Structure tridimensionnelle d'un ARN régulateur (riboswitch).

Structure moléculaire de l'ARN.

L'acide ribonucléique (ARN) est une molécule biologique présente chez pratiquement tous les êtres vivants, et aussi chez certains virus. L'ARN est une molécule très proche chimiquement de l'ADN et il est d'ailleurs en général synthétisé dans les cellules à partir d'une matrice d'ADN dont il est une copie. Les cellules vivantes utilisent en particulier l'ARN comme un support intermédiaire des gènes pour synthétiser les protéines dont elles ont besoin. L'ARN peut remplir de nombreuses autres fonctions et en particulier intervenir dans des réactions chimiques du métabolisme cellulaire.

Chimiquement, l'ARN est un polymère linéaire constitué d'un enchaînement de nucléotides. Chaque nucléotide contient un groupe phosphate, un sucre (le ribose) et une base nucléique, ou base azotée. Les nucléotides sont liés les uns aux autres par des liaisons phosphodiester. On trouve quatre bases nucléiques dans l'ARN : l'adénine, la guanine, la cytosine et l'uracile. L'ARN a de nombreuses similitudes avec l'ADN, avec cependant quelques différences importantes : d'un point de vue structurel, l'ARN contient des résidus de ribose là où l'ADN contient du désoxyribose, ce qui rend l'ARN chimiquement moins stable, tandis que la thymine de l'ADN y est remplacée par l'uracile, qui possède les mêmes propriétés d'appariement de base avec l'adénine. Sur le plan fonctionnel, l'ARN se trouve le plus souvent dans les cellules sous forme monocaténaire, c'est-à-dire de simple brin, tandis que l'ADN est présent sous forme de deux brins complémentaires formant une double-hélice. Enfin, les molécules d'ARN présentes dans les cellules sont plus courtes que l'ADN du génome, leur taille variant de quelques dizaines à quelques milliers de nucléotides, contre quelques millions à quelques milliards de nucléotides pour l'acide désoxyribonucléique (ADN).

Dans la cellule, l'ARN est produit par transcription à partir de l'ADN situé dans le noyau. L'ARN est donc une copie d'une région de l'un des brins de l'ADN. Les enzymes qui effectuent la copie ADN → ARN s'appellent des ARN polymérases. Les ARN ainsi produits peuvent avoir trois grands types de fonctions : ils peuvent être supports de l'information génétique d'un ou plusieurs gènes codant des protéines (on parle alors d'ARN messagers), ils peuvent adopter une structure secondaire et tertiaire stable et accomplir des fonctions catalytiques (par exemple l'ARN ribosomique), ils peuvent enfin servir de guide ou de matrice pour des fonctions catalytiques accomplies par des facteurs protéiques (ce qui est par exemple le cas des microARN).

Structure de l'ARN

Ribonucléotides

Structure chimique

Structure d'un brin d'ARN. Les atomes du ribose sont numérotés. La base représentée est l'uracile, qui n'est présente naturellement que dans l'ARN, à la place de la thymine, présente dans l'ADN.

L'ARN est un acide nucléique, c'est-à-dire une molécule constituée d'un enchaînement de nucléotides. Chaque nucléotide de l'ARN est constitué d'un pentose, le ribose, dont les atomes de carbone sont numérotés de 1′ à 5′, d'une base azotée, ou base nucléique, et d'un groupe phosphate. La base nucléique est reliée par un atome d'azote au carbone 1′ du ribose. Les nucléotides sont liés les uns aux autres par des groupes phosphate, par l'intermédiaire de liaisons phosphodiester au niveau des carbones 3′ et 5′. L'ARN possède quatre bases nucléiques différentes : l'adénine (notée A), l'uracile (noté U), la cytosine (notée C) et la guanine (notée G). La thymine de l'ADN est remplacée par l'uracile dans l'ARN. La différence entre ces deux bases est le remplacement d'un groupe méthyle en position 5 de la thymine par un atome d'hydrogène dans l'uracile. Cette modification de structure ne change pas les propriétés d'appariement avec l'adénine.

Adénine.

Guanine.

Cytosine.

Uracile.

Stéréochimie

Conformation C2′-endo, observée dans les hélices de type B (ADN).

Conformation C3′-endo, observée dans les hélices de type A (ARN).

Sur le plan structurel, la présence d'un atome d'oxygène sur la position 2′ du ribose influence la conformation du cycle furanose du ribose. Cet hétérocycle à cinq atomes n'est pas plan, ce qui conduit à deux conformères principaux du sucre, appelés C2′-endo et C3′-endo. Dans l'ARN, qui comporte un atome d'oxygène en position 2′, la position C3′-endo est privilégiée, ce qui modifie profondément la structure des doubles hélices comportant des brins ARN. Ces duplex d'ARN forment une hélice de type A, différente de celle qui est observée de façon majoritaire dans l'ADN classique, qui est une hélice de type B, où le désoxyribose est en conformation C2′-endo.

Double hélice d'ARN

Comparaison des structures de l'hélice B de l'ADN et de l'hélice A de l'ARN. Le grand sillon est fortement modifié.

L'hélice de type A qu'adopte l'ARN lorsqu'il forme un duplex a des propriétés géométriques assez différentes de celles de l'hélice de type B. Tout d'abord le nombre de paires de bases par tour d'hélice est de 11 au lieu de 10 pour l'ADN en forme B. Le plan des paires de bases n'est plus perpendiculaire à l'axe de l'hélice, mais forme un angle d'environ 75° avec celui-ci. Il en résulte un déplacement de l'axe de l'hélice qui ne passe plus par le centre de l'appariement des bases, mais à l'intérieur du grand sillon. Ceci induit une augmentation du diamètre de l'hélice qui passe d'environ 20 Å pour l'ADN en forme B à environ 26 Å pour l'ARN en forme A. Enfin, la géométrie des deux sillons est profondément affectée : le petit sillon devient très accessible, tandis que le grand sillon devient très profond, étroit et pincé. Ceci a un impact sur la manière dont l'ARN double brin peut interagir avec des protéines, car l'étroitesse du grand sillon est une barrière à l'accessibilité de ligands protéiques.

Structure in vivo

La plupart des ARN naturels sont présents sous forme monocaténaire (simple brin) dans la cellule, contrairement à l'ADN qui est sous forme d'un double brin apparié. Les brins d'ARN se replient le plus souvent sur eux-mêmes, formant une structure intramoléculaire qui peut être très stable et très compacte. La base de cette structure est la formation d'appariements internes, entre bases complémentaires (A avec U, G avec C et, parfois, G avec U). La description des appariements internes entre les bases d'un ARN s'appelle la structure secondaire. Cette structure secondaire peut être complétée par des interactions à distance qui définissent alors une structure tridimensionnelle ou structure tertiaire.

La formation de la structure des ARN est très souvent dépendante des conditions physicochimiques environnantes et en particulier de la présence, dans la solution, de cations divalents, comme l'ion magnésium Mg. Ces cations interagissent avec les groupes phosphate du squelette et stabilisent la structure, en particulier en faisant écran à la répulsion électrostatique entre les charges négatives de ces phosphates.

