Антисмысловая РНК - Antisense RNA

Этот рисунок демонстрирует, что антисмысловая РНК комплементарна своему смысловому транскрипту.
AsRNA транскрибируется с отстающей цепи гена и комплементарна определенной мРНК или смысловому транскрипту.

Антисмысловая РНК (asRNA), также называемый антисмысловым транскриптом,[1] естественный антисмысловой транскрипт (NAT)[2][3][4] или антисмысловой олигонуклеотид,[5] одноцепочечный РНК что комплементарно кодирующему белку информационная РНК (мРНК), с которой он гибридизуется, и тем самым блокирует его перевод в белок. asRNAs (которые встречаются в природе) были обнаружены в обоих прокариоты и эукариоты,[1] антисмысловые транскрипты можно разделить на короткие (<200 нуклеотидов) и длинные (> 200 нуклеотидов). некодирующие РНК (нкРНК).[4] Основная функция asRNA - регулирование экспрессия гена. asRNA также могут быть получены синтетическим путем и нашли широкое распространение в качестве инструментов исследования для нокдаун генов. Они также могут иметь терапевтическое применение.[6][1][4]

Открытие и история разработки лекарств

Основная статья: Антисмысловая терапия

Некоторые из самых ранних asRNA были обнаружены при исследовании функциональных белков. Пример был micF asRNA. Характеризуя внешнюю мембрану порин ompC в Кишечная палочка некоторые из наблюдаемых клонов промотора ompC были способны подавлять экспрессию другого мембранного порина, такого как ompF. Было обнаружено, что область, ответственная за эту функцию репрессии, находится в локусе из 300 пар оснований выше промотора ompC. Эта область из 300 пар оснований на 70% гомологична по последовательности с 5 'конец мРНК ompF и, таким образом, транскрипт этого локуса из 300 пар оснований комплементарен мРНК ompF. Позже этот транскрипт, обозначенный как micF, оказался asRNA ompF и способен подавлять экспрессию ompF при стрессе за счет образования дуплекса с мРНК ompF. Это вызывает деградацию мРНК ompF.[2]

В отличие от РНК micF, обнаруженной случайно, большинство asRNA были обнаружены в результате полногеномного поиска малых регуляторных РНК и с помощью транскриптом анализ. Обычно первый шаг включает в себя вычислительные предсказания, основанные на некоторых известных характеристиках асРНК. Во время вычислительного поиска исключаются области кодирования. Области, которые, как предполагается, имеют консервативные структуры РНК и действуют как орфанные промоторы и Ро независимые терминаторы предпочтение отдается во время анализа. Поскольку вычислительный поиск сосредоточен на межгенная область, asRNAs, которые транскрибируются с противоположной цепи кодирующего гена, вероятно, будут пропущены с помощью этого метода. Чтобы обнаружить асРНК, транскрибируемую из кодирующей области, олигонуклеотидные микрочипы может быть использован. В этом методе одну или обе цепи кодирующих генов можно использовать в качестве зондов. Помимо компьютерного поиска и микроматриц, некоторые asRNA были обнаружены путем секвенирования клонов кДНК, а также картирования промоторных элементов.[7] Хотя многие результаты упомянутых выше подходов привели к появлению множества возможных асРНК, лишь немногие из них оказались действительными асРНК с помощью дальнейших функциональных тестов. Чтобы свести к минимуму количество ложноположительных результатов, новые подходы последних лет были сосредоточены на специфичной для цепи транскрипции, хроматин связывание некодирующих РНК и исследования отдельных клеток.[1]

Идея асРНК как мишеней для лекарств возникла в 1978 году, когда Замечник и Стефенсон обнаружили антисмысловой олигонуклеотид к вирусной РНК вируса скаркомы Рауса, который был способен ингибировать репликацию вируса и синтез белка. С тех пор много усилий было направлено на разработку асРНК в качестве кандидатов в лекарства. В 1998 году был выпущен первый препарат асРНК, Fomivirsen, был одобрен FDA. Фомивирсен, олигонуклеотид из 21 пары оснований, был разработан для лечения цитомегаловирусный ретинит у больных СПИДом. Он работает путем нацеливания на транскрибируемую мРНК вируса и, следовательно, ингибирования репликации цитомегаловируса. Несмотря на то, что производство фомивирсена было прекращено в 2004 году из-за потери рынка, он послужил успешным и вдохновляющим примером использования асРНК в качестве мишеней или кандидатов в лекарства.[5]

