RNA

同

リボ核酸 ribonucleic acid RNA

関

DNA

• D-リボースを糖成分とする核酸

　

WordNet

1. the 18th letter of the Roman alphabet (同)r

PrepTutorEJDIC

1. ribonucleic acid・リボ核酸
2. deoxyribonucleic acidディオキシリボ核酸
3. resistance / 17歳以下父兄同伴映画の表示 / rook

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出典(authority):フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』「2016/12/30 20:05:04」(JST)

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リボ核酸（リボかくさん、英: ribonucleic acid, RNA）は、リボヌクレオチドがホスホジエステル結合でつながった核酸である。RNAと略されることが多い。RNAのヌクレオチドはリボース、リン酸、塩基から構成される。基本的に核酸塩基としてアデニン (A)、グアニン (G)、シトシン (C)、ウラシル (U) を有する。RNAポリメラーゼによりDNAを鋳型にして転写（合成）される。各塩基はDNAのそれと対応しているが、ウラシルはチミンに対応する。RNAは生体内でタンパク質合成を行う際に必要なリボソームの活性中心部位を構成している。

生体内での挙動や構造により、伝令RNA（メッセンジャーRNA、mRNA）、運搬RNA（トランスファーRNA、tRNA）、リボソームRNA (rRNA)、ノンコーディングRNA (ncRNA)、リボザイム、二重鎖RNA (dsRNA) などさまざまな分類がなされる。

歴史

詳細は「遺伝子#歴史」を参照

核酸は 1868年（一説によると1869年）にフリードリッヒ・ミーシャーにより発見された。核内から発見されたため、核酸と命名された。その後核を持たない原核生物からも核酸が発見されたが、名称が変わることはなかった。1939年、Torbjörn Caspersson、Jean Brachet、Jack Schultz らによりRNAがタンパク質合成に関与しているという説が提唱された。その後 Hubert Chantrenne はRNAがリボソームに対してタンパク質情報を伝達するという役割があることを解明した。1964年には Robert W. Holley が酵母の tRNA の配列と構造を解明し、1968年にノーベル生理学賞を受賞した。1976年にはバクテリオファージMS2 のレプリカーゼ遺伝子のRNA配列が決定された。

構造

核酸の構造と核酸塩基。左：RNA / 右：DNA

RNAの核酸塩基はアデニン (A)、グアニン (G)、シトシン (C)、ウラシル (U) の4種で構成されている。アデニン、グアニン、シトシンは DNA にも同じ構造が見られるが、RNAではチミン (T) がウラシルに置き換わっており、相補的な塩基はアデニンとなる。チミンとウラシルは共にピリミジン環を持つ非常に似た塩基である。

シトシンが化学分解されるとウラシルが生成してしまうため、DNAではウラシルの代わりにチミンが用いられるようになった。これによりシトシンの分解により誤って生成してしまったウラシルを検出し、修復することが可能になるなどの利点が生じた。

RNAには様々な修飾RNAが存在し、それぞれが異なる役割を持つ。シュードウリジン（プソイドウリジン, en:Pseudouridine, Ψ）や2'-O-メチル化修飾は比較的多く見られる修飾である。リボチミジン(T, rT)、シュードウリジン(Ψ)はtRNAのTΨCループによく見られる。アデノシンが脱アミノ化されたイノシン (I) は、RNAエディティングにより生ずるものとtRNAの部位特異的に生ずるものが知られ、グアノシンに似た性質を持つ。他にも約100種の修飾塩基が存在しているが、全容は解明されていない。

一本鎖RNAは自由度が高く高次構造を形成する。

RNAの構造的特徴として、DNAには存在しない 2'位のヒドロキシ基が存在するというものがある。

DNAとの比較

DNAとRNAはともにヌクレオチドの重合体である核酸であるが、両者の生体内の役割は明確に異なっている。DNAは主に核の中で情報の蓄積・保存、RNAはその情報の一時的な処理を担い、DNAと比べて、必要に応じて合成・分解される頻度は顕著である。DNAとRNAの化学構造の違いの意味することの第一は「RNAはDNAに比べて不安定である」。両者の安定の度合いの違いが、DNAは静的でRNAは動的な印象を与える。

化学構造の相違

DNAとRNAの化学構造の違いの第一は、ヌクレオチド中の糖は、RNAはリボースで、DNAは2'位の水酸基が水素で置換された2'-デオキシリボースである点にある。このため、DNAではリボースがC2'-エンド型構造を取るが、RNAでは2'位のヒドロキシ基の存在により立体障害が生じ、リボースがC3'-エンド型構造を取る。これに伴って、DNAはB型らせん構造を取りやすく、RNAはA型らせん構造を取りやすくなるという違いが生じる。この結果RNAのらせん構造はメジャーグルーブが深く狭くなり、マイナーグルーブが浅く広くなる。らせん構造についての詳細は、記事二重らせんに詳しい。