La structure tertiaire des ARN est à la base de la richesse de leurs fonctions et en particulier de leur capacité à catalyser des réactions chimiques (ribozymes).

Structure secondaire

Structure « en épingle à cheveux », ou tige-boucle, formée par une séquence palindromique sur l'ARN.

La structure secondaire d'un ARN est la description de l'ensemble des appariements internes au sein d'une molécule simple brin. Cet ensemble d'appariements induit une topologie particulière, composée de régions en hélice (tiges) et de régions non-appariées (boucles). Par extension, la structure secondaire recouvre également la description de cette topologie.

La formation de structures secondaires au sein d'un ARN simple brin résulte de l'e**stence de régions contenant des séquences palindromiques, qui peuvent s'apparier pour former localement une structure en double hélice. Par exemple, si l'ARN contient les deux séquences suivantes : --GUGCCACG------CGUGGCAC--, celles-ci forment une séquence palindromique, les nucléotides du second segment étant les complémentaires de ceux du premier, après inversion de leur sens de lecture ; ces deux segments peuvent alors s'apparier de manière antiparallèle pour former une région localement en duplex. La région entre les deux segments forme une « boucle » reliant les deux brins appariés, cet appariement formant une « tige ». On parle alors de structure en « épingle à cheveux », ou tige-boucle.

Dans des ARN de longueur plus importante, il peut e**ster des structures plus complexes qui résultent de l'appariement de plusieurs régions complémentaires ou palindromiques. En fonction de la manière dont sont « emboîtées » ces différentes régions, on obtient des éléments topologiques variés, avec des tiges ou régions appariées, et divers types de boucles :

les boucles terminales, situées à l'extrémité d'une tige ;

les boucles internes, qui connectent deux tiges ;

les boucles multiples, qui connectent trois tiges ou plus et constituent des points de branchement de la structure ;

les hernies (en anglais bulge), ou boucles latérales, qui sont sur un seul des deux brins d'une hélice. La continuité de l'hélice n'est en général pas affectée et les bases restent empilées de manière coa**ale, de part et d'autre de la hernie.

Il n'e**ste pas toujours une structure unique stable pour une séquence donnée et il arrive que certains ARN puissent adopter plusieurs conformations alternatives en fonction de la liaison d'un ligand (protéine, petite molécule…) ou des conditions physico-chimiques (force ionique, pH). On peut en général suivre la formation ou la fusion de la structure secondaire d'un ARN par des mesures spectroscopiques. Ainsi, par exemple, l'absorption dans l'ultraviolet des bases de l'ARN est plus importante à l'état déplié qu'à l'état replié (phénomène d'hyperchromicité).

Structure tertiaire

Exemple d'appariement non canonique : la paire G-A en cisaille (sheared). Celle-ci est présente par exemple dans la structure de l'ARN ribosomique 5S.

Appariements non canoniques

Au-delà de la topologie des boucles et des hélices composées de paires de bases standard, un ARN peut adopter une structure tridimensionnelle compacte, ou structure tertiaire, comme une protéine. À l'intérieur de cette structure, les hélices canoniques sont complétées par des appariements non canoniques, c'est-à-dire distincts des appariements classiques, de type Watson-Crick (A=U et G≡C) et bancals (wobble, G=U). On a observé une grande variété de ces appariements dans les structures tridimensionnelles d'ARN résolues par cristallographie aux rayons X ou par résonance magnétique nucléaire. On trouve par exemple des appariements Hoogsteen et des appariements « en cisaille » (sheared). Il e**ste également des interactions base-ribose, notamment avec l'hydroxyle 2', qui peut former des liaisons hydrogène. Une nomenclature systématique de toutes ces interactions a été proposée par Éric Westhof et ses collaborateurs. Plus de 150 types d'appariements ont été observés et ont été regroupés en douze grandes familles. Ces appariements non canoniques impliquent toujours des liaisons hydrogène entre les bases, qui sont coplanaires, comme dans les paires Watson-Crick.

Interactions à grande distance

Des appariements canoniques ou non canoniques peuvent intervenir entre des régions distantes de la structure secondaire, souvent localisées dans des boucles, ce qui permet de stabiliser un repliement compact de la structure.

Parmi ces interactions non canoniques à grande distance figurent :

les pseudonœuds, structures formées par l'interaction d'une boucle avec une région située à l'extérieur de la tige qui la délimite ;

les triplex de brin, qui surviennent lorsqu'une région simple brin vient s'insérer dans le grand sillon d'une région en hélice ;

les interactions tétraboucle-récepteur : interactions entre boucles hyperstables de quatre nucléotides (tétraboucles) et structures en duplex ou quasi-duplex.

Similitudes et différences entre l'ADN et l'ARN

Les principales différences entre les deux molécules sont que :

l'ARN a pour sucre le ribose là où l'ADN a du désoxyribose ;

la base uracile remplit dans l'ARN la fonction assurée par la thymine dans l'ADN ;

l'ARN e**ste généralement sous forme monocaténaire (simple brin), hormis chez quelques virus tels que les réovirus où il e**ste sous forme d'ARN double brin, tandis que l'ADN est double brin (bicaténaire) avec une structure en double hélice ;

l'ARN est court : de quelques dizaines à quelques milliers de nucléotides pour les ARN cellulaires (ARNm ou ARN structurés), contre quelques millions à quelques milliards (trois milliards chez l'Homme) dans l'ADN qui constitue le génome de la cellule.

Les trois premières différences donnent à l'ARN une stabilité bien moindre que celle de l'ADN :

le ribose possède un groupe hydroxyle en position 2′, qui est absent dans le désoxyribose de l'ADN. Cette fonction 2′-OH a des incidences multiples sur la structure de l'ARN. Tout d'abord sur le plan chimique, cette fonction alcool rend l'ARN sensible à l'hydrolyse alcaline. La présence des deux oxygènes en cis sur les positions 2′ et 3′ rend possible la cyclisation du phosphate sur les positions 2′ et 3′, qui se produit très rapidement lorsqu'une base vient arracher le proton du 2′-OH. Cette cyclisation du nucléotide provoque une coupure de la chaîne ribose-phosphate et libère des extrémités 5′-OH et 2′, 3′ phosphate cyclique ;

l'uracile est moins coûteux énergétiquement à produire pour les organismes vivants que la thymine, puisqu'il nécessite une étape de synthèse de moins qu'est la méthylation par la thymidylate synthase. La présence de thymine dans l'ADN permet à la cellule de détecter des lésions spontanées de la cytosine qui est sensible à l'oxydation. La désamination spontanée de la cytosine en présence d'oxygène convertit cette dernière en uracile. La présence de désoxyuridine dans l'ADN est anormale, puisque le désoxyribonucléotide complémentaire de la désoxyadénosine est la thymidine. Grâce à cette distinction entre thymine et uracile au moyen d'un groupe méthyle, le système de réparation par excision de base peut détecter et corriger le défaut. Dans l'ARN, la désamination des cytosines produit des uraciles et n'est pas réparée. L'ARN ayant une durée de vie beaucoup plus courte que celle de l'ADN (de l'ordre de la minute), il est dégradé et recyclé ;

si un brin d'ARN monocaténaire est endommagé, la lésion n'est pas réparée et le dommage est irréversible ; en revanche, si un des deux brins d'ADN est endommagé, la cellule peut utiliser l'information portée par le brin complémentaire intact pour réparer la lésion.