Другой пример использования асРНК в качестве терапевтического агента: Мипомерсен, который был одобрен FDA в 2013 году. Мипомерсен был разработан для управления уровнем холестерин липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) у пациентов с гомозиготным семейная гиперхолестеринемия (HoFH), которое является редким аутосомно-доминантным генетическим заболеванием. Из-за высокого уровня общего холестерина (650–1000 мг / дл) и рецепторов ЛПНП (выше 600 мг / дл) в HoFH пациенты с HoFH имеют высокий риск ишемической болезни сердца. Потому что белок апо-В-100 было установлено, что требуется для производства липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП) и ЛПНП, мипомерсен дополняет мРНК апо-B-100 и нацеливает ее на РНКаза H зависимая деградация. В конечном итоге мипомерсен способен снижать уровень ЛПНП.[8]

Примеры для разных видов

Первоначальные обнаруженные асРНК были у прокариот, включая плазмиды, бактериофаг и бактерии. Например, в плазмиде ColE1 асРНК, называемая РНК I, играет важную роль в определении числа копий плазмиды путем контроля репликации. Репликация ColE1 зависит от транскрипции праймерной РНК, называемой РНК II. После того, как РНК II транскрибируется, она гибридизуется со своей ДНК-матрицей, а затем расщепляется РНКазой Н. В присутствии асРНК РНК I, РНК I и РНК II образуют дуплекс, который вносит конформационное изменение РНК II. Следовательно, РНК II не может гибридизоваться со своей ДНК-матрицей, что приводит к низкому количеству копий ColE1. В бактериофаге P22 сар асРНК помогает регулировать литический и лизогенный цикл, контролируя экспрессию Ant.[9] Помимо экспрессии в прокариотах, асРНК также были обнаружены в растениях. Наиболее хорошо описанный пример регуляции асРНК у растений приведен на Цветущий Локус C (FLC) ген. Ген FLC в Arabidopsis thaliana кодирует фактор транскрипции, который предотвращает экспрессию ряда генов, вызывающих переход цветков. В холодной среде asRNA гена FLC, обозначаемая COOLAIR, экспрессируется и ингибирует экспрессию FLC посредством модификации хроматина, что, следовательно, способствует цветению.[10] В клетках млекопитающих типичным примером регуляции асРНК является инактивация Х-хромосомы. Xist, асРНК, может рекрутировать поликомб репрессивный комплекс 2 (PRC2), что приводит к гетерохроматинизации Х-хромосомы.[3]

Классификация

Антисмысловые РНК можно классифицировать по-разному. Что касается регуляторных механизмов, некоторые авторы группируют асРНК во взаимодействиях РНК-ДНК, взаимодействия РНК-РНК либо в ядро или же цитоплазма и РНК-белковые взаимодействия (эпигенетический ).[3] Антисмысловые РНК можно классифицировать по типу промоторов, которые инициируют экспрессию асРНК: независимые промоторы, общие двунаправленные промоторы или скрытые промоторы. Что касается длины, хотя асРНК в целом классифицируется как днРНК, существуют короткие асРНК с длиной менее 200 пар оснований. Поскольку установлено, что регуляторный механизм асРНК является видоспецифичным, асРНК также можно классифицировать по видам.[1] Один из распространенных способов классификации асРНК - это то, где асРНК транскрибируются относительно своих генов-мишеней: цис-действующий и трансакционный.

Цис-действующий

Смотрите также: Цис-естественный антисмысловой транскрипт

Цис-действующий asRNA транскрибируются с противоположной цепи целевого гена в локусе целевого гена. Они часто демонстрируют высокую степень или полную комплементарность с целевым геном. Если цис-действующая асРНК регулирует экспрессию гена, воздействуя на мРНК, она может нацеливаться только на индивидуальную мРНК. При взаимодействии с нацеливающими мРНК цис-действующие асРНК могут либо блокировать связывание рибосом, либо рекрутировать РНКазу для разрушения нацеливающих мРНК. Следовательно, функция этих цис-действующих асРНК заключается в репрессии трансляции направленных мРНК.[2] Помимо цис-действующих асРНК, нацеленных на мРНК, существуют цис-действующие эпигенетические глушители и активаторы. С точки зрения эпигенетической модификации цис-действие относится к природе этих асРНК, которые регулируют эпигенетические изменения вокруг места где они расшифрованы. Вместо нацеливания на отдельные мРНК эти цис-действующие эпигенетические регуляторы могут привлекать модифицирующие хроматин ферменты, которые могут оказывать влияние как на локусы транскрипции, так и на соседние гены.[3]

