Transcript RNAs não codificadores

RNAs não codificadores
Definição, funções e identificação através
da bioinformática
Gabriel Zaniboni
RNAs Não Codificadores
• Molécula de RNA funcional,
ou seja, não precisa ser
traduzida em proteína para
que a informação contida
em sua sequência exerça
sua função;
• Produtos de genes de RNA;
RNAs Não Codificadores
• RNA ribossômico (rRNA) – principal componente (60 %)
dos ribossomos:
– 3 rRNAs em procariotos (5 S, 16 S e 23 S),
– 4 rRNAs em eucariotos (5 S, 5.8 S, 18 S, 28 S);
RNAs Não Codificadores
• RNA transportador (tRNA) – molécula adaptadora que atua
como elo entre a sequência de nucleotídeos do mRNA e a
sequência de aminoácidos das proteínas;
RNAs Não Codificadores
• Pequeno RNA nucleolar (snoRNA) – pequenas moléculas
responsáveis por guiar modificações em outros RNAs
durante a maturação destes (rRNAs, tRNAs, snRNAs):
– C/D box snoRNAs: associados com metilação,
– H/ACA box snoRNAs: associados com pseudouridilação;
RNAs Não Codificadores
• Pequeno RNA nuclear (snRNA) – presente no núcleo de
eucariotos, envolvidos em vários processos, como:
– Splice de RNAs,
– Regulação de fatores de transcrição e da RNA
polimerase II,
– Manutenação dos telômeros;
RNAs Não Codificadores
• Micro RNA (miRNA) – atua
na regulação da expressão
gênica de eucariotos
superiores, um único
microRNA pode ter
centenas de alvos
diferentes:
– Mecanismo de
complementaridade
parcial com mRNAs,
geralmente na região 3’
UTR,
– Atua diminuindo a
expressão de seus alvos;
RNAs longos não codificadores
• Projetos de sequenciamento genômico evidenciaram que o
número de genes codificadores de proteínas não muda
significativamente entre os vertebrados, nem mesmo os
metazoa;
• O que explica a diferença na complexidade biológica entre
esses organismos?
RNAs longos não codificadores
• Sabe-se hoje em dia que a maior parte do genoma dos
metazoários é transcrita;
• Porção do transcriptoma que não é codificadora chega a ser
até 4 vezes maior que a porção codificadora;
• Maior parte do genoma, que não codifica proteínas, parece
estar envolvido na regulação da expressão gênica durante o
desenvolvimento e a diferenciação dos organismos mais
complexos;
RNAs longos não codificadores
• Arbitrariamente considerados como sendo transcritos mais
longos do que 200 nucleotídeos;
• lncRNAs se sobrepõem com ou intercalam-se entre outros
transcritos codificadores ou não-codificadores;
RNAs longos não codificadores
• Descritos pela primeira vez durante o sequenciamento em
larga escala de bibliotecas de cDNA de camundongo
(2002);
• Dado sua abundância, imaginou-se inicialmente que os
lncRNAs eram apenas ruído transcricional;
RNAs longos não codificadores
• A expressão de muitos lncRNAs é restrita a determinadas
fases de desenvolvimento;
• Grande parte dos lncRNAs de camundongo são expressos
especificamente durante a diferenciação celular de
células-tronco embrionárias e no cérebro;
RNAs longos não codificadores
• A baixa conservação das sequências dos lncRNAs levou à
afirmação de que esses transcritos não são funcionais;
• A ligação de fatores de transcrição a loci não codificadores
e a evidência de seleção purificadora atuando em
promotores de lncRNAs sugerem que esse tipo de
expressão é regulada;
RNAs longos não codificadores
• Porém:
– Na realidade, vários lncRNAs conhecidos detêm um grau
de conservação, sendo a função de vários deles
conhecida;
– lncRNAs
podem
exibir
trechos
de
sequências
conservadas mais curtas do que aquelas presentes em
transcritos codificadores de proteínas (Xist);
– A ausência de conservação pode ser indício de altas
taxas de evolução das sequências primárias dos
lncRNAs, caso essas sequências apresentem maior
plasticidade em relação à sua estrutura/função (HAR1);
RNAs longos não codificadores
• A pouca conservação dos lncRNAs pode indicar que o
processo da transcrição, ao invés do produto, é que é
funcional (como por exemplo, a abertura de longos trechos
de cromatina expõe sítios de ativação transcricional e
propicia a atuação da RNA polimerase);
• Demais evidências (conservação de estrutura secundária,