D'un point de vue évolutif, certains éléments permettent de penser que l'ARN serait antérieur à l'ADN comme support de l'information génétique, ce qui expliquerait ses fonctions plus étendues et sa généralisation. L'ADN serait apparu plus tard et n'aurait supplanté l'ARN que pour le rôle de stockage à long terme, en raison de sa plus grande stabilité.

Synthèse de l'ARN à partir de l'ADN

La synthèse d'une molécule d'ARN à partir de l'ADN s'appelle la transcription. C'est un processus complexe qui fait intervenir une enzyme de la famille des ARN polymérases ainsi que des protéines associées. Les différentes étapes de cette synthèse sont l'initiation, l'élongation et la terminaison. Le processus de synthèse des ARN est sensiblement différent chez les organismes procaryotes et chez les cellules eucaryotes. Enfin, après la transcription proprement dite, l'ARN peut subir une série de modifications post-transcriptionnelles dans le cadre d'un processus de maturation au cours duquel sa séquence et sa structure chimique peuvent être modifiées (voir plus loin).

Initiation

Le démarrage de la transcription d'un ARN par une ARN polymérase s'effectue au niveau d'une séquence spécifique sur l'ADN, appelée promoteur. Ce promoteur comporte un ou plusieurs éléments de séquence conservés sur lesquels se fixent en général des protéines spécifiques, les facteurs de transcription. Juste en amont du site d'amorçage de la transcription, l'élément pro**mal est en général riche en nucléotides T et A, et est pour cette raison appelé boîte TATA chez les eucaryotes ou boîte de Pribnow chez les bactéries. Les facteurs de transcription favorisent le recrutement de l'ARN polymérase sur le promoteur et l'ouverture du duplex d'ADN. Il se forme alors ce qu'on appelle une bulle de transcription avec l'ADN ouvert, dont l'un des brins (la matrice) est hybridé avec l'ARN en cours de synthèse.

Élongation

Vue en microscopie électronique des « arbres de Noël » ou « arbres de Miller » produits par la transcription d'un gène actif. Le « tronc » de l'arbre est constitué de l'ADN et les « branches » sont les différentes molécules d'ARN en cours de synthèse. Celles-ci sont plus courtes vers le début de la région transcrite et plus longues vers la fin.

Une fois l'ARN polymérase fixée sur le promoteur et la bulle de transcription formée, elle synthétise les premiers nucléotides de manière statique sans quitter la séquence du promoteur. Les facteurs de transcription se détachent et l'ARN polymérase devient processive. Elle transcrit alors l'ARN dans le sens 5' vers 3', en utilisant l'un des deux brins de l'ADN comme matrice et des ribonucléotides triphosphates (ATP, GTP, CTP et UTP) comme précurseurs.

In vivo, chez Escherichia coli, la vitesse d'allongement de l'ARN polymérase est d'environ 50 à 90 nucléotides par seconde.

Terminaison

La terminaison de la transcription de l'ARN procède selon des mécanismes complètement différents chez les bactéries et chez les eucaryotes.

Chez les bactéries, le mécanisme principal de terminaison fait intervenir une structure particulière de l'ARN, le terminateur, composé d'une tige-boucle stable suivie d'une série de résidus d'uridine (U). Lorsque l'ARN polymérase synthétise cette séquence, le repliement de la tige d'ARN provoque une pause de la polymérase. L'ARN, qui n'est plus apparié à l'ADN matrice que par une série d'appariements A-U faibles, se détache, sans intervention d'autres facteurs protéiques. La terminaison peut aussi se faire via l'intervention d'un facteur protéique spécifique, le facteur Rho.

Chez les eucaryotes, la terminaison de la transcription par l'ARN polymérase II est couplée à la polyadénylation. Deux complexes protéiques, CPSF (en) et CStF (en) reconnaissent les signaux de polyadénylation (5′-AAUAAA-3′) et de coupure de l'ARN. Ils clivent l'ARN, induisent le détachement de la polymérase de l'ADN et recrutent la poly-A polymérase qui ajoute la queue poly(A) (voir plus bas).

Maturation

La maturation des ARN comprend un ensemble de modifications post-transcriptionnelles principalement observées chez les eucaryotes et jouent un rôle important dans le devenir de l'ARN maturé. Les principales modifications sont l'adjonction d'une coiffe en 5′, la polyadénylation en 3′, l'épissage, l'introduction de modifications chimiques au niveau de la base ou du ribose et enfin l'édition.

Coiffe

Structure de la coiffe en 5′ des ARN messagers.

La coiffe, ou 5′-cap en anglais, est un nucléotide modifié qui est ajouté à l'extrémité 5' de l'ARN messager dans les cellules d'eucaryotes. Elle se compose d'un résidu de guanosine méthylé lié par une liaison 5′-5′ triphosphate au premier nucléotide transcrit par l'ARN polymérase. Cette modification est introduite dans le noyau de la cellule, par l'action successive de plusieurs enzymes : polynucléotide 5'-phosphatase, ARN guanylyltransférase, méthyltransférases.

La coiffe joue plusieurs rôles : elle accroît la stabilité de l'ARN en le protégeant de la dégradation par des exonucléases 5′-3′ et permet également le recrutement de facteurs d'initiation de la traduction nécessaires à la fixation du ribosome sur les ARN messagers cellulaires. La coiffe est donc essentielle à la traduction de la plupart des ARNm.

Polyadénylation

La polyadénylation consiste en l'addition d'une extension à l'extrémité 3′ de l'ARN composée exclusivement de ribonucléotides de type adénosine (A). Pour cette raison, l'extension est appelée queue poly(A). Bien que composée de nucléotides standard, cette queue poly(A) est ajoutée de façon post-transcriptionnelle par une enzyme spécifique appelée poly(A) polymérase et n'est pas codée dans l'ADN génomique. La queue poly(A) est trouvée principalement à l'extrémité des ARN messagers. Chez les eucaryotes, la polyadénylation des ARNm est nécessaire à leur traduction par le ribosome et participe à leur stabilisation. La queue poly(A) est en particulier reconnue par la PABP (poly (A) binding protein, « protéine de liaison de la poly (A) »).

Chez les bactéries et dans certaines mitochondries, la polyadénylation des ARN est au contraire un signal de dégradation.

Épissage

Épissage des introns dans un ARN messager.

L'épissage est une modification post-transcriptionnelle qui consiste en l'élimination des introns et la suture des exons dans les ARN messagers et dans certains ARN structurés comme les ARNt. Présents chez les organismes eucaryotes, les introns sont des segments d'ARN qui sont codés dans le génome et transcrits dans l'ARN précurseur, mais qui sont éliminés du produit final. Dans la plupart des cas, ce processus fait intervenir une machinerie spécifique complexe appelée le splicéosome. L'épissage se produit dans le noyau des cellules eucaryotes, avant l'export de l'ARN maturé vers le cytoplasme.

