microRNAs: Νέα κατανόηση του μηχανισμού δράσης στις ιογενείς λοιμώξεις και η σημασία του

Τα MicroRNA ή εν συντομία miRNA (δεν πρέπει να συγχέονται με το mRNA ή το αγγελιαφόρο RNA) ανακαλύφθηκαν το 1993 και έχουν μελετηθεί εκτενώς τις τελευταίες δύο δεκαετίες περίπου για τον ρόλο τους στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Τα miRNA εκφράζονται διαφορετικά σε διάφορα κύτταρα και ιστούς του σώματος. Πρόσφατη έρευνα από τους επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Queen's του Μπέλφαστ αποκάλυψε τον μηχανιστικό ρόλο των miRNAs στη ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος όταν τα κύτταρα του σώματος προκαλούνται από ιούς. Αυτά τα ευρήματα θα οδηγήσουν σε μια βελτιωμένη κατανόηση της νόσου και την εκμετάλλευσή της ως στόχους για νέα θεραπευτική ανάπτυξη.  

MicroRNAs or miRNAs have gained popularity over the past two decades for their role in post-transcriptional processes such as differentiation, metabolic homeostasis, proliferation and apoptosis ^(1-5). miRNAs are small single-stranded RNA sequences that do not encode for any proteins. They are derived from larger precursors, which are double-stranded RNA. The biogenesis of miRNA starts in the nucleus of the cell and involves generation of primary miRNA transcripts by RNA polymerase II followed by trimming of the primary transcript to release the pre-miRNA hairpin by an enzyme complex. The primary miRNA is then exported to the cytoplasm where it is acted upon by DICER (a protein complex that further cleaves the pre-miRNA), thereby producing the mature single-stranded miRNA. The mature miRNA integrates itself as part of the RNA induced silencing complex (RISC) and induces post-transcriptional gene silencing by fastening RISC to the complementary regions, found within the 3’ untranslated regions (UTRs), in the target mRNAs. 

The story began in 1993 with the discovery of miRNAs in Γ. Elegans από τον Lee και τους συναδέλφους του ⁽⁶⁾. Παρατηρήθηκε ότι η πρωτεΐνη LIN-14 ρυθμίστηκε προς τα κάτω από ένα άλλο μεταγραφόμενο γονίδιο που ονομάζεται lin-4 και αυτή η μείωση ήταν απαραίτητη για την ανάπτυξη της προνύμφης σε Γ. Elegans in progressing from stage L1 to L2. The transcribed lin-4 resulted in downregulating LIN-14 expression via complementary binding to the 3’UTR region of lin-4 mRNA, with little changes to mRNA levels of lin-4. This phenomenon was initially thought to be exclusive and specific to C. elegans, μέχρι το 2000 περίπου, όταν ανακαλύφθηκαν σε άλλα είδη ζώων ⁽⁷⁾. Since then, there has been a deluge of research articles describing the discovery and existence of miRNAs in both plants and animals. Over 25000 miRNAs have been discovered so far and for many, the exact role they play in the biology of the organism still remains elusive. 

