elektrostaatilised jõud (nn stacking efekt) ja fosfaatrühmadega ioonilisi sidemeid moodustavad katioonid (nt Mg²⁺). Kuna igas nukleotiidis on kuus üksiksidet, mille ümber võib toimuda molekuli osade pöörlemine, esineb DNA (olenevalt keskkonnatingimustest ja nukleotiidsest koostisest) mitme strukturaalse isomeerina. Kuna DNA molekul on polaarne (fosfaatrühmade negatiivsete laengutega hapnikud) siis lahustub ta hästi vees.

Elusorganismides esineval DNA struktuuril on suur bioloogiline tähtsus. Kuna DNA primaarstruktuuris võivad nukleotiidid paikneda suvalises järjestuses, võimaldab DNA nende järjestuste kaudu talletada bioloogilist informatsiooni (seda võimaldab ka RNA, kuid DNA on oma suurema keemilise stabiilsuse tõttu pikaajalisemaks info säilitamiseks märksa sobivam ühend). Kuna DNA koosneb peamiselt nelja sorti nukleotiididest (A,T,C,G), võib n nukleotiidi pikkune DNA molekul esineda 4ⁿ erinevas järjestuses (põhjalikumalt vt geneetiline kood). Väga oluline on ka DNA komplementaarne kaksikahelalisus. See võimaldab DNA replikatsioonil sünteesida mõlemale ahelale uue, teise ahelaga identse ahela (semikonservatiivne replikatsioon). Ka on kaksikahelalises DNAs kogu info säilitatud "kahe eksemplarina", mis võimaldab avastada ning parandada ühes ahelas esinevaid vigu (vaata DNA reparatsioon).

Strukturaalsed isomeerid

DNA struktuursed isomeerid erinevad üksteisest nii mitmikahela mõõtmete, ahelate arvu, heeliksi pöördumise suuna, kui ka osade täpsema asetuse poolest. Ka ühe ja sama isomeerse vormi puhul esineb erinevusi tulenevalt nukleotiidse järjestuse erinevustest. Peamised erinevused on suhkur-fosfaat-selgroo kujus, aluspaaride nurgas DNA pikitelje suhtes ja lämmastikalust desoksüriboosiga ühendava glükosiidsideme asendis (anti-isomeer või sün-isomeer). Vastavalt erinevad ka DNA heeliksi ahelate vahel paiknevate suure vao ja väikese vao suurus ja kuju.

B-DNA

DNA B-vormi mudel

DNA B-struktuur on looduses levinuim, esinedes valdavana madala katioonide kontsentratsiooniga või puhastes vesilahustes (sh elusrakkudes). B-DNA on kaksikahelaline, paremakäeline heeliks. Iga nukleotiid on talle järgneva nukleotiidi suhtes keskmiselt 35° pööratud (varieerub sõltuvalt nukleotiidsest järjestusest 28°–42°), mistõttu ahel teeb täispöörde ligikaudu iga 10 nukleotiidi järel. Suhkur-fosfaat selgroog on suhteliselt sirge (ilma teravate nurkadeta) ja kaksikahela läbimõõt on ~19 Å. Aluspaarid heeliksi keskel on ahela pikiteljega peaaegu risti (89° nurga all), neid hoidvad glükosiidsidemed on anti-asendis. Suur vagu on lai ja lame, mistõttu ahela keskel paiknevad aluspaarid on sealt väliskeskkonnale eksponeeritud. Suure vao kaudu toimub DNA interaktsioon mitmesuguste järjestus-spetsiifiliste ensüümide ja transkriptsioonifaktoritega. Väike vagu on kitsas ja sügav.
DNA B-vormile on väga lähedane ka nn DNA C-vorm (9,5 nukleotiidi täispöörde kohta; mitte segi ajada c-DNAga!).

A-DNA

DNA A-vorm esineb DNA suhteliselt kontsentreeritud lahustes (70% ja enam), samuti oletatakse tema esinemist teatud (sageli bioloogiliselt oluliste) DNA järjestuste juures (vt nt TATA-box). Ka A-struktuur on parempoolne kaheahelaline heeliks, kuid aluspaarid on ahelate kesktelje suhtes kaldu 71° nurga all, ahel on veidi laiem (pöörang aluspaari kohta ~36°, 11 nukleotiidi täispöörde kohta, ahela läbimõõt 23 Å). A-struktuuri omapärad on tingitud veemolekulide väiksemast mõjust, mis tingib desoksüriboosi 2' süsiniku kalde furanoosrõngast väljapoole (endo-vorm). Väike vagu on suhteliselt lai ning suur vagu suhteliselt kitsas ja sügav (meenutades seega RNA tavalist struktuuri; A-vormis on ka ühest DNA ja ühest RNA ahelast koosnev hübriidheeliks). Sellises vormis DNAs on lämmastikalused sügavamal heeliksi sisemuses, ning seega paremini kaitstud, kuid ka kättesaamatumad ensüümidele.

