miniatura|Mecanisme d'interferència d'ARN en mamífers. Interferència d'ARN (ARNi o RNAi, RNA interference en anglès) és un sistema dins les cèl·lules vives que intervé en controlar quins gens són actius i com són d'actius. En la interferència de l'ARN dos tipus de petites molècules d'ARN – microARN (miRNA) i ARN d'interferència petit (small interfering RNA ((siRNA)) – són centrals. L'ARN és el producte directe dels gens i aquests petits ARN es poden enllaçar amb altres ARNs (ARNm) específics i o bé augmentar o disminuir la seva activitat, per exemple prevenir que l'ARN missatger produeixi una proteïna. La interferència de l'ARN té un paper important en defensar les cèl·lules contra gens paràsits – virus i transposons – però també en dirigir el desenvolupament biològic i també l'expressió gènica en general.
El descobriment de l'ARNi va estar precedit per l'observació d'inhibicions en ARN en plantes transgèniques, a principi de la dècada de 1990. La via de l'ARNi es troba en molts organismes eucariotes incloent els animals i s'inicia per l'enzim dicer, que parteix les molècules de llargues cadenes de doble filament de l'ARN (dsRNA) en curts fragments de ~20 nucleòtids anomenats siRNAs. Cada siRNAs es desenvolupa en dos ssRNAs: una cadena passatgera i una altra cadena guia. La cadena passatgera serà degradada i la cadena guia és incorporada a l'ARN-complex silenciador induït (RISC). El resultat més estudiat és el del gen silenciador post-transcriptional, que té lloc quan la cadena guia s'emparella amb la seqüència complementària d'una molècula d'ARN missatger i indueix l'escissió per l'argonaute, el component catalític del complex RISC. Tot i que les concentracions molars inicials de siRNA són limitades, aquest procés s'escampa sistemàticament per l'organisme.
L'efecte robust i selectiu de l'ARNi en l'expressió gènica el fa una eina valuosa en la recerca científica, tant en cultiu cel·lular com en organismes vius, perquè el dsRNA sintètic introduït en les cèl·lules pot induir la supressió de gens específics interessants. L'ARNi també pot ser utilitzat en escanejats a gran escala que sistemàticament tanquen el gen cel·lular que ajuda a identificar els components necessaris per a un procés cel·lular concret succés com la divisió cel·lular. L'explotació d'aquesta via és una eina promotedora en biotecnologia i medicina.
Històricament, la interferència d'ARN s'ha conegut amb altres noms, com ara cosupressió, silenciament de gens post transcripcional i quelling. Fins que no es va comprendre totalment aquests processos anteriors, no es va veure com eren interrelacionats i que tots descrivien el fenomen ARNi. El 2006, Andrew Fire i Craig C. Mello compartiren el Premi Nobel en fisiologia o medicina pel seu treball en la interferència de l'ARN en els nematode Caenorhabditis elegans, que es va publicar l'any 1998.
Mecanismes cel·lulars miniatura|La proteïna dicer de Giardia intestinalis que catalitza la unió del dsRNA a siRNAs. Els dominis RNAse són de color verd, els dominis PAZ grocs, el domini plataforma vermell i l'estructura hélix blava.
L'ARNi és un procés de silenciació de gens depenent de l'ARN que és controlat pel complex silenciador ARN induït (RISC) i és iniciat per molècules de ARN de doble cadena curta al citoplasma cel·lular, on interaccionen amb el component argonauta del RISC. Quan el dsRNA és exogen (provinent d'una infecció vírica amb un genoma ARN o manipulat al laboratori), l'ARN és importat directament al citoplasma i s'hi uneixen en fragments curts per l'enzim. El dsRNA d'inici pot ser endogen (originat dins la cèl·lula), com els pre-microRNAs expressats a partir dels gens codificants d'ARN en el genoma. Els transcrits primaris d'aquests gens són primerament processats per formar una estructura stem-loop del pre-miRNA en el nucli, després és exportat al citoplasma per ser enllaçat amb el dicer. Per tant, les dues possibles vies que pot seguir el dsRNA, exògena i endògena, convergeixen en el complex RISC.
