Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 ( асРНК ), также называемая антисмысловым транскриптом, [1] природным антисмысловым транскриптом (NAT) [2] [3] [4] или антисмысловым олигонуклеотидом, [5] представляет собой одноцепочечную РНК, которая комплементарна белку, кодирующему информационная РНК (мРНК), с которой она гибридизуется, и тем самым блокирует ее трансляцию в белок . asRNAs (которые встречаются в природе) были обнаружены в обоих прокариот и эукариот , [1] антисмыслового транскрипта могут быть классифицированы на короткие (<200 нуклеотидов) и длинные (> 200 нуклеотидов)некодирующие РНК (нкРНК). [4] Основная функция асРНК - регулирование экспрессии генов . asRNA также могут быть получены синтетически и нашли широкое применение в качестве инструментов исследования для нокдауна генов . Они также могут иметь терапевтическое применение. [6] [1] [4]

Открытие и история разработки лекарств [ править ]

Основная статья: Антисмысловая терапия

Некоторые из самых ранних asRNA были обнаружены при исследовании функциональных белков. Примером была micF asRNA . Несмотря на то , характеризующий внешнюю мембрану Porin ОМРСА в E.coli , некоторые из промотора клонов ОМРСА наблюдаемых были способны подавлять экспрессию другой мембраны порина , такой 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 комплементарен мРНК ompF. Позднее этот транскрипт, обозначенный как micF, оказался асРНК 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 анализа транскриптома . Обычно первый шаг включает в себя вычислительные предсказания, основанные на некоторых известных характеристиках асРНК. Во время вычислительного поиска исключаются области кодирования. Во время анализа предпочтение отдается регионам, которые, как предполагается, имеют консервативные структуры РНК и действуют как орфанные промоторы и независимые терминаторы Rho . Поскольку вычислительный поиск сосредоточен на межгенной области , асРНК, которые транскрибируются с противоположной цепи кодирующего гена, вероятно, будут пропущены с использованием этого метода. Чтобы обнаружить асРНК, транскрибируемую из кодирующей области,олигонуклеотидные микрочипы могут быть использованы. В этом методе в качестве зондов можно использовать одну или обе цепи кодирующих генов. 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 специфической для цепочки транскрипции, некодирующих РНК , связывающих хроматин, и исследованиях отдельных клеток. [1]

Идея асРНК в качестве мишеней для лекарств зародилась в 1978 году, когда Замечник и Стивенсон 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 FDA одобрило первый препарат асРНК , фомивирсен . Фомивирсен, олигонуклеотид из 21 пары оснований, был разработан для лечения цитомегаловирусного ретинита.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]

Другим примером использования асРНК в качестве терапевтического агента является мипомерсен , который был одобрен FDA в 2013 году. Мипомерсен был разработан для управления уровнем холестерина липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) у пациентов с гомозиготной семейной гиперхолестеринемией (HoFH), которая является редкое аутосомно-доминантное генетическое заболевание. 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 липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) и ЛПНП, мипомерсен дополняет мРНК апо-B-100 и направляет его на РНКазу Н.зависимая деградация. В конечном итоге мипомерсен способен снижать уровень ЛПНП. [8]

Примеры для разных видов [ править ]

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 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 -генцветущего 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. [10] В клетках млекопитающих типичным примером регуляции асРНК является инактивация Х-хромосомы. Xist , asRNA, может рекрутировать репрессивный комплекс polycomb 2(PRC2), что приводит к гетерохроматинизации Х-хромосомы. [3]

Классификация [ править ]

Антисмысловые РНК можно классифицировать по-разному. Что касается регуляторных механизмов, некоторые авторы группируют асРНК в взаимодействия РНК-ДНК, взаимодействия РНК-РНК в ядре или цитоплазме и взаимодействия РНК-белок ( эпигенетические ). [3] 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 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-действующие и транс-действующие .

Сис-действующий [ править ]

См. Также: цис-естественный антисмысловой транскрипт

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. [2] Помимо цис-действующих асРНК, нацеленных на мРНК, существуют цис-действующие эпигенетические сайленсеры и активаторы . Было показано, что антисмысловая РНК подавляет трансляцию домена LINE1-ORF2Entamoeba histolytica . Однако еще не подтверждено, является ли он цис-действующим или транс. [11]

С точки зрения эпигенетической модификации цис-действие относится к природе этих асРНК, которые регулируют эпигенетические изменения вокруг локусов, в которых они транскрибируются. 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 [ править ]

Транс-действующие асРНК 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 asRNAs они образуют менее стабильные комплексы со своими транскриптами нацеливания и иногда нуждаются в помощи от белка-шаперона РНК, такого 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 [ править ]

« Эпигенетическая регуляция» : а) 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 :» д) 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 [ править ]

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

Метилирование ДНК [ править ]

Метилирование ДНК может приводить 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 недостатку кислорода в тканях, [12] ген гемоглобина альфа1 (HBA1) подавляется аномальным транскриптом предполагаемого РНК-связывающего белка Luc7- подобный (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 ( ANRIL ), которая экспрессируется в том же локусе, который кодирует p15INK4b. [3]

Модификация гистона [ править ]
Основная статья: Модификация гистона

В эукариотических клетках ДНК плотно упакована гистонами . Модификация гистонов может изменить взаимодействия с ДНК, что может в дальнейшем вызвать изменения в экспрессии генов . Биологические последствия метилирования гистонов зависят от контекста. В общем, метилирование гистонов приводит к репрессии гена, но также может быть достигнута активация гена. [13] Доказательства показали, что метилирование гистонов может быть вызвано 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). Другой классический пример - инактивация Х-хромосомы с помощью 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, то асРНК HOTAIR транскрибируется с гомеобоксного C (HOXC) локуса , но новобранцы PRC2 к HOXD, сдавший H3K27 и умолчание HOXD. HOTAIR высоко экспрессируется в первичных опухолях груди. [1]

