Es gibt drei RNA-Typen, die in der Proteinsynthese eine Rolle spielen: Boten-RNA (englisch messenger RNA, mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA). Diese RNAs haben verschiedene Funktionen und können allgemein in proteinkodierende und nicht-kodierende RNAs aufgeteilt werden. Nicht-kodierende RNAs spielen eine große Rolle in der Regulierung der Genexpression als Antwort auf Veränderungen während der Entwicklung und der Umwelt. Nicht-kodierende RNAs in Prokaryoten können verändert werden um bessere antibakterielle Medikamente für die Nutzung in Mensch und Tier zu entwickeln.
Die zentrale Lehre der Molekularbiologie besagt, dass DNA die Information für die Proteinkodierung enthält und das die RNA diese Information für die Proteinsynthese nutzt. Verschiedene RNA-Typen spielen eine Rolle in der Proteinsynthese. Je nachdem ob sie Proteine kodieren, werden RNAs allgemein in proteinkodierende und nicht-kodierende RNAs kategorisiert.
Die Boten-RNA (mRNA) ist eine proteinkodierende RNA, die aus Codons besteht. Das sind Sequenzen mit drei Nukleotiden, die jeweils eine bestimmte Aminosäure kodieren. Die Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA) sind nicht-kodierende RNAs. Die tRNA wirkt als ein Adaptermolekül, das die mRNA-Sequenz liest und die Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge in der wachsenden Polypeptide-Kette platziert. Die rRNA und andere Proteine bilden das Ribosome, sozusagen den Sitz der Proteinsynthese der Zelle. Die Ribosome bewegen sich entlang der mRNA während Translation. Dabei stabilisieren sie die Bindung der tRNA-Moleküle und katalysieren die Bildung der Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren. Zusammenfassend kann man sagen, dass die verschiedenen RNA-Typen spezifische Funktionen während der Proteinsynthese haben, die sich komplementieren.
Nicht-kodierende RNAs, außer tRNA und rRNA, wurden anfänglich als genomischer Müll bezeichnet, da sie keine Proteine kodieren. Jedoch wurde in den letzten Jahrzehnten festgestellt, dass diese RNAs die Genexpression regulieren und diese Funktionen werden auch weiterhin viel erforscht. Anhand ihrer Länge können die nicht-kodierenden RNAs in kleine regulatorische RNAs (< 100 Nukleotide), oder lange nicht-kodierende RNAs (> 200 Nukleotide).
Die kleinen regulatorischen RNAs und die langen nicht-kodierenden RNAs regulieren beide die Genexpression durch die Beeinflussung verschiedener Schritte der Transkription und Translation. Nicht-kodierende RNAs können das Spleißen verändern. Das Spleißen bewirkt das Ausschneiden von nicht-kodierenden Proteinsegmenten und das Verbinden von proteinkodierenden Sequenzen. Daher können sie die Bildung verschiedener Proteinvarianten von einem einzelnen Gen kontrollieren. Kleine regulierende RNAs, so wie die microRNAs (miRNAs) und die small interfering RNAs (siRNAs), binden an komplementäre Sequenzen in der mRNA. Dabei hemmen sie die Proteinsynthese entweder durch das Blockieren der Binding der Translationsmaschinerie an die mRNA oder durch den Abbau der mRNA. Lange nicht-kodierende RNAs binden und ziehen Enzyme an, die die DNA und Histone chemisch modifizieren um entweder die Transkription zu fördern oder zu hemmen. Histone sind Protein, die bei der Packung der DNA helfen.
Die Regulation der Genexpression durch RNA wird oft in Bakterien genutzt. Regulatorische Sequenzen in der mRNA, die Riboswitches, wirken als Umweltsensoren da sie Veränderungen in der Temperatur und den verfügbaren Nährstoffen wahrnehmen.
Die Regulation durch die Riboswitche hängt von der Bildung zweier sich gegenseitig ausschließenden stabilen Konformationen der Sekundärstruktur der RNA ab. Der Wechsel der Sekundärstruktur zwischen den zwei Konformationen führt zum Anschalten oder Ausschalten der Genexpression als Antwort auf Veränderungen in der Umgebung. Zum Beispiel wenn die Listeria monocytogenes Bakterien einen Wirt infizieren, führt die erhöhte Körpertemperatur zum Abbau der Sekundärstrukturen in der 5 untranslatierten Region der bakteriellen mRNA. Dadurch wird eine Ribosomenbindestelle an der mRNA frei wodurch die Proteintranslation initiiert wird und somit können die Bakterien nun in dem Wirt leben und wachsen.
Einige Riboswitche können auf die Endprodukte einiger Stoffwechselwege reagieren und wirken somit als Feedback-Kontrolle für die Transkription oder Translation. Zum Beispiel reguliert der Thiaminpyrophosphat-Riboswitch die Biosynthese des Thiamins in Bakterien. Wenn eine ausreichende Menge an Thiamin produziert wurde, bindet es den Riboswitch und verändert dessen Konformation. Dieser Konformationswechsel blockiert die Initiierungsstelle der Translation und beendet die Proteinsynthese.
Substanzen, die der Struktur von Thiamin ähneln, werden als potenzielle antibakterielle Substanzen untersucht. Diese Stoffe sollen den Riboswitch in Abwesenheit von Thiamin binden und den Konformationswechsel verursachen, der die Translation von notwendigen Proteinen für die Thiaminsynthese blockiert. Da die Bakterien somit unfähig sind diesen Nährstoff zu produzieren, wachsen sie nicht weiter und sterben schließlich. Da Riboswitche öfter in Prokaryoten als in Eukaryoten vorkommen, müssten antibakterielle Riboswitch-Substanzen geringe Nebenwirkungen in Säugetieren haben.