Unió de dsRNA El dsRNA endogen inicia l'ARNi mitjançant l'activació de proteïnes ribonucleases Dicer, les quals enllacen i uneixen l'ARN de doble cadena (ds RNAs) per produir fragments de 20-25 parells de bases de doble cadena i 2 nucleòtids de projecció en l'extrem 3'. Estudis bioinformàtics al genoma de múltiples organismes suggereixen que aquesta longitud maximitza l'especificitat del gen concret i minimitza els efectes no específics. Aquests fragments curts de doble cadena s'anomena “small interfering RNAs” (siRNAs). Aquests siRNAs són posteriorment separats en una única cadena i integrat en el complex RISC actiu. Després de la integració en el RISC, el siRNA interacciona amb l'ARNm i indueix la unió de l'ARNm, prevenint així que aquest sigui utilitzat com a plantilla de traducció.
El dsRNA exogen és detectat i enllaçat per una proteïna efectora, coneguda amb el nom de RDE-Y en C. Elegans i R2D2 en Drosophila, que estimula l'activitat de la proteïna dicer. Aquesta proteïna únicament uneix dsRNAs llargs, però el mecanisme que provoca l'especificitat de la longitud és desconegut. Aleshores, la proteïna d'unió d'ARN facilita la transferència del siRNAs unit al complex RISC.
En el C. elegans, aquesta resposta d'iniciació és amplificada mitjançant la biosíntesi de siRNA secundari mentre es dona la producció de dicer o siRNA primaris que utilitzen com a plantilles. Aquests siRNA secundaris són diferents estructuralment respecte als siRNA produïts per dicer i sembla que siguin sintetitzats mitjançant la proteïna Polimerasa ARN dependent (RdRP).
Micro ARN (miRNA) miniatura|La stem-loop secondary structure d'una pre-microRNA de Brassica oleracea. Els microRNAs (miRNAs) estan codificats genèticament com a RNAs no-codificants que ajuden a regular l'expressió gènica, especialment durant el desenvolupament embrionari. Definit en termes generals, el fenomen d'interferència de RNA indueix els efectes endògens induïts per la silenciació de gens de miRNA juntament amb la silenciació de dsRNA forà. Els miRNAs madurs són estructuralment similars als siRNAs produïts a partir de dsRNA exògens; però abans d'arribar a la maduresa els miRNAs han de passar una modificació post-traducccional extensiva. Un miRNA és expressat a partir d'un gen codificant d'ARN més llarg, com una transcripció primària, coneguda amb el nom de pri-miRNA. Aquesta és processada en el nucli de la cèl·lula, en una estructura anomenada "stem-loop structure" de 70 nucleòtids, la qual rep el nom de pre-miRNA, mitjançant el complex microprocessador. Aquest complex consisteix en un enzim RNAasa III anomenat Drosha i una proteïna associada al dsRNA anomenada Pasha. Aquesta porció de dsRNA de pre-miRNA és enllaçat i unit pel dicer per produir la molècula de miRNA madura i que podrà, aleshores, ser integrada al complex RISC; per tant, el miRNA i siRNA comparteixen la maquinària cel·lular duran el seu processament inicial.
Els siRNAs que deriven de llargs precursors de dsRNA es diferencien dels miRNAs pel fet que els miRNAs, especialment en els animals, en general tenen una base incompleta vinculada a un objectiu i inhibeixen la traducció de diferents miRNAs amb seqüències similars. En canvi, el siRNA, que consta de bases aparellades complertes, indueix la unió d'ARNm únicament a un objectiu específic. En el cas de la Drosophila i el C. Elegants, el miRNA i el siRNA són processats per diferents enzims dicer i proteïnes argonautes.