Z-DNA

DNA A, B, Z struktuurid; vasakult paremale

Z-DNA esineb nagu B-DNA'gi madalakontsentratsioonilistes lahustes, ka rakkudes. Talle on iseloomulik lämmastikaluseid hoidva glükosiidsideme vahelduv sün-asend ja anti-asend ning suhkur-fosfaat-selgroo nurgeline kuju, mis tingivad vasakukäelise heeliksi tekke. Kahe vao asemel esineb kaksikahela pinnal vaid üks korrapäratu väga lai vagu, mis seal paiknevate fosfaatrühmade tõttu on negatiivse laenguga. Heeliksi sisemuses paiknevad aluspaarid on väga tugevasti kaldes (61°). Pööre aluspaari kohta on ~30°, mistõttu täispööre toimub iga ~12 nukleotiidi järel. DNA Z-vorm esineb teatud iseloomulike nukleotiidijärjestuste juures, kus ühes ahelas paiknevad vaheldumisi puriin- ja pürimidiinalused. Samuti soodustavad Z-vormi teket C5' metüül-tsütosiinide esinemine ahelas. Eukarüootsetes kromosoomides leidub Z-DNAd peamiselt otstes. Kaksikheeliksi läbimõõt ~18 Å.

Üksikahelaline DNA

Üksikahelaline DNA (kasutatakse ka lühendit ssDNA, inglise keeles single-stranded DNA) esineb looduslikult mitmetes viirustes, samuti paljude molekulaarbioloogiliste protsesside (transkriptsioon, replikatsioon) käigus. Ka igasugune kaksikahelaline DNA denatureerub temperatuuri tõustes üksikahelalisteks DNA-deks, konkreetne temperatuur, millal see toimub oleneb GC – AT paaride sageduste suhtest (G-C paari hoiab koos kolm vesiniksidet, mistõttu ta on stabiilsem, A-T paar kahe sidemega labiilsem) (seda nimetatakse ka DNA sulamiseks, vastavat temperatuuri DNA sulamistemperatuuriks T_m). Üksikahelaline DNA tekib ka teatud vesiniksidemeid moodustavate ainete (näiteks karbamiid) lahustes. Puhtas vees moodustab üksikahelaline DNA iseenda komplementaarsete piirkondadega nn juuksenõelastruktuure, kuid juba lahjas katioone sisaldavas lahuses (0,01M) need kaovad.

Kolmikahelaline DNA

Kolmikahelaline DNA on haruldane ja looduslikult peaaegu ei esine. Kolmikahel moodustub tavalisest kaksikahelalise (enamasti B-vormis) DNAst, mis koosneb peaaegu ainult puriin-nukleotiididest või ainult pürimidiin-nukleotiididest, kolmanda komplementaarse üksikahela lisamisel. Kolmas ahel siseneb DNA suurde vakku ning moodustab seal kaksikahelalise DNA lämmastikalustega Hoogsteen-paare (õigem oleks küll öelda triplette). Kolmikahela teket kasutatakse ära geeniteraapias.

DNA topoloogia

DNA topoloogia uurib DNA molekuli kuju ja sellega toimuvate protsesside seaduspärasusi. DNA molekul (nii üksik, kui mitmikahelaline) võib esineda lineaarsel kujul (vabade otstega), või tsirkulaarsel kujul (otsad on omavahel ühendatud ja molekul on rõngakujuline). Replikatsiooni vigade korral esineb olukordi, kus kaks DNA tsirkulaarset molekuli üksteist läbivad (nagu keti lülid, selliseid nimetatakse konkatemeerunud molekulideks). Nagu igasugust kahest üksteise ümberpõimunud ahelast struktuuri, võib ka tsirkulaarset DNAd "üle keerates" (st loomulikust keerdude arvust ahelale rohkem keerde andes, ning seejärel ahela otsi ühendades) viia superhelikaalsesse olekusse (st heeliks keerdub omakorda heeliksisse). Viimane olukord on loodudes laialt levinud (näiteks plasmiidide puhul, vt ka metafaasi kromosoomid). Omapärane DNA struktuur, kus ühe kaksikheeliksi üksikahel läheb üle teise kaksikheeliksi ahelaks esineb meioosi käigus (vt ristsiire). Kuna DNA molekul on väga pikk (kõige suurem makromolekul organismis) ja peab mahtuma sellega võrreldes väga väikese ruumalaga raku tuuma sisse, siis paratamatult tekib replikatsioonil ja transkriptsioonil olukordi, kus molekuli ahelad keerduvad liialt või lähevad sõlme. Selle olukorra lahendavad kõikide organismide rakkude tuumades paiknevad kahte tüüpi ensüümid, mille nimetuseks on topoisomeraas. Need ensüümid "lõikavad" DNA ahela sõlme kohast läbi ja ühendavad ahelad uuesti teiselt poolt, nii et sõlm kaob. Rakus, kus topoisomeraasi töö on häiritud, läheb DNA ahel replikatsioonil lootusetult sassi ja rakk hukkub. Sellepärast ongi mitmete ravimite sihtmärgiks rakutuuma topoisomeraasi töö mõjutamine. Nii võideldakse näiteks kahjulike bakterite vastu.