Nucléotides modifiés

Après leur transcription par l'ARN polymérase, certains ARN subissent des modifications chimiques sous l'action d'enzymes spécifiques. Les principaux ARN subissant des modifications sont les ARN de transfert et les ARN ribosomiques. On peut également considérer que les méthylations intervenant dans la synthèse de la coiffe sont des modifications de nucléotides particulières. Dans le cas général, les modifications peuvent porter soit sur la base, soit sur le ribose. Les principales modifications rencontrées sont :

sur le ribose : des O-méthylations de la position 2′-OH ;

sur la base : l'isomérisation des uridines qui donne des pseudouridines, des méthylations, soit sur des atomes de carbone (ribothymidine), soit sur des atomes d'azote (7-méthylguanosine...), une réduction, qui transforme les uridines en dihydrouridines, des thiolations, des modifications plus complexes (prénylation, thréonyl-carbamoylation...).

l'isomérisation des uridines qui donne des pseudouridines,

des méthylations, soit sur des atomes de carbone (ribothymidine), soit sur des atomes d'azote (7-méthylguanosine...),

une réduction, qui transforme les uridines en dihydrouridines,

des thiolations,

des modifications plus complexes (prénylation, thréonyl-carbamoylation...).

Dans les ARN de transfert, l'introduction de nucléotides modifiés contribue à augmenter la stabilité des molécules.

Édition

L'édition des ARN consiste en une modification de la séquence de l'acide ribonucléique, postérieure à la transcription par l'ARN polymérase. À l'issue du processus d'édition, la séquence de l'ARN est donc différente de celle de l'ADN. Les changements opérés peuvent être la modification d'une base, la substitution d'une base ou encore l'ajout d'une ou plusieurs bases. Ces modifications sont effectuées par des enzymes qui agissent sur l'ARN, comme les cytidine désaminases, qui transforment chimiquement les résidus de cytidine en uridine.

Fonction dans la cellule

Dans les cellules, les ARN remplissent quatre rôles distincts et complémentaires :

support temporaire de l'information génétique : c'est l'ARN messager qui remplit ce rôle, il est utilisé par la cellule pour transmettre l'information correspondant à un gène donné à l'extérieur du noyau, puis pour synthétiser des protéines à partir de ces informations ;

catalyseur enzymatique : comme les protéines, les ARN peuvent se replier en trois dimensions pour former des structures complexes. Ces structures permettent à certains ARN de se comporter comme des enzymes, on parle alors de ribozyme. Le ribosome, la ribonucléase P et certains introns sont des ribozymes. Il e**ste des arguments indirects indiquant que la machinerie d'épissage des ARN messagers (le splicéosome) est également aussi un ribozyme, même si la démonstration formelle n'en a pas encore été apportée ;

guide pour des enzymes : certains ARN sont utilisés comme cofacteurs par des protéines pour permettre leur ciblage vers des séquences spécifiques. Parmi ceux-ci, on peut citer les petits ARN nucléolaires (snoARN), qui guident les enzymes de modification de l'ARN ribosomique, l'ARN télomérique, qui est un cofacteur de la télomérase, l'enzyme qui fabrique les extrémités des chromosomes, ou encore les ARN interférents ;

régulateurs de l'expression génétique : certains ARN non codants jouent un rôle dans la répression de l'expression de certains gènes ou groupes de gènes. C'est le cas par exemple des ARN antisens qui s'apparient à un ARN cible et en bloquent la traduction par le ribosome.

Une classe particulière d'ARN, les ARN de transfert, se trouve à l'interface de plusieurs de ces fonctions en guidant les acides aminés lors de la traduction.

Enfin, le génome de certains virus est exclusivement constitué d'ARN et non d'ADN. C'est en particulier le cas des virus de la grippe, du SIDA, de l'hépatite C, de la poliomyélite ou encore du virus Ebola. Suivant les cas, la réplication de ces virus peut passer par un intermédiaire ADN (rétrovirus), mais peut aussi se faire directement d'ARN en ARN.

L'ARN est donc une molécule très polyvalente, ce qui a conduit Walter Gilbert, co-inventeur du séquençage de l'ADN, à proposer en 1986 une hypothèse selon laquelle l'ARN serait la plus ancienne de toutes les macromolécules biologiques. Cette théorie, dite RNA world hypothesis (« hypothèse du monde à ARN »), permet de s'affranchir d'un paradoxe de l'œuf et de la poule qui survient lorsqu'on cherche à savoir qui des protéines (catalyseurs) et de l'ADN (information génétique) sont apparus en premier. Dans ce modèle, l'ARN, capable de combiner à la fois les deux types de fonctions, serait le précurseur universel.

ARN messagers

L'information génétique contenue au sein de l'ADN n'est pas utilisée directement par la cellule pour synthétiser des protéines. Celle-ci utilise pour cela des copies transitoires de l'information génétique que sont les ARN messagers ou ARNm. Chaque ARN messager porte un ou, parfois, plusieurs cistrons, c'est-à-dire les instructions pour former une seule protéine. Il correspond donc à la copie d'un seul des gènes du génome (on parle alors d'ARNm monocistronique) ou parfois de quelques-uns (ARNm polycistronique).

L'ARN messager ne contient la copie que d'un seul des deux brins de l'ADN, celui qui est codant, et non la séquence complémentaire. Par rapport à la séquence du gène contenue dans l'ADN du génome, celle de l'ARNm correspondant peut contenir des modifications, en particulier dues à l'épissage (voir plus haut) qui élimine les régions non codantes. L'ARN messager synthétisé dans le noyau de la cellule est exporté dans le cytoplasme pour être traduit en protéine. Contrairement à l'ADN, qui est une molécule pérenne, présente pendant toute la vie de la cellule, les ARN messagers ont une durée de vie limitée, de quelques minutes à quelques heures, après quoi ils sont dégradés et recyclés.

Un ARN messager comporte trois régions distinctes : une région 5′ non traduite dite 5′-UTR, située en amont du ou des cistrons qu'il porte ; une région codante correspondant à ce ou à ces cistrons ; et enfin, une région 3′ non traduite dite 3′-UTR. Les ARN messagers sont traduits en protéines par les ribosomes. La région 5′ non traduite contient en général les signaux de traduction permettant le recrutement du ribosome sur le cistron. Le processus de traduction fait également intervenir les ARN de transfert qui apportent au ribosome les acides aminés nécessaires à la biosynthèse des protéines. Au sein du ribosome, par leur anticodon, les ARNt s'apparient successivement aux triplets de bases, ou codons, de la séquence de l'ARNm. Lorsque l'appariement codon-anticodon est correct, le ribosome ajoute l'acide aminé porté par l'ARNt à la protéine en cours de synthèse. Les correspondances entre codons et acides aminés constituent le code génétique.

