МикроРНК: малые некодирующие РНК и регуляция экспрессии генов.

Введение

Некодирующая молекула рибонуклеиновой кислоты. МикроРНК (miRNA) — это небольшие, одноцепочечные, некодирующие молекулы РНК, содержащие от 21 до 23 нуклеотидов. Обнаруженные у растений, животных и некоторых вирусов, miRNA участвуют в сайленсинге РНК и посттранскрипционной регуляции экспрессии генов. miRNA образуют комплементарные пары оснований с последовательностями в молекулах мРНК, после чего подавляют экспрессию этих мРНК одним или несколькими из следующих механизмов:

Small non coding ribonucleic acid molecule

MicroRNA (miRNA) are small, single stranded, non coding RNA molecules containing 21 to 23 nucleotides. Found in plants, animals and some viruses, miRNAs are involved in RNA silencing and post transcriptional regulation of gene expression. miRNAs base pair to complementary sequences in mRNA molecules, then silence said mRNA molecules by one or more of the following processes:

Cleavage of the mRNA strand into two pieces,
Destabilization of the mRNA by shortening its poly(A) tail, or
Reducing translation of the mRNA into proteins. In cells of humans and other animals, miRNAs primarily act by destabilizing the mRNA. miRNAs resemble the small interfering RNAs (siRNAs) of the RNA interference (RNAi) pathway, except miRNAs derive from regions of RNA transcripts that fold back on themselves to form short hairpins, whereas siRNAs derive from longer regions of double stranded RNA. However, only about 500 human miRNAs represent bona fide miRNAs in the manually curated miRNA gene database MirGeneDB. miRNAs are abundant in many mammalian cell types miRNAs appear to target about 60% of the genes of humans and other mammals. Many miRNAs are evolutionarily conserved, which implies that they have important biological functions. However, miRNAs were not recognized as a distinct class of biological regulators until the early 2000s. miRNA research revealed different sets of miRNAs expressed in different cell types and tissues and multiple roles for miRNAs in plant and animal development and in many other biological processes. Aberrant miRNA expression are implicated in disease states. MiRNA based therapies are under investigation. The first miRNA was discovered in 1993 by a group led by Ambros and including Lee and Feinbaum. However, additional insight into its mode of action required simultaneously published work by Ruvkun's team, including Wightman and Ha. These groups published back to back papers on the lin 4 gene, which was known to control the timing of C. elegans larval development by repressing the lin 14 gene. When Lee et al. isolated the lin 4 miRNA, they found that instead of producing an mRNA encoding a protein, it produced short non coding RNAs, one of which was a ~22 nucleotide RNA that contained sequences partially complementary to multiple sequences in the 3' UTR of the lin 14 mRNA.

расщепление цепи мРНК на две части,
дестабилизация мРНК путем укорачивания поли(А)-хвоста, или
снижение трансляции мРНК в белки. В клетках человека и других животных miRNA преимущественно действуют путем дестабилизации мРНК. miRNA схожи с малыми интерферирующими РНК (siRNA) пути интерференции РНК (RNAi), за исключением того, что miRNA происходят из областей РНК-транскриптов, которые образуют короткие шпильки, в то время как siRNA происходят из более длинных областей двухцепочечной РНК. Однако, только около 500 человеческих miRNA представляют собой достоверные miRNA в курируемой вручную базе данных генов miRNA MirGeneDB. miRNA обильно представлены во многих типах клеток млекопитающих и, по-видимому, нацелены примерно на 60% генов человека и других млекопитающих. Многие miRNA эволюционно консервативны, что указывает на их важные биологические функции. Однако, miRNA не были признаны отдельным классом биологических регуляторов до начала 2000-х годов. Исследования miRNA выявили различные наборы miRNA, экспрессируемые в разных типах клеток и тканей, а также множественные роли miRNA в развитии растений и животных и во многих других биологических процессах. Нарушения экспрессии miRNA связаны с различными заболеваниями. Терапии на основе miRNA находятся в стадии разработки. Первая miRNA была обнаружена в 1993 году группой под руководством Амброса, включавшей Ли и Файнбаума. Однако, для получения дополнительных данных о механизме ее действия потребовались одновременно опубликованные работы команды Рувкуна, включавшей Уайтмана и Ха. Эти группы опубликовали последовательные статьи о гене lin-4, который, как известно, контролирует сроки развития личинок *C. elegans*, подавляя ген lin-14. Когда Ли и соавторы изолировали miRNA lin-4, они обнаружили, что вместо того, чтобы производить мРНК, кодирующую белок, она производит короткие некодирующие РНК, одна из которых представляет собой РНК длиной около 22 нуклеотидов, содержащую последовательности, частично комплементарные множественным последовательностям в 3'-UTR мРНК lin-14.

Биогенез

До 40% генов микроРНК могут располагаться в интронах или даже экзонах других генов. Как правило, хотя и не всегда, они ориентированы в прямом смысле, и, следовательно, обычно регулируются совместно с генами-хозяевами. ДНК-матрица – не окончательное слово в производстве зрелых микроРНК: у 6% человеческих микроРНК наблюдается редактирование РНК (изомиры), специфическое изменение последовательностей РНК, приводящее к образованию продуктов, отличных от закодированных в ДНК. Это расширяет разнообразие и спектр действия микроРНК по сравнению с тем, что можно предположить, исходя только из генома.

