mikroRNA: novo razumevanje mehanizma delovanja pri virusnih okužbah in njegov pomen

MikroRNA ali skratka miRNA (ne smemo zamenjati z mRNA ali selsko RNA) so bile odkrite leta 1993 in so bile v zadnjih dveh desetletjih obsežno raziskane zaradi njihove vloge pri uravnavanju izražanja genov. miRNA se različno izražajo v različnih telesnih celicah in tkivih. Nedavne raziskave znanstvenikov z univerze Queen's v Belfastu so razkrile mehanistično vlogo miRNA pri regulaciji imunskega sistema, ko telesne celice izzovejo virusi. Te ugotovitve bodo vodile k boljšemu razumevanju bolezni in njihovega izkoriščanja kot tarč za nov terapevtski razvoj.  

MikroRNA oz miRNA so v zadnjih dveh desetletjih pridobili na priljubljenosti zaradi svoje vloge v posttranskripcijskih procesih, kot so diferenciacija, presnovna homeostaza, proliferacija in apoptoza ^(1-5). miRNA so majhne enoverižne RNA zaporedja, ki ne kodirajo nobenih proteinov. Izhajajo iz večjih predhodnikov, ki so dvoverižni RNA. Biogeneza miRNA se začne v jedru celice in vključuje nastanek primarnega miRNA prepisi po RNA polimeraze II, ki ji sledi obrezovanje primarnega transkripta, da sprosti lasnico pre-miRNA z encimskim kompleksom. Primarni miRNA se nato izvozi v citoplazmo, kjer nanj deluje DICER (proteinski kompleks, ki nadalje cepi pre-miRNA), pri čemer nastane zrela enoverižna miRNA. Zrela miRNA se integrira kot del RNA induciranega utišajočega kompleksa (RISC) in inducira posttranskripcijsko utišanje genov s pritrditvijo RISC na komplementarne regije, ki jih najdemo znotraj 3' neprevedenih regij (UTR) v ciljnih mRNA. 

Zgodba se je začela leta 1993 z odkritjem miRNA in C.elegans avtorja Leeja in njegovih kolegov ⁽⁶⁾. Opazili so, da je bil protein LIN-14 znižan z drugim prepisanim genom, imenovanim lin-4, in ta znižana regulacija je bila potrebna za razvoj ličink v C.elegans pri napredovanju iz stopnje L1 v L2. Transkribirani lin-4 je povzročil znižanje ekspresije LIN-14 preko komplementarne vezave na regijo 3'UTR lin-4 mRNA, z majhnimi spremembami mRNA ravni lin-4. Ta pojav je bil sprva mišljen kot ekskluziven in specifičen za C. elegans, do približno leta 2000, ko so jih odkrili pri drugih živalskih vrstah ⁽⁷⁾. Od takrat je prišlo do poplave raziskovalnih člankov, ki opisujejo odkritje in obstoj miRNA v rastlinah in živalih. Več kot 25000 miRNA so bili doslej odkriti in za mnoge natančna vloga, ki jo imajo v biologiji organizma, še vedno ostaja nedosegljiva. 

miRNA izvajajo svoje učinke s post-transkripcijskim zatiranjem mRNA z vezavo na komplementarna mesta v 3' UTR mRNA, ki jo nadzorujejo. Močna komplementarnost nameni mRNA za razgradnjo, medtem ko šibka komplementarnost ne povzroči nobenih sprememb v ravni mRNA, ampak povzroči zaviranje translacije. Čeprav je glavna vloga miRNA pri zatiranju transkripcije, delujejo tudi kot aktivatorji v redkih primerih ⁽⁸⁾. miRNA igrajo nepogrešljivo vlogo pri razvoju organizma, saj uravnavajo gene in genske produkte vse od embrionalnega stanja do razvoja organov in organskih sistemov. ^(9-11). Poleg njihove vloge pri vzdrževanju celične homeostaze so bile miRNA vpletene tudi v različne bolezni, kot je rak (miRNA deluje kot aktivator in represor genov), nevrodegenerativnih motenj in kardiovaskularnih bolezni. Razumevanje in pojasnitev njihove vloge pri različnih boleznih lahko vodi do novih odkritij biomarkerjev s spremljajočimi novimi terapevtskimi pristopi za preprečevanje bolezni. miRNA prav tako igrajo ključno vlogo pri razvoju in patogenezi okužb, ki jih povzročajo mikroorganizmi, kot so bakterije in virusi, z uravnavanjem genov imunskega sistema za vzpostavitev učinkovitega odziva na bolezen. V primeru virusnih okužb se interferoni tipa I (IFN alfa in IFN beta) sproščajo kot protivirusni citokini, ki posledično modulirajo imunski sistem za boj proti odzivu. ⁽¹²). Proizvodnja interferonov je strogo regulirana tako na ravni transkripcije kot translacije in igra ključno vlogo pri določanju protivirusnega odziva gostitelja. Vendar so se virusi dovolj razvili, da zavedejo gostiteljske celice, da zavirajo ta imunski odziv, kar daje prednost virusu za njegovo razmnoževanje in s tem poslabša simptome bolezni. ^{(12, 13)}. Natančen nadzor medsebojnega delovanja med proizvodnjo IFN s strani gostitelja ob virusni okužbi in njegovim zatiranjem s strani okuženega virusa določa obseg in trajanje bolezni, ki jo povzroča omenjeni virus. Čeprav je transkripcijski nadzor proizvodnje IFN in sorodnih IFN stimuliranih genov (ISG) dobro uveljavljen ⁽¹⁴⁾, mehanizem translacijskega nadzora še vedno ostaja nedosegljiv ⁽¹⁵⁾. 

