Введение
Процесс, препятствующий экспрессии гена.
Заглушение гена – это регуляция экспрессии гена в клетке, направленная на предотвращение экспрессии определенного гена. Заглушение гена может происходить на этапах транскрипции или трансляции и часто используется в научных исследованиях. Когда гены заглушены, их экспрессия снижается. Олигонуклеотиды – короткие фрагменты нуклеиновых кислот – связываются с комплементарными молекулами мРНК-мишенями при добавлении в клетку. Эти молекулы могут состоять из одноцепочечной ДНК или РНК и обычно имеют длину 13–25 нуклеотидов. Антисмысловые олигонуклеотиды могут влиять на экспрессию генов двумя способами: посредством механизма, зависимого от RNase H, или посредством стерического блокирования. Существует несколько типов рибозимовых мотивов, включая рибозимы типа «молоток», «шпилька», вируса гепатита дельта, группы I, группы II и RNase P. Рибозимы типа «молоток», «шпилька» и вируса гепатита дельта (HDV) обычно встречаются в вирусных или вироидных РНК. Эти каталитические молекулы РНК связываются со специфическим участком и атакуют соседний фосфат в РНК-цепи, используя свой 2'-кислород в качестве нуклеофила, что приводит к образованию фрагментов расщепления с 2'3'-циклическим фосфатом и 5'-гидроксильным концевым фрагментом.
Gene silencing is the regulation of gene expression in a cell to prevent the expression of a certain gene. Gene silencing can occur during either transcription or translation and is often used in research. When genes are silenced, their expression is reduced. Oligonucleotides, which are short nucleic acid fragments, bind to complementary target mRNA molecules when added to the cell. These molecules can be composed of single stranded DNA or RNA and are generally 13–25 nucleotides long. The antisense oligonucleotides can affect gene expression in two ways: by using an RNase H dependent mechanism or by using a steric blocking mechanism. Several types of ribozyme motifs exist, including hammerhead, hairpin, hepatitis delta virus, group I, group II, and RNase P ribozymes. Hammerhead, hairpin, and hepatitis delta virus (HDV) ribozyme motifs are generally found in viruses or viroid RNAs. These catalytic RNA molecules bind to a specific site and attack the neighboring phosphate in the RNA backbone with their 2' oxygen, which acts as a nucleophile, resulting in the formation of cleaved products with a 2'3' cyclic phosphate and a 5' hydroxyl terminal end.
РНК-интерференция
РНК-интерференция (РНКi) — это естественный процесс, используемый клетками для регуляции экспрессии генов. Он был открыт в 1998 году Эндрю Файром и Крейгом Мелло, которые были удостоены Нобелевской премии за это открытие в 2006 году. Процесс подавления активности генов начинается с проникновения в клетку молекулы двухцепочечной РНК (dsRNA), которая активирует путь РНКi. В результате расщепления или подавления трансляции молекул мРНК гены, кодирующие эти молекулы, становятся практически неактивными. Arrowhead, Discerna и Persomics, среди других.
Три первичные нетранслируемые области и микроРНК
Три непереведенные области (3'-УТР) матричных РНК (мРНК) часто содержат регуляторные последовательности, которые посттранскрипционно вызывают подавление экспрессии генов. Такие 3'-УТР часто содержат как сайты связывания микроРНК (миРНК), так и регуляторных белков. Связываясь со специфическими участками в 3'-УТР, большое количество специфических миРНК снижает экспрессию генов своих целевых мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо непосредственно вызывая деградацию транскрипта, используя механизм, аналогичный интерференции РНК (см. MicroRNA). 3'-УТР также может содержать сайленсеры, которые связывают репрессорные белки, ингибирующие экспрессию мРНК. 3'-УТР часто содержит элементы ответа на микроРНК (MRE). MRE – это последовательности, к которым миРНК связываются и вызывают подавление экспрессии генов. Это распространенные мотивы в 3'-УТР. Среди всех регуляторных мотивов в 3'-УТР (например, включая сайленсеры), MRE составляют около половины мотивов. По состоянию на 2014 год веб-сайт miRBase, архив последовательностей и аннотаций миРНК, содержал 28 645 записей, относящихся к 233 биологическим видам. Из них 1881 миРНК находились в аннотированных локусах миРНК человека. Предполагалось, что каждая миРНК имеет в среднем около четырехсот целевых мРНК (вызывая подавление экспрессии нескольких сотен генов). Фридман и др. Другие эксперименты показывают, что одна миРНК может подавлять продукцию сотен белков, но это подавление часто относительно умеренное (менее чем в два раза). Эффекты дерегуляции экспрессии генов миРНК представляются важными при раке. Например, при раке желудочно-кишечного тракта было выявлено девять миРНК, которые подверглись эпигенетическим изменениям и эффективно снижают регуляцию ферментов репарации ДНК. Эффекты дерегуляции экспрессии генов миРНК также представляются важными при нейропсихиатрических расстройствах, таких как шизофрения, биполярное расстройство, большая депрессия, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра.
