mikroRNA: Ny förståelse av verkningsmekanismen vid virusinfektioner och dess betydelse

MikroRNA eller kort sagt miRNA (inte att förväxla med mRNA eller budbärar-RNA) upptäcktes 1993 och har studerats omfattande under de senaste två decennierna eller så för deras roll i att reglera genuttryck. miRNA uttrycks differentiellt i olika kroppsceller och vävnader. Ny forskning av forskarna vid Queen's University, Belfast har avslöjat den mekanistiska rollen för miRNA i immunsystemets reglering när kroppsceller utmanas av virus. Dessa fynd kommer att leda till en ökad förståelse av sjukdomen och deras utnyttjande som mål för ny terapeutisk utveckling.  

MikroRNA eller miRNA har vunnit popularitet under de senaste två decennierna för sin roll i post-transkriptionella processer som differentiering, metabol homeostas, proliferation och apoptos ^(1-5). miRNA är små enkelsträngade RNA sekvenser som inte kodar för några proteiner. De härrör från större prekursorer, som är dubbelsträngade RNA. Biogenes av miRNA börjar i cellens kärna och involverar generering av primära miRNA avskrifter av RNA polymeras II följt av trimning av det primära transkriptet för att frigöra pre-miRNA-hårnålen genom ett enzymkomplex. Den primära miRNA exporteras sedan till cytoplasman där det påverkas av DICER (ett proteinkomplex som ytterligare klyver pre-miRNA), och därigenom producerar det mogna enkelsträngade miRNA. Det mogna miRNA:t integrerar sig själv som en del av det RNA-inducerade tystande komplexet (RISC) och inducerar post-transkriptionell gentystnad genom att fästa RISC till de komplementära regionerna, som finns inom de 3' otranslaterade regionerna (UTR), i mål-mRNA:erna. 

Historien började 1993 med upptäckten av miRNA in C. elegans av Lee och hans kollegor ⁽⁶⁾. Det observerades att LIN-14-proteinet nedreglerades av en annan transkriberad gen som kallas lin-4 och denna nedreglering var nödvändig för larvutvecklingen i C. elegans på att gå från steg L1 till L2. Den transkriberade lin-4 resulterade i nedreglering av LIN-14-uttryck via komplementär bindning till 3'UTR-regionen av lin-4 mRNA, med små ändringar i mRNA nivåer av lin-4. Detta fenomen ansågs ursprungligen vara exklusivt och specifikt för C. elegans, fram till omkring 2000, då de upptäcktes hos andra djurarter ⁽⁷⁾. Sedan dess har det skett en störtflod av forskningsartiklar som beskriver upptäckten och förekomsten av miRNA i både växter och djur. Över 25000 XNUMX miRNA har upptäckts hittills och för många är den exakta roll de spelar i organismens biologi fortfarande svårfångad. 

miRNA utöva sina effekter genom att posttranskriptionellt undertrycka mRNA genom att binda till komplementära ställen i 3' UTR:erna av det mRNA som de kontrollerar. En stark komplementaritet öronmärker mRNA för nedbrytning medan en svag komplementaritet inte orsakar några förändringar i mRNA-nivåer utan orsakar inhibering av translation. Även om miRNA:s huvudroll är i transkriptionell repression, fungerar de också som aktivatorer i sällsynta fall ⁽⁸⁾. miRNA spelar en oumbärlig roll i organismens utveckling genom att reglera generna och genprodukterna ända från embryonaltillståndet till utvecklingen av organ och organsystem ^(9-11). Förutom deras roll i att upprätthålla cellulär homeostas, har miRNA också varit inblandade i olika sjukdomar som cancer (miRNA fungerar som både aktivatorer och repressor av gener), neurodegenerativa störningar och hjärt-kärlsjukdomar. Att förstå och belysa deras roll i olika sjukdomar kan leda till nya upptäckter av biomarkörer med åtföljande nya terapeutiska metoder för att förebygga sjukdomar. miRNA spelar också en avgörande roll i utvecklingen och patogenesen av infektioner orsakade av mikroorganismer som bakterier och virus genom att reglera immunsystemets gener för att ge ett effektivt svar på sjukdomen. Vid virusinfektioner frisätts typ I-interferoner (IFN alfa och IFN beta) som antivirala cytokiner som i sin tur modulerar immunförsvaret för att ge ett stridssvar ⁽¹²). Produktionen av interferoner är hårt reglerad både på nivån för transkription och translation och spelar en avgörande roll för att bestämma det antivirala svaret från värden. Virus har emellertid utvecklats tillräckligt för att lura värdcellerna att undertrycka detta immunsvar, vilket ger viruset fördel för dess replikation och därigenom förvärrar sjukdomssymtomen ^{(12, 13)}. Den snäva kontrollen av samspelet mellan IFN-produktion av värden vid virusinfektion och dess undertryckande av det infekterande viruset bestämmer omfattningen och varaktigheten av sjukdomen orsakad av nämnda virus i fråga. Även om transkriptionskontrollen av IFN-produktion och relaterade IFN-stimulerade gener (ISG) är väl etablerad ⁽¹⁴⁾mekanismen för translationell kontroll har fortfarande förblivit svårfångad ⁽¹⁵⁾. 