miRNAs ασκούν τα αποτελέσματά τους καταστέλλοντας μετα-μεταγραφικά τα mRNA δεσμεύοντας σε συμπληρωματικές θέσεις στα 3' UTR του mRNA που ελέγχουν. Μια ισχυρή συμπληρωματικότητα στοχεύει στο mRNA για αποικοδόμηση ενώ μια ασθενής συμπληρωματικότητα δεν προκαλεί αλλαγές στα επίπεδα του mRNA αλλά προκαλεί αναστολή της μετάφρασης. Αν και ο κύριος ρόλος του miRNA είναι στη μεταγραφική καταστολή, λειτουργούν επίσης ως ενεργοποιητές σε σπάνιες περιπτώσεις ⁽⁸⁾. Τα miRNA διαδραματίζουν απαραίτητο ρόλο στην ανάπτυξη του οργανισμού ρυθμίζοντας τα γονίδια και τα γονιδιακά προϊόντα από την εμβρυϊκή κατάσταση έως την ανάπτυξη οργάνων και συστημάτων οργάνων ^(9-11). In addition to their role in maintaining cellular homeostasis, miRNAs have also been implicated in various diseases such as cancer (miRNAs acting as both activators and repressor of genes), neurodegenerative disorders and cardiovascular diseases. Understanding and elucidating their role in various diseases can lead to new biomarker discovery with concomitant new therapeutic approaches for disease prevention. miRNAs also play a critical role in the development and pathogenesis of infections caused by micro-organisms such as bacteria and viruses by regulating the genes of the immune system to mount an effective response to the disease. In case of viral infections, Type I interferons (IFN alpha and IFN beta) are released as anti-viral cytokines which in turn modulates the immune system to mount a combative response ⁽¹²). Η παραγωγή ιντερφερονών ρυθμίζεται αυστηρά τόσο στο επίπεδο της μεταγραφής όσο και της μετάφρασης και παίζει καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό της αντι-ιικής απόκρισης από τον ξενιστή. Ωστόσο, οι ιοί έχουν εξελιχθεί αρκετά ώστε να παραπλανούν τα κύτταρα-ξενιστές ώστε να καταστέλλουν αυτή την ανοσολογική απόκριση, παρέχοντας πλεονέκτημα στον ιό για την αντιγραφή του και ως εκ τούτου επιδεινώνοντας τα συμπτώματα της νόσου ^{(12, 13)}. Ο αυστηρός έλεγχος της αλληλεπίδρασης μεταξύ της παραγωγής IFN από τον ξενιστή κατά την ιογενή μόλυνση και της καταστολής της από τον ιό που μολύνει καθορίζει την έκταση και τη διάρκεια της ασθένειας που προκαλείται από τον εν λόγω ιό. Αν και ο μεταγραφικός έλεγχος της παραγωγής IFN και των σχετικών διεγερμένων με IFN γονιδίων (ISGs) είναι καλά τεκμηριωμένος ⁽¹⁴⁾, ο μηχανισμός του μεταφραστικού ελέγχου παρέμενε ακόμα άγνωστος ⁽¹⁵⁾. 

Η πρόσφατη μελέτη από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο McGill του Καναδά και του Πανεπιστήμιο Κουίνς, Το Μπέλφαστ παρέχει μια μηχανιστική κατανόηση του μεταφραστικού ελέγχου του IFN παραγωγή που υπογραμμίζει το ρόλο της πρωτεΐνης 4EHP στην καταστολή της παραγωγής IFN-beta και της συμμετοχής του miRNA, miR-34a. Το 4EHP ρυθμίζει προς τα κάτω την παραγωγή IFN ρυθμίζοντας την επαγόμενη από το miR-34a μεταφραστική σίγαση του mRNA του Ifnb1. Η μόλυνση με ιούς RNA και η επαγωγή βήτα IFN αυξάνουν τα επίπεδα του miR-34a miRNA, ενεργοποιώντας έναν ρυθμιστικό βρόχο αρνητικής ανάδρασης που καταστέλλει την έκφραση IFN βήτα μέσω 4EHP ⁽¹⁶⁾. Αυτή η μελέτη έχει μεγάλη σημασία στον απόηχο της τρέχουσας πανδημίας που προκαλείται Covid-19 (λοίμωξη που προκαλείται από έναν ιό RNA) καθώς θα βοηθήσει στην περαιτέρω κατανόηση της νόσου και θα οδηγήσει σε νέους τρόπους αντιμετώπισης της λοίμωξης ρυθμίζοντας τα επίπεδα του miR-34a miRNA χρησιμοποιώντας ενεργοποιητές/αναστολείς σχεδιαστών και δοκιμάζοντας τους σε κλινικές δοκιμές για τις επιπτώσεις του στην απόκριση IFN. Έχουν υπάρξει αναφορές κλινικών δοκιμών που χρησιμοποιούν θεραπεία με IFN βήτα ⁽¹⁷⁾ και αυτή η μελέτη θα βοηθήσει στην αποκάλυψη των μοριακών μηχανισμών, τονίζοντας τον ρόλο του miRNA στην εγγενή ρύθμιση του μεταφραστικού μηχανισμού του ξενιστή για τη διατήρηση ενός ομοιοστατικού περιβάλλοντος. 

Future investigations and research on such and other known and emerging miRNAs coupled with integration of these findings with genomic, transcriptomic, and/or proteomic data, will not only enhance our mechanistic understanding of the cellular interactions and disease, but would also lead to novel miRNA based therapies by exploiting miRNA as actimirs (utilizing miRNAs as activators for replacement of miRNAs that have been mutated or deleted) and antagomirs (utilizing miRNAs as antagonists where there is abnormal upregulation of the said mRNA) for prevalent and emerging human and animal diseases.  

