Ons genetisch materiaal is gecodeerd in DNA (desoxyribonucleïnezuur). DNA is beroemd. Maar misschien heeft u ook wel eens gehoord van RNA (ribonucleïnezuur). Dus, wat is RNA, en waar is het goed voor?

Eigenlijk heel veel. Het is zelfs mogelijk dat het vroege leven RNA gebruikte als genetisch materiaal en ook gevouwen RNA’s gebruikte als chemische hulpmiddelen om te overleven. Dit wordt de RNA-wereld-hypothese genoemd.

RNA lijkt in veel opzichten op DNA. Het is een lange keten van suikers die met elkaar verbonden zijn door fosfaatgroepen. Aan elke suiker zit een cyclische base vast en de basen kunnen paren met bijpassende partners om een dubbele helix te maken.

Dit lijkt op DNA, maar de helix is een beetje verwrongen en vaak zijn RNA’s gevouwen tot complexe structuren die worden gestabiliseerd door korte helixen afgewisseld met lange enkelstrengs lussen.

Het echt belangrijke verschil is dat RNA een extra zuurstofatoom heeft. Dit maakt RNA minder stabiel dan DNA.

Je zou kunnen denken dat onstabiel zijn een slechte zaak is, maar er zijn voordelen. Organismen die snel moeten veranderen, gebruiken vaak RNA als hun genetisch materiaal. Virussen, zoals griep en HIV, kiezen voor RNA in plaats van het stabielere alternatief DNA, zodat ze kunnen veranderen en het immuunsysteem van hun gastheren een stap voor kunnen blijven.

Vele factoren dragen bij tot de hoge mutatiepercentages in RNA-virussen, waaronder de instabiliteit van RNA en de slechte proof reading-activiteit in de enzymen die RNA repliceren.

Boodschappendienst

Naast de functie als genetisch materiaal heeft RNA nog een andere kritieke functie in vrijwel alle organismen: het fungeert als boodschapper; een kortlevend tussenproduct dat de in onze genen vervatte informatie doorgeeft aan de rest van de cel.

Veel genen moeten in vlagen worden aangezet. Denk aan een voetbalsupporter die op een sleutelmoment in een wedstrijd een kreet slaakt – we willen niet dat de boodschap eeuwig duurt.

Genen gaan een leven lang mee, dus hoe zorgen we voor kortstondige boodschappen?

We maken RNA-kopieën van onze DNA-genen. De boodschappen, of mRNA’s, weerspiegelen de volgorde van de basen in ons DNA en reizen uit de kern (waar ons DNA is opgeslagen) naar het cytoplasma waar ze worden vertaald in eiwitten. De eiwitten gaan hun werk doen in de cel en de onstabiele mRNA’s vervallen gewoon of worden afgebroken.

RNA kan dus fungeren als boodschapper in het proces dat ervoor zorgt dat de genen worden vertaald in eiwitten – de werktuigen van de cel, dingen zoals hemoglobine om zuurstof door het lichaam te vervoeren.

Maar hoe vindt deze mysterieuze vertaling plaats? Is het afhankelijk van chemische hulpmiddelen zoals eiwitten?

Dat doet het zeker, maar het lijkt erop dat de eiwitten niet de hoofdrolspelers zijn. Het is een opmerkelijk feit dat de werkelijk belangrijke spelers bij het op gang brengen van de chemische reacties om eiwitketens te produceren uit de mRNA-code niet andere eiwitten zijn, maar speciaal gevouwen RNA-moleculen – RNA-enzymen of ribozymes.

De machinerie voor het aflezen van een eiwit uit een boodschapper-RNA is vervat in een complex RNA-enzym en de functionele onderdelen zijn RNA-moleculen die ribosomaal RNA of rRNA worden genoemd.