Транскрипция

Гены miRNA обычно транскрибируются РНК-полимеразой II (Pol II). Полимераза часто связывается с промотором, расположенным рядом с последовательностью ДНК, кодирующей участок, который впоследствии сформирует шпильку пре-miRNA. Полученный транскрипт имеет кап на 5'-конце, полиаденилируется множеством аденозинов (поли(А) хвост) и подвергается сплайсингу. У животных miRNA первоначально транскрибируются в виде одной цепи ~80-нуклеотидной шпильковой структуры РНК, которая, в свою очередь, является частью более длинного предшественника miRNA, содержащего несколько сотен нуклеотидов и называемого при-miRNA.

Ядерная переработка

Одна pri-миРНК может содержать от одного до шести прекурсоров миРНК. Эти шпилечные структуры состоят примерно из 70 нуклеотидов каждая. Каждая шпилька фланкирована последовательностями, необходимыми для эффективной обработки. Двухцепочечная структура РНК (dsRNA) шпилек в pri-миРНК распознается ядерным белком, известным как Критическая область 8 синдрома ДиДжорджа (DGCR8 или "Pasha" у беспозвоночных), названным в честь его связи с синдромом ДиДжорджа. DGCR8 ассоциируется с ферментом Drosha, белком, разрезающим РНК, образуя комплекс микропроцессора. В этом комплексе DGCR8 ориентирует каталитический домен RNase III Drosha для высвобождения шпилек из pri-миРНК путем расщепления РНК примерно в одиннадцати нуклеотидах от основания шпильки (один виток спиральной dsRNA в стебле). Полученный продукт имеет двухнуклеотидный выступ на 3'-конце; он содержит 3'-гидроксильные и 5'-фосфатные группы. Его часто называют pre-миРНК (прекурсор миРНК). Были идентифицированы последовательные мотивы ниже по течению pre-миРНК, важные для эффективной обработки. Pre-миРНК, которые сплайсируются непосредственно из интронов, минуя комплекс микропроцессора, известны как "миртроны". Миртроны были обнаружены у дрозофилы, C. elegans и млекопитающих. До 16% pre-миРНК могут быть изменены посредством редактирования ядерной РНК. Чаще всего ферменты, известные как аденозиндеаминазы, действующие на РНК (ADAR), катализируют переходы аденозина в инозин (A в I). Редактирование РНК может остановить ядерную обработку (например, pri miR 142, приводящую к деградации рибонуклеазой Tudor SN) и изменять последующие процессы, включая цитоплазматическую обработку миРНК и специфичность таргетинга (например, путем изменения seed-области miR 376 в центральной нервной системе).

Цитоплазматическая обработка

В цитоплазме пре-миРНК шпилька расщепляется ферментом RNase III Dicer. Эта эндорибонуклеаза взаимодействует с 5'- и 3'-концами шпильки и удаляет петлю, соединяющую 3'- и 5'-плечи, образуя неполноценный дуплекс miRNA:miRNA* длиной около 22 нуклеотидов. Некоторые пре-миРНК, богатые гуанином, потенциально могут формировать G-квадруплексную структуру вместо канонической структуры стебель-петля. Например, человеческая пре-миРНК 92b формирует G-квадруплексную структуру, устойчивую к расщеплению, опосредованному Dicer, в цитоплазме. Хотя любая цепь дуплекса потенциально может функционировать как миРНК, обычно только одна цепь включается в РНК-индуцированный комплекс подавления генов (RISC), где миРНК взаимодействует со своей миРНК-мишенью. В то время как большинство миРНК локализуются внутри клетки, некоторые миРНК, обычно известные как циркулирующие миРНК или внеклеточные миРНК, также были обнаружены во внеклеточной среде, включая различные биологические жидкости и среды культивирования клеток.

Биогенез в растениях

Биогенез миРНК у растений отличается от биогенеза у животных главным образом на этапах ядерной обработки и экспорта. В отличие от расщепления двумя различными ферментами – один раз внутри ядра и один раз вне его – оба этапа расщепления растительной миРНК осуществляются гомологом Dicer, называемым Dicer-подобный 1 (DL1). DL1 экспрессируется исключительно в ядре растительных клеток, что свидетельствует о том, что обе реакции происходят внутри ядра. Прежде чем дуплексы miRNA:miRNA* растений транспортируются из ядра, их 3'-концевые нависания метилируются РНК-метилтрансферазой Hua Enhancer1 (HEN1). Затем дуплекс транспортируется из ядра в цитоплазму белком Hasty (HST), гомологом Exportin 5, где происходит их диссоциация и зрелая миРНК включается в РИСК.