Den senaste studien av forskare vid McGill University, Kanada och Queens University, Belfast ger en mekanistisk förståelse för translationell kontroll av IFN produktion som belyser 4EHP-proteinets roll för att undertrycka IFN-beta-produktion och involvering av miRNA, miR-34a. 4EHP nedreglerar IFN-produktion genom att modulera den miR-34a-inducerade translationella tystnaden av Ifnb1-mRNA. Infektion med RNA-virus och IFN-beta-induktion ökar nivåerna av miR-34a miRNA, vilket utlöser en negativ återkopplingsreglerande loop som undertrycker IFN-beta-uttryck via 4EHP ⁽¹⁶⁾. Denna studie är av stor betydelse i spåren av den nuvarande pandemin som orsakats Covid-19 (en infektion orsakad av ett RNA-virus) eftersom det kommer att hjälpa till att ytterligare förstå sjukdomen och leda till nya sätt att hantera infektionen genom att modulera nivåerna av miR-34a miRNA med hjälp av designeraktivatorer/hämmare och testa dem i kliniska prövningar för dess effekter på IFN-svar. Det har förekommit rapporter om kliniska prövningar med IFN betaterapi ⁽¹⁷⁾ och denna studie kommer att hjälpa till att reda ut de molekylära mekanismerna genom att lyfta fram miRNA:s roll för att i sig reglera värdens translationella maskineri för att upprätthålla en homeostatisk miljö. 

Framtida undersökningar och forskning om sådant och annat känt och framväxande miRNA kombinerat med integration av dessa fynd med genomiska, transkriptomiska och/eller proteomiska data, kommer inte bara att förbättra vår mekanistiska förståelse av cellulära interaktioner och sjukdomar, utan skulle också leda till nya miRNA baserade terapier genom att utnyttja miRNA som actimirs (använda miRNA som aktivatorer för att ersätta miRNA som har muterats eller deleterats) och antagomirer (använder miRNA som antagonister där det finns onormal uppreglering av nämnda mRNA) för vanliga och framväxande sjukdomar hos människor och djur.  

*** 

Referensprojekt  

1. Clairea T, Lamarthée B, Anglicheau D. MicroRNAs: small molecules, big effects, Current Opinion in Organ Transplantation: Februari 2021 – Volym 26 – Issue 1 – s 10-16. DOI: https://doi.org/10.1097/MOT.0000000000000835  

2. Ambros V. Funktionerna hos djurs mikroRNA. Natur. 2004, 431 (7006): 350–5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  

3. Bartel DP. MikroRNA: genomik, biogenes, mekanism och funktion. Cell. 2004, 116 (2): 281–97. DOI: https://10.1016/S0092-8674(04)00045-5  

4. Jansson MD och Lund AH MicroRNA och Cancer. Molekylär onkologi. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  

5. Bhaskaran M, Mohan M. MikroRNA: historia, biogenes och deras framväxande roll i djurutveckling och sjukdomar. Veterinär Pathol. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 

6. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. C. elegans heterokrona gen lin-4 kodar för små RNA med antisenskomplementaritet till lin-14, Cell, volym 75, nummer 5,1993, sid 843-854, ISSN 0092-8674. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 

7. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et al. Bevarande av sekvensen och tidsmässigt uttryck av låt-7 heterokront regulatoriskt RNA. Natur 408 86–89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 

8. Vasudevan S, Tong Y och Steitz JA. Växla från förtryck till aktivering: mikroRNA kan uppreglera translation. Vetenskap  21 dec 2007: Vol. 318, nummer 5858, s. 1931-1934. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 

9. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA, et al. Dicer är avgörande för musutveckling. Nat Genet. 2003; 35:215–217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253 

10. Kloosterman WP, Plasterk RH. Mikro-RNA:s olika funktioner i djurutveckling och sjukdomar. 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. Det mikroRNA-producerande enzymet Dicer1 är avgörande för utveckling av zebrafiskar. Nat Genet. 2003; 35:217–218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251 

12. Haller O, Kochs G och Weber F. Interferonresponskretsen: Induktion och undertryckande av patogena virus. Virologi. Volym 344, nummer 1, 2006, sidorna 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. Typ I-interferoner vid infektionssjukdomar. Nat Rev Immunol. 2015 feb;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 

14. Apostolou, E. och Thanos, D. (2008). Virusinfektion inducerar NF-kappa-B-beroende interkromosomala associationer som medierar monoallelisk IFN-b-genexpression. Cell 134, 85–96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   

15. Savan, R. (2014). Post-transkriptionell reglering av interferoner och deras signalvägar. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318-329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  

16. Zhang X, Chapat C et al. mikroRNA-medierad translationell kontroll av antiviral immunitet genom det cap-bindande proteinet 4EHP. Molecular Cell 81, 1–14 2021. Publicerad: 12 februari 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030

17. SCIEU 2021. Interferon-β för behandling av COVID-19: Subkutan administrering mer effektiv. Vetenskaplig europeisk. Upplagt den 12 februari 2021. Tillgänglig online den http://scientificeuropean.co.uk/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Tillträde den 14 februari 2021.  

***