Activació amb catàlisi del complex RISC miniatura|esquerra|A l'esquerra hi ha una proteïna argonaute de l'espècie d'arqueu Pyrococcus furiosus. A la dreta el domini PIWI d'una proteïna argonauta en un complex amb doble cadena d'ARN. Els components actius del complex silenciador d'ARN induït (RISC) són endonucleases anomenades proteïnes argonautes, que uneixen complementàriament una cadena de target ARN al seu siRNA corresponent. Com que els fragments produïts per dicer són de doble cadena, teòricament podrien sintetitzar un siRNA funcional. Però aquest fet no és possible pel que únicament, una de les dues cadenes (anomenada cadena guia), pot enllaçar les proteïnes argonautes i dirigir la silenciació de gens. L'altra cadena, coneguda com a anti-guia o cadena passatgera, és degradada durant l'activació del RISC. Tot i que en un principi es creia que les dues cadenes se separaven mitjançant una helicasa dependent d'ATP, actualment es pensa que el procés és independent d'ATP i es troba directament dirigit per les proteïnes que componen el RISC. La cadena seleccionada com a guia tendeix a ser la que té l'extrem 5' aparellat amb el seu complementari de manera menys estable, però en general la selecció de la cadena no es veu afectada per la direcció en la qual la proteïna dicer uneix el dsRNA abans d'incorporar-la al RISC. En canvi, l'enllaç més estable en l'extrem 5' amb la cadena passatgera podria servir com un factor de diferenciació de la proteïna R2D2.
L'estructura bàsica per enllaçar ARN a les proteïnes argonautes va ser examinada mitjançant cristal·lografia de raigs X. L'extrem 5' fosforilat de la cadena ARN entra a una butxaca de la superfície bàsica conservada i estableix un contacte mitjançant un catió divalent (un àtom amb dues càrregues positives) com, per exemple, el magnesi, i mitjançant apilaments aromàtics (un procés que permet que més d'un àtom comparteixi un electró fent-lo saltar endavant i endarrere) entre el nucleòtid 5' del siRNA i un residu de tirosina conservat. Es pensa que aquest fet forma un punt de nucleació per l'enllaç del siRNA al ARNm target.
Encara no es coneix com el complex RISC actiu localitza complementàriament els ARNms, que es troben a l'interior de la cèl·lula. Tot i que s'ha proposat el fet que el procés estigui vinculat a la traducció, la traducció de l'ARNm target no és essencial per a la degradació regulada per ARNi. A més a més, l'ARNi podria ser més efectiu en contra d'ARNm target que no es troba traduït. Les proteïnes argonautes (component catalític del RISC) estan localitzades en regions específiques del citoplasma anomenades cossos P (també cossos citoplasmàtics o cossos GW), que són regions amb elevades taxes d'ARNm decadents. L'activitat de l'ARNm també es troba agrupada en els cossos-P. El trencament dels cossos-P disminueix l'eficàcia de la interferència de l'ARN, suggerint que són part d'un punt crític en el procés de l'ARNi.
Silenciació transcripcional miniatura|L'enzim dicer talla la doble cadena d'ARN per formar small interfering RNA o microRNA. Aquests ARN processats són incorporats en el RNA-induced silencing complex (RISC) que a través d'un procés que involucra l'ARN missatger previndrà de la traducció. Alguns components de la via de l'ARNi també són utilitzats en moltes cèl·lules eucariotes per mantenir l'organització i l'estructura dels seus genomes. La modificació de les histones i la inducció associada a la formació d'heterocromatina serveix per regular, a la baixa, gens pre-transcripcionalment; aquest procés es coneix com a ARN induït per silenciació transcripcional, i és dut a terme per mitjà d'un complex de proteïnes conegut amb el nom de complex RITS. En el llevat, aquest complex conté proteïnes argonautes, una proteïna cromodomini Chp1 i una proteïna anomenada Tas3 amb funció encara desconeguda. Com a conseqüència, la inducció i la propagació de regions heterocromàtiques requereixen les proteïnes argonautes i les proteïnes RdRP. A més a més, la supressió d'aquests gens en el llevat S. pombe interromp la metilació de les histones i la formació del centròmer, causant així que l'anafase sigui més lenta durant procés de divisió cel·lular. S'ha observat que, en alguns casos, processos similars associats a la modificació d'histones regulen gens a l'alça mitjançant la transcripció.