La fonction des ARN messagers est multiple. Ils permettent d'une part de préserver la matrice d'ADN originale, qui n'est pas directement utilisée pour la traduction, la cellule ne travaillant que sur la copie qu'est l'ARNm. L'e**stence d'ARN messagers offre surtout à la cellule un mécanisme crucial de régulation du cycle de production des protéines à partir du génome. Le besoin cellulaire en telle ou telle protéine peut varier en fonction de l'environnement, du type de cellule, du stade de développement. La synthèse protéique doit donc être activée ou arrêtée en fonction des conditions cellulaires. La régulation de la transcription de l'ADN en l'ARNm répond à cette nécessité et est contrôlée par des facteurs de transcription spécifiques agissant sur les promoteurs des gènes cibles. Lorsque la quantité d'une protéine donnée est suffisante, la transcription d'ARNm est inhibée, celui-ci est progressivement dégradé et la production protéique cesse. Il est donc important que l'ARNm soit une molécule transitoire, afin de pouvoir réaliser cette régulation essentielle.

ARN de transfert

Vue tridimensionnelle de l'ARN de transfert pour la phénylalanine chez la levure (PDB 1EHZ) : - jaune : site de l'acide aminé ; - violet : tige accepteur ; - vert : boucle TΨC ; - rouge : branche D ; - orange : boucle variable ; - bleu : boucle de l'anticodon ; - gris : anticodon.

Les ARN de transfert, ou ARNt, sont de courts ARN, longs d'environ 70 à 100 ribonucléotides, impliqués dans l'adressage des acides aminés vers les ribosomes lors de la traduction.

Les ARN de transfert ont une structure caractéristique en feuille de trèfle, composée de quatre tiges appariées. L'une de ces tiges est terminée par une boucle qui contient l'anticodon, le triplet de nucléotides qui s'apparie au codon lors de la traduction d'un ARNm par le ribosome. À l'autre extrémité, l'ARNt porte l'acide aminé correspondant attaché par une liaison ester à son extrémité 3′-OH. Cette estérification est catalysée par des enzymes spécifiques, les aminoacyl-ARNt synthétases. En trois dimensions, la structure en feuille de trèfle se replie en « L », avec l'anticodon à une extrémité et l'acide aminé estérifié à l'autre extrémité.

Toutes les cellules vivantes contiennent un ensemble d'ARNt différents portant les différents acides aminés et capable de lire les différents codons.

Les ARN de transfert sont parfois désignés comme des « adaptateurs » entre la séquence génétique et la séquence protéique. C'est Francis Crick qui a proposé l'e**stence de ces adaptateurs, avant même leur découverte en 1958.

ARN catalytiques ou ribozymes

Structure de la ribonucléase P, une enzyme présente dans toutes les cellules vivantes et dont l'activité enzymatique est portée par un ARN.

La découverte d'ARN possédant des capacités catalytiques a été faite dans les années 1980, en particulier par l'équipe de Thomas Cech, qui travaillait sur les introns du gène de l'ARN ribosomique du protozoaire cilié Tetrahymena, et celle de Sidney Altman, qui étudiait la ribonucléase P, l'enzyme de maturation de l'ARNt. Cech et Altman ont été récompensés par le prix Nobel de chimie en **** pour cette découverte.

Dans ces deux cas, l'ARN seul est capable de catalyser une réaction de clivage (coupure) ou de transestérification spécifique en l'absence de protéine. Ces ARN catalytiques ont été appelés ribozymes, car ce sont des enzymes constituées d'acide ribonucléique. Dans le cas de l'intron de Tetrahymena, il s'agit d'un auto-épissage, l'intron étant son propre substrat, tandis que la ribonucléase P est une enzyme agissant en trans, sur des substrats multiples.

Structure du ribozyme en tête de marteau présent dans le génome d'un viroïde infectant le plant d'avocat.

Depuis ces découvertes initiales, d'autres ribozymes naturels ont été identifiés :

les ARN de viroïdes ou de virus satellites (virusoïdes) qui sont capables de se cliver eux-mêmes ;

il e**ste aujourd'hui des arguments très forts, basés sur la résolution de sa structure 3D, pour affirmer que le ribosome, le complexe de ribonucléoprotéines responsable de la traduction de l'ARNm en protéines, est lui-même un ribozyme. Les deux sites actifs du ribosome, le centre de décodage sur la petite sous-unité et le centre peptidyltransférase qui forme les liaisons peptidiques, sont en effet exclusivement composés de segments d'ARN ribosomique ;

le splicéosome, qui catalyse l'épissage des ARNm cytoplasmiques des eucaryotes, est probablement aussi un ribozyme ;

certains riboswitchs, qui sont des régions régulatrices structurées portées par des ARN messagers, ont une activité catalytique de coupure en présence d'un ligand ;

il e**ste enfin des ribozymes synthétiques, qui ont été isolés par des méthodes d'évolution in vitro, comme la technique SELEX. On a ainsi pu isoler des ARN catalytiques synthétiques capables de catalyser une grande variété de réactions chimiques et de fixer des ligands très divers, ce qui a été interprété comme un argument en faveur de l'hypothèse du monde à ARN. De tels ARN synthétiques sont parfois appelés des aptamères, puisqu'ils sont « aptes » à réaliser une tâche donnée.

De manière générale, dans tous ces ribozymes, c'est leur repliement spécifique qui leur permet d'effecteur la reconnaissance de leur substrat et la catalyse, comme dans le cas des enzymes protéiques.

ARN guides

Les ARN guides sont des ARN qui s'associent à des enzymes protéiques et servent à en guider l'action sur des ARN ou des ADN de séquence complémentaire. L'ARN guide s'apparie à l'acide nucléique substrat et permet de cibler l'activité de l'enzyme. On a identifié plusieurs types :

les petits ARN nucléolaires, ou snoARN : dans le nucléole des cellules eucaryotes, ils dirigent l'action d'enzymes de modification de l'ARN ribosomique, en particulier les 2′-O-méthylations par les snoARN C/D et les pseudouridylations par les snoARN H/ACA. Ce mécanisme permet à la cellule de modifier spécifiquement de multiples positions de l'ARNr, avec une seule enzyme en utilisant différents snoARN comme guides. Les snoARN sont souvent codés par des séquences introniques ;

les microARN sont également des ARN guides qui interviennent dans le processus d'interférence par ARN : associés à un complexe protéique appelé RISC (RNA induced silencing complex), ces petits ARN provoquent soit une dégradation de l'ARNm cible auquel ils s'apparient, soit une répression de sa traduction ;

TERC (telomerase RNA component), la sous-unité ARN de la télomérase : cet ARN structuré est associé à la transcriptase inverse qui synthétise les télomères, extrémités des chromosomes. Il contient une séquence qui sert de substrat à la télomérase pour synthétiser l'ADN télomérique de séquence complémentaire. Il guide donc l'activité de l'enzyme, mais en servant de matrice, plutôt qu'en formant un appariement avec le substrat ;

les lincARN, présents chez les mammifères, sont de grands ARN intergéniques non codants mais transcrits comme les ARNm par l'ARN polymérase II. Leur longueur leur permet d'adopter une structure tridimensionnelle complexe. Ces structures permettent leur interaction avec différent cofacteurs transcriptionnels tel que hnRNP-K ou PRC2 (principalement des inhibiteurs de la transcription). Ces complexes sont ensuite guidés grâce aux lincARN sur les séquences régulatrices des gènes afin d'inhiber leur expression. La liaison des lincARN avec l'ADN impliquerait un appariement des bases ARN avec les bases ADN correspondantes après désappariement de la double hélice d'ADN, voire la formation de triple hélice ADN-ADN-ARN.