RNAは、DNAと比較すると一般に不安定である。RNAに存在する2'位水酸基の酸素には孤立電子対が2つあるため、例えば、塩基性条件下、隣接したリン酸は水酸基から求核攻撃を受け、ホスホジエステル結合が切れ、主鎖が開裂するなどDNAと比べて不安定である。この特性から、翻訳の役割を終えたmRNAを直ちに分解することが可能になる（バクテリアでは数分、動物細胞でも数時間後には分解される）。安定RNAでは1本鎖に水素結合を形成し、らせん構造となるなど、多様な二次構造、三次構造を取り、安定性を増している。

構成する塩基にも違いがあり、一般に、DNAはA、C、G、Tであるが、RNAではTの代わりにUである。ただし、DNA上にもUが稀に生じることがあり、また、塩基にTではなくUを用いるDNAを持つ生物も存在する（U-DNA参照）。圧倒的大多数の生物でDNAの構成塩基にUではなくTが用いられるのは、Cが自然に脱アミノ化することでUに置き換わることがあり、塩基配列を維持するために、損傷してUに変化したCと元来Uである残基を識別する必要があるからである。TはUの5位の水素がメチル基に置換された構造をしている。また、Cからは容易に生じることはなく、Cの損傷によって生じたUを容易に識別できる。以上より、DNAではUではなくTを用いる方が有利であったと考えられる。

物理化学的性質の相違

DNAとRNAの物理化学的性質について。DNAとRNAはともに紫外線である波長260nm付近に吸収極大を持ち、230nm付近に吸収極小を持つ。この吸光度はタンパク質の280nmよりもずっと大きいが、これはDNAとRNAがプリンまたはピリミジンを塩基として有するためである。ただし、二重らせんを形成しているDNAの場合、溶液を加熱するとその吸光度は増す（濃色効果）。これは、DNAは規則正しい2重らせん構造を有しているため、全体の吸光度が個々の塩基の吸光度の総和より小さい（淡色効果）が、加熱により2重らせん構造が解け（核酸の変性）、個々の塩基が自由になり、独自に光を吸収するためである。また、DNAとRNAはアルカリ溶液中で挙動が異なる。RNAは弱塩基でも容易に加水分解するが、DNAは安定して存在する。

生合成

詳細は「転写 (生物学)」を参照

RNA合成は専らDNAを鋳型とした酵素、RNAポリメラーゼによる転写によって行われる。DNAのプロモーター配列（通常遺伝子の上流に存在する）に酵素が結合することで転写が開始される。DNAの二重らせんは別の酵素、DNAヘリカーゼの働きにより1本鎖になる。その後RNAポリメラーゼが鋳型DNAの3'側 → 5'側へと移動すると同時に、鋳型DNAに相補的なRNA鎖が5'側 → 3'側へと伸長していく。またRNA合成がどの部位で止まるかも、DNA配列により決定されている。

RNAを鋳型とするRNAポリメラーゼも存在する。例えば、ある種のRNAウイルス（ポリオウイルスなど）はこのようなタイプのRNAポリメラーゼを用いて、自らの持つRNAを増幅させる。また多くの生命体では、この種のRNAポリメラーゼがRNA干渉に必要だということが知られている。

生化学的な活性

伝令RNA (mRNA)

詳細は「mRNA」を参照

伝令RNAは、メッセンジャーRNA、mRNAとも呼ばれ、細胞中でタンパク質合成部位であるリボソームにDNAの情報を伝える役割をするRNAである。遺伝情報をもとにタンパク質が合成される場合には、RNAポリメラーゼの働きにより、DNAに対して相補的な配列を持つmRNAが転写され、次にリボソームにより、mRNAの配列に基づいたタンパク質の合成が行われる（翻訳）。このように、DNAがいったんRNAへと転写され、RNAを鋳型としてタンパク質への翻訳が行われるという、一連の遺伝情報の流れをセントラルドグマと呼ぶ。セントラルドグマはタンパク質が遺伝子産物であることを前提としているため、ノンコーディングRNA遺伝子の場合には当てはまらないと解釈されている。一定の時間が経過すると、mRNAはRNA分解酵素の働きによりヌクレオチドへと分解される。多くの場合、mRNAは短命であるが（大腸菌では約5分ともいわれている）、哺乳類の精子中に見られるように、極端に安定なmRNAも知られている。

運搬RNA (tRNA)

詳細は「tRNA」を参照

運搬RNAは、トランスファーRNA、tRNAとも呼ばれ、タンパク質を合成する翻訳の際に、特定のアミノ酸をリボソーム内部へと導入するRNAである。74-93塩基からなる短いRNA鎖である。アミノ酸結合部位と、mRNAのコドンと水素結合を作るためのアンチコドン部位を持つ。非コードRNA（下記参照）の一種である。

リボソームRNA (rRNA)

詳細は「rRNA」を参照

リボソームRNA (rRNA) は、細胞内でタンパク質合成を行うリボソームを構成しているRNAである。真核生物のリボソームのrRNAは4本のRNA鎖 (18S, 5.8S, 28S, 5S) から構成されている。このうちの3つは核小体で合成され、残りの1つは他の部位で合成される。rRNAは非常に大量に存在する種のRNAであり、典型的な真核細胞に存在するRNAの少なくとも80%がrRNAとして存在している（tRNA: 10数%、mRNA: 数%）。