РНК-индуцированный комплекс подавления звука

Зрелая миРНК является частью активного комплекса, индуцированного РНК для подавления экспрессии генов (RISC), содержащего Dicer и множество ассоциированных белков. RISC также известен как микроРНК-рибонуклеопротеиновый комплекс (miRNP); RISC, содержащий инкорпорированную миРНК, иногда называют "miRISC". Считается, что процессинг пре-миРНК, осуществляемый Dicer, сопряжен с раскручиванием дуплекса. Как правило, в miRISC включается только одна цепь, выбираемая на основе ее термодинамической нестабильности и более слабого спаривания оснований на 5'-конце по сравнению с другой цепью. Положение шпильки также может влиять на выбор цепи. Другая цепь, называемая пассажирской из-за ее более низкого уровня в стационарном состоянии, обозначается звездочкой (*) и обычно подвергается деградации. В некоторых случаях обе цепи дуплекса жизнеспособны и становятся функциональными миРНК, нацеленными на различные популяции мРНК. Белки семейства Argonaute (Ago) играют центральную роль в функции RISC. Аргонавты необходимы для подавления экспрессии генов, индуцированного миРНК, и содержат два консервативных домена, связывающих РНК: домен PAZ, способный связываться с одноцепочечным 3'-концом зрелой миРНК, и домен PIWI, структурно напоминающий рибонуклеазу H и функционирующий для взаимодействия с 5'-концом направляющей цепи. Они связывают зрелую миРНК и ориентируют ее для взаимодействия с целевой мРНК. Некоторые аргонавты, например, Ago2 человека, расщепляют целевые транскрипты напрямую; аргонавты также могут рекрутировать дополнительные белки для достижения репрессии трансляции. Геном человека кодирует восемь белков аргонавтов, разделенных по сходству последовательностей на два семейства: AGO (с четырьмя членами, присутствующими во всех клетках млекопитающих и называемыми E1F2C/hAgo у людей) и PIWI (обнаруженные в зародышевой линии и гематопоэтических стволовых клетках). PACT (белковый активатор киназы, индуцированной интерфероном), SMN-комплекс, белок, связанный с хрупкой Х-хромосомной умственной отсталостью (FMRP), белок, содержащий домен Tudor стафилококковой нуклеазы (Tudor SN), предполагаемая ДНК-геликаза MOV10 и белок, содержащий мотив распознавания РНК TNRC6B.

The mature miRNA is part of an active RNA induced silencing complex (RISC) containing Dicer and many associated proteins. RISC is also known as a microRNA ribonucleoprotein complex (miRNP); A RISC with incorporated miRNA is sometimes referred to as a "miRISC." Dicer processing of the pre miRNA is thought to be coupled with unwinding of the duplex. Generally, only one strand is incorporated into the miRISC, selected on the basis of its thermodynamic instability and weaker base pairing on the 5' end relative to the other strand. The position of the stem loop may also influence strand choice. The other strand, called the passenger strand due to its lower levels in the steady state, is denoted with an asterisk (*) and is normally degraded. In some cases, both strands of the duplex are viable and become functional miRNA that target different mRNA populations. Members of the Argonaute (Ago) protein family are central to RISC function. Argonautes are needed for miRNA induced silencing and contain two conserved RNA binding domains: a PAZ domain that can bind the single stranded 3' end of the mature miRNA and a PIWI domain that structurally resembles ribonuclease H and functions to interact with the 5' end of the guide strand. They bind the mature miRNA and orient it for interaction with a target mRNA. Some argonautes, for example human Ago2, cleave target transcripts directly; argonautes may also recruit additional proteins to achieve translational repression. The human genome encodes eight argonaute proteins divided by sequence similarities into two families: AGO (with four members present in all mammalian cells and called E1F2C/hAgo in humans), and PIWI (found in the germline and hematopoietic stem cells). PACT (protein activator of the interferon induced protein kinase), the SMN complex, fragile X mental retardation protein (FMRP), Tudor staphylococcal nuclease domain containing protein (Tudor SN), the putative DNA helicase MOV10, and the RNA recognition motif containing protein TNRC6B.

Эволюция

МиРНК хорошо сохранены как у растений, так и у животных и считаются жизненно важным и эволюционно древним компонентом регуляции генов. МикроРНК являются полезными филогенетическими маркерами благодаря их, по-видимому, низкой скорости эволюции. Их возникновение, возможно, способствовало развитию морфологических инноваций, а благодаря тому, что экспрессия генов стала более специфичной и "тонко настраиваемой", позволило генезис сложных органов. Быстрые всплески морфологических инноваций обычно связаны с высокой скоростью накопления микроРНК. Новые микроРНК создаются различными способами. Новые микроРНК могут возникать в результате случайного образования шпилек в "некодирующих" участках ДНК (т. е. интронах или межгенных областях), а также путем дупликации и модификации существующих микроРНК. Скорость эволюции (т. е. замещения нуклеотидов) в недавно возникших микроРНК сопоставима с таковой в других участках некодирующей ДНК, что указывает на эволюцию посредством нейтрального дрейфа; однако, более старые микроРНК имеют гораздо более низкую скорость изменения (часто менее одной замены за сто миллионов лет). В настоящее время микроРНК редко теряются из генома животного. Это делает их ценным филогенетическим маркером, и они рассматриваются как возможное решение для нерешенных филогенетических проблем, таких как взаимоотношения членистоногих. С другой стороны, в ряде случаев микроРНК плохо коррелируют с филогенезией, и возможно, что их филогенетическая согласованность в значительной степени отражает ограниченную выборку микроРНК. МикроРНК присутствуют в геномах большинства эукариотических организмов, от бурых водорослей до животных. Однако различия в функционировании и способах обработки этих микроРНК позволяют предположить, что микроРНК возникли независимо у растений и животных. Сосредоточившись на животных, геном Mnemiopsis leidyi, по-видимому, не содержит распознаваемых микроРНК, а также ядерных белков Drosha и Pasha, которые критически важны для канонического биогенеза микроРНК. Это единственное животное, о котором на сегодняшний день сообщалось об отсутствии Drosha. МикроРНК играют жизненно важную роль в регуляции экспрессии генов у всех исследованных до сих пор животных, не являющихся гребневиками, за исключением Trichoplax adhaerens, первого известного представителя типа Placozoa. К марту 2010 года было идентифицировано более 5000 различных миРНК у всех видов. В то время как у бактерий встречаются короткие последовательности РНК (50– сотни пар оснований) с примерно сопоставимой функцией, у бактерий отсутствуют истинные микроРНК.