ARN régulateurs

Chatte au pelage tricolore, dit écaille de tortue, lié à une inactivation du chromosome X par l'ARN **. Seules les femelles XX présentent ce pelage mélangé.

Certains ARN jouent un rôle de régulateurs directs de l'expression génétique. C'est en particulier le cas d'ARN non codants possédant des régions complémentaires d'ARN messagers cellulaires et qui peuvent donc s'y apparier pour former localement un double brin d'ARN. Ces ARN antisens peuvent être issus du même locus génétique que leur ARN cible, par transcription du brin complémentaire, on parle alors d'ARN cis-régulateurs. Ils peuvent aussi être issus de la transcription d'une autre région du génome, ce sont alors des ARN trans-régulateurs.

L'appariement de l'ARN régulateur avec son ARN messager cible peut agir sur la capacité de ce dernier à être traduit par le ribosome ou sur sa stabilité, ce qui aboutit à une régulation de la traduction du ou des gènes portés par l'ARN messager. Chez les bactéries, il e**ste ainsi de nombreux exemples d'ARN antisens cis- ou trans-régulateurs qui bloquent le site de démarrage de la traduction. Par exemple, le gène codant la porine OmpF est régulé par un ARN antisens appelé MicF.

Chez les eucaryotes, il e**ste aussi de grands ARN régulateurs, qui interviennent dans des processus de régulation épigénétique. L'exemple le mieux connu est celui de l'ARN ** chez les mammifères. Celui-ci inactive non pas un gène, mais un chromosome entier. **st recouvre l'un des deux chromosomes X de chaque cellule chez les individus femelles qui devient ainsi inactif. Un seul des deux chromosomes de la paire XX est ainsi actif, ce qui permet d'avoir le même taux d'expression des gènes portés par le chromosome X que chez les individus mâles, qui n'en ont qu'un. L'inactivation du X est un processus aléatoire, ce qui peut conduire à l'expression de différents phénotypes par différentes cellules, chez la même femelle. C'est par exemple le cas pour la couleur du pelage chez les chattes.

Utilisations thérapeutiques et biotechnologiques

L'ARN est utilisé aujourd'hui dans un certain nombre d'applications en biologie moléculaire, en particulier grâce au processus d'interférence par ARN, qui consiste en l'introduction dans des cellules eucaryotes de courts fragments d'ARN double-brin appelés « petits ARN interférents ». Longs d'une vingtaine de paires de bases, ces petits ARN interférents (pARNi) sont utilisés par une machinerie cellulaire capable de dégrader les ARNm de manière spécifique. Seuls les ARNm contenant une séquence correspondant à celle du pARNi sont dégradés, ce qui permet de diminuer sélectivement l'expression d'une protéine donnée. Cette approche technologique est beaucoup plus simple et rapide que l'établissement de lignées murines inactivées (knock-out) et s'appelle un knock-down.

Des essais d'utilisation de cette technique à des fins thérapeutiques sont envisagés, par exemple en ciblant des gènes viraux pour lutter contre des infections, ou des oncogènes, dans le cas de cancers. Ils nécessitent cependant de stabiliser les petits ARN interférents (pARNi) pour éviter leur dégradation par des ribonucléases et de cibler leur action vers les cellules concernées.

Historique

Les acides nucléiques ont été découverts en 1868 par Friedrich Miescher. Miescher appela la nouvelle substance « nucléine » car elle se trouvait dans le noyau des cellules. La présence d'acides nucléiques dans le cytoplasme de la levure fut identifiée en 1939 et leur nature ribonucléique fut établie, contrairement aux chromosomes qui contenaient de l'ADN avec des désoxyriboses.

Vers 1940, le biologiste belge Jean Brachet étudie des molécules jusque-là peu caractérisées, que l'on appelle encore à l'époque les "acides thymonucléiques et zymonucléiques" (respectivement l'ADN et l'ARN). Il découvre que l'acide thymonucléique est un composant des chromosomes et qu'il est synthétisé lorsque les cellules se divisent après la fécondation. Il met en évidence l'e**stence d'acides zymonucléiques (ARN) dans tous les types cellulaires: dans le noyau, le nucléole et le cytoplasme de toutes les cellules (alors que l'on pensait à l'époque que ces molécules étaient caractéristiques des cellules végétales et des eucaryotes inférieurs tels que les levures). Enfin, il montre que ces acides sont particulièrement abondants dans les cellules (plus particulièrement dans l'ergastoplasme) qui sont très actives en termes de synthèse protéique. Les bases fondamentales de la biologie moléculaire étaient établies. Nous étions en 1940. Dans l'après-guerre, Brachet est rejoint par le biologiste moléculaire belge Raymond Jeener qui participera activement aux recherches sur le rôle de l'ARN dans la biosynthèse des protéines.

À la fin des années 1950, Severo Ochoa parvint à synthétiser in vitro des molécules d'ARN au moyen d'une enzyme spécifique, la polynucléotide phosphorylase, ce qui permit l'étude des propriétés chimiques et physiques de l'ARN.

Le rôle de l'ARN comme « messager » intermédiaire entre l'information génétique contenue dans l'ADN et les protéines fut proposé en 1960 par Jacques Monod et François Jacob à la suite d'une discussion avec Sydney Brenner et Francis Crick. La démonstration de l'e**stence de l'ARN messager a été faite par François Gros. Ensuite, le déchiffrage du code génétique a été réalisé par Marshall Nirenberg dans la première moitié des années 1960. Il utilisa pour cela des ARN synthétiques de séquence nucléotidique connue dont il étudia les propriétés de codage.

Les ribosomes furent observés pour la première fois par le biologiste belge Albert Claude au début des années 1940. Par des techniques de fractionnement subcellulaire et de microscopie électronique, il mit en évidence des « petites particules » de nature ribonucléoprotéique, présentes dans tous les types de cellules vivantes. Il les baptisa « microsomes », plus tard renommés ribosomes.

La structure secondaire des ARNt a été établie par Robert Holley, qui est parvenu à purifier et à analyser la séquence de l'ARNt spécifique de l'alanine en 19**. Ce fut un progrès majeur dans la compréhension du déchiffrage du message génétique porté par les ARN messagers. La structure tridimensionnelle d'un ARNt a été résolue en 1974, indépendamment, par les équipes de Aaron Klug et Alexander Rich, montrant pour la première fois la structure complexe d'un ARN. L'e**stence de propriétés catalytiques des ARN a été établie indépendamment par Sidney Altman et Tom Cech en 1982, sur la ribonucléase P d'une part et sur les introns autoépissables d'autre part. La résolution de la structure des sous-unités individuelles du ribosome en 2000 par les équipes de Tom Steitz, Ada Yonath et Venki Ramakrishnan, puis celle du ribosome entier par l'équipe de Harry Noller en 2001, constituèrent un progrès essentiel dans la compréhension du mécanisme central de la biologie qu'est la traduction des ARNm en protéines. De plus, cela permit de montrer, entre autres, que le ribosome était aussi un ribozyme.

