microRNA - microRNA

Diagramma dell'azione dei microRNA (miRNA) con mRNA
Esempi di stem-loop di miRNA, con i miRNA maturi mostrati in rosso

Un microRNA ( miRNA abbreviato ) è una piccola molecola di RNA non codificante a filamento singolo (contenente circa 22 nucleotidi ) presente nelle piante, negli animali e in alcuni virus, che funziona nel silenziamento dell'RNA e nella regolazione post-trascrizionale dell'espressione genica . i miRNA funzionano tramite l' accoppiamento di basi con sequenze complementari all'interno delle molecole di mRNA . Di conseguenza, queste molecole di mRNA vengono messe a tacere , da uno o più dei seguenti processi: (1) scissione del filamento di mRNA in due pezzi, (2) destabilizzazione dell'mRNA attraverso l'accorciamento della sua coda poli(A) , e ( 3) traduzione meno efficiente dell'mRNA in proteine ​​da parte dei ribosomi .

I miRNA assomigliano ai piccoli RNA interferenti (siRNA) della via dell'interferenza dell'RNA (RNAi) , eccetto che i miRNA derivano da regioni di trascritti di RNA che si ripiegano su se stessi per formare brevi forcine, mentre i siRNA derivano da regioni più lunghe di RNA a doppio filamento . Il genoma umano può codificare oltre 1900 miRNA, anche se analisi più recenti suggeriscono che il numero è più vicino a 2.300. Tuttavia, solo circa 500 microRNA umani rappresentano miRNA in buona fede nel database del gene miRNA curato manualmente MirGeneDB .

i miRNA sono abbondanti in molti tipi di cellule di mammifero e come miRNA extracellulari circolanti . I miRNA circolanti vengono rilasciati nei fluidi corporei inclusi sangue e liquido cerebrospinale e hanno il potenziale per essere disponibili come biomarcatori in una serie di malattie. I miRNA sembrano colpire circa il 60% dei geni dell'uomo e di altri mammiferi. Molti miRNA sono evolutivamente conservati, il che implica che hanno importanti funzioni biologiche. Ad esempio, 90 famiglie di miRNA sono state conservate almeno dall'antenato comune di mammiferi e pesci, e la maggior parte di questi miRNA conservati ha funzioni importanti, come dimostrato da studi in cui i geni di uno o più membri di una famiglia sono stati eliminati. nei topi.

Storia

Il primo miRNA è stato scoperto nei primi anni '90. Tuttavia, i miRNA non sono stati riconosciuti come una classe distinta di regolatori biologici fino ai primi anni 2000. La ricerca sui miRNA ha rivelato diversi set di miRNA espressi in diversi tipi di cellule e tessuti e molteplici ruoli per i miRNA nello sviluppo di piante e animali e in molti altri processi biologici. L'espressione aberrante dei miRNA è implicata negli stati patologici. Sono in fase di studio terapie a base di miRNA.

Il primo miRNA è stato scoperto nel 1993 da un gruppo guidato da Ambros e comprendente Lee e Feinbaum. Tuttavia, ulteriori informazioni sulla sua modalità d'azione hanno richiesto il