miRNAs are well conserved in both plants and animals, and are thought to be a vital and evolutionarily ancient component of gene regulation. microRNAs are useful phylogenetic markers because of their apparently low rate of evolution. Their origin may have permitted the development of morphological innovation, and by making gene expression more specific and 'fine tunable', permitted the genesis of complex organs Rapid bursts of morphological innovation are generally associated with a high rate of microRNA accumulation. New microRNAs are created in multiple ways. Novel microRNAs can originate from the random formation of hairpins in "non coding" sections of DNA (i. e. introns or intergene regions), but also by the duplication and modification of existing microRNAs. The rate of evolution (i. e. nucleotide substitution) in recently originated microRNAs is comparable to that elsewhere in the non coding DNA, implying evolution by neutral drift; however, older microRNAs have a much lower rate of change (often less than one substitution per hundred million years), At this point, a microRNA is rarely lost from an animal's genome, In Arabidopsis thaliana, the net flux of miRNA genes has been predicted to be between 1.2 and 3.3 genes per million years. This makes them a valuable phylogenetic marker, and they are being looked upon as a possible solution to outstanding phylogenetic problems such as the relationships of arthropods. On the other hand, in multiple cases microRNAs correlate poorly with phylogeny, and it is possible that their phylogenetic concordance largely reflects a limited sampling of microRNAs. microRNAs feature in the genomes of most eukaryotic organisms, from the brown algae to the animals. However, the difference in how these microRNAs function and the way they are processed suggests that microRNAs arose independently in plants and animals. Focusing on the animals, the genome of Mnemiopsis leidyi appears to lack recognizable microRNAs, as well as the nuclear proteins Drosha and Pasha, which are critical to canonical microRNA biogenesis. It is the only animal thus far reported to be missing Drosha. MicroRNAs play a vital role in the regulation of gene expression in all non ctenophore animals investigated thus far except for Trichoplax adhaerens, the first known member of the phylum Placozoa. Across all species, in excess of 5000 different miRNAs had been identified by March 2010. Whilst short RNA sequences (50 – hundreds of base pairs) of a broadly comparable function occur in bacteria, bacteria lack true microRNAs.

Экспериментальное обнаружение и манипуляция

В то время как исследователи сосредоточились на экспрессии миРНК в физиологических и патологических процессах, возникли различные технические факторы, связанные с выделением микроРНК. Стабильность хранимых образцов миРНК вызывает вопросы. Экспрессию микроРНК можно количественно оценить в двухэтапном процессе полимеразной цепной реакции – модифицированной обратной транскрипции ПЦР (ОТ-ПЦР), за которой следует количественная ПЦР. Различные варианты этого метода позволяют проводить абсолютную или относительную количественную оценку. МикроРНК также могут быть гибридизованы к микромассивам, слайдам или чипам с зондами к сотням или тысячам миРНК-мишеней, что позволяет определять относительные уровни микроРНК в разных образцах. МикроРНК могут быть как обнаружены, так и профилированы с помощью высокопроизводительного секвенирования (секвенирования микроРНК). Активность миРНК может быть экспериментально ингибирована с использованием олигонуклеотидов с заблокированной нуклеиновой кислотой (LNA), олигонуклеотидов морфолино или олигонуклеотидов 2'-O-метил-РНК. Специфическая миРНК может быть подавлена комплементарным антагомиром. Созревание микроРНК может быть ингибировано в нескольких точках стерически блокирующими олигонуклеотидами. Мишень миРНК в транскрипте мРНК также может быть заблокирована стерически блокирующим олигонуклеотидом. Для "in situ" детекции миРНК можно использовать зонды LNA или морфолино. Заблокированная конформация LNA приводит к улучшенным свойствам гибридизации и повышает чувствительность и селективность, что делает ее идеальной для детекции коротких миРНК. Высокопроизводительная количественная оценка миРНК подвержена ошибкам из-за большей вариабельности (по сравнению с мРНК), связанной с методологическими проблемами. Поэтому экспрессию мРНК часто анализируют для проверки влияния миРНК на их уровни (например, в). Базы данных могут использоваться для сопоставления данных мРНК и миРНК, предсказывающих миРНК-мишени на основе их нуклеотидной последовательности. Хотя это обычно делается после обнаружения интересующих миРНК (например, из-за высоких уровней экспрессии), были предложены идеи для инструментов анализа, которые интегрируют информацию об экспрессии мРНК и миРНК.

Болезни человека и животных

Подобно тому, как микроРНК участвует в нормальном функционировании эукариотических клеток, нарушение регуляции микроРНК также связано с развитием заболеваний. miR2Disease – это тщательно отобранная, общедоступная база данных, в которой задокументированы известные взаимосвязи между нарушением регуляции микроРНК и болезнями человека.

Наследственные болезни

Мутация в семенной области miR-96 вызывает наследственную прогрессирующую потерю слуха. Мутация в семенной области miR-184 вызывает наследственный кератоконус с передней полярной катарактой. Делеция кластера miR-17~92 вызывает дефекты скелета и нарушения роста.

