Un ARN no codificant (ARNnc) és una molècula d'ARN funcional que no es tradueix en una proteïna. Sinònims emprats menys sovint són els anomenats en anglès npcRNA (non-protein-coding RNA), nmRNA (non-messenger RNA), snmRNA (small non-messenger RNA) i fRNA (functional RNA). El terme small RNA (sRNA) es fa servir comunament per a petits ARNnc de bacteris. La seqüència d'àcid desoxiribonucleic des de la qual és transcrit l'ARNnc com a producte final sol anomenar-se gen d'ARN no codificant. Aquest tipus de molècula es troba, majoritàriament en la forma d'ARN de transferència (ARNt) o ARN ribosòmic (ARNr).
Els gens d'ARN no codificant inclouen ARNs abundants i importants funcionalment, com l'ARN transferent (ARNt) i ARN ribosòmic (ARNr) i altres ARN com els snoARN (ARN petit nucleolar, small nucleolar RNA), miARN (micro ARN), siARN (ARN petit d'interferència, small interfering RNA), piARN (ARN d'interacció amb Piwi, Piwi-interacting RNA) i el ARNlnc (ARNnc llarg, long non coding RNA, lncRNA) que inclou exemples com el Xist i HOTAIR.
El nombre d'ARNnc codificats en el genoma humà és desconegut; no obstant això, recents estudis transcriptòmics i bioinformàtics suggereixen l'existència de milers de ncARNs. Com que la funció de molts dels ncARNs identificats recentment no ha estat confirmada, és possible que molts siguin no funcionals.
Història i descobriment Els àcids nucleics van ser descoberts per primera vegada en 1868 per Friedrich Miescher i pel 1939 ja havien implicat l'ARN a la síntesi de proteïnes. Dues dècades més tard, Francis Crick va predir un component de l'ARN funcional que controlava la traducció; argumentava que l'ARN encaixa millor amb el transcrit d'ARNm que un polipèptid pur.
miniatura|L'estructura de fulla de trèvol del tRNAPhe de llevat i l'estructura 3D determinada per anàlisi de raigs X.
El primer ARN no codificant a ser caracteritzat va ser un ARNt d'alanina trobat al llevat de pastisseria; la seva estructura va ser publicada en 1965. Per a produir una mostra (purificada) d'ARNt d'alanina, Robert W. Holleyet al. va utilitzar 140 kg de llevat de pastisseria comercial per obtenir només 1 g d'ARNtAla pur per a l'anàlisi. L'ARNt de 80 nucleòtids va ser seqüenciat sent primer digerit amb ribonucleasa pancreàtica (produint fragments acabats en citosina o uridina) i després amb ribonucleasa takadiastasa Tl (produint fragments acabats en guanosina). La cromatografia i identificació dels extrems 5' i 3' va ajudar després a ordenar els fragments per establir la seqüència d'ARN. De les tres estructures proposades originalment per a aquest ARNt, l'estructura en forma de trèvol va ser proposada independentment a les següents publicacions. L'estructura secundària en forma de trèvol va ser concretada seguint anàlisis cristal·logràfiques de raigs X duts a terme per dos grups independents de recerca en 1974.
L'ARN ribosomal va ser el següent a ser descobert, seguit per l'UARN a principis dels anys 80. Des d'aleshores, el descobriment de nous ARNs no codificants ha continuat amb els snoARNs, Xist, CRISPR i molts més. Addicions recents notables inclouen riboswitches i el miARN, el descobriment del mecanisme de l'ARNi descobert per Craig C. Mello and Andrew Fire (guanyadors el 2006 del Premi Nobel de Medicina o Fisiologia).
Funcions biològiques del ncARN Els ARN no codificants pertanyen a diversos grups i estan implicats en molts processos cel·lulars. Aquests van des dels ncARNs d'importància central que es conserven durant tota o quasi tota la vida cel·lular fins a ncARNs més transitoris, que són específics per a una o unes poques espècies relacionades. Es creu que els ncARNs més conservats són fòssils o relíquies moleculars de LUCA i el món ARN.
miniatura|Esquema del dogma central de la biologia molecular amb els processos en els quals estan involucrats els ncARNs.
Paper a la traducció miniatura|esquerra|Estructura atòmica de la subunitat 50S de Haloarcula marismortui. Les proteïnes estan en blau i les dues cadenes de ARN en taronja i groc. El petit punt verd del centre de la subunitat és el centre actiu.