*** 

αναφορές  

1. Clairea T, Lamarthée B, Anglicheau D. MicroRNAs: small molecules, big effect, Current Opinion in Organ Transplantation: Φεβρουάριος 2021 – Τόμος 26 – Τεύχος 1 – σελ 10-16. DOI: https://doi.org/10.1097/MOT.0000000000000835  

2. Ambros V. Οι λειτουργίες των ζωικών microRNAs. Φύση. 2004, 431 (7006): 350–5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  

3. Bartel DP. MicroRNAs: γονιδιωματική, βιογένεση, μηχανισμός και λειτουργία. Κύτταρο. 2004, 116 (2): 281–97. DOI: https://10.1016/S0092-8674(04)00045-5  

4. Jansson MD και Lund AH MicroRNA and Cancer. Μοριακή Ογκολογία. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  

5. Bhaskaran M, Mohan M. MicroRNAs: ιστορία, βιογένεση και ο εξελισσόμενος ρόλος τους στην ανάπτυξη και την ασθένεια των ζώων. Vet Pathol. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 

6. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Το ετεροχρόνιο γονίδιο lin-4 του C. elegans κωδικοποιεί μικρά RNA με αντιπληροφοριακή συμπληρωματικότητα προς το lin-14, Cell, Τόμος 75, Τεύχος 5,1993, Σελίδες 843-854, ISSN 0092-8674. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 

7. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et αϊ. Διατήρηση της αλληλουχίας και της χρονικής έκφρασης του ας-7 ετεροχρόνιο ρυθμιστικό RNA. Φύση 408, 86–89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 

8. Vasudevan S, Tong Y και Steitz JA. Μετάβαση από την καταστολή στην ενεργοποίηση: Τα MicroRNA μπορούν να ρυθμίσουν προς τα πάνω τη μετάφραση. Επιστήμη  21 Δεκ 2007: Τόμ. 318, Τεύχος 5858, σσ.1931-1934. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 

9. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA, et al. Το Dicer είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη του ποντικιού. Nat Genet. 2003; 35:215–217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253 

10. Kloosterman WP, Plasterk RH. Οι ποικίλες λειτουργίες των μικρο-RNA στην ανάπτυξη και τις ασθένειες των ζώων. Dev Cell. 2006; 11:441–450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2006.09.009 

11. Wienholds E, Koudijs MJ, van Eeden FJM, et al. Το ένζυμο Dicer1 που παράγει microRNA είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη του ψαριού ζέβρα. Nat Genet. 2003; 35:217–218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251 

12. Haller O, Kochs G και Weber F. Το κύκλωμα απόκρισης ιντερφερόνης: Επαγωγή και καταστολή από παθογόνους ιούς. Ιολογία. Τόμος 344, Τεύχος 1, 2006, Σελίδες 119-130, ISSN 0042-6822, DOI: https://doi.org/10.1016/j.virol.2005.09.024 

13. McNab F, Mayer-Barber K, Sher A, Wack A, O'Garra A. Ιντερφερόνες τύπου Ι σε λοιμώδεις νόσους. Nat Rev Immunol. 2015 Feb;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 

14. Αποστόλου, Ε., και Θάνος, Δ. (2008). Η μόλυνση από τον ιό προκαλεί διαχρωμοσωμικές ενώσεις εξαρτώμενες από NF-kappa-Β που μεσολαβούν στην έκφραση μονοαλληλόμορφου γονιδίου IFN-b. Cell 134, 85-96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   

15. Savan, R. (2014). Μετα-μεταγραφική ρύθμιση των ιντερφερονών και των οδών σηματοδότησης τους. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318–329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  

16. Zhang X, Chapat C et al. Μεταφραστικός έλεγχος της αντιϊκής ανοσίας με τη μεσολάβηση microRNA από την πρωτεΐνη που δεσμεύει το καπάκι 4EHP. Molecular Cell 81, 1–14 2021. Δημοσιεύθηκε: 12 Φεβρουαρίου 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030

17. SCIEU 2021. Ιντερφερόνη-β για τη θεραπεία του COVID-19: Η υποδόρια χορήγηση πιο αποτελεσματική. Επιστημονικός Ευρωπαϊκός. Δημοσιεύτηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2021. Διαθέσιμο στο διαδίκτυο στις http://scientificeuropean.co.uk/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Πρόσβαση στις 14 Φεβρουαρίου 2021.  

***