Ebatavalised nukleosiidid DNAs

Kuigi suur osa DNAst koosneb klassikalisest neljast nukleosiidist – tsütidiinist, guanosiinist, adenosiinist ja tümidiinist –, esineb kõikides organismides ka ebatavalisi nukleosiide. Mõnede bakteriofaagide DNA sisaldab tsütosiini asemel 5-hüdroksümetüültsütosiini. Muudes organismides on tavalised veel 5-metüültsütosiin, 1-metüüluratsiil, 2-metüüladeniin, N-6-metüüladeniin, 3-metüülguaniin, N-2-metüülguaniin jt; enamasti on neil ka mingi bioloogiline funktsioon. Looduslikus DNAs esineb väike osa (~0,1%) lämmastikaluseid iminovormis aminorühmadega või enoolvormis ketorühmadega (vt keto-enoolne tasakaal). See tingib mitte-Watson-Crick paardumise esinemise (nt A*-C), mis on üheks mutatsioonide allikaks.

Keemilised omadused

DNA-st moodustunud niit katsutil. Bakterite leeliselise lüüsimise tulemusena vabanenud pärilikkusaine niit on nähtav tänu kromatiinile seondunud valkudele ja vedelikutilgakestele

DNA on vesilahustes enamasti dissotsieerunud fosforhappejääkidega ning moodustab katioonidega kergesti sooli. Madalamatel temperatuuridel on DNA suhteliselt stabiilne, kõrgematel temperatuuridel laguneb (täpne lagunemistemperatuur oleneb näiteks keskkonna pH-st, happelises keskkonnas hüdrolüüsuvad lämmastikaluste ja desoksüribooside vahelised glükosiidsidemed). DNA lämmastikalused on reaktsioonivõimelised mitmesuguste elektrofiilsete reagentidega (see on samuti oluline mutatsioonide allikas).

Erineva suurusega DNA lõikude lahutamiseks üksteisest kasutatakse näiteks agaroosgeelelektrforeesi ning DNA värvimist etiidiumbromiidi abil. Etiidiumbromiidi ja DNA kompleks helendab UV-valguses oranžilt

Bioloogilised funktsioonid

Tulenevalt DNA kesksest bioloogilisest tähtsusest, esinevad elusorganismides keerulised DNA säilitamise, parandamise, muutmise ja tootmisega seotud mehhanismid. DNA koostisosade biokeemia kohta vt nukleotiidide ainevahetus. DNA süntees toimub tavaliselt replikatsiooni teel, mida viib läbi DNA polümeraas. DNA lagundamine toimub nukleaaside abil (vt endonukleaas, eksonukleaas, restriktaas, apoptoos). DNA keemilise muutmise kohta vt DNA modifitseerimine. DNA sekundaarstruktuuri muutvad ensüümid on DNA ligaasid, helikaasid, güraasid.

Replikatsioon

 DNA replikatsioon on matriitssüntees, mille tulemusena saadakse ühest DNA molekulist kaks ühesuguse nukleotiidse järjestusega koopiat. See protsess leiab aset kõikides elusorganismides ning on aluseks bioloogilisele põlvnemisele. Mõlemad ahelad algsest kaheahelalisest DNA molekulist töötavad komplementaarse ahela sünteesil matriitsina. Rakuline vigade korrigeerimine (proofreading aktiivsus) ning teised veaparandusmehhanismid kindlustavad replikatsiooni võimalikult suure täpsuse.

DNA replikatsioon toimub kõikides rakkudes semikonservatiivse mehhanismi alusel: iga uus DNA kaksikahel koosneb ühest originaalahelast ja ühest uuest ahelast.

