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.

Crediti immagini

Foto dell'autore

Silvia Scalabrin

Sono Silvia Scalabrin, laureata in Biotecnologie Industriali presso l'Università degli Studi di Padova. Attualmente sto conseguendo il dottorato di ricerca in Bioscienze curriculum Genetica, Genomica e Bioinformatica all'Università degli Studi di Padova.

Rispondi