Антисмысловая РНК

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

Антисмысловая РНК (asRNA ), также называемая антисмысловым транскриптом, естественным антисмысловым транскриптом (NAT) или антисмысловым олигонуклеотидом, представляет собой одноцепочечную РНК, который комплементарен белку, кодирующему матричную РНК (мРНК), с которой он гибридизуется, и тем самым блокирует его трансляцию в белок. асРНК (которые встречаются в природе) были обнаружены как в прокариотах, так и в эукариотах, антисмысловые транскрипты можно разделить на короткие (<200 nucleotides) and long (>200 нуклеотидов) некодирующие РНК (нкРНК). Основная функция асРНК - регулирование экспрессии гена. асРНК также могут быть получены синтетически и нашли широкое применение в качестве инструментов исследования для нокдауна гена. Они также могут иметь терапевтическое применение.

Содержание

  • 1 Открытие и история разработки лекарств
  • 2 Примеры для разных видов
  • 3 Классификация
    • 3.1 Цис-действие
    • 3.2 Транс-действие
    • 3.3 Функция
      • 3.3.1 Эпигенетическая регуляция
        • 3.3.1.1 Метилирование ДНК
        • 3.3.1.2 Модификация гистона
      • 3.3.2 Котранскрипционная регуляция
      • 3.3.3 Посттранскрипционная регуляция
    • 3.4 Терапевтический потенциал
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки

Открытие и история разработки лекарств

Некоторые из самых ранних асРНК были обнаружены при исследовании функциональных белков. Примером был micF asRNA. При характеристике внешней мембраны порин ompC в E.coli некоторые из наблюдаемых клонов промотора ompC были способны репрессировать экспрессию другого мембранного порина, такого как ompF. Было обнаружено, что область, ответственная за эту репрессивную функцию, представляет собой локус из 300 пар оснований выше промотора ompC. Эта область из 300 пар оснований на 70% гомологична по последовательности с 5'-концом мРНК ompF, и, таким образом, транскрипт этого локуса из 300 пар оснований был комплементарен мРНК ompF. Позднее 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.

В отличие от РНК micF, обнаруженной случайно, большинство асРНК было обнаружено с помощью полногеномного поиска малых регуляторных РНК и с помощью анализа транскриптома. Обычно первый шаг включает в себя вычислительные предсказания, основанные на некоторых известных характеристиках асРНК. Во время вычислительного поиска исключаются области кодирования. При анализе предпочтительны области, которые, как предполагается, имеют консервативные структуры РНК и действуют как орфанные промоторы и Rho-независимые терминаторы. Поскольку вычислительные поиски сосредоточены на межгенной области, асРНК, которые транскрибируются с противоположной цепи кодирующего гена, вероятно, будут пропущены с использованием этого метода. Для обнаружения асРНК, транскрибируемой из кодирующей области, можно использовать олигонуклеотидные микрочипы. В этом методе одну или обе цепи кодирующих генов можно использовать в качестве зондов. В дополнение к компьютерному поиску и микрочипам некоторые асРНК были обнаружены путем секвенирования клонов кДНК, а также картирования промоторных элементов. 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 цепочки транскрипции, хроматине связывающих некодирующие РНК и исследованиях отдельных клеток.

Идея асРНК как лекарства цель началась 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 г. FDA одобрило первый препарат асРНК фомивирсен. Фомивирсен, олигонуклеотид из 21 пары оснований, был разработан для лечения цитомегаловирусного ретинита у пациентов со 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.

Еще одним примером использования асРНК в качестве терапевтического агента является мипомерсен, который был одобрен FDA в 2013 году. Мипомерсен был разработан для контроля уровня холестерина липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) у пациентов с гомозиготной семейной гиперхолестеринемией ( HoFH), что 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. Поскольку было обнаружено, что белок апо-B-100 необходим для производства липопротеина очень низкой плотности (VLDL) и LDL, мипомерсен комплементирует мРНК апо-B-100 и нацелить его на зависимую от РНКазу H деградацию. В конечном итоге мипомерсен способен снижать уровень ЛПНП.

Примеры для разных видов

Первоначальные обнаруженные асРНК были у прокариот, включая плазмиды, бактериофаги 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 H. 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. Помимо экспрессии в прокариотах, асРНК также были обнаружены в растениях. Наиболее хорошо описанный пример регуляции асРНК у растений - ген цветущего локуса C (FLC). 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. В клетках млекопитающих типичным примером регуляции асРНК является инактивация Х-хромосомы. Xist, asRNA, может рекрутировать polycomb репрессивный комплекс 2 (PRC2), что приводит к гетерохроматинизации X-хромосомы.

Классификация

Антисмысловые РНК можно классифицировать по-разному. Что касается регуляторных механизмов, некоторые авторы группируют asRNA во взаимодействиях РНК-ДНК, взаимодействиях РНК-РНК в ядре или цитоплазме и взаимодействиях РНК-белок (эпигенетические ). Антисмысловые РНК можно разделить на категории по типу промоторов, которые инициируют экспрессию асРНК: независимые промоторы, общие двунаправленные промоторы или скрытые промоторы. С точки зрения длины, хотя асРНК в целом классифицируется как днРНК, существуют короткие асРНК с длиной менее 200 пар оснований. Поскольку установлено, что регуляторный механизм асРНК видоспецифичен, асРНК также можно классифицировать по видам. Один из распространенных способов классификации асРНК - это то, где асРНК транскрибируются относительно своих генов-мишеней: цис-действующие и транс-действующие.