Molts dels ncARNs essencials i abundants conservats estan implicats en la traducció. Les partícules de ribonucleoproteïna anomenades ribosomes són les “fàbriques” on la traducció té lloc a la cèl·lula. El ribosoma conté més del 60% d'ARN ribosomal, format per 3 ncARNs en procariotes i 4 ncARNs en eucariotes. Els ARNs ribosomals catalitzen la traducció de seqüències de nucleòtids a proteïna. Un altre tipus de ncARNs, els ARNs transferents, formen una “molècula adaptadora” entre l'ARNm i les proteïnes. Els snoARNs H/ACA box i C/D box són ncARNs que es troben en archaea i eucariotes i la ARNasa MRP està restringida als eucariotes; ambdós grups de ncARN estan implicats en la maduració de l'ARNr. Els snoARNs guien modificacions covalents d'ARNr, ARNt i snARNs, la ARNasa MRP trenca l'espaiador 1 transcrit intern entre 18S u 5,8S rARNs. El ncARN ubiquitinitzat, ARNasa P, és un parent evolutiu de la ARNasa MRP. L'ARNasa P madura seqüències d'ARNt generant extrems 5' madurs d'ARNt i trencant els elements líders 5' dels tARNs precursors. Un altre RNP ubiquitinitzat anomenat SRP reconeix i transporta noves proteïnes al reticle endoplasmàtic en eucariotes i la membrana plasmàtica en procariotes. En bacteris, l'ARN transferent-missatger (tmARN) és un RNP implicat en rescatar ribosomes estancats, etiquetant polipèptids incomplets i promovent la degradació d'ARNm en mal estat.
ncARN en splicing d'ARN miniatura|esquerra|Electron microscopy images of the yeast spliceosome. Note the bulk of the complex is in fact ncARN.
En eucariotes el spliceosoma realitza les reaccions de splicing, essencials per retirar les seqüències d'Introns. Aquest procés és necessari per a la formació d'ARNm madur. L'spliceosoma és un altre RNP normalment conegut com a snRNP o tri-snRNP. Hi ha dues formes diferents de spliceosoma, la major i la menor. Els components de ncARN del spliceosoma major són U1, U2, U3, U4 i U5. Els components de ncARN del spliceosoma menor són U11, U12, U5, U4atac i U6atac. Un altre grup d'introns pot catalitzar la seva pròpia eliminació dels trànscrits hostes. S'anomenen self-splicing ARNs i es divideixen en dos grups principals, el grup I d'introns catalítics i el grup II d'introns catalítics. Aquests ncARNs catalitzen la seva pròpia escissió des dels precursors d'ARNm, ARNt i ARNr en una gran diversitat d'organismes. En mamífers, s'ha descobert que els snoARNs poden regular l'splicing alternatiu de l'ARNm. Per exemple, l'snoARN HBII-52 regula l'splicing del receptor de serotonina 2C. En nematodes, el SmY ncARN sembla estar implicat en el trans-splicing de l'ARNm.
ncARNs en la regulació genètica L'expressió de molts milers de gens està regulada per ncARNs. Aquesta regulació pot donar-se en trans o cis.
Trans-acting ncARNs En eucariotes majors, els microARNs regulen l'expressió genètica. Un sol miARN pot reduir els nivells d'expressió de centenars de gens. El mecanisme pel qual les molècules de miARN madur actuen és a través de molècules parcialment complementàries a un o més mARNs, generalment en 3'UTRs. La funció principal dels miARNs és inhibir l'expressió genètica. S'ha demostrat que la ncARN ARNasa P també influeix sobre l'expressió genètica. En el nucli humà, l'ARNasa P és necessària per a la transcripció normal i eficient de diversos ncARNs transcrits per l'ARN polimerasa III. Aquests inclouen gens d'ARNt, 5S ARNr, SRP ARN i U6 snARN. L'ARNasa P exerceix el seu paper a la transcripció associant-se amb la Pol III i la cromatina dels gens actius d'ARNt i 5S ARNr. S'ha demostrat que el 7SK ARN, un ncARN metazoal, actua com un regulador negatiu del factor d'elongació P-TEFb de l'ARN polimerasa II, i que aquesta activitat està influïda per vies de resposta a l'estrès. El ncARN bacterià, 6S ARN, s'associa específicament amb l'holoenzim ARN polimerasa, que conté el factor específic sigma 70. Aquesta interacció reprimeix l'expressió d'un promotor dependent de sigma 70 durant la fase estacionària. Un altre ncARN bacteria, l'OxyS ARN, reprimeix la traducció associant-se a seqüències de Shine-Dalgarno i així ocloent la unió dels ribosomes. L'OxyS ARN és produït com a resposta a l'estrès oxidatiu en Escherichia coli. El B2 ARN és un petit trànscrit de ncARN polimerasa III que reprimeix la transcripció d'ARNm en resposta a un xoc de calor en cèl·lules de ratolí. El B2 ARN inhibeix la transcripció associant-se al nucli de la Pol II. A través d'aquesta interacció, el B2 ARN s'uneix a complexos de preiniciació en el promotor i bloqueja la síntesi d'ARN.