Ко-транскрипционная регуляция [ править ]

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. Одним из примеров является подавление IME4 гена его асРНК RME2. Другой способ ко-транскрипционного воздействия на транскрипцию - блокирование сплайсинга. Одним из классических примеров у человека является ген гомеобокса 2, связывающий E-бокс с цинковыми пальцами ( ZEB2 ), который кодирует E-кадгерин, репрессор транскрипции. Для эффективной трансляции мРНК ZEB2 необходимо 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 прекрасную систему регулировки тембра. [1]

Посттранскрипционная регуляция [ править ]

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 [ править ]

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 подавляющие или ингибирующие средства. 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, 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 увеличения 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. [14] Прежде всего, asRNAs и antagoNATs могут быть легко разложены 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. [5]Однако модификация фосфротиоата может быть провоспалительной. Побочные эффекты, включая жар, озноб или тошноту, наблюдались после местного введения олигонуклеотидов, модифицированных фосфротиоатом. Во-вторых, нецелевое значение токсичности также представляет большую проблему. Несмотря на локус-специфическую природу эндогенных asRNA, 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]

См. Также [ править ]

  • Цис-естественный антисмысловой транскрипт

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k Пелехано В., Стейнмец Л. М. (декабрь 2013 г.). «Регулирование генов с помощью антисмысловой транскрипции». Обзоры природы. Генетика . 14 (12): 880–893. DOI : 10.1038 / nrg3594 . PMID  24217315 . S2CID  2152962 .
  2. ^ а б в г Сабери Ф, Камали М, Наджафи А, Язданпараст А, Могаддам ММ (2016-07-28). «Природные антисмысловые РНК как регуляторные элементы мРНК в бактериях: обзор функций и приложений» . Письма о клеточной и молекулярной биологии . 21 : 6. DOI : 10,1186 / s11658-016-0007-Z . PMC 5415839 . PMID 28536609 .  
  3. ^ a b c d e f Magistri M, Faghihi MA, St Laurent G, Wahlestedt C (август 2012 г.). «Регулирование структуры хроматина с помощью длинных некодирующих РНК: акцент на естественных антисмысловых транскриптах» . Тенденции в генетике . 28 (8): 389–396. DOI : 10.1016 / j.tig.2012.03.013 . PMC 3768148 . PMID 22541732 .  
  4. ^ a b c d e f g Wahlestedt C (июнь 2013 г.). «Нацеливание на длинную некодирующую РНК для терапевтического повышения экспрессии гена». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 12 (6): 433–446. DOI : 10.1038 / nrd4018 . PMID 23722346 . S2CID 288163 .  
  5. ^ a b c d Kole R, Krainer AR, Altman S (январь 2012 г.). «РНК-терапия: помимо РНК-интерференции и антисмысловых олигонуклеотидов» . Обзоры природы. Открытие наркотиков . 11 (2): 125–140. DOI : 10.1038 / nrd3625 . PMC 4743652 . PMID 22262036 .  
  6. Перейти ↑ Weiss B, Davidkova G, Zhou LW (март 1999). «Генная терапия антисмысловой РНК для изучения и модуляции биологических процессов». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 55 (3): 334–358. DOI : 10.1007 / s000180050296 . PMID 10228554 . S2CID 9448271 .  
  7. ^ Томасон М.К., Storz G (2010). «Бактериальные антисмысловые РНК: сколько их и что они делают?» . Ежегодный обзор генетики . 44 (1): 167–188. DOI : 10.1146 / annurev-genet-102209-163523 . PMC 3030471 . PMID 20707673 .  
  8. Перейти ↑ Wong E, Goldberg T (февраль 2014 г.). «Мипомерсен (кинамро): новый антисмысловой олигонуклеотидный ингибитор для лечения гомозиготной семейной гиперхолестеринемии» . P&T . 39 (2): 119–122. PMC 3956393 . PMID 24669178 .  
  9. ↑ Simons RW (декабрь 1988 г.). «Естественный контроль антисмысловой РНК - краткий обзор». Джин . 72 (1–2): 35–44. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (88) 90125-4 . PMID 2468573 . 
  10. ^ Ietswaart R, Wu Z, декан C (сентябрь 2012). «Контроль времени цветения: еще одно окно к связи между антисмысловой РНК и хроматином». Тенденции в генетике . 28 (9): 445–453. DOI : 10.1016 / j.tig.2012.06.002 . PMID 22785023 . 
  11. ^ Каур, Девиндер; Аграхари, Мридула; Сингх, Шаши Шекхар; Мандал, Прабхат Кумар; Бхаттачарья, Алок; Бхаттачарья, Судха (2021 г.). «Транскриптомный анализ Entamoeba histolytica выявляет доменно-специфическую экспрессию смысловой цепи LINE-кодированных ORF с массивной антисмысловой экспрессией домена RT». Плазмида . 114 : 102560. DOI : 10.1016 / j.plasmid.2021.102560 . PMID 33482228 . 
  12. ^ «альфа-талассемия» . Домашний справочник по генетике . NIH Национальная медицинская библиотека США. 14 ноября 2017.
  13. ^ Whetstine JR (2010). «Метилирование гистонов». Справочник сотовой сигнализации (второе изд.). С. 2389–2397. DOI : 10.1016 / b978-0-12-374145-5.00287-4 . ISBN 978-0-12-374148-6.
  14. ^ Вайс, Б. (ред.): Антисмысловые олигодезоксинуклеотиды и антисмысловая РНК: новые фармакологические и терапевтические агенты, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 1997.