Durant les années 1970, Timothy Leary, dans son ouvrage La Politique de l'Extase, verra dans l'ARN la promesse d'une future modification de la conscience (possiblement via de nouvelles drogues, et/ou d'exercices spirituels), dont il serait une composante agrandissant les capacités d'apprentissage de celui qui se livrerait à de telles expériences.

Hypothèse du monde à ARN

L'hypothèse du monde à ARN est une hypothèse suivant laquelle l'ARN serait le précurseur de toutes les macromolécules biologiques et particulièrement de l'ADN et des protéines qui auraient permis dans un environnement abiotique (caractérisé par une chimie prébiotique en partie hypothétique) l'apparition de premières cellules vivantes, c'est-à-dire, formant un compartiment, et comportant de l'information et des sous-systèmes métaboliques.

Dans le cadre de l'étude des origines de la vie, cette hypothèse permet une explication de l'apparition des différentes fonctions biologiques via la constitution de certains blocs biomoléculaires à partir d'intermédiaires prébiotique plausibles et de molécules basées sur le carbone. Il a été démontré que des précurseurs plausibles des ribonucléotides, des acides aminés et des lipides peuvent tous être obtenus par homologation réductrice du cyanure d'hydrogène et de certains de ses dérivés. Chacun des sous-systèmes cellulaires connus pourrait donc être expliqué par la chimie du carbone, avec des réaction catalysées par la lumière ultraviolette a priori très présente avant l'apparition de la couche d'ozone, à partir du sulfure d'hydrogène comme agent réducteur. Le cycle photoréducteur pourrait lui-même être accéléré par le cuivre [Cu(I)-Cu(II)].

一段溶于水中而折叠成发夹状螺旋构造的部分单股mRNA分子结构。

酵母苯丙氨酸转运核糖核酸的X射线结构。 紫色：受干 酒红色：D-环 蓝：反密码子环 橙：可变环 绿色：TPsiC环 黄：在接受茎的CCA-3' 灰色：反密码子

核糖核酸（英语：ribonucleic acid，缩写：RNA）是一种重要的生物大分子，因为分子由核糖核苷酸组成而得名。

每个RNA分子都由核苷酸单元长链组成，每个核苷酸单元含有一个含氮碱基、一个核糖和一个磷酸基。RNA是具有细胞结构的生物的遗传消息中间载体，并参与蛋白质合成；还参与基因表达调控。对一部分病毒而言，RNA是其唯一的遗传物质。

RNA存在于一切细胞的细胞质和细胞核中，也存在于大多数已知的植物病毒和部分动物病毒以及一些噬菌体中。

结构

RNA是由核糖核苷酸经磷酸双酯键缩合而成的长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和含氮碱基构成。RNA的碱基主要有四种，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U），另外还有多种特殊碱基存在于特定类型RNA。 与脱氧核糖核酸（DNA）不同的是，RNA一般为单股长分子，但在一般水溶液中会形成分子内双螺旋结构。此外，RNA本身也需要通过碱基配对原则形成一定的二级结构乃至三级结构来行使生物学功能。RNA的碱基配对规则基本上和DNA相同，不过其中尿嘧啶在配对上的作用，相当于DNA中的胸腺嘧啶。

DNA与RNA的比较

DNA与RNA的比较 项目 DNA RNA 解说 组成主干之糖类分子 2-去氧核糖和磷酸 核糖和磷酸 骨架结构 规则的双螺旋结构 单螺旋结构 即脱氧核糖核酸由两条脱氧核苷酸链构成，而核糖核酸由一条核糖核苷酸链构成。 核苷酸数 通常上百万 通常数百至数千个 碱基种类 腺嘌呤（A） 胸腺嘧啶（T） 胞嘧啶（C） 鸟嘌呤（G） 腺嘌呤（A） 尿嘧啶（U） 胞嘧啶（C） 鸟嘌呤（G） 除部分例外，DNA为胸腺嘧啶，RNA为尿嘧啶。 五碳糖种类 脱氧核糖 核糖 五碳糖连接组成分 氢原子 羟基 在五碳糖的第二个碳原子上连接的组成分不同。 存在 细胞核（少量存在于线粒体、叶绿体） 细胞质

合成

RNA的的合成通常是透过RNA聚合酶的催化，使用DNA作为模板的制造RNA，此过程被称为转录。在转录开始时，RNA聚合酶结合至DNA的启动子串行（通常在基因的上游），然后由解旋酶松开DNA的双螺旋结构，酵素便沿着DNA模板3'至5'的方向，逐渐合成由5'至3'方向延长的互补的RNA分子。而DNA串行也决定了的RNA合成将于何处终止。 在RNA转录后，通常会被酵素修饰。例如真核细胞内，未成熟的前mRNA会被加入多腺嘌呤尾(poly A tail)和5'端帽(5'cap)并由剪接体除去内含子。 此外，也存在一些RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)，将RNA作为模板来合成新的RNA链。例如一些RNA病毒（如脊髓灰质炎病毒），利用这种类型的酵素，来复制它们的遗传物质。 然而在许多生物体中，RNA依赖的RNA聚合酶，是RNA干扰生物途径一部分。