Raku DNA replikatsioon algab spetsiifilistelt genoomi lõikudelt, mida kutsutakse originideks. DNA ahelate lahtikeerdumine origini kohalt ning uute ahelate süntees tekitavad aktiivse struktuuri, mida nimetatakse replikatsioonikahvliks. DNA polümeraas on ensüüm, mis sünteesib uut DNAd, lisades sünteesitavale ahelale nukleotiide, mis vastavad (komplementaarsuse alusel) algahelale. Lisaks DNA polümeraasile on replikatsioonikahvliga seotud veel palju teisi valke, mis aitavad kaasa DNA sünteesi alustamisele ning kulgemisele.

DNA replikatsiooni saab läbi viia ka in vitro (kunstlikult, rakuväliselt). Selleks kasutatakse rakkudest eraldatud DNA polümeraase ning kunstlikke DNA praimereid, mis algatavad DNA sünteesi algahela teatud lõikudel. Polümeraasi ahelreaktsioon (PCR) on kunstlikul sünteesil kasutatav tehnika. See toimub tsükliliselt ning on vajalik kindla märklaud-DNA paljundamiseks.

Kahjustused ja nende parandamine

 DNA kahjustused tekivad nii organismi normaalse elutegevuse käigus kui ka väliste keskkonnategurite mõjul. Neist esimesi tekitavad põhiliselt reaktiivsed hapniku- ja alküülivad ühendid ning vähemal määral ka spontaanne lämmastikaluste eemaldamine ja deamineerimine. Väliskeskkonna mõjul tekkinud ehk eksogeenseid DNA kahjustusi põhjustavad näiteks ultraviolettkiirgus, ioniseeriv kiirgus ja keskkonnas leiduvad kemikaalid. Selliste ohtudega tegelemiseks ja DNA stabiilsuse kindlustamiseks on organismidel välja kujunenud mitmeid kahjustuste vältimise ja parandamise süsteeme.

Protsessi, mille käigus elimineeritakse DNA-s erinevatel põhjustel tekkinud kahjustusi, nimetatakse DNA reparatsiooniks. Selleks on näiteks DNA polümeraasil 3'–5' eksonukleaasne aktiivsus ehk proofreading aktiivsus, mille abil eemaldada DNA replikatsioonil tekkinud valepaardumisi. Lisaks on rakkudes mitmeid täiendavaid mehhanisme vigadega võitlemiseks: aluse väljalõike reparatsioon (base excision repair), paardumisvigade reparatsioonisüsteem (mismatch repair), nukleotiidi väljalõike reparatsioon (nucleotide excision repair), jt.

Kuid häireid võib esineda ka DNA reparatsioonisüsteemide tasemel, näiteks saab rakutuuma DNA ööpäevas kümneid tuhandeid oksükahjustusi ja võib seega kaasa tuua tuhandeid potentsiaalseid võimalusi kasvajate tekkeks.

Transkriptsioon

 Transkriptsioon on matriitssüntees, mille käigus sünteesitakse DNA molekuli ühe ahela nukleotiidse järjestusega komplementaarne RNA molekul. Transkriptsioon on esimene samm geenide avaldumisel ja üheks geeniregulatsiooni tasemeks. Kui DNA lõik, mida transkribeeritakse, kodeerib valku, on transkriptsiooni tulemuseks informatsiooni-RNA (inglise k messenger RNA) ehk mRNA, mille pealt on võimalik valgusüntees. Ribosoom kodeerib transkriptsiooni käigus loodud mRNA aminohappeks või polüpeptiidiks, mis hiljem voltub aktiivseks valguks. mRNA pealt valgu sünteesimist tuntakse translatsiooni nime all.

Transkriptsioon toimub eukarüootidel rakutuumas interfaasi ajal. Seda viib läbi ensüüm RNA polümeraas, mis peab transkriptsiooni alustamiseks seostuma vastava geeni algusosaga, mida nimetatakse promootoriks. Transkriptsiooni käigus keeratakse DNA biheeliks järk-järgult lahti ning sünteesitakse ühe ahela teatava lõiguga komplementaarne RNA molekul. RNA süntees lõpeb, kui polümeraas jõuab DNA piirkonnani, mida nimetatakse terminaatoriks (geeni lõpp). Seal eraldub ensüüm DNA molekulist, mille järgselt taastub DNA endine kaksikspiraalne kuju ning sünteesitud RNA liigub läbi tuumamembraani pooride tsütoplasmasse. Prokarüootidel toimub transkriptsioon tsütoplasmas, sest neil rakutuuma ei ole.