Het veiligstellen van informatie

Hoe komt het dat RNA wel chemische reacties op gang kan brengen, maar DNA blijkbaar niet? Het is deels de extra zuurstof en deels het speciale vermogen van RNA om zich in complexe vormen te vouwen tot gereedschappen die dingen kunnen doen, terwijl de dubbele helix regelmatig en stabiel is. De dubbele helix van DNA houdt informatie veilig vast, maar doet verder niet veel.

In 1989 deelden Sidney Altman en Thomas Cech de Nobelprijs voor Scheikunde voor het aantonen dat RNA’s chemische reacties kunnen katalyseren.

Je vraagt je misschien af hoe een keten van suikers en basen zoals mRNA überhaupt kan dienen als sjabloon voor het vormen van een eiwitketen. Het antwoord is ingewikkeld, maar er zijn enkele slimme adapters voor nodig. Verbazingwekkend genoeg zijn die adapters ook van RNA gemaakt, ze worden transfer-RNA’s of tRNA’s genoemd. Zij gebruiken hun cyclische basen om zich aan hun spiegelbeeld in het mRNA te koppelen en de juiste aminozuren op een rij te zetten om het eiwit te maken, terwijl het rRNA de reactie op gang brengt om de verbinding tot stand te brengen.

De ontdekking dat bij absoluut essentiële functies zoals het coderen van informatie, het hebben van een kortlevende boodschapper om deze tot expressie te brengen, en het omzetten in een reeks functionele eiwitgereedschappen, allemaal RNA betrokken is, heeft ertoe geleid dat mensen de hypothese hebben opgesteld dat het vroege leven uit RNA bestond.

In het begin deed RNA mogelijk alles. Maar geleidelijk aan nam DNA het over als stabieler genetisch materiaal en proteïnen namen het over als stabielere chemische gereedschappen. En RNA werd geleidelijk door sommige onderzoekers vergeten, althans tot voor kort.

Toekomst van RNA

In 1998 ontdekten de Amerikaanse biologen Andy Fire en Craig Mello RNA-inhibitie – hoe RNA genen kan uitschakelen.

We weten nu dat een nieuwe klasse van kleine remmende RNA’s (siRNA’s, die ongeveer 20 residuen lang zijn), de output van boodschapper-RNA’s fijnregelen. Zoals gezegd kan RNA dubbele strengen vormen – hierdoor kunnen siRNA’s boodschapper-RNA’s binden en hun functie verstoren.

Deze interfererende RNA’s zijn in wezen “digitale” remmers die basis voor basis spiegelbeelden zijn van het boodschapper-RNA. Het is dus mogelijk om nu kunstmatige remmers te maken. Zo is een nieuwe industrie geboren, nu onderzoekers ernaar streven genen uit te schakelen voor experimentele doeleinden en medische onderzoekers onderzoeken of dit kan worden gebruikt voor therapieën, zoals het uitschakelen van virussen of andere schadelijke genen.

Er is ook een andere interessante ontdekking gedaan – onderzoekers hebben ontdekt dat, hoewel slechts een klein deel van ons genoom codeert voor eiwitten, ongeveer 2%, een veel groter deel toch wordt gekopieerd in RNA.

De functie van veel van deze lange niet-eiwit-coderende RNA’s, lncRNA’s genoemd, wordt nog onderzocht, maar het lijkt erop dat sommige chemische reacties katalyseren en dat andere betrokken zijn bij het aan- of uitzetten van genen, hetzij door boodschapper-RNA’s te binden, hetzij door rechtstreeks te binden aan de DNA-genen waarmee ze overeenkomen.

Als de wereld begon met RNA dan is het niet echt verrassend dat echo’s van die RNA-wereld blijven bestaan en dat RNA’s nog steeds betrokken zijn bij belangrijke levensprocessen en van fundamenteel belang zijn bij genregulatie.

Nieuwe klassen van RNA-moleculen zullen ontdekt blijven worden en het lijkt waarschijnlijk dat verdere inzichten in de fundamentele biologie in de toekomst uit deze vruchtbare grond zullen voortkomen.