Un estudi recent ha mostrat que just l'acte de transcripció de la seqüència de ncARN pot tenir influencia sobre l'expressió genètica. La transcripció a ncARN de l'ARN polimerasa II es necessita per a la remodelació de cromatina en els Schizosaccharomyces pombe. La cromatina adopta progressivament un configuració oberta, així com diverses espècies de ncARN són transcrits.
Cis-acting ncARNs Un nombre de ncARNs estan units als 5'UTRs dels gens codificants de proteïnes i influeixen la seva expressió de diverses maneres. Per exemple, un riboswitch pot unir dírectament una molècula diana petita i aquesta unió afecta l'activitat genètica. Es troben seqüències d'ARN líder a la zona superior del primer gen dels operons biosintetitzadors d'aminoàcids. Aquests elements d'ARN formen una de les dues possibles estructures en regions codificant seqüències peptídiques molt curtes que són riques en l'aminoàcid final produït per l'operó. Una estructura degradadora es forma quan existeix un excés de l'aminoàcid regulador i el moviment ribosòmic sobre el trànscrit líder no s'impedeix. Quan hi ha una deficiència d'ARNt carregat de l'aminoàcid regulador, el ribosoma actiu s'atura i es forma l'estructura no-degradativa. Això permet a l'ARN polimerasa transcriure l'operó. Els ARN líders coneguts són l'operó líder d'histidina, l'operó líder de leucina, l'operó líder de treonina i l'operó líder de triptòfan.
Els IRE (“Iron reponse elements”, elements de resposta al ferro) estan units per IRP (Iron response proteins”, proteïnes de resposta al ferro). Els IRE es troben als UTRs de diferents mARNs els productes dels quals estan involucrats al metabolisme del ferro. Quan la concentració de ferro és baixa, les IRPs uneixen l'IRE ARNm de ferritina per la repressió de la seva traducció.
IRES (“Internal ribosome entry sites”, llocs d'entrada interns dels ribosomes) són una estructura d'ARN que permeten l'inici de la traducció al mig de la seqüència d'ARNm com a part del procés de síntesi proteica.
ncARNs i defensa del genoma Els piARNs (“Piwi-interacting ARNs”, ARN que interaccionen amb el Piwi) expressats a les mostres de mamífers i a cèl·lules somàtiques, formen complexos proteics d'ARN amb proteïnes Piwi. Aquests complexos piARNs estan lligats a la inhibició de la transcripció genètica dels retrotransposons i altres elements genètics de les cèl·lules de la línia germinal, especialment aquelles implicades a l'espermatogènesi. Els CRISPR (“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”) són trobats repetides vegades al DNA de molts bacteris. Les repeticions estan separades per espais de longitud similar. S'ha estat demostrat que aquests espais poden derivar d'infeccions víriques i, conseqüentment, poden ajudar a les cèl·lules a protegir-se d'infeccions.
ncARNS i l'estructura cromosòmica La telomerasa és un enzim RNP que afegeix repeticions de seqüències específiques de DNA a regions telomèriques, les quals es troben al final dels cromosomes d'eucariotes. Els telòmers contenen DNA condensat, donant estabilitat als cromosomes. L'enzim és una transcriptasa inversa que duu ARN telomerasa, que és utilitzada per allargar els telòmers, que es fan més curts després de cada cicle de replicació.