ノンコーディングRNA (ncRNA)

詳細は「ノンコーディングRNA」を参照

ノンコーディングRNA (ncRNA) は、タンパク質へ翻訳されないRNAの総称である。最も有名なものとして、前述の運搬RNAとリボソームRNAが挙げられる。この2つはどちらも翻訳に関連したものであるが、1990年代後半から新しいタイプのノンコーディングRNAの発見が相次ぎ、ノンコーディングRNAは以前考えられていたより重要な役割を果たしている可能性があると考えられるようになった。

1990年代後半から2000年代前半にかけて、人間をはじめとする高等生物の細胞では複雑な転写が行われているという証拠が得られてきた。これは生物学においてRNAがより広い領域で、特に遺伝子調節に用いられているという可能性を指摘するものであった。特にノンコーディングRNAの一種であるマイクロRNA (miRNA) は、線虫から人間に至るまでの多くの後生動物で見られ、他の遺伝子の制御といった重要な役割を果たしていることが明らかになった。

2004年にRassoulzadeganのグループは、RNAが生殖細胞系に何らかの影響を及ぼしているという説をNature誌に投稿した。これが実際に確認されれば、従来の遺伝学に大きな影響を与え、DNA-RNAの役割や相互作用に関する多くの謎が解明されると考えられている。2015年、ペンシルバニア大学のTracy L. Baleらは、精子中のマイクロRNAの発現量が子に伝わり、父親の獲得形質が子に受け継がれることを明らかにした。彼女らは、オスのマウスに過度なストレスを与え、そのマウスをメスのマウスと交配させた。生まれたマウスに過度なストレスを与えたところ、ストレスに対する耐性が父のマウスよりも高くなっていた。彼女らは、その原因としてマイクロRNAを挙げた。彼女らは父親マウスの精子中のマイクロRNAの発現量が増加していることを発見し、このマイクロRNAが受精卵内のmRNAを破壊している事実を明らかにした。これらのことは、父親が獲得した形質がマイクロRNAを通して子に伝わることを示唆している。

触媒作用を持つRNA

詳細は「リボザイム」を参照

タンパク質によく用いられる20種のアミノ酸と比較すると、RNAは4つの核酸塩基しか持たないにもかかわらず、ある種のRNAは酵素活性を持っており、それらはリボザイム (ribozyme = ribose + enzyme) と呼ばれている。RNA鎖の切断や結合を行うRNA触媒も存在しており、ペプチド鎖の合成を行うリボソーム中でもRNAが触媒活性中心となっている。

二重鎖RNA (dsRNA)

二重鎖RNA (dsRNA) は、2本の相補的な配列を持つRNA鎖がDNAに見られるような二重鎖を組んだものである。dsRNAはある種のRNAウイルスの持つ遺伝情報部位やミトコンドリアDNA内のrRNA、tRNAなどに見られる。真核生物ではRNA干渉の引き金となったり、siRNA生成の中間体となっている（siRNAはmiRNAとしばしば混同される。siRNAは二重鎖であるが、miRNAは1本鎖である）。未成熟miRNAなどでは、1本鎖であっても分子内でヘアピン構造を取る部分が存在している。

RNAワールド仮説

詳細は「RNAワールド」を参照

RNAワールド仮説は、生命が発生した頃にはRNAが遺伝情報の維持（現在のDNAの役割）と、酵素のような生化学的触媒の両方の役割を担っていたとする仮説である。これはRNAがDNAと比較して無生物的に合成されやすいことなどが根拠となっている。

この仮説では生物は遺伝情報の貯蔵媒体としてRNAを使用し、その後の変異と進化によりDNAとタンパク質が徐々に台頭してきたと考えられている。ただし2006年現在、ゲノムとしてRNAを保持しているのはRNAウイルスのみであると考えられている。

RNAの高次構造

機能性の1本鎖RNAは、タンパク質と同じように特別な三次構造を取ることが要求される。三次構造の形成では、水素結合が駆動力となっている。二次構造で表現可能な「部位」として、ヘアピンループやバルジ、インターナルループなどが存在する。RNAの二次構造は水素結合部位やドメインなどの組み合わせを自由エネルギーについて計算し、コンピューターである程度予測することができる。

RNA干渉

詳細は「RNAi」を参照

RNAi(RNA interfernce、RNA干渉)とはsiRNA(small interfering RNA)または二本鎖RNA(double stranded RNA、dsRNA)によって配列特異的に遺伝子の発現が抑制される現象である。

