ב"דוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית", המתארת כיצד החומר הגנטי הופך לתכונות ולתהליכים ביולוגיים ביצור חי, מולקולת ה-RNA מוצגת כהעתק של ה-DNA. לפי הדוגמה, החומר הגנטי המכיל את ההוראות לבניית החלבונים שמבצעים את הפעולות הכימיות הדרושות לחיים. כל "הוראה" כזאת כתובה ב-DNA, וכשצריך להוציא לפועל את הפעולה היא מועתקת למולקולת RNA בעלת מבנה דומה, ועל פיה נבנה החלבון.

כיום, אנחנו יודעים להבדיל בין ה-RNA ממנו מייצרים חלבונים, המכונה RNA שליח (messenger RNA, או בקצרה mRNA), לבין סוגי RNA אחרים. למשל, ה-RNAi , שבעברית נקרא RNA מפריע, משמש גם לבקרה של ייצור חלבונים, וגורם לכך שלא כל mRNA יהפוך לחלבון. מדובר בבקרה חשובה ודינמית, שמשמפיעה רבות על החלבונים שמייצר התא.

הסרטון מתאר את מנגנון ה-RNAi, ואיך מיוצרות בתא מולקולות ה-RNAi: המיקרו-RNA, וה-siRNA:

בקרה בזמן אמת

הגוף שלנו בנוי מחלבונים. בכל פעם שתא מייצר חלבון כלשהו הגן שמספק את הוראות ההכנה של החלבון משועתק למולקולת mRNA, וזו עוברת תרגום ומביאה ליצירת חלבון חדש. באמצעות מבנה בשם ריבוזום. ה-RNAi יכולים להשפיע במידה רבה על רמת הביטוי של גנים, כלומר, כמה חלבונים יווצרו מהגנים שיש לנו ב-DNA בכל זמן ומקום. הביקורת הזו נעשית על ידי חיתוך ה-mRNA, או לחילופין על ידי עיכוב תהליך התרגום שלו לחלבון.

בהתחלה מנגנוני ה-RNAi התגלו בתולעת C.elegans ובצמחים, אך כיום ידוע שהם קיימים באורגניזמים רבים ומגוונים, החל בשמר החד-תאי וכלה ביצורים מורכבים כמו יונקים, ובהם בני האדם. בנוסף, מחקרים הראו שמערכת ה-RNAi ממלאת תפקיד גם בהגנה מפני וירוסים בצמחים ובזבובים באמצעות פירוק ה-RNA הנגיפי. כיום נבחנות האפשרויות לנצל את מנגנון ה-RNAi ברפואה, למשל, על ידי החדרת מולקולות RNAi שמסוגלות להשתיק גנים פעילים בגידולים סרטניים.

איך RNAi עובד?

החלק הראשון במנגנון הוא מולקולות RNAi קצרות, שמשלימות רצפי mRNA. ההשלמה גורמת לכך שלריבוזום אין עוד גישה לחלק שעליו לקרוא בלמולקולת ה-mRNA. ההפרעה הנגרמת היא זמנית, וספציפית לגן מסוים. אלו הן מולקולות RNA קצרות במיוחד, של כעשרים בסיסים בלבד, לעומת יותר מאלף בסיסים שיכולים להיות ל-mRNA.

המנגנון השני מבוסס על קומפלקס חלבונים בשם RISC, ראשי תיבות של RNA Induced Silencing Complex, ובעברית - מבנה השתקה מבוסס RNA. החלבונים המרכיבים את קומפלקס ה-RISC מבצעים את פעילות החיתוך של ה-mRNA או מעכבים את התרגום שלו.

קיימים שני סוגים עיקריים של מולקולות RNA קצרות בעלות תפקוד דומה, אך הן נבדלות זה מזו בעיקר במוצאן השונה. הראשון הוא small interfering RNA – siRNA – ובעברית - RNA קטן ומפריע. הוא נוצר מ-RNA דו-גדילי ארוך שמקורו בין השאר ברצפים חוזרניים בגנום, ולא אלו המכילים מידע לבניית חלבונים. מולקולות כאלה כוללות גם מולקולות שמוחדרות לתא מבחוץ, באמצעים מלאכותיים או בתהליך טבעי לאחר שנוצרו בתא סמוך (למשל בצמחים).

הסוג השני הוא מולקולות micro-RNA - או מיקרו-RNA, שמקורן ברצפים על גבי ה-DNA שנמצאים בין חלקי הגנים שמקודדים לחלבון. החלקים הללו אמנם מצוים בין הקוד להכנת גנים, אבל בזמן אמת הם נגזרים החוצה, ואינם שותפים לתהליך התרגום. החלקים הללו נקראים "אינטרונים".