Nedavna študija raziskovalcev z univerze McGill v Kanadi in univerza Queens, Belfast zagotavlja mehanistično razumevanje translacijskega nadzora IFN proizvodnja, ki poudarja vlogo proteina 4EHP pri zatiranju proizvodnje IFN-beta in vpletenosti miRNA, miR-34a. 4EHP zmanjša proizvodnjo IFN z modulacijo translacijskega utišanja mRNA Ifnb34, ki ga povzroča miR-1a. Okužba z virusi RNA in indukcija beta IFN povečata ravni miR-34a miRNA, kar sproži regulatorno zanko z negativnimi povratnimi informacijami, ki zavira ekspresijo IFN beta prek 4EHP ⁽¹⁶⁾. Ta študija je zelo pomembna zaradi trenutne pandemije, ki jo povzroča Covid-19 (okužba, ki jo povzroča virus RNA), saj bo pomagal pri nadaljnjem razumevanju bolezni in vodil do novih načinov za boj proti okužbi z moduliranjem ravni miR-34a miRNA z uporabo oblikovalskih aktivatorjev/zaviralcev in njihovim testiranjem v kliničnih preskušanjih za njegove učinke na odziv na IFN. Poročali so o kliničnih preskušanjih z uporabo IFN beta terapije ⁽¹⁷⁾ in ta študija bo pomagala razkriti molekularne mehanizme s poudarjanjem vloge miRNA pri intrinzičnem uravnavanju translacijskega stroja gostitelja za vzdrževanje homeostatskega okolja. 

Prihodnje preiskave in raziskave takih in drugih znanih in nastajajočih miRNA skupaj z integracijo teh ugotovitev z genomskimi, transkriptomskimi in/ali proteomskimi podatki ne bo le izboljšalo našega mehanističnega razumevanja celičnih interakcij in bolezni, ampak bi vodilo tudi do novih miRNA terapije, ki temeljijo na izkoriščanju miRNA kot aktivatorjev (z uporabo miRNA kot aktivatorjev za zamenjavo miRNA ki so bile mutirane ali izbrisane) in antagomirji (z uporabo miRNA kot antagonistov, kjer obstaja nenormalna regulacija omenjene mRNA) za prevladujoče in nastajajoče bolezni ljudi in živali.  

*** 

Reference  

1. Clairea T, Lamarthée B, Anglicheau D. MikroRNA: majhne molekule, veliki učinki, Trenutno mnenje o presaditvi organov: februar 2021 – letnik 26 – številka 1 – str. 10-16. DOI: https://doi.org/10.1097/MOT.0000000000000835  

2. Ambros V. Funkcije živalskih mikroRNA. Narava. 2004, 431 (7006): 350–5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  

3. Bartel DP. MikroRNA: genomika, biogeneza, mehanizem in funkcija. Celica. 2004, 116 (2): 281–97. DOI: https://10.1016/S0092-8674(04)00045-5  

4. Jansson MD in Lund AH MikroRNA in rak. Molekularna onkologija. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  

5. Bhaskaran M, Mohan M. MikroRNA: zgodovina, biogeneza in njihova razvijajoča se vloga pri razvoju in bolezni živali. Veterinar Pathol. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 

6. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Heterokroni gen lin-4 C. elegans kodira majhne RNA z antismiselno komplementarnostjo lin-14, Cell, zvezek 75, številka 5,1993, 843, strani 854-0092, ISSN 8674-XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 

7. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et al. Ohranjanje zaporedja in časovne ekspresije naj-7 heterokrona regulatorna RNA. Narava 408, 86–89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 

8. Vasudevan S, Tong Y in Steitz JA. Prehod z zatiranja na aktivacijo: mikroRNA lahko uravnavajo prevajanje. Znanost  21. 2007. 318: letn. 5858, številka 1931, str. 1934-XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 

9. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA, et al. Dicer je bistvenega pomena za razvoj miške. Nat Genet. 2003; 35: 215–217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253 

10. Kloosterman WP, Plasterk RH. Različne funkcije mikro-RNA pri razvoju in bolezni živali. Razvijalna celica. 2006; 11: 441–450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2006.09.009 

11. Wienholds E, Koudijs MJ, van Eeden FJM, et al. Encim Dicer1, ki proizvaja mikroRNA, je bistvenega pomena za razvoj cebric. Nat Genet. 2003; 35: 217–218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251 

12. Haller O, Kochs G in Weber F. Interferonski odzivni krog: Indukcija in supresija s patogenimi virusi. Virologija. Letnik 344, številka 1, 2006, strani 119-130, ISSN 0042-6822, DOI: https://doi.org/10.1016/j.virol.2005.09.024 

13. McNab F, Mayer-Barber K, Sher A, Wack A, O'Garra A. Interferoni tipa I pri nalezljivih boleznih. Nat Rev Immunol. 2015 februar;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 

14. Apostolou, E., in Thanos, D. (2008). Okužba z virusom povzroči interkromosomske povezave, odvisne od NF-kappa-B, ki posredujejo ekspresijo monoalelnega gena IFN-b. Celica 134, 85–96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   

15. Savan, R. (2014). Post-transkripcijska regulacija interferonov in njihovih signalnih poti. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318–329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  

16. Zhang X, Chapat C et al. mikroRNA posredovana translacijska kontrola protivirusne imunosti s proteinom 4EHP, ki veže kapico. Molecular Cell 81, 1–14 2021. Objavljeno: 12. februar 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030

17. SCIEU 2021. Interferon-β za zdravljenje COVID-19: bolj učinkovito subkutano dajanje. Znanstveni evropski. Objavljeno 12. februarja 2021. Na voljo na spletu dne http://scientificeuropean.co.uk/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Dostop 14. februarja 2021.  

***