哺乳類のRNAiのメカニズム

二本鎖RNA(double stranded RNA、dsRNA)はDicerと呼ばれるRNase III酵素によって約21〜25塩基長の短鎖二本鎖RNAに切断される。この短鎖二本鎖RNA断片をsiRNA(small interfering RNA)とよぶ。そのsiRNA二量体はRISC(RNA-induced silencing complex)と呼ばれるArgonaute(Ago)タンパク質を含む複合体に取り込まれる。その後、ターゲットとなるmRNAと塩基対合するsiRNA（ガイド鎖）を残し、その反対鎖であるパッセンジャー鎖はAgoタンパク質によって切断され分解される。残ったガイド鎖の5’末端と3’末端の1塩基はAgoタンパク質のポケット構造にはまり込んで固定される。特に5’末端がアデニンまたはウラシルである場合にはAgoタンパク質と高い親和性固定される。さらに、5’末端から2〜8塩基目の塩基はAgoタンパク質の構造と電荷をうまく利用して表面に載ることができる。この2〜8塩基目の塩基の部分はシード配列と呼ばれ、塩基配列の相補性をもつmRNAを識別し、最初に塩基対合する場所である。その後、siRNAは残りの9〜20塩基目もターゲットとなるmRNAと塩基対合する。塩基対合したmRNAはAgoタンパク質によって切断される。この過程を遺伝子ノックダウンという。

Dicer

DicerはdsRNAをsiRNAへと、またはpre-miRNAをmiRNAへと切断するRNase III酵素である。

RISC

RISC(RNA-induced silencing complex)はショウジョウバエにおいてdsRNAを導入することによって誘導される配列特異的に標的RNAを分解する活性をもった複合体としてHannonらによって提唱された。RISCの中核となるのはArgonaute(Ago)タンパク質である。その他の構成要素としてRNA結合タンパク質、RNAヘリカーゼ、ヌクレアーゼなど様々なタンパク質が同定されている。

siRNAとmiRNA

短鎖RNAは由来によって名称が異なる。人工的に作られたものやin vivoでdsRNA前駆体から生じたものはsiRNAという。miRNAは遺伝子から作られる前駆体RNAに由来する。この遺伝子が発現する細胞内で特定の遺伝子調節機能を発揮する。miRNAはmiRNA遺伝子から長い一次転写産物であるpri-miRNAとして転写される。pri-miRNAの中には将来miRNAとなる配列が含まれておりその部分はヘアピン状の高次構造をとっている。DroshaというRNase III酵素がヘアピン構造を切断しpre-miRNAにする。核内のpre-miRNAはExportin-5によって細胞質に運ばれ細胞質でDicerによってpre-miRNAは切断されmiRNAとなる。miRNAはRISCを形成し、標的RNAを認識するガイド分子として働く。このようにsiRNAもmiRNAも21塩基前後の長さの機能性ncRNAであり、RISCの中のsiRNAとmiRNAを化学組成や機能で見分けることはできず、あくまで由来で分類する。

RNAiの問題点

オフターゲット効果

ターゲット遺伝子に対する抑制効果に加えてシード領域のみが対合した遺伝子群もオフターゲット効果と呼ばれる機構によって抑制される場合が多い。オフターゲット効果ではmRNAは切断されるのではなく、翻訳が抑制されることによって遺伝子機能が抑制されると考えられている。

インターフェロン応答

哺乳動物細胞に30bp以上の長いdsRNAを導入すると一部の細胞集団を除いてほとんどの細胞で細胞死が起こる。これはインターフェロン応答または抗ウイルス反応とよばれるディフェンス機構と考えられている。

経口摂取と産業利用

ヌクレオチドおよびその結合体であるポリヌクレオチド、DNA・RNAは生物を原料とするほとんどの食品に微量含まれている。これを摂取すると、体内でいったんヌクレオチドに分解されて、DNA・RNAを合成する材料となる。核酸摂取と核酸合成との関係は未解明な点が多く今後の研究が待たれる。

RNAを多量に含む食品が商業的に生産されている。RNAを効率的に分離するためのRNA源としてビール酵母などの酵母が利用されている。

利用例

健康食品

健康食品として錠剤や粉末のものが市販されているが、効果のほどは不明である。

食品添加物

母乳にはウリジル酸などの各種ヌクレオチドとDNA・RNAが含まれ、乳児の免疫調節や記憶力の向上に役立っていると考えられており、市販の乳児用粉ミルクの多くにヌクレオチドの形で添加されているが、こちらも効果のほどは不明である。最近ではRNAの形で添加する例もあり、総称して核酸関連物質と表示されている場合がある。

参考文献

関連項目

• デオキシリボ核酸 (DNA)
• 生命の起源
• スプライシング
• RT-PCR
• 相補的DNA (cDNA)
• 核内低分子RNA (snRNA)
• 核小体低分子RNA (snoDNA)
• ガイドRNA (gRNA)

外部リンク

• 核酸(DNA,RNA)、健康食品の安全性有効性情報

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For other uses, see RNA (disambiguation).

A hairpin loop from a pre-mRNA. Highlighted are the nucleobases (green) and the ribose-phosphate backbone (blue). Note that this is a single strand of RNA that folds back upon itself.

Ribonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule essential in various biological roles in coding, decoding, regulation, and expression of genes. RNA and DNA are nucleic acids, and, along with proteins and carbohydrates, constitute the four major macromolecules essential for all known forms of life. Like DNA, RNA is assembled as a chain of nucleotides, but unlike DNA it is more often found in nature as a single-strand folded onto itself, rather than a paired double-strand. Cellular organisms use messenger RNA (mRNA) to convey genetic information (using the letters G, U, A, and C to denote the nitrogenous bases guanine, uracil, adenine, and cytosine) that directs synthesis of specific proteins. Many viruses encode their genetic information using an RNA genome.