האינטרונים נראים אחרת - יש להם צורה של "סיכת השיער", אליה הם מתקפלים לאחר השיעתוק. המולקולות הללו מבשילות למולקולות micro-RNA בוגרות בתהליך שבו הן נחתכות בידי שני אנזימים שונים, כשהשלב הראשון מתרחש בגרעין, והשני בנוזל התוך תאי. בסיום התהליך מתקבלת מולקולת RNA דו-גדילית של כעשרים בסיסים. אחד הגדילים מגויס לטובת ה-RISC. 

אצל יונקים, ובכל זה בני האדם, התצורה השלטת של בקרה באמצעות מולקולות RNAi היא של micro-RNA. היתרון של המנגנון הזה דווקא נובע מחוסר הספציפיות שלו. מולקולת micro-RNA אחת קטנה יכולה להשפיע על יצירתם של שלל חלבונים בו זמנית. ההתאמה מתקיימת בין מקטעים קטנים - בהם כ-2 עד 8 בסיסי micro-RNA שתואמים את הרצף של ה-mRNA. ההתאמה החלקית הזו לא גורמת לחיתוך של ה-mRNA, והבקרה מתרחשת באמצעות עיכוב התרגום של ה-mRNA, או על ידי זירוז הפירוק של אותה המולקולה באמצעים אחרים.

למה חשוב לעכב את התרגום?

עד כה דנו במנגנון שבו נוצרות מולקולות RNA מפריעות קצרות - siRNA, ובדרך שבה הן מעכבות ביטוי גנים. אולם מהו תפקידן הפיזיולוגי ועד כמה הן חשובות להתפתחותנו?

בתאי הגוף האנושי מוכרות יותר מ-400 מולקולות שונות של micro-RNA. מחקרים חישוביים מראים שהן מעכבות או מונעות יצירתם מבקרות כשליש(!) מכלל הגנים, משום שכל סוג של micro-RNA יכול לבקר מספר רב של גנים, בשל רצף ההכרה הקצר שנדרש לו כדי להיקשר לרנ"א שליח (החל משישה בסיסים). בעוד שמולקולות siRNA יכולות להשתיק כמעט לגמרי ביטוי גן בשל חיתוך הרנ"א השליח שלו, הבקרה ע"י מולקולות מיקרו-רנ"א ביונקים, שיש להם הכרה קצרה יחסית עם הרנ"א השליח, מתונה יותר ויכולה להסתכם בעיכוב הביטוי של עד 60 אחוז ובמקרים רבים למטה מכך.

עם זאת, מאחר שמיקרו-רנ"א מסוג אחד יכול לבקר עשרות גנים או יותר, ההשפעה שלו רחבת היקף, וכמו כן רנ"א שליח אחד יכול להיות מבוקר על ידי כמה מיקרו-רנ"אים שונים או זהים. הבקרה הזאת ביונקים מתרחשת במרבית הרקמות וברוב סוגי התאים. חשיבותה של המערכת גדולה עד כדי גך שעובר של עכבר שחסרה לו יכולת בקרה על ידי מיקרו-רנ"א אינו יכול להתפתח כראוי ומת בטרם לידתו.

השפעתם של המיקרו-רנ"א נחקרה בתחומים רבים והתגלתה חשיבותם גם בתהליכים הקשורים במחזור חלוקת התא, מטבוליזם, מוות תאי מבוקר (אפופטוזיס) ובתחומים רבים נוספים. המיקרו-רנ"א משפיע גם על היווצרותם של גידולים סרטניים. בסוגי גידולים שונים נצפות רמות ביטוי שונות מהנורמה של מיקרו-רנ"א מסוימים, כך שגנים שמחוללים גידולים מבוטאים ביתר שאת בשל רמה נמוכה של מיקרו-רנ"א ספציפי, או שגנים שקשורים לבלימת היווצרותם של גידולים מבוטאים בחסר בשל רמות גבוהות מהרגיל של מיקרו-רנ"א ספציפי.

כיום קיימים כלים חדשניים שמאפשרים לזהות את סוג הגידול הסרטני על פי הפרופיל החריג של ביטוי מולקולות מיקרו-רנ"א. יש גם ניסיונות להשתמש במולקולות siRNA מלאכותיות כדי לטפל במחלות שונות, ביניהן גידולים סרטניים, אולם על כך נדבר בהזדמנות אחרת.