Транс-действующий

Транс-действующий asRNA транскрибируются из локусов, удаленных от нацеливающих генов. В отличие от цис-действующих асРНК, они демонстрируют низкую степень комплементарности с целевым геном, но могут быть длиннее, чем цис-действующие асРНК. Они также могут нацеливаться на несколько локусов. Из-за этих свойств транс-действующих асРНК они образуют менее стабильные комплексы со своими транскриптами нацеливания и иногда требуют помощи от РНК. шаперонный белок такие как Hfq для выполнения своих функций. Из-за сложности транс-действующих asRNAs в настоящее время они рассматриваются как менее поддающиеся воздействию лекарств мишени.[2]

Функция

'Эпигенетическая регуляция: 'a) AsRNA могут индуцировать метилирование ДНК путем привлечения ДНК-метилтрансферазы (DNMT). б) AsRNA могут индуцировать метилирование гистонов путем привлечения гистон-метилтрансферазы (HMT). «Ко-транскрипционная регуляция:» в) AsRNA могут вызывать столкновение РНК-полимеразы (Pol) и останавливать транскрипцию. г) AsRNA могут отдавать предпочтение трансляции конкретного варианта сплайсинга (мРНК V1), блокируя другой вариант сплайсинга (мРНК V2). 'Посттранскрипционная регуляция: 'e) Дуплекс AsRNA-мРНК может либо блокировать связывание рибосомы с мРНК, либо рекрутировать РНКазу H для разрушения мРНК. По этому механизму асРНК непосредственно ингибируют трансляцию мРНК.

Эпигенетическая регуляция

Многие примеры asRNA демонстрируют ингибирующий эффект на инициацию транскрипции посредством эпигенетических модификаций.

Метилирование ДНК

Метилирование ДНК может привести к долгосрочному подавлению специфических генов. Репрессия функциональных белков посредством индуцированного асРНК метилирования ДНК была обнаружена при нескольких заболеваниях человека. В классе альфа-талассемия, тип заболевания крови, при котором снижается уровень гемоглобина, что приводит к недостатку кислорода в тканях,[11] гемоглобин альфа1 ген (HBA1) подавляется аномальным транскриптом предполагаемого РНК-связывающего белка Luc7-подобного (LUC71), который служит асРНК для HBA1 и индуцирует метилирование промотора HBA1.[1] Другой пример - подавление гена-супрессора опухолей p15INK4b, также называемого CDKN2B, при остром лимфобластном лейкозе и остром миелоидном лейкозе. АсРНК, которая отвечает за этот эффект сайленсинга, представляет собой антисмысловую некодирующую РНК в локусе INK (АНРИЛ ), который экспрессируется в том же локусе, который кодирует p15INK4b.[3]

Модификация гистона
Основная статья: Модификация гистона

В эукариотических клетках ДНК плотно упакована гистоны. Модификация гистонов может изменить взаимодействия с ДНК, что может в дальнейшем вызвать изменения в экспрессия гена. Биологические последствия метилирование гистонов зависят от контекста. В общем, метилирование гистонов приводит к репрессии гена, но также может быть достигнута активация гена.[12] Доказательства показали, что метилирование гистонов может быть индуцировано асРНК. Например, ANRIL, помимо способности индуцировать метилирование ДНК, также может репрессировать соседний ген CDKN2B, CDKN2A, путем набора поликомб репрессивный комплекс 2 (PRC2), что приводит к метилированию гистонов (H3K27me). Другой классический пример - инактивация Х-хромосомы XIST.[1]

Эпигенетическая модификация, вызванная ANRIL, является примером цис-действующей эпигенетической регуляции.[3] Кроме того, модификация хроматина, индуцированная антисмысловой РНК, может быть как транс-действующей. Например, у млекопитающих asRNA ГОРЯЧИЙ ВОЗДУХ записано с гомеобокс C (HOXC) локус, но он рекрутирует PRC2 в HOXD, который накладывает H3K27 и заглушает HOXD. HOTAIR высоко экспрессируется в первичных опухолях груди.[1]