Рак

Первой болезнью человека, связанной с нарушением регуляции миРНК, была хроническая лимфоцитарная лейкемия. Многие другие миРНК также связаны с раком и, соответственно, иногда называются «онкомирами». В злокачественных B-клетках миРНК участвуют в путях, фундаментальных для развития B-клеток, таких как сигнализация B-клеточного рецептора (BCR), миграция/адгезия B-клеток, взаимодействие клеток в иммунных нишах и продукция и переключение классов иммуноглобулинов. МиРНК влияют на созревание B-клеток, генерацию пре-B-клеток, клеток маргинальной зоны, фолликулярных, B1-клеток, плазматических клеток и клеток памяти. Другая роль миРНК при раке заключается в использовании уровня их экспрессии для прогноза. В образцах НМРЛК низкий уровень miR-324a может служить индикатором неблагоприятной выживаемости. Как высокий уровень miR-185, так и низкий уровень miR-133b могут коррелировать с метастазированием и неблагоприятной выживаемостью при колоректальном раке. Кроме того, специфические миРНК могут быть связаны с определенными гистологическими подтипами колоректального рака. Например, было показано, что уровни экспрессии miR-205 и miR-373 повышены при муцинозных колоректальных раках и раке толстой кишки, связанном с язвенным колитом, но не при спорадической аденокарциноме толстой кишки, лишенной муцинозных компонентов. Исследования in vitro показали, что miR-205 и miR-373 могут функционально индуцировать различные особенности муциноз-ассоциированного неопластического прогресса в эпителиальных клетках кишечника. Оптимальное лечение рака предполагает точную идентификацию пациентов для стратифицированной терапии с учетом риска. Пациенты с быстрым ответом на первоначальное лечение могут получить пользу от сокращенных схем лечения, что демонстрирует ценность точных показателей ответа на заболевание. Свободно циркулирующие миРНК (цимиРНК) обладают высокой стабильностью в крови, сверхэкспрессируются при раке и могут быть количественно определены в диагностической лаборатории. При классической лимфоме Ходжкина плазменные miR-21, miR-494 и miR-1973 являются перспективными биомаркерами ответа на лечение. Циркулирующие миРНК могут способствовать принятию клинических решений и интерпретации позитронно-эмиссионной томографии в сочетании с компьютерной томографией. Их можно проводить при каждой консультации для оценки ответа на лечение и выявления рецидива. МикроРНК обладают потенциалом для использования в качестве инструментов или мишеней для лечения различных видов рака. Специфическая микроРНК, miR-506, была обнаружена в качестве антагониста опухоли в нескольких исследованиях. В значительном количестве образцов рака шейки матки была обнаружена пониженная экспрессия miR-506. Кроме того, miR-506 способствует апоптозу клеток рака шейки матки посредством своего прямого мишени – транскрипционного фактора Hedgehog Gli3.

The first human disease known to be associated with miRNA deregulation was chronic lymphocytic leukemia. Many other miRNAs also have links with cancer and accordingly are sometimes referred to as "oncomirs". In malignant B cells miRNAs participate in pathways fundamental to B cell development like B cell receptor (BCR) signalling, B cell migration/adhesion, cell cell interactions in immune niches and the production and class switching of immunoglobulins. MiRNAs influence B cell maturation, generation of pre , marginal zone, follicular, B1, plasma and memory B cells. Another role for miRNA in cancers is to use their expression level for prognosis. In NSCLC samples, low miR 324a levels may serve as an indicator of poor survival. Either high miR 185 or low miR 133b levels may correlate with metastasis and poor survival in colorectal cancer. Furthermore, specific miRNAs may be associated with certain histological subtypes of colorectal cancer. For instance, expression levels of miR 205 and miR 373 have been shown to be increased in mucinous colorectal cancers and mucin producing Ulcerative Colitis associated colon cancers, but not in sporadic colonic adenocarcinoma that lack mucinous components. In vitro studies suggested that miR 205 and miR 373 may functionally induce different features of mucinous associated neoplastic progression in intestinal epithelial cells. Optimal treatment for cancer involves accurately identifying patients for risk stratified therapy. Those with a rapid response to initial treatment may benefit from truncated treatment regimens, showing the value of accurate disease response measures. Cell free circulating miRNAs (cimiRNAs) are highly stable in blood, are overexpressed in cancer and are quantifiable within the diagnostic laboratory. In classical Hodgkin lymphoma, plasma miR 21, miR 494, and miR 1973 are promising disease response biomarkers. Circulating miRNAs have the potential to assist clinical decision making and aid interpretation of positron emission tomography combined with computerized tomography. They can be performed at each consultation to assess disease response and detect relapse. MicroRNAs have the potential to be used as tools or targets for treatment of different cancers. The specific microRNA, miR 506 has been found to work as a tumor antagonist in several studies. A significant number of cervical cancer samples were found to have downregulated expression of miR 506. Additionally, miR 506 works to promote apoptosis of cervical cancer cells, through its direct target hedgehog pathway transcription factor, Gli3.