Медицинские исследования
Методы подавления генов широко используются исследователями для изучения генов, связанных с заболеваниями. Эти заболевания включают рак, инфекционные заболевания, респираторные заболевания и нейродегенеративные расстройства. Подавление генов также в настоящее время применяется в разработке лекарственных препаратов, например, в исследованиях синтетической летальности, высокопроизводительном скрининге и миниатюрных РНКи-скринах.
Рак
РНК-интерференция использовалась для подавления генов, связанных с несколькими видами рака. В исследованиях хронического миелолейкоза (ХМЛ) in vitro, для расщепления белка слияния BCR-ABL, который препятствует связыванию препарата Gleevec (иматиниб) с раковыми клетками, использовали siRNA. Расщепление белка слияния уменьшает количество трансформированных гемопоэтических клеток, распространяющихся по всему телу, за счет повышения чувствительности клеток к препарату. Рецепторы, участвующие в митогенных путях, приводящих к увеличению продукции раковых клеток, также становились мишенью для молекул siRNA. Рецептор химиокина 4 (CXCR4), связанный с пролиферацией рака молочной железы, расщеплялся молекулами siRNA, что уменьшало количество делений, обычно наблюдаемых у раковых клеток. Исследователи также использовали siRNA для селективной регуляции экспрессии генов, связанных с раком. Антиапоптотические белки, такие как кластерин и сурвивин, часто экспрессируются в раковых клетках. siRNA, нацеленные на кластерин и сурвивин, использовались для снижения количества антиапоптотических белков и, таким образом, повышения чувствительности раковых клеток к химиотерапевтическому лечению.
Вирусы
Вирусные гены и гены хозяина, необходимые для репликации вирусов или проникновения в клетку, или играющие важную роль в жизненном цикле вируса, часто являются мишенями противовирусной терапии. РНК-интерференция (РНКи) использовалась для подавления экспрессии генов при различных вирусных заболеваниях, таких как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) и гепатит. В частности, малые интерферирующие РНК (siRNA) применялись для подавления экспрессии основного рецептора ВИЧ – хемокинового рецептора 5 (CCR5). Это предотвращало проникновение вируса в лимфоциты периферической крови человека и первичные гематопоэтические стволовые клетки. Аналогичный подход использовался для снижения количества обнаруживаемого вируса в клетках, инфицированных гепатитом B и C. При гепатите B глушение экспрессии гена с помощью siRNA было направлено на поверхностный антиген вируса гепатита B, что привело к уменьшению количества вирусных компонентов. Кроме того, методы на основе siRNA, применяемые при гепатите C, позволили снизить количество вируса в клетках на 98%. РНК-интерференция используется в коммерческих целях для борьбы с вирусными заболеваниями растений уже более 20 лет (см. Устойчивость растений к болезням). В период с 1986 по 1990 год было опубликовано несколько примеров «устойчивости, опосредованной белком оболочки», к растительным вирусам, еще до открытия РНКи. В 1993 году исследования с вирусом мозаики табака впервые показали, что организмы-хозяева могут нацеливать специфические вирусные или мРНК-последовательности на деградацию, и что эта активность лежит в основе некоторых примеров вирусной устойчивости у трансгенных растений. Открытие малых интерферирующих РНК (детерминанты специфичности при РНК-опосредованном подавлении генов) также использовало вирус-индуцированное посттранскрипционное подавление генов у растений. К 1994 году были созданы трансгенные сорта цукини, экспрессирующие гены белка оболочки от трех различных вирусов, что обеспечило гибридам цукини полевую устойчивость к нескольким вирусам, которая сохраняется и в настоящее время. Линии картофеля, экспрессирующие последовательности вирусных репликаз, обеспечивающих устойчивость к вирусной картофельной скрутке, продавались под торговыми названиями NewLeaf Y и NewLeaf Plus и широко использовались в коммерческом производстве в 1999–2001 годах, пока корпорация McDonald’s не отказалась от закупки ГМ-картофеля, а Monsanto не приняла решение о закрытии своего картофельного бизнеса NatureMark. Другим часто упоминаемым примером вирусной устойчивости, опосредованной подавлением генов, является папайя, где гавайская индустрия папайи была спасена благодаря устойчивым к вирусам ГМ-папайям, разработанным и лицензированным исследователями университетов, а не крупной корпорацией. Эти папайи также используются и в настоящее время, хотя и не без значительного общественного протеста, который менее заметен при медицинском применении подавления генов. Методы подавления генов также использовались для воздействия на другие вирусы, такие как вирус папилломы человека, вирус Западного Нила и вирус Тулейн. Ген E6 в образцах опухолей, полученных от пациентов с вирусом папилломы человека, был выбран в качестве мишени и был показан вызывающим апоптоз в инфицированных клетках. Плазмидные векторы экспрессии siRNA, используемые для воздействия на вирус Западного Нила, также смогли предотвратить репликацию вирусов в клеточных линиях. Кроме того, было обнаружено, что siRNA эффективно предотвращает репликацию вируса Тулейн, относящегося к семейству Caliciviridae, путем воздействия как на его структурные, так и на неструктурные гены. Было показано, что при воздействии на ген NTPase однократная доза siRNA за 4 часа до инфицирования контролировала репликацию вируса Тулейн в течение 48 часов после инфицирования, снижая вирусную нагрузку до 2,6 логарифмов. Норовирусы человека печально известны своей сложностью в изучении в лабораторных условиях, но вирус Тулейн представляет собой модель для изучения этого семейства вирусов с клинической целью разработки методов лечения заболеваний, вызванных норовирусами человека.