Some RNA molecules play an active role within cells by catalyzing biological reactions, controlling gene expression, or sensing and communicating responses to cellular signals. One of these active processes is protein synthesis, a universal function where RNA molecules direct the assembly of proteins on ribosomes. This process uses transfer RNA (tRNA) molecules to deliver amino acids to the ribosome, where ribosomal RNA (rRNA) then links amino acids together to form proteins.

Comparison with DNA

Bases in an RNA molecule.

Three-dimensional representation of the 50S ribosomal subunit. Ribosomal RNA is in ochre, proteins in blue. The active site is a small segment of rRNA, indicated in red.

The chemical structure of RNA is very similar to that of DNA, but differs in three main ways:

• Unlike double-stranded DNA, RNA is a single-stranded molecule in many of its biological roles and has a much shorter chain of nucleotides. However, RNA can, by complementary base pairing, form intrastrand (i.e., single-strand) double helixes, as in tRNA.
• While DNA contains deoxyribose, RNA contains ribose (in deoxyribose there is no hydroxyl group attached to the pentose ring in the 2' position). These hydroxyl groups make RNA less stable than DNA because it is more prone to hydrolysis.
• The complementary base to adenine in DNA is thymine, whereas in RNA, it is uracil, which is an unmethylated form of thymine.

Like DNA, most biologically active RNAs, including mRNA, tRNA, rRNA, snRNAs, and other non-coding RNAs, contain self-complementary sequences that allow parts of the RNA to fold and pair with itself to form double helices. Analysis of these RNAs has revealed that they are highly structured. Unlike DNA, their structures do not consist of long double helices, but rather collections of short helices packed together into structures akin to proteins. In this fashion, RNAs can achieve chemical catalysis (like enzymes). For instance, determination of the structure of the ribosome—an enzyme that catalyzes peptide bond formation—revealed that its active site is composed entirely of RNA.

Structure

Main article: Nucleic acid structure

Watson-Crick base pairs in a siRNA (hydrogen atoms are not shown)

Each nucleotide in RNA contains a ribose sugar, with carbons numbered 1' through 5'. A base is attached to the 1' position, in general, adenine (A), cytosine (C), guanine (G), or uracil (U). Adenine and guanine are purines, cytosine and uracil are pyrimidines. A phosphate group is attached to the 3' position of one ribose and the 5' position of the next. The phosphate groups have a negative charge each, making RNA a charged molecule (polyanion). The bases form hydrogen bonds between cytosine and guanine, between adenine and uracil and between guanine and uracil. However, other interactions are possible, such as a group of adenine bases binding to each other in a bulge, or the GNRA tetraloop that has a guanine–adenine base-pair.

Chemical structure of RNA

An important structural feature of RNA that distinguishes it from DNA is the presence of a hydroxyl group at the 2' position of the ribose sugar. The presence of this functional group causes the helix to mostly adopt the A-form geometry, although in single strand dinucleotide contexts, RNA can rarely also adopt the B-form most commonly observed in DNA. The A-form geometry results in a very deep and narrow major groove and a shallow and wide minor groove. A second consequence of the presence of the 2'-hydroxyl group is that in conformationally flexible regions of an RNA molecule (that is, not involved in formation of a double helix), it can chemically attack the adjacent phosphodiester bond to cleave the backbone.

Secondary structure of a telomerase RNA.

RNA is transcribed with only four bases (adenine, cytosine, guanine and uracil), but these bases and attached sugars can be modified in numerous ways as the RNAs mature. Pseudouridine (Ψ), in which the linkage between uracil and ribose is changed from a C–N bond to a C–C bond, and ribothymidine (T) are found in various places (the most notable ones being in the TΨC loop of tRNA). Another notable modified base is hypoxanthine, a deaminated adenine base whose nucleoside is called inosine (I). Inosine plays a key role in the wobble hypothesis of the genetic code.

There are more than 100 other naturally occurring modified nucleosides, The greatest structural diversity of modifications can be found in tRNA, while pseudouridine and nucleosides with 2'-O-methylribose often present in rRNA are the most common. The specific roles of many of these modifications in RNA are not fully understood. However, it is notable that, in ribosomal RNA, many of the post-transcriptional modifications occur in highly functional regions, such as the peptidyl transferase center and the subunit interface, implying that they are important for normal function.

The functional form of single-stranded RNA molecules, just like proteins, frequently requires a specific tertiary structure. The scaffold for this structure is provided by secondary structural elements that are hydrogen bonds within the molecule. This leads to several recognizable "domains" of secondary structure like hairpin loops, bulges, and internal loops. Since RNA is charged, metal ions such as Mg²⁺ are needed to stabilise many secondary and tertiary structures.

The naturally occurring enantiomer of RNA is D-RNA composed of D-ribonucleotides. All chirality centers are located in the D-ribose. By the use of L-ribose or rather L-ribonucleotides, L-RNA can be synthesized. L-RNA is much more stable against degradation by RNase.

