lncRNAs: cosa sono, come funzionano e perché studiarli?

Quasi tutti gli RNA sono non codificanti

Quasi tutto il genoma umano è trascritto, però solo il 2% circa codifica per proteine! La maggior parte dei trascritti è non codificante. Alcuni RNA non codificanti (non coding RNAs, ncRNAs) sono molto abbondanti e ben conosciuti come RNA di trasporto (tRNAs) per il trasporto degli amminoacidi e RNA ribosomiale (rRNAs) per la sintesi delle proteine. Altri ncRNAs, come i long non coding RNAs, sono poco abbondati e la loro funzione è ancora ignota.

Per convenzione, gli RNA non codificanti sono divisi in due classi a seconda della loro lunghezza:

small ncRNAs che sono lunghi meno di 200nt e includono RNA di trasporto (tRNAs), RNA ribosomiali (rRNAs), small nuclear RNAs (snRNAs), small nucleolar RNAs (snoRNAs), microRNAs (miRNAs), small interfering RNAs (siRNAs) and Piwi-interacting RNAs (piRNA);
long ncRNAs (lncRNAs) che include tutti i trascritti non codificanti lunghi più di 200nt, quindi è una classe eterogenea.

RNA codificanti e non codificanti del genoma umano — *Figura 1 – RNA codificanti e non codificanti nel genoma umano [Fonte: researchgate.net]*

Caratteristiche dei lncRNAs

I lncRNAs sono definiti come i trascritti non codificanti più lunghi di 200 nucleotidi. Spesso i geni dei lncRNAs sono in stretta associazione con la parte codificante del genoma e sono trascritti dalla RNA polimerasi II, quindi presentano caratteristiche degli RNA messaggeri (mRNA) come:

il cappuccio in 5′ (5′ cap);
la poliadenilazione al 3′;
possono subire splicing e originare diverse isoforme.

A differenza dei mRNA, i lncRNAs:

non hanno una regione codificante (Open Reading Frame, ORF);
sono più corti;
hanno meno esoni, ma più lunghi;
spesso la sequenza nucleotidica non è conservata tra le specie.

I lncRNAs sono costituiti da RNA a singolo filamento, grazie alla loro sequenza di nucleotidi possono appaiarsi a sequenze complementari di RNA o DNA. Inoltre, presentano una struttura tridimensionale che forma strutture di legare per proteine. Quindi i lncRNAs interagiscono sia con acidi nucleici sia con proteine, questo spiega l’ampia gamma di azioni!

lncRNAs regolano l’espressione genica

I lncRNAs regolano l’espressione genica a livello trascrizionale e post-trascrizionale. Sono studiati da poche decenni per cui la funzione di molti lncRNAs non è conosciuta, ma sono ben compresi i meccanismi d’azione. Precisiamo che un singolo lncRNA può presentare diverse regioni per interagire con più acidi nucleici e proteine. Attualmente, sono stati identificati quattro principali meccanismi d’azione:

Scaffold (impalcatura): i lncRNAs agiscono come centro di assemblaggio per complessi proteici grazie ai diversi domini di legame per proteine;
Decoy (esca): i lncRNAs legano mRNA inibendone la trascrizione e/o la traduzione e ne promuovono la degradazione; possono legare anche i microRNA impedendone la funzione;
Guide (guida): i lncRNAs interagiscono con DNA o RNA, in un punto preciso del genoma o a uno specifico trascritto, per guidare la localizzazione di proteine;
Signal (segnale): i lncRNAs sono segnali molecolari, infatti la loro espressione è altamente regolata nello spazio, nel tempo e nell’intensità per risponde a vari stimoli.

meccanismi d'azione dei long non coding RNAs — *Figura 2- Meccanismo d’azione dei long non coding RNAs [Fonte: biomedcentral.com]*

A livello trascrizionale

Nel nucleo, i lncRNAs regolano l’espressione genica a livello trascrizionale. I lncRNAs possono:

modificare lo stato della cromatina (condensato o rilassato) reclutando enzimi rimodellatori e modificatori della cromatina (chromatin remodels and modifiers), o favorendo i loop della cromatina.
regolare il legame dell’apparato trascrizionale e dei fattori di trascrizione ai siti di inizio della trascrizione (promotori);
guidare l’apparato di splicing e favorirne gli eventi;
aiutare nell’organizzazione di regioni nucleari (organuli nucleari).

A livello post-trascrizionale

Nel citosol e negli organelli cellulari, i lncRNAs agiscono a livello post-trascrizionale. I lncRNAs:

influenzano la stabilità dell’mRNA riducendo o stimolando la sua degradazione;
controllano la velocità di traduzione dell’mRNA;
sono spugne molecolari (molecular sponge) per microRNAs, impedendone l’azione.

funzioni dei lncRNAs nel nucleo e nel citoplasma — *Figura 3 – Funzioni dei long non-coding RNAs nel nucleo e nel citoplasma [Fonte: mdpi.com]*

Potenzialità della ricerca

Nel corso degli anni sono state identificati molti lncRNAs coinvolti nella modulazione dell’espressione genica in diverse malattie. Il contributo dei lncRNAs alle malattie è principalmente studiato nel cancro e nelle malattie neurologiche.

Ricordiamo che i lncRNAs influenzano processi cellulari regolando la trascrizione, lo splicing e la traduzione. Molti studi dimostrano come i lncRNAs siano necessari a diverse funzioni cellulari quali proliferazione, pluripotenza, differenziamento e apoptosi. L’espressione dei lncRNAs è strettamente controllata perché sono essenziali per determinare lo stato cellulare.

È facile capire come i lncRNAs possano avere un ruolo primario della patogenesi di malattie, o agire come modulatori della penetranza. Di conseguenza, studiare le funzioni e il ruolo dei lncRNAs nello sviluppo delle patologie rappresenta un passo verso la comprensione della fisiopatologia e verso possibili terapie.

Fonti

Palazzo, A.F.; Lee, E.S. Non-Coding RNA: What Is Functional and What Is Junk? Front. Genet. 2015, 6, 2, doi:10.3389/fgene.2015.00002.
Ahnert SE, Fink TM, Zinovyev A. How much non-coding DNA do eukaryotes require? J Theor Biol. 2008 Jun 21;252(4):587-92. doi: 10.1016/j.jtbi.2008.02.005. Epub 2008 Feb 14. PMID: 18384817.
Dahariya S, Paddibhatla I, Kumar S, Raghuwanshi S, Pallepati A, Gutti RK. Long non-coding RNA: Classification, biogenesis and functions in blood cells. Mol Immunol. 2019 Aug;112:82-92. doi: 10.1016/j.molimm.2019.04.011. Epub 2019 May 9. PMID: 31079005.