Ремонт ДНК и рак

Многие микроРНК могут непосредственно воздействовать на гены клеточного цикла и ингибировать их, контролируя пролиферацию клеток. Новая стратегия лечения опухолей заключается в подавлении пролиферации опухолевых клеток путем восстановления нарушенного пути микроРНК в опухолях. Рак вызывается накоплением мутаций, возникающих в результате повреждения ДНК или некорректных ошибок при репликации ДНК. Дефекты в репарации ДНК приводят к накоплению мутаций, что может привести к развитию рака. Ряд генов, участвующих в репарации ДНК, регулируются микроРНК. Мутации в зародышевой линии генов репарации ДНК вызывают лишь 2–5% случаев рака толстой кишки. Однако, измененная экспрессия микроРНК, вызывающая дефицит репарации ДНК, часто ассоциируется с раковыми заболеваниями и может быть важным причинным фактором. Среди 68 случаев спорадического рака толстой кишки с пониженной экспрессией белка MLH1, участвующего в репарации неспаренных оснований ДНК, в большинстве случаев был выявлен дефицит, обусловленный эпигенетическим метилированием CpG-острова гена MLH1. Однако, до 15% дефицитов MLH1 при спорадическом раке толстой кишки, по-видимому, связаны с повышенной экспрессией микроРНК miR-155, которая подавляет экспрессию MLH1. У 29–66% пациентов с глиобластомой репарация ДНК нарушена из-за эпигенетического метилирования гена MGMT, что снижает экспрессию белка MGMT. Однако, в 28% случаев глиобластомы наблюдается дефицит белка MGMT, при этом промотор MGMT не метилирован. Трансгенные мыши с HMGA1, направленным на лимфоидные клетки, развивают агрессивную лимфому, что демонстрирует связь высокой экспрессии HMGA1 с раком и способность HMGA1 выступать в роли онкогена. Белок HMGA2 специфически воздействует на промотор ERCC1, тем самым снижая экспрессию этого гена репарации ДНК. Экспрессия белка ERCC1 была снижена в 100% из 47 исследованных случаев рака толстой кишки (хотя степень участия HMGA2 в этом процессе неизвестна). Однонуклеотидные полиморфизмы (СНП) могут изменять связывание микроРНК с 3'-UTR, например, в случае hsa-mir-181a и hsa-mir-181b с геном-супрессором опухолей CDON.

Сердечные заболевания

Глобальная роль функции микроРНК в сердце была изучена путем условного ингибирования созревания микроРНК в сердце мыши. Это показало, что микроРНК играют существенную роль в его развитии. Исследования профилирования экспрессии микроРНК демонстрируют, что уровни экспрессии определенных микроРНК изменяются в пораженных сердцах человека, что указывает на их вовлечение в кардиомиопатии. Более того, исследования на животных с использованием конкретных микроРНК выявили различные роли микроРНК как в развитии сердца, так и при патологических состояниях, включая регуляцию ключевых факторов, важных для кардиогенеза, гипертрофического роста и сердечной проводимости. Другая роль микроРНК при сердечно-сосудистых заболеваниях заключается в использовании уровней их экспрессии для диагностики, прогнозирования или стратификации риска. МикроРНК в животных моделях также связаны с метаболизмом и регуляцией холестерина.

miRNA-712

МикроРНК 712 у мышей является потенциальным биомаркером (т. е. предиктором) атеросклероза, сердечно-сосудистого заболевания стенки артерии, связанного с удержанием липидов и воспалением. Неламинарный кровоток также коррелирует с развитием атеросклероза, поскольку механосенсоры эндотелиальных клеток реагируют на силу сдвига нарушенного потока (d-поток). Ряд проатерогенных генов, включая матриксные металлопротеиназы (ММП), активируются нарушенным потоком. Эти волокна играют критическую роль в регуляции сосудистого воспаления и проницаемости, что важно для развития атеросклероза. TIMP3, экспрессируемый эндотелиальными клетками, является единственным TIMP, связанным с внеклеточным матриксом (ЭКМ). Высокопроизводительное профилирование всего транскриптома модели мыши FoxD1 Dicer knockout выявило эктопическую регуляцию проапоптотического гена Bcl2L11 (Bim) и дисрегуляцию пути p53 с увеличением экспрессии эффекторных генов p53, включая Bax, Trp53inp1, Jun, Cdkn1a, Mmp2 и Arid3a. Уровни белка p53 остались неизменными, что позволяет предположить, что стромальные миРНК FoxD1 непосредственно подавляют гены-эффекторы p53. С использованием подхода отслеживания клеточной линии, сопровождаемого сортировкой клеток, активированных флуоресценцией, профилирование миРНК клеток, происходящих от FoxD1, не только всесторонне определило транскрипционный ландшафт миРНК, критически важных для развития сосудов, но и выявило ключевые миРНК, которые, вероятно, модулируют почечный фенотип при его отсутствии. Эти миРНК включают miRs-10a, 18a, 19b, 24, 30c, 92a, 106a, 130a, 152, 181a, 214, 222, 302a, 370 и 381, которые регулируют Bcl2L11 (Bim), и miRs-15b, 18a, 21, 30c, 92a, 106a, 125b-5p, 145, 214, 222, 296-5p и 302a, которые регулируют гены-эффекторы p53. В соответствии с результатами профилирования, эктопический апоптоз наблюдался в клеточных производных прогениторной линии FoxD1, что подчеркивает важность миРНК почечной стромы в поддержании клеточного гомеостаза. Предыдущие исследования показали, что миРНК могут регулировать дифференцировку и созревание нейронов на различных стадиях. МиРНК также играют важную роль в развитии синапсов (например, дендритогенезе или морфогенезе шипиков) и синаптической пластичности (внося вклад в обучение и память). Устранение образования миРНК у мышей путем экспериментального подавления Dicer привело к патологическим последствиям, таким как уменьшение размера нейронов, двигательные нарушения (при подавлении в стриальных нейронах) и нейродегенерация (при подавлении в нейронах переднего мозга). Измененная экспрессия миРНК была обнаружена при нейродегенеративных заболеваниях (таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона), а также при многих психических расстройствах (включая эпилепсию, шизофрению, тяжелую депрессию, биполярное расстройство и тревожные расстройства).

Murine microRNA 712 is a potential biomarker (i. e. predictor) for atherosclerosis, a cardiovascular disease of the arterial wall associated with lipid retention and inflammation. Non laminar blood flow also correlates with development of atherosclerosis as mechanosenors of endothelial cells respond to the shear force of disturbed flow (d flow). A number of pro atherogenic genes including matrix metalloproteinases (MMPs) are upregulated by d flow, These fibers play a critical role in regulation of vascular inflammation and permeability, which are important in the development of atherosclerosis. Expressed by endothelial cells, TIMP3 is the only ECM bound TIMP. High throughput whole transcriptome profiling of the FoxD1 Dicer knockout mouse model revealed ectopic upregulation of pro apoptotic gene, Bcl2L11 (Bim) and dysregulation of the p53 pathway with increase in p53 effector genes including Bax, Trp53inp1, Jun, Cdkn1a, Mmp2, and Arid3a. p53 protein levels remained unchanged, suggesting that FoxD1 stromal miRNAs directly repress p53 effector genes. Using a lineage tracing approach followed by Fluorescent activated cell sorting, miRNA profiling of the FoxD1 derived cells not only comprehensively defined the transcriptional landscape of miRNAs that are critical for vascular development, but also identified key miRNAs that are likely to modulate the renal phenotype in its absence. These miRNAs include miRs‐10a, 18a, 19b, 24, 30c, 92a, 106a, 130a, 152, 181a, 214, 222, 302a, 370, and 381 that regulate Bcl2L11 (Bim) and miRs‐15b, 18a, 21, 30c, 92a, 106a, 125b‐5p, 145, 214, 222, 296‐5p and 302a that regulate p53 effector genes. Consistent with the profiling results, ectopic apoptosis was observed in the cellular derivatives of the FoxD1 derived progenitor lineage and reiterates the importance of renal stromal miRNAs in cellular homeostasis. Previous studies demonstrate that miRNAs can regulate neuronal differentiation and maturation at various stages. MiRNAs also play important roles in synaptic development (such as dendritogenesis or spine morphogenesis) and synaptic plasticity (contributing to learning and memory). Elimination of miRNA formation in mice by experimental silencing of Dicer has led to pathological outcomes, such as reduced neuronal size, motor abnormalities (when silenced in striatal neurons), and neurodegeneration (when silenced in forebrain neurons). Altered miRNA expression has been found in neurodegenerative diseases (such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and Huntington's disease) as well as many psychiatric disorders (including epilepsy, schizophrenia, major depression, bipolar disorder, and anxiety disorders).

Инсульт

По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, инсульт является одной из ведущих причин смерти и длительной инвалидности в Америке. В 87% случаев это ишемический инсульт, который возникает в результате блокировки артерии мозга, несущей обогащенную кислородом кровь. Прекращение кровотока означает, что мозг не может получать необходимые питательные вещества, такие как кислород и глюкоза, и удалять продукты жизнедеятельности, такие как углекислый газ. miRNA играет роль в посттрансляционном подавлении экспрессии генов, воздействуя на гены, участвующие в патогенезе церебральной ишемии, такие как воспалительный, ангиогенез и апоптоз.

Алкоголизм

Важная роль микроРНК (миРНК) в экспрессии генов значима при развитии зависимостей, в частности алкоголизма. Хроническое злоупотребление алкоголем приводит к стойким изменениям в функции мозга, частично обусловленным изменениями в экспрессии генов. Установлено, что в мозге умерших от алкоголизма людей изменяется экспрессия до 35 различных миРНК, все из которых воздействуют на гены, участвующие в регуляции клеточного цикла, апоптозе, клеточной адгезии, развитии нервной системы и клеточной сигнализации. МиРНК могут как повышаться, так и понижаться в ответ на хроническое употребление алкоголя. Экспрессия miR 206 повышается в префронтальной коре крыс, зависимых от алкоголя, что приводит к воздействию на нейротрофический фактор мозга (BDNF) и, в конечном итоге, к снижению его экспрессии. BDNF играет критическую роль в формировании и созревании новых нейронов и синапсов, что указывает на возможную роль в росте синапсов/синаптической пластичности у злоупотребляющих алкоголем. miR 155, важный регулятор нейровоспалительных реакций, индуцированных алкоголем, был обнаружен в состоянии повышенной экспрессии, что свидетельствует о роли микроглии и воспалительных цитокинов в патофизиологии алкоголизма. Снижение экспрессии miR 382 наблюдалось в прилежащем ядре, структуре в базальном переднем мозге, играющей важную роль в регуляции чувства вознаграждения, которое поддерживает мотивационные привычки. miR 382 является мишенью для дофаминового рецептора D1 (DRD1), и его сверхэкспрессия приводит к повышению экспрессии DRD1 и дельта-фосB, фактора транскрипции, который активирует каскад транскрипционных событий в прилежащем ядре, приводящих к развитию аддиктивного поведения. В то же время, сверхэкспрессия miR 382 снижала потребление алкоголя и ингибировала повышение экспрессии DRD1 и дельта-фосB в моделях алкоголизма на крысах, демонстрируя возможность использования фармацевтических препаратов, нацеленных на миРНК, в терапии. Исследования, направленные на определение роли плюрипотентных стволовых клеток в адипогенезе, были проведены на линии бессмертных стромальных клеток hMSC Tert20, полученных из костного мозга человека. Снижение экспрессии miR 155, miR 221 и miR 222 было обнаружено в процессе адипогенного программирования как бессмертных, так и первичных hMSC, что позволяет предположить, что они действуют как отрицательные регуляторы дифференцировки. Напротив, эктопическая экспрессия миРНК 155, 221 и 222 значительно ингибировала адипогенез и подавляла индукцию основных регуляторов PPARγ и белка, связывающего CCAAT/усилитель альфа (CEBPA). Это открывает перспективы для возможного генетического лечения ожирения. Другой класс миРНК, регулирующих инсулинорезистентность, ожирение и диабет, – это семейство let 7. Let 7 накапливается в тканях человека в процессе старения. Когда экспрессия let 7 была эктопически увеличена для имитации ускоренного старения, мыши стали инсулинорезистентными и, следовательно, более подвержены ожирению и диабету, вызванным диетой с высоким содержанием жиров. В отличие от этого, при ингибировании let 7 с помощью инъекций специфических антигомиров let 7, мыши становились более чувствительными к инсулину и значительно более устойчивыми к ожирению и диабету, вызванным диетой с высоким содержанием жиров. Ингибирование let 7 не только предотвращало развитие ожирения и диабета, но и могло обратить вспять и вылечить эти состояния. Полученные экспериментальные данные позволяют предположить, что ингибирование let 7 может представлять собой новую терапию для лечения ожирения и диабета 2 типа.