Like other structured biopolymers such as proteins, one can define topology of a folded RNA molecule. This is often done based on arrangement of intra-chain contacts within a folded RNA, termed as circuit topology.

Synthesis

Synthesis of RNA is usually catalyzed by an enzyme—RNA polymerase—using DNA as a template, a process known as transcription. Initiation of transcription begins with the binding of the enzyme to a promoter sequence in the DNA (usually found "upstream" of a gene). The DNA double helix is unwound by the helicase activity of the enzyme. The enzyme then progresses along the template strand in the 3’ to 5’ direction, synthesizing a complementary RNA molecule with elongation occurring in the 5’ to 3’ direction. The DNA sequence also dictates where termination of RNA synthesis will occur.

Primary transcript RNAs are often modified by enzymes after transcription. For example, a poly(A) tail and a 5' cap are added to eukaryotic pre-mRNA and introns are removed by the spliceosome.

There are also a number of RNA-dependent RNA polymerases that use RNA as their template for synthesis of a new strand of RNA. For instance, a number of RNA viruses (such as poliovirus) use this type of enzyme to replicate their genetic material. Also, RNA-dependent RNA polymerase is part of the RNA interference pathway in many organisms.

Types of RNA

See also: List of RNAs

Overview

Structure of a hammerhead ribozyme, a ribozyme that cuts RNA

Messenger RNA (mRNA) is the RNA that carries information from DNA to the ribosome, the sites of protein synthesis (translation) in the cell. The coding sequence of the mRNA determines the amino acid sequence in the protein that is produced. However, many RNAs do not code for protein (about 97% of the transcriptional output is non-protein-coding in eukaryotes).

These so-called non-coding RNAs ("ncRNA") can be encoded by their own genes (RNA genes), but can also derive from mRNA introns. The most prominent examples of non-coding RNAs are transfer RNA (tRNA) and ribosomal RNA (rRNA), both of which are involved in the process of translation. There are also non-coding RNAs involved in gene regulation, RNA processing and other roles. Certain RNAs are able to catalyse chemical reactions such as cutting and ligating other RNA molecules, and the catalysis of peptide bond formation in the ribosome; these are known as ribozymes.

In length

According to the length of RNA chain, RNA includes small RNA and long RNA. Usually, small RNAs are shorter than 200 nt in length, and long RNAs are greater than 200 nt long. Long RNAs, also called large RNAs, mainly include long non-coding RNA (lncRNA) and mRNA. Small RNAs mainly include 5.8S ribosomal RNA (rRNA), 5S rRNA, transfer RNA (tRNA), microRNA (miRNA), small interfering RNA (siRNA), small nucleolar RNA (snoRNAs), Piwi-interacting RNA (piRNA), tRNA-derived small RNA (tsRNA) and small rDNA-derived RNA (srRNA).

In translation

Messenger RNA (mRNA) carries information about a protein sequence to the ribosomes, the protein synthesis factories in the cell. It is coded so that every three nucleotides (a codon) corresponds to one amino acid. In eukaryotic cells, once precursor mRNA (pre-mRNA) has been transcribed from DNA, it is processed to mature mRNA. This removes its introns—non-coding sections of the pre-mRNA. The mRNA is then exported from the nucleus to the cytoplasm, where it is bound to ribosomes and translated into its corresponding protein form with the help of tRNA. In prokaryotic cells, which do not have nucleus and cytoplasm compartments, mRNA can bind to ribosomes while it is being transcribed from DNA. After a certain amount of time the message degrades into its component nucleotides with the assistance of ribonucleases.

Transfer RNA (tRNA) is a small RNA chain of about 80 nucleotides that transfers a specific amino acid to a growing polypeptide chain at the ribosomal site of protein synthesis during translation. It has sites for amino acid attachment and an anticodon region for codon recognition that binds to a specific sequence on the messenger RNA chain through hydrogen bonding.

Ribosomal RNA (rRNA) is the catalytic component of the ribosomes. Eukaryotic ribosomes contain four different rRNA molecules: 18S, 5.8S, 28S and 5S rRNA. Three of the rRNA molecules are synthesized in the nucleolus, and one is synthesized elsewhere. In the cytoplasm, ribosomal RNA and protein combine to form a nucleoprotein called a ribosome. The ribosome binds mRNA and carries out protein synthesis. Several ribosomes may be attached to a single mRNA at any time. Nearly all the RNA found in a typical eukaryotic cell is rRNA.

Transfer-messenger RNA (tmRNA) is found in many bacteria and plastids. It tags proteins encoded by mRNAs that lack stop codons for degradation and prevents the ribosome from stalling.

Regulatory RNAs

Several types of RNA can downregulate gene expression by being complementary to a part of an mRNA or a gene's DNA. MicroRNAs (miRNA; 21-22 nt) are found in eukaryotes and act through RNA interference (RNAi), where an effector complex of miRNA and enzymes can cleave complementary mRNA, block the mRNA from being translated, or accelerate its degradation.