核糖核酸的种类和作用

信使RNA（mRNA）

转运RNA（tRNA）

核糖体RNA（rRNA）

小干扰RNA（SiRNA）

微RNA（miRNA）

核小RNA（snRNA）

概述

在细胞中，根据结构功能的不同，RNA主要分三类，即tRNA、rRNA，以及mRNA。mRNA是依据DNA串行转录而成的蛋白质合成模板；tRNA是mRNA上遗传密码的识别者和氨基酸的转运者；rRNA是组成核糖体的部分，而核糖体是蛋白质合成的机械。 细胞中还有许多种类和功能不一的小型RNA，像是组成剪接体（spliceosome）的snRNA，负责rRNA成型的snoRNA，以及参与RNAi作用的miRNA与siRNA等，可调节基因表现。而其他如I、II型内含子、RNase P、HDV、核糖体RNA等等都有催化生化反应过程的活性，即具有酶的活性，这类RNA被称为核酶。 转录 此图是一个细胞，内圈的即是核膜，核膜内最上面那条是一个正常的双股DNA，而往下一个则是已松开两股，正在进行转录的DNA。第三条是合成好的mRNA，最外圈的图显示mRNA已经离开了细胞核，来到了细胞质进行转译。 组成DNA的含氮碱基有A、T、G、C，而RNA之碱基无T，取而代之的是U，也就是由A、U、G、C构成。在DNA中，A与T以两条氢键链接，G与C以三条氢键链接，但RNA只有U而无T，所以在转录时DNA上的若是A，mRNA就会以U取代原本T的位置，即若DNA的一股碱基串行为「AAACCG」，则左方的RNA会配对出「UUUGGC」。 转录系指DNA的两股松开，使RNA聚合酶可依照DNA上的碱基串行合成相对应之信使RNA(mRNA)的过程。mRNA携带遗传密码，使得每三个核苷酸（密码子）对应于一个氨基酸。在真核细胞中，当前信使RNA(pre-mRNA)，从DNA转录出来后，它将被修饰为成熟的mRNA，并被带出核膜外，并与核糖体结合，并借由转运RNA(tRNA)的协助，进一步转译出胺基酸链，再经过折叠修饰后，合成所需之蛋白质。而在没有细胞核的原核细胞中，mRNA会在转录进行时，同时与核糖体结合转译出蛋白质。一段时间后，该mRNA会被核糖核酸酶，降解为核苷酸。 调控RNA 许多种类的RNA，能够透过与mRNA或DNA上的基因片段，部分互补的方式，来调降基因表现。例如在真核生物细胞内，所发现的微RNA(miRNA; 21-22 nt)，能引发RNA干扰。miRNA与酵素复合体，会切碎mRNA，阻止该mRNA被转译，或加速其降解。 虽然小干扰RNA(siRNA; 20-25 nt)的产生，通常是由分解病毒RNA得到，然而也存在内源性的siRNA。而siRNA引发RNA干扰的机制类似miRNA，有些miRNA和siRNA，能造成其目标基因被甲基化，从而促进或抑制该基因的转录。.此外，在动物生殖细胞内，所活跃的Piwi-interacting RNA(piRNA; 29-30 nt)，被认为能预防转座子，并在配子的发生上，扮演重要角色。 许多的原核生物，具有CRISPR RNAs，其作用机制类似于真核生物的RNA干扰。其中反义RNA(Antisense RNAs)是最常见的，大多数能调降基因表现，但也有少部分会活化转录进行。反义RNA的作用机制之一，是借由与mRNA互补配对，来形成双股RNA，而被酵素降解。此外，在真核细胞内，也许多能调控基因的非编码RNA，一个常见的例子是**st，它会附在雌性哺乳动物的其中一个X染色体上，造成其去活化。 一段mRNA自身可能带有调控组件，例如riboswitches，在其五端非转译区(5' untranslated region)或三端非转译区(3' untranslated region)，包含有顺式作用组件(cis-regulatory elements)能够调控该mRNA的活性。此外，非编码区上也有可能带有，能调控其它基因的调控组件。 修饰其它RNA 一种的常见RNA修饰，尿苷(Uridine)被转换成假尿苷(Pseudouridine)。 许多的RNA会帮助修饰其它RNA。如前信使RNA(pre-mRNA)中的内含子，会被含有许多核小RNA(snRNA)的剪接体剪接。或者RNA本身能作为核酶，剪接自己的内含子。 RNA上的核苷酸也可能被修饰，变成非A、U、G、C的核苷酸。在真核细胞中，RNA上核苷酸的修饰，通常是由在细胞核与卡哈尔体中发现的，小核仁RNA(snoRNA; 60-300 nt)所主导。snoRNA会链接酵素，并以碱基对的方式，引导它们去接上RNA，之后酵素便开始RNA核苷酸的修饰。碱基修饰广泛发生于rRNA与tRNA中，然而snRNA与mRNA也有可能是碱基修饰的目标。此外，RNA也可能被甲基化。 RNA基因组 如同DNA，RNA也可以携带遗传信息。RNA病毒的基因组由RNA组成，可以转译出多种蛋白质，其中一些负责基因组的复制，而其它的则作为保护构造，在病毒离开宿主细胞后，保护基因组。类病毒是另一种类型的病原体，但它们仅由RNA组成，且该RNA并不会转译出任何蛋白质，并利用宿主的聚合酶来复制。 逆转录 反转录病毒借由将RNA反转录成为DNA，DNA副本再转录为RNA的方式，来复制他们的基因组。反转录转座子也利用此方法，来复制DNA与RNA，以完成转座。此外，真核细胞内的端粒酶，也包含一个作为模板的RNA，利用它来延长染色体端粒。 双链RNA 双链RNA(dsRNA)是指具有两个互补链的RNA，与细胞中的DNA结构相似，它也是某些病毒(双链RNA病毒)的遗传物质。双链RNA如病毒RNA或小干扰RNA(siRNA)，可以触发真核生物的RNA干扰，以及脊椎动物的干扰素反应。

发现史

罗伯特·威廉·霍利(左侧)及其研究团队合影。 与RNA相关的研究，造就了许多生物学的发现，以及诺贝尔奖。而核酸于1868年由弗雷德里希·米歇尔(Friedrich Miescher)发现，当时他将该物质称作「核素」，因为它是在细胞核中被找到的。但不久后，科学家也在没有细胞核的原核生物中，也发现了核酸。此外，早在1939年就有人怀疑，RNA在蛋白质合成中所扮演的角色。塞韦罗·奥乔亚(Severo Ochoa de Albornoz)与阿瑟·科恩伯格(Arthur Kornberg)，因为在实验室内发现了，能够合成RNA的酵素，而获得1959年的诺贝尔生理学或医学奖然而，之后的研究显示，由他们所发现的酵素多核苷酸磷酸化酶，是负责RNA降解，而非RNA合成。 罗伯特·威廉·霍利（Robert W. Holley）于1965年，发现酵母菌里大小为77个核苷酸的tRNA串行， 并于1968年与哈尔·葛宾·科拉纳（Har Gobind Khorana）以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）共同获得了诺贝尔生理或医学奖。在1967年，卡尔·乌斯推测RNA可能具有催化能力，并提出建议指出，最早的生命形式（自我复制的分子）可能依赖于RNA，来携带遗传信息和催化生化反应，即RNA世界学说。 反转录病毒及反转录酶，于1970年代早期被发现的，使人们了解到RNA能被反转录为DNA(与中心法则的一般情况，DNA转录为RNA相反)。 这项发现，使戴维·巴尔的摩(David Baltimore)、罗纳托·杜尔贝科(Renato Dulbecco)与霍华德·马丁·特明(Howard Temin)，共同获得了1975年的诺贝尔生理学或医学奖。此外在1976年，瓦尔特·菲尔斯以及他的团队，首度确定了RNA病毒完整基因组的碱基串行(噬菌体MS2)。 在1997年，菲利普·夏普(Philip Sharp)与理察·罗伯茨(Richard Roberts)，因为发现哺乳类动物病毒及细胞基因中，具有内含子且会发生RNA剪接，而获得1993年的诺贝尔生理学或医学奖。具有催化功能的RNA(核酶)在1980年代早期被发现，而使得托马斯·切赫(Thomas Cech)与西德尼·奥尔特曼(Sidney Altman)，获得****年的诺贝尔化学奖。而1990年所发现在碧冬茄属上，导入基因会静默植物体自身相似的基因的现象，现今被认为是RNA干扰的结果。 且大约在同时，大小约22个核苷酸的RNA(现在被称为微RNA)，被发现在线虫的发育上，扮演重要角色。而于RNA干扰的研究，让安德鲁·法厄(Andrew Fire)与克雷格·梅洛(Craig Mello)，获得了2006年的诺贝尔生理学或医学奖；而同年的诺贝尔化学奖，得奖原因也与RNA相关(在RNA转录上的研究)，由罗杰·科恩伯格(Roger Kornberg)获得。此外调控RNA的发现，促使了RNA药物的开发，如利用小干扰RNA来静默目标基因。