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 na

modulação da atividade de fatores de transcrição;

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.