While small interfering RNAs (siRNA; 20-25 nt) are often produced by breakdown of viral RNA, there are also endogenous sources of siRNAs. siRNAs act through RNA interference in a fashion similar to miRNAs. Some miRNAs and siRNAs can cause genes they target to be methylated, thereby decreasing or increasing transcription of those genes. Animals have Piwi-interacting RNAs (piRNA; 29-30 nt) that are active in germline cells and are thought to be a defense against transposons and play a role in gametogenesis.

Many prokaryotes have CRISPR RNAs, a regulatory system similar to RNA interference. Antisense RNAs are widespread; most downregulate a gene, but a few are activators of transcription. One way antisense RNA can act is by binding to an mRNA, forming double-stranded RNA that is enzymatically degraded. There are many long noncoding RNAs that regulate genes in eukaryotes, one such RNA is Xist, which coats one X chromosome in female mammals and inactivates it.

An mRNA may contain regulatory elements itself, such as riboswitches, in the 5' untranslated region or 3' untranslated region; these cis-regulatory elements regulate the activity of that mRNA. The untranslated regions can also contain elements that regulate other genes.

In RNA processing

Uridine to pseudouridine is a common RNA modification.

Many RNAs are involved in modifying other RNAs. Introns are spliced out of pre-mRNA by spliceosomes, which contain several small nuclear RNAs (snRNA), or the introns can be ribozymes that are spliced by themselves. RNA can also be altered by having its nucleotides modified to nucleotides other than A, C, G and U. In eukaryotes, modifications of RNA nucleotides are in general directed by small nucleolar RNAs (snoRNA; 60-300 nt), found in the nucleolus and cajal bodies. snoRNAs associate with enzymes and guide them to a spot on an RNA by basepairing to that RNA. These enzymes then perform the nucleotide modification. rRNAs and tRNAs are extensively modified, but snRNAs and mRNAs can also be the target of base modification. RNA can also be methylated.

RNA genomes

Like DNA, RNA can carry genetic information. RNA viruses have genomes composed of RNA that encodes a number of proteins. The viral genome is replicated by some of those proteins, while other proteins protect the genome as the virus particle moves to a new host cell. Viroids are another group of pathogens, but they consist only of RNA, do not encode any protein and are replicated by a host plant cell's polymerase.

In reverse transcription

Reverse transcribing viruses replicate their genomes by reverse transcribing DNA copies from their RNA; these DNA copies are then transcribed to new RNA. Retrotransposons also spread by copying DNA and RNA from one another, and telomerase contains an RNA that is used as template for building the ends of eukaryotic chromosomes.

Double-stranded RNA

Double-stranded RNA (dsRNA) is RNA with two complementary strands, similar to the DNA found in all cells. dsRNA forms the genetic material of some viruses (double-stranded RNA viruses). Double-stranded RNA such as viral RNA or siRNA can trigger RNA interference in eukaryotes, as well as interferon response in vertebrates.

Circular RNA

Recently, it was shown that there is a single stranded covalently closed, i.e. circular form of RNA expressed throughout the animal and plant kingdom (see circRNA). circRNAs are thought to arise via a "back-splice" reaction where the spliceosome joins a downstream donor to an upstream acceptor splice site. So far the function of circRNAs is largely unknown, although for few examples a microRNA sponging activity has been demonstrated.

Key discoveries in RNA biology

Further information: History of RNA biology

Robert W. Holley, left, poses with his research team.

Research on RNA has led to many important biological discoveries and numerous Nobel Prizes. Nucleic acids were discovered in 1868 by Friedrich Miescher, who called the material 'nuclein' since it was found in the nucleus. It was later discovered that prokaryotic cells, which do not have a nucleus, also contain nucleic acids. The role of RNA in protein synthesis was suspected already in 1939. Severo Ochoa won the 1959 Nobel Prize in Medicine (shared with Arthur Kornberg) after he discovered an enzyme that can synthesize RNA in the laboratory. However, the enzyme discovered by Ochoa (polynucleotide phosphorylase) was later shown to be responsible for RNA degradation, not RNA synthesis. In 1956 Alex Rich and David Davies hybridized two separate strands of RNA to form the first crystal of RNA whose structure could be determined by X-ray crystallography.

The sequence of the 77 nucleotides of a yeast tRNA was found by Robert W. Holley in 1965, winning Holley the 1968 Nobel Prize in Medicine (shared with Har Gobind Khorana and Marshall Nirenberg). In 1967, Carl Woese hypothesized that RNA might be catalytic and suggested that the earliest forms of life (self-replicating molecules) could have relied on RNA both to carry genetic information and to catalyze biochemical reactions—an RNA world.

During the early 1970s, retroviruses and reverse transcriptase were discovered, showing for the first time that enzymes could copy RNA into DNA (the opposite of the usual route for transmission of genetic information). For this work, David Baltimore, Renato Dulbecco and Howard Temin were awarded a Nobel Prize in 1975. In 1976, Walter Fiers and his team determined the first complete nucleotide sequence of an RNA virus genome, that of bacteriophage MS2.