цис-действующие

цис-действующие асРНК 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. Помимо цис-действующих асРНК, нацеленных на мРНК, существуют цис-действующие эпигенетические сайленсеры и активаторы. С точки зрения эпигенетической модификации цис-действие относится к природе этих асРНК, которые регулируют эпигенетические изменения вокруг локусов, где они транскрибируются. Вместо нацеливания на отдельные мРНК эти цис-действующие эпигенетические регуляторы могут задействовать ферменты, модифицирующие хроматин, которые могут оказывать влияние как на локусы транскрипции, так и на соседние гены.

Транс-действующие

Транс-действующие асРНК транскрибируются с 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 нуждаются в помощи от РНК шаперонного белка, таких как Hfq, для выполнения своих функций. Из-за сложности транс-действующих асРНК, они в настоящее время считаются мишенями, менее подверженными действию лекарств.

Функция

'Эпигенетическая регуляция : 'a) АсРНК могут индуцировать метилирование ДНК, рекрутируя ДНК-метилтрансферазу ( 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 определенного 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 асРНК 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-талассемии, типа заболевания крови, при котором снижается уровень гемоглобина, приводящего к недостаточному содержанию кислорода в тканях, ген альфа1 гемоглобина (HBA1) подавляется аномальным транскрипт предполагаемого РНК-связывающего белка Luc7-подобного (LUC71), который служит асРНК для HBA1 и индуцирует метилирование промотора HBA1. Другой пример - подавление гена-супрессора опухоли 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 (ANRIL ), которая экспрессируется в том же локусе, который кодирует p15INK4b.

Модификация гистона

В эукариотических клетках ДНК плотно упакована гистонами. Модификация гистонов может изменять взаимодействия с ДНК, что может дополнительно вызывать изменения в экспрессии гена. Биологические последствия метилирования гистонов зависят от контекста. В общем, метилирование гистонов приводит к репрессии гена, но также может быть достигнута активация гена. Доказательства показали, что метилирование гистонов может быть индуцировано асРНК. Например, ANRIL, помимо способности индуцировать метилирование ДНК, также может репрессировать соседний ген CDKN2B, CDKN2A, рекрутируя репрессивный комплекс polycomb 2 (PRC2), что приводит к метилированию гистонов (H3K27me). Другим классическим примером является инактивация Х-хромосомы посредством XIST.

ANRIL-индуцированная эпигенетическая модификация, которая является примером цис-действующей эпигенетической регуляции. Кроме того, модификация хроматина, индуцированная антисмысловой РНК, может быть как транс-действующей. Например, у млекопитающих asRNA HOTAIR транскрибируется с локуса homeobox C (HOXC), но рекрутирует PRC2 в HOXD, который откладывает H3K27 и заглушает HOXD. HOTAIR высоко экспрессируется в первичных опухолях груди.

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 удлинение и приводит к репрессии гена. Один из примеров - репрессия гена его асРНК. Другой способ ко-транскрипционного воздействия на транскрипцию - блокирование сплайсинга. Одним из классических примеров у человека является ген гомеобокса 2, связывающий цинковый палец E-box (ZEB2 ), который кодирует E-кадгерин, репрессор транскрипции. Для эффективной трансляции мРНК ZEB2 требуется наличие внутреннего сайта входа в рибосому (IRES) в интроне мРНК на 5'-конце. 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 систему тонкого контроля тонуса.

Посттранскрипционная регуляция

Прямая посттранскрипционная модуляция с помощью асРНК относится к мРНК, на которую непосредственно нацелены асРНК; 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 приводить 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 с наиболее выраженным ингибирующим эффектом.

Терапевтический потенциал

В качестве регуляторного элемента асРНК имеют много преимуществ, которые следует учитывать как мишень для наркотиков. 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. 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 представляет собой огромное преимущество, потому что для эффективности требуется только низкая дозировка.

В последние годы идея нацеливания на асРНК 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 терапию ферментами, терапию микроРНК и доставку 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 тяжелое финансовое бремя для пациента. Из-за локус-специфической природы асРНК и свидетельств изменений в экспрессии асРНК при многих заболеваниях предпринимались попытки создать одноцепочечные олигонуклеотиды, называемые антагоНАТ, для ингибирования асРНК и, в конечном итоге, для увеличения экспрессии специфических генов.

Несмотря на обещания асРНК в качестве мишеней для лекарств или кандидатов в лекарственные препараты, остается еще ряд проблем, которые необходимо решить. Прежде всего, asRNA и antagoNAT могут легко разрушаться РНКазой или другими разрушающими ферментами. Чтобы предотвратить деградацию терапевтических олигонуклеотидов, обычно требуется химическая модификация. Наиболее распространенной химической модификацией олигонуклеотидов является добавление фосфоротиоатной связи к остовам. 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. Наконец, было показано, что искусственные asRNA имеют ограниченное внутриклеточное поглощение. Хотя было показано, что нейроны и глия обладают способностью свободно поглощать голые антисмысловые олигонуклеотиды, отслеживаемые носители, такие как вирус и липидные везикулы, по-прежнему будут идеальными для контроля и мониторинга внутриклеточной концентрации и метаболизма.

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-11 18:56:47
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте