microRNAs: Nové chápání mechanismu účinku u virových infekcí a jeho význam

MikroRNA nebo zkráceně miRNA (nezaměňovat s mRNA nebo messenger RNA) byly objeveny v roce 1993 a v posledních zhruba dvou desetiletích byly rozsáhle studovány kvůli jejich roli při regulaci genové exprese. miRNA jsou exprimovány odlišně v různých tělesných buňkách a tkáních. Nedávný výzkum vědců z Queen's University v Belfastu odhalil mechanickou roli miRNA v regulaci imunitního systému, když jsou tělesné buňky napadeny viry. Tato zjištění povedou k lepšímu porozumění nemoci a jejich využití jako cílů pro nový terapeutický vývoj.  

MicroRNAs or miRNA 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). miRNA 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 miRNA in C.elegans od Leeho a jeho kolegů ⁽⁶⁾. Bylo pozorováno, že protein LIN-14 byl downregulován jiným transkribovaným genem zvaným lin-4 a tato downregulace byla nezbytná pro vývoj larev v C.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, zhruba do roku 2000, kdy byly objeveny u jiných živočišných druhů ⁽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 miRNA have been discovered so far and for many, the exact role they play in the biology of the organism still remains elusive. 

miRNA uplatňují své účinky post-transkripční represí mRNA vazbou na komplementární místa v 3' UTR mRNA, kterou kontrolují. Silná komplementarita vyčleňuje mRNA k degradaci, zatímco slabá komplementarita nezpůsobuje žádné změny v hladinách mRNA, ale způsobuje inhibici translace. Přestože hlavní role miRNA je v transkripční represi, ve vzácných případech působí také jako aktivátory ⁽⁸⁾. miRNA hrají nepostradatelnou roli ve vývoji organismu tím, že regulují geny a genové produkty od embryonálního stavu až po vývoj orgánů a orgánových systémů. ^(9-11). In addition to their role in maintaining cellular homeostasis, miRNAs have also been implicated in various diseases such as cancer (miRNA 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. miRNA 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). Produkce interferonů je přísně regulována jak na úrovni transkripce, tak translace a hraje klíčovou roli při určování antivirové odpovědi hostitele. Viry se však vyvinuly dostatečně na to, aby oklamaly hostitelské buňky, aby potlačily tuto imunitní odpověď, poskytly viru výhodu pro jeho replikaci, a tím zhoršily symptomy onemocnění. ^{(12, 13)}. Přísná kontrola souhry mezi produkcí IFN hostitelem po virové infekci a jeho supresí infikujícím virem určuje rozsah a trvání onemocnění způsobeného uvedeným virem. Ačkoli je transkripční kontrola produkce IFN a souvisejících genů stimulovaných IFN (ISG) dobře zavedena ⁽¹⁴⁾mechanismus translační kontroly stále zůstává nepolapitelný ⁽¹⁵⁾. 

Nedávná studie vědců z McGill University, Kanada a Queens University, Belfast poskytuje mechanické pochopení translačního řízení IFN produkce, která zdůrazňuje roli proteinu 4EHP při potlačování produkce IFN-beta a zapojení miRNA, miR-34a. 4EHP snižuje produkci IFN modulací miR-34a-indukovaného translačního umlčení Ifnb1 mRNA. Infekce RNA viry a indukce IFN beta zvyšují hladiny miR-34a miRNA a spouštějí regulační smyčku negativní zpětné vazby, která potlačuje expresi IFN beta prostřednictvím 4EHP ⁽¹⁶⁾. Tato studie má velký význam v důsledku současné pandemie způsobené Covid 19 (infekce způsobená virem RNA), protože pomůže k dalšímu pochopení onemocnění a povede k novým způsobům, jak se vypořádat s infekcí modulací hladin miR-34a miRNA pomocí návrhářských aktivátorů/inhibitorů a jejich testováním v klinických studiích. jeho účinky na odpověď IFN. Existují zprávy o klinických studiích využívajících terapii IFN beta ⁽¹⁷⁾ a tato studie pomůže odhalit molekulární mechanismy zdůrazněním role miRNA při vnitřní regulaci translačního mechanismu hostitele pro udržení homeostatického prostředí. 

Future investigations and research on such and other known and emerging miRNA 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 miRNA 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.  

*** 

Reference  

1. Clairea T, Lamarthée B, Anglicheau D. MikroRNA: malé molekuly, velké účinky, Aktuální názor na transplantaci orgánů: únor 2021 – svazek 26 – vydání 1 – s. 10-16. DOI: https://doi.org/10.1097/MOT.0000000000000835  

2. Ambros V. Funkce živočišných mikroRNA. Příroda. 2004, 431 (7006): 350–5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  

3. Bartel DP. MikroRNA: genomika, biogeneze, mechanismus a funkce. Buňka. 2004, 116 (2): 281–97. DOI: https://10.1016/S0092-8674(04)00045-5  

4. Jansson MD a Lund AH MicroRNA a rakovina. Molekulární onkologie. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  

5. Bhaskaran M, Mohan M. MikroRNA: historie, biogeneze a jejich vyvíjející se role ve vývoji zvířat a onemocnění. Veterinář Pathol. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 

6. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Heterochronní gen lin-4 C. elegans kóduje malé RNA s antisense komplementaritou k lin-14, Cell, Volume 75, Issue 5,1993, 843, pages 854-0092, ISSN 8674-XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 

7. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et al. Zachování posloupnosti a časového vyjádření nechat-7 heterochronní regulační RNA. Příroda 408, 86–89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 

8. Vasudevan S, Tong Y a Steitz JA. Přechod z represe na aktivaci: MicroRNA mohou up-regulovat překlad. Věda  21. prosince 2007: Sv. 318, vydání 5858, s. 1931-1934. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 

9. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA a kol. Kostka je nezbytná pro vývoj myši. Nat Genet. 2003; 35:215–217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253 

10. Kloosterman WP, Plasterk RH. Různé funkce mikro-RNA ve vývoji zvířat a onemocnění. 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 a kol. Enzym Dicer1 produkující mikroRNA je nezbytný pro vývoj zebřičky. Nat Genet. 2003; 35:217–218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251 

12. Haller O, Kochs G a Weber F. Obvod odezvy na interferon: Indukce a suprese patogenními viry. Virologie. Ročník 344, číslo 1, 2006, strany 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. Interferony typu I u infekčních onemocnění. Nat Rev Immunol. únor 2015;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 

14. Apostolou, E., and Thanos, D. (2008). Virová infekce indukuje NF-kappa-B-dependentní interchromozomální asociace zprostředkovávající monoalelickou genovou expresi IFN-b. Cela 134, 85–96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   

15. Savan, R. (2014). Posttranskripční regulace interferonů a jejich signálních drah. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318–329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  

16. Zhang X, Chapat C a kol. mikroRNA-zprostředkovaná translační kontrola antivirové imunity pomocí cap-binding proteinu 4EHP. Molecular Cell 81, 1–14 2021. Publikováno: 12. února 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030

17. SCIEU 2021. Interferon-β pro léčbu COVID-19: Subkutánní podávání účinnější. Vědecký Evropan. Publikováno 12. února 2021. Dostupné online na http://scientificeuropean.co.uk/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Zpřístupněno 14. února 2021.  

***