Ко-транскрипционная регуляция

Эпигенетические регуляции, такие как метилирование ДНК и метилирование гистонов, могут подавлять экспрессию генов, подавляя инициацию транскрипции. Однако иногда репрессия генов может быть достигнута путем преждевременного прекращения или замедления процесса транскрипции. AsRNA могут участвовать в регуляции этого уровня генов. Например, в бактериальных или эукариотических клетках, где присутствуют сложные РНК-полимеразы, двунаправленная транскрипция в одном и том же локусе может привести к конфликту полимераз и привести к прекращению транскрипции. Даже когда столкновение полимеразы маловероятно во время слабой транскрипции, также может происходить пауза полимеразы, которая блокирует элонгацию и приводит к репрессии гена. Один из примеров - подавление IME4 ген его asRNA RME2. Другой способ ко-транскрипционного воздействия на транскрипцию - блокирование сплайсинга. Один классический пример из жизни человека: цинковый палец E-box связывание с геном гомеобокса 2 (ZEB2 ), который кодирует E-кадгерин, репрессор транскрипции. Для эффективной трансляции мРНК ZEB2 требуется наличие внутренний сайт входа рибосомы (IRES) в интроне мРНК на 5 'конец. При экспрессии asRNA ZEB2 она может маскировать сайт сплайсинга и поддерживать IRES в мРНК, что приводит к эффективному синтезу E-кадгерина. Наконец, в зависимости от уровня экспрессии асРНК могут быть получены различные изоформы смыслового транскрипта. Следовательно, asRNA-зависимая регуляция не ограничивается механизмом включения / выключения; скорее, он представляет собой прекрасную систему управления тоном.[1]

Посттранскрипционная регуляция

Прямая посттранскрипционная модуляция с помощью asRNA относится к мРНК, на которую непосредственно нацелены asRNA; таким образом, это влияет на перевод. Некоторые характеристики этого типа асРНК описаны в цис- и трансформирующих асРНК. Этот механизм относительно быстр, потому что и мРНК нацеливания, и ее асРНК должны одновременно присутствовать в одной и той же клетке. Как описано в цис-действующих асРНК, спаривание мРНК-асРНК может привести к блокированию входа в рибосомы и зависимой от РНКазы Н деградации. В целом, асРНК, нацеленные на мРНК, могут либо активировать, либо ингибировать трансляцию смысловых мРНК, при этом ингибирующий эффект является наиболее выраженным.[1]

Лечебный потенциал

Как регуляторный элемент asRNAs имеют много преимуществ, чтобы их можно было рассматривать в качестве мишени для лекарств. Прежде всего, асРНК регулируют экспрессию генов на нескольких уровнях, включая транскрипцию, посттранскрипцию и эпигенетические модификации. Во-вторых, цис-действующие асРНК специфичны для последовательности и демонстрируют высокую степень комплементарности с нацеливающими генами.[1] В-третьих, уровень экспрессии асРНК очень мал по сравнению с уровнем экспрессии мРНК нацеливания; следовательно, для достижения эффекта требуется лишь небольшое количество асРНК. С точки зрения мишеней для лекарств это является огромным преимуществом, поскольку для их эффективности требуется только низкая дозировка.[4]

В последние годы идея нацеливания на asRNAs для увеличения экспрессии генов специфическим для локуса образом привлекает большое внимание. Из-за характера разработки лекарств всегда легче получить лекарственные средства, действующие как ингибиторы или подавители. Однако существует потребность в разработке лекарств, которые могут активировать или повышать экспрессию генов, таких как гены-супрессоры опухолей, нейропротективные факторы роста и гены, которые, как обнаружено, подавляются при определенных менделевских расстройствах. В настоящее время подход к восстановлению недостаточной экспрессии генов или функции белка включает заместительную ферментативную терапию, микроРНК терапии и доставки функциональной кДНК. Однако у каждого есть свои недостатки. Например, синтезированный белок, используемый в заместительной ферментной терапии, часто не может имитировать всю функцию эндогенного белка. Кроме того, заместительная ферментная терапия - это пожизненное обязательство и большое финансовое бремя для пациента. Из-за локус-специфической природы асРНК и свидетельств изменений в экспрессии асРНК при многих заболеваниях были попытки создать одноцепочечные олигонуклеотиды, называемые антагоНАТ, для ингибирования асРНК и, в конечном итоге, для повышения экспрессии специфических генов.[4]