Бактерии
В отличие от вирусов, бактерии менее восприимчивы к подавлению с помощью siRNA. Это в значительной степени обусловлено особенностями их размножения. Бактерии размножаются вне клеток хозяина и не обладают необходимым аппаратом для функционирования РНКи. Например, siRNA использовалась для уменьшения количества провоспалительных цитокинов, экспрессируемых в клетках мышей, обработанных липополисахаридом (LPS). Снижение экспрессии воспалительного цитокина, фактора некроза опухоли альфа (TNFα), в свою очередь, привело к уменьшению симптомов септического шока у мышей, обработанных ЛПС. Таким образом, хотя бактерии не могут быть напрямую подвергнуты воздействию механизмов siRNA, они все же могут испытывать влияние siRNA, когда воздействие направлено на компоненты, участвующие в бактериальной инфекции.
Заболевания органов дыхания
Рибозимы, антисенсовые олигонуклеотиды и, в последнее время, РНКи использовались для воздействия на молекулы мРНК, участвующие в развитии астмы. Эти эксперименты показали, что сиРНК может быть использована для борьбы с другими респираторными заболеваниями, такими как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и муковисцидоз. Было установлено, что секреция слизи уменьшается при воздействии сиРНК на трансформирующий фактор роста (TGF) α в эпителиальных клетках дыхательных путей человека NCI H292. Помимо гиперсекреции слизи, хроническое воспаление и повреждение ткани легких характерны для ХОБЛ и астмы. Считается, что трансформирующий фактор роста TGF β играет роль в этих проявлениях. В результате, когда интерферон (IFN) γ использовался для подавления экспрессии TGF β, наблюдалось улучшение фиброза легких, вызванного повреждением и рубцеванием легочной ткани.
Болезнь Хантингтона
Болезнь Хантингтона (БГ) возникает в результате мутации гена хентингтина, приводящей к избытку CAG-повторов. Этот ген формирует мутированный белок хентингтина с полиглутаминовыми повторами вблизи аминоконцевого конца. Это заболевание неизлечимо и известно тем, что вызывает двигательные, когнитивные и поведенческие нарушения. Исследователи рассматривают подавление генов как потенциальный метод терапии БГ. Подавление генов может быть использовано для лечения БГ путем воздействия на мутированный белок хентингтина. Мутированный белок хентингтина подвергается воздействию посредством аллель-специфичного подавления генов с использованием аллель-специфических олигонуклеотидов. В этом методе антисмысловые олигонуклеотиды используются для воздействия на однонуклеотидные полиморфизмы (СНП) – однонуклеотидные изменения в последовательности ДНК, поскольку у пациентов с БГ обнаружены общие СНП, связанные с мутировавшим аллелем хентингтина. Установлено, что при воздействии на три СНП можно охватить около 85% пациентов с БГ. Кроме того, при использовании антисмысловых олигонуклеотидов для воздействия на СНП, связанный с БГ, у мышей наблюдалось снижение уровня мутированного белка хентингтина на 50%. Сотни мутаций в гене супероксиддисмутазы (SOD1) Cu/Zn выявлены как причина БАС. Подавление генов использовалось для подавления экспрессии мутанта SOD1, характерного для БАС. В частности, молекулы siRNA успешно использовались для воздействия на мутантный ген SOD1 и снижения его экспрессии посредством аллель-специфичного подавления генов.
Проблемы терапии
Существует несколько проблем, связанных с терапией подавления генов, включая доставку и специфичность к целевым клеткам. Например, для лечения нейродегенеративных заболеваний молекулы перспективной терапии, основанной на подавлении генов, должны быть доставлены в мозг. Гематоэнцефалический барьер затрудняет доставку молекул в мозг через кровоток, предотвращая прохождение большинства молекул, которые вводятся или всасываются в кровь. Примером являются яблоки, обладающие свойством не темнеть, полученные с помощью подавления генов для снижения экспрессии полифенолоксидазы (PPO). Это первый одобренный пищевой продукт, созданный с использованием данной технологии.