padrões de splice e localização subcelular) sugerem funções
além da remodelação transcricional;
Funções
• As funções dos lncRNAs não podem ser inferidas sempre
com base na sua sequência ou estrutura;
• Atuam regulando a expressão gênica em processos de
dinâmica cromossomal, biologia de telômeros e
organização estrutural subcelular;
Modificação da Cromatina
• lncRNAs podem mediar alterações epigenéticas recrutando
complexos remodeladores de cromatina em loci específicos;
• O ncRNA HOTAIR (Hox transcript antisense RNA) se origina
no locus HOXC e silencia a transcrição através de 40 kb do
locus HOXD (efeito trans);
Modificação da Cromatina
• O ncRNA HOTAIR seria
responsável pelo
recrutamento do complexo
de remodelamento de
cromatina PRC2, que atua
através de metilação do
DNA;
Regulação Transcricional
• Transcrição de acentuadores e promotores leva à formação
de ncRNAs;
• Promotores proximais podem ser transcritos e recrutar
proteínas que se ligam a RNA, integrando suas funções na
maquinaria transcricional;
Regulação Transcricional
• Danos no DNA induzem a transcrição do promotor da ciclina
D1 (ciclo celular), que recruta a proteína TLS, um inibidor
da CBP e p300, silenciando a expressão da ciclina D1;
Regulação Transcricional
• lncRNAs também podem atuar como cofatores
modulação da atividade de fatores de transcrição;
na
Regulação Transcricional
• O lncRNA Evf2 é transcrito a partir de um acentuador,
recrutando o fator de transcrição DLX2 para induzir a
expressão de genes codificadores de proteínas adjacentes;
Regulação Transcricional
• lncRNAs podem atuar regulando a atividade da RNA
polimerase II;
Regulação Transcricional
• Um transcrito formado em uma região upstream do locus
DHFR forma um triplex na região promotora e impede a
ligação do cofator TFIID;
Regulação Pós-Transcricional
• A capacidade dos lncRNAs de reconhecer sequências
complementares permite interações específicas durante o
processamento de mRNAs, como splice, edição, transporte,
tradução e degradação;
• O lncRNA antisenso Zeb2 complementa o sítio de splice 5’
UTR do “dedo de zinco” (zinc finger) Hox mRNA Zeb2,
prevenindo o splice de um intron necessário à tradução
desse mRNA;
Regulação Pós-Transcricional
Regulação Pós-Transcricional
• A ligação de ncRNAs a mRNAs, ou mesmo a ocorrência de
ncRNAs que possuem longos grampos, pode levar à
formação de pequenos RNAs de interferência (siRNAs)
endógenos e ao silenciamento da expressão gênica;
• Essas são as funções conhecidas, mas acredita-se que
existam vários outros mecanismos a serem descobertos;
Significância Médica
• Potencial envolvimento dos lncRNAs em doenças que
tenham relacionamento com processos de diferenciação e
desenvolvimento, principalmente o câncer;
• ncRNA antisenso transcrito a partir do locus p15 (supressor
de tumor) tem perfil de expressão alterado em leucemia;
Identificação de lncRNAs
• A detecção de genes de RNAs não codificadores em
sequências genômicas é um problema ainda não resolvido
na bioinformática;
• Principais abordagens:
– Análise composicional, predição de estrutura secundária,
homologia estrutural ou de sequências, sinais de
promotores e terminadores;
Identificação de lncRNAs
• Duas ferramentas, QRNA e RNAz, combinam predição de
estrutura secundária e análise de homologia entre
sequências;
• O algoritmo Dynalign realiza um alinhamento de estrutura
secundária entre duas sequências de RNA;
• Para maior precisão, algumas ferramentas limitam o escopo
da análise a famílias de ncRNAs específicas, como tRNA,
miRNA e snoRNA;
Identificação de lncRNAs
• Entretetanto, nenhuma ferramenta de detecção de ncRNAs
gerais, disponíveis hoje em dia, é comparável em confiança
aos softwares de detecção de genes codificadores de
proteínas;
• Como os diversos métodos disponíveis para a detecção de
ncRNAs são complementares, uma abordagem prática
consiste na combinação deles;
Identificação de lncRNAs
• Moses (modular sequence suite): combina o resultado de
diversos métodos diferentes para encontrar regiões no
genoma que contenham candidatos a serem ncRNAs;
• Inclui:
– BLAST,
– RNAz,
– Dynalign,
– RNAfold.