In 1977, introns and RNA splicing were discovered in both mammalian viruses and in cellular genes, resulting in a 1993 Nobel to Philip Sharp and Richard Roberts. Catalytic RNA molecules (ribozymes) were discovered in the early 1980s, leading to a 1989 Nobel award to Thomas Cech and Sidney Altman. In 1990, it was found in Petunia that introduced genes can silence similar genes of the plant's own, now known to be a result of RNA interference.

At about the same time, 22 nt long RNAs, now called microRNAs, were found to have a role in the development of C. elegans. Studies on RNA interference gleaned a Nobel Prize for Andrew Fire and Craig Mello in 2006, and another Nobel was awarded for studies on the transcription of RNA to Roger Kornberg in the same year. The discovery of gene regulatory RNAs has led to attempts to develop drugs made of RNA, such as siRNA, to silence genes.

Evolution

In March 2015, complex DNA and RNA organic compounds of life, including uracil, cytosine and thymine, were reportedly formed in the laboratory under outer space conditions, using starter chemicals, such as pyrimidine, found in meteorites. Pyrimidine, like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), the most carbon-rich chemical found in the Universe, may have been formed in red giants or in interstellar dust and gas clouds, according to the scientists.

See also

• Biomolecular structure
• Macromolecule
• DNA
• History of RNA Biology
• List of RNA Biologists

References

External links

• RNA World website Link collection (structures, sequences, tools, journals)
• Nucleic Acid Database Images of DNA, RNA and complexes.
• Anna Marie Pyle's Seminar: RNA Structure, Function, and Recognition

UpToDate Contents

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• 1. 遺伝子治療、ゲノム編集、遺伝子発現抑制の概要 overview of gene therapy gene editing and gene silencing
• 2. 分子遺伝学の原理 principles of molecular genetics
• 3. 遺伝学およびゲノミクスのためのツール：遺伝子発現プロファイリング tools for genetics and genomics gene expression profiling
• 4. HIV-1 RNA定量の技術および解釈 techniques and interpretation of hiv 1 rna quantitation
• 5. HIV感染症の暴露前予防薬投与を行う患者の評価と選定 patient evaluation and selection for hiv pre exposure prophylaxis

English Journal

• Deep RNA-Seq profile reveals biodiversity, plant-microbe interactions and a large family of NBS-LRR resistance genes in walnut (Juglans regia) tissues.

• Chakraborty S1, Britton M2, Martínez-García PJ3, Dandekar AM4.
• AMB Express.AMB Express.2016 Dec;6(1):12. doi: 10.1186/s13568-016-0182-3. Epub 2016 Feb 17.
• Deep RNA-Seq profiling, a revolutionary method used for quantifying transcriptional levels, often includes non-specific transcripts from other co-existing organisms in spite of stringent protocols. Using the recently published walnut genome sequence as a filter, we present a broad analysis of the RN
• PMID 26883051

• PIWIL1 Is Expressed in the Canine Testis, Increases with Sexual Maturity, and Binds Small RNAs.

• Stalker L1, Russell SJ1, Co C1, Foster RA2, LaMarre J3.
• Biology of reproduction.Biol Reprod.2016 Dec;94(1):17. doi: 10.1095/biolreprod.115.131854. Epub 2015 Dec 9.
• Spermatogenesis is a highly regulated process leading to the development of functional spermatozoa through meiotic division and subsequent maturation. Recent studies have suggested that a novel class of Argonaute proteins, known as the PIWI clade, plays important roles in multiple stages of spermato
• PMID 26658707

• Cumulus Cell Transcripts Transit to the Bovine Oocyte in Preparation for Maturation.

• Macaulay AD1, Gilbert I1, Scantland S1, Fournier E1, Ashkar F2, Bastien A1, Saadi HA1, Gagné D1, Sirard MA3, Khandjian ÉW3, Richard FJ1, Hyttel P4, Robert C5.
• Biology of reproduction.Biol Reprod.2016 Dec;94(1):16. doi: 10.1095/biolreprod.114.127571. Epub 2015 Nov 19.
• So far, the characteristics of a good quality egg have been elusive, similar to the nature of the physiological, cellular, and molecular cues leading to its production both in vivo and in vitro. Current understanding highlights a strong and complex interdependence between the follicular cells and th
• PMID 26586844

Japanese Journal

• Predicting Protein-RNA Residue-base Contacts Using Two-dimensional Conditional Random Field

• Morihiro Hayashida,Mayumi Kamada,Jiangning Song,Tatsuya Akutsu
• 情報処理学会研究報告. BIO, バイオ情報学 2012-BIO-30(4), 1-6, 2012-08-02
• … Many researchers have studied for analyzing and investigating interactions between protein residues and RNA bases. … In a similar way, in this technical report, we make use of mutual information for predicting interactions between protein residues and RNA bases. …
• NAID 110009432492

• 化学の窓 還元反応を引き金とするoff/on型蛍光プローブを用いたRNA検出法の開発

• 化学と生物 : 日本農芸化学会会誌 : 生命・食糧・環境 50(7), 540-544, 2012-07
• NAID 40019373348

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