The vital role of miRNAs in gene expression is significant to addiction, specifically alcoholism. Chronic alcohol abuse results in persistent changes in brain function mediated in part by alterations in gene expression. Up to 35 different miRNAs have been found to be altered in the alcoholic post mortem brain, all of which target genes that include the regulation of the cell cycle, apoptosis, cell adhesion, nervous system development and cell signaling. miRNAs can be either upregulated or downregulated in response to chronic alcohol use. miR 206 expression increased in the prefrontal cortex of alcohol dependent rats, targeting the transcription factor brain derived neurotrophic factor (BDNF) and ultimately reducing its expression. BDNF plays a critical role in the formation and maturation of new neurons and synapses, suggesting a possible implication in synapse growth/synaptic plasticity in alcohol abusers. miR 155, important in regulating alcohol induced neuroinflammation responses, was found to be upregulated, suggesting the role of microglia and inflammatory cytokines in alcohol pathophysiology. Downregulation of miR 382 was found in the nucleus accumbens, a structure in the basal forebrain significant in regulating feelings of reward that power motivational habits. miR 382 is the target for the dopamine receptor D1 (DRD1), and its overexpression results in the upregulation of DRD1 and delta fosB, a transcription factor that activates a series of transcription events in the nucleus accumbens that ultimately result in addictive behaviors. Alternatively, overexpressing miR 382 resulted in attenuated drinking and the inhibition of DRD1 and delta fosB upregulation in rat models of alcoholism, demonstrating the possibility of using miRNA targeted pharmaceuticals in treatments. Studies to determine what role pluripotent stem cells play in adipogenesis, were examined in the immortalized human bone marrow derived stromal cell line hMSC Tert20. Decreased expression of miR 155, miR 221, and miR 222, have been found during the adipogenic programming of both immortalized and primary hMSCs, suggesting that they act as negative regulators of differentiation. Conversely, ectopic expression of the miRNAs 155, 221, and 222 significantly inhibited adipogenesis and repressed induction of the master regulators PPARγ and CCAAT/enhancer binding protein alpha (CEBPA). This paves the way for possible genetic obesity treatments. Another class of miRNAs that regulate insulin resistance, obesity, and diabetes, is the let 7 family. Let 7 accumulates in human tissues during the course of aging. When let 7 was ectopically overexpressed to mimic accelerated aging, mice became insulin resistant, and thus more prone to high fat diet induced obesity and diabetes. In contrast when let 7 was inhibited by injections of let 7 specific antagomirs, mice become more insulin sensitive and remarkably resistant to high fat diet induced obesity and diabetes. Not only could let 7 inhibition prevent obesity and diabetes, it could also reverse and cure the condition. These experimental findings suggest that let 7 inhibition could represent a new therapy for obesity and type 2 diabetes.

Гемостаз

миРНК также играют ключевую роль в регуляции сложных ферментативных каскадов, включая систему гемостатического свертывания крови. Масштабные исследования функционального таргетирования миРНК недавно выявили обоснованные терапевтические мишени в гемостатической системе. Они напрямую связаны с гомеостазом кальция в эндоплазматическом ретикулуме, который критически важен для дифференцировки клеток на ранних стадиях развития.

Растения

миРНК считаются ключевыми регуляторами многих процессов развития, гомеостаза и иммунитета у растений. Их роль в развитии растений включает развитие верхушечной меристемы побега, рост листьев, формирование цветков, производство семян или расширение корней. Кроме того, они играют сложную роль в ответах на различные абиотические стрессы, такие как тепловой стресс, низкотемпературный стресс, засуха, световой стресс или воздействие гамма-излучения. Экспрессия активаторов транскрипции ДНК вируса герпеса человека 6-го типа, как считается, регулируется вирусной миРНК.

Прогноз цели

miРНК могут связываться с целевыми мРНК (матричными РНК) транскриптами генов, кодирующих белки, и негативно регулировать их трансляцию или вызывать деградацию мРНК. Точная идентификация мишеней миРНК имеет ключевое значение. Доступно сравнение эффективности прогнозирования восемнадцати алгоритмов in silico. Крупномасштабные исследования функционального таргетинга миРНК показывают, что многие функциональные миРНК могут быть не обнаружены алгоритмами предсказания мишеней.