Несмотря на обещания асРНК в качестве мишеней для лекарств или кандидатов в лекарственные средства, остается еще несколько проблем, которые необходимо решить.[13] Прежде всего, асРНК и антагоНАТ могут легко разрушаться РНКазой или другими разрушающими ферментами. Чтобы предотвратить деградацию терапевтических олигонуклеотидов, обычно требуется химическая модификация. Наиболее распространенная химическая модификация олигонуклеотидов - это добавление фосфоротиоат связь с позвоночником.[5] Однако модификация фосфротиоата может быть провоспалительной. Побочные эффекты, включая жар, озноб или тошноту, наблюдались после местной инъекции олигонуклеотидов, модифицированных фосфротиоатом. Во-вторых, нецелевое значение токсичности также представляет большую проблему. Несмотря на локус-специфичную природу эндогенных асРНК, только 10-50% синтезированных олигонуклеотидов показали ожидаемый целевой эффект. Одна из возможных причин этой проблемы - высокие требования к структуре асРНК, которая должна распознаваться последовательностью-мишенью и РНКазой H. Единичное несоответствие может привести к искажению вторичной структуры и привести к нецелевым эффектам.[4] Наконец, было показано, что искусственные asRNA имеют ограниченное внутриклеточное поглощение.[5] Хотя было показано, что нейроны и глия обладают способностью свободно поглощать голые антисмысловые олигонуклеотиды, прослеживаемые носители, такие как вирус и липидные везикулы, по-прежнему будут идеальными для контроля и мониторинга внутриклеточной концентрации и метаболизма.[4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k Пелехано В., Штейнмец Л.М. (декабрь 2013 г.). «Регулирование генов с помощью антисмысловой транскрипции». Обзоры природы. Генетика. 14 (12): 880–893. Дои:10.1038 / nrg3594. PMID  24217315.
  2. ^ а б c d Сабери Ф., Камали М., Наджафи А., Язданпараст А., Могхаддам М. М. (2016-07-28). «Природные антисмысловые РНК как регуляторные элементы мРНК в бактериях: обзор функций и применения». Письма о клеточной и молекулярной биологии. 21: 6. Дои:10.1186 / s11658-016-0007-z. ЧВК  5415839. PMID  28536609.
  3. ^ а б c d е ж Magistri M, Faghihi MA, St Laurent G, Wahlestedt C (август 2012 г.). «Регулирование структуры хроматина с помощью длинных некодирующих РНК: основное внимание уделяется естественным антисмысловым транскриптам». Тенденции в генетике. 28 (8): 389–396. Дои:10.1016 / j.tig.2012.03.013. ЧВК  3768148. PMID  22541732.
  4. ^ а б c d е ж грамм Wahlestedt C (июнь 2013 г.). «Нацеливание на длинную некодирующую РНК для терапевтического повышения экспрессии гена». Обзоры природы. Открытие наркотиков. 12 (6): 433–446. Дои:10.1038 / nrd4018. PMID  23722346.
  5. ^ а б c d Коле Р., Крайнер А.Р., Альтман С. (январь 2012 г.). «РНК-терапия: помимо РНК-интерференции и антисмысловых олигонуклеотидов». Обзоры природы. Открытие наркотиков. 11 (2): 125–140. Дои:10.1038 / nrd3625. ЧВК  4743652. PMID  22262036.
  6. ^ Вайс Б., Давидкова Г., Чжоу Л.В. (март 1999 г.). «Генная терапия антисмысловой РНК для изучения и модуляции биологических процессов». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 55 (3): 334–358. Дои:10.1007 / с000180050296. PMID  10228554.
  7. ^ Томасон МК, Сторц Г. (2010). «Бактериальные антисмысловые РНК: сколько их и что они делают?». Ежегодный обзор генетики. 44 (1): 167–188. Дои:10.1146 / annurev-genet-102209-163523. ЧВК  3030471. PMID  20707673.
  8. ^ Вонг Э., Голдберг Т. (февраль 2014 г.). «Мипомерсен (кинамро): новый антисмысловой олигонуклеотидный ингибитор для лечения гомозиготной семейной гиперхолестеринемии». P&T. 39 (2): 119–122. ЧВК  3956393. PMID  24669178.
  9. ^ Саймонс Р.В. (декабрь 1988 г.). «Естественный контроль антисмысловой РНК - краткий обзор». Ген. 72 (1–2): 35–44. Дои:10.1016/0378-1119(88)90125-4. PMID  2468573.
  10. ^ Ietswaart R, Wu Z, Dean C (сентябрь 2012 г.). «Контроль времени цветения: еще одно окно для связи антисмысловой РНК и хроматина». Тенденции в генетике. 28 (9): 445–453. Дои:10.1016 / j.tig.2012.06.002. PMID  22785023.
  11. ^ «альфа-талассемия». Домашний справочник по генетике. Национальная медицинская библиотека США NIH. 14 ноября 2017.
  12. ^ Ветстайн JR (2010). «Метилирование гистонов». Справочник по сотовой сигнализации (Второе изд.). С. 2389–2397. Дои:10.1016 / b978-0-12-374145-5.00287-4. ISBN  978-0-12-374148-6.
  13. ^ Вайс Б. (ред.): Антисмысловые олигодезоксинуклеотиды и антисмысловая РНК: новые фармакологические и терапевтические агенты, CRC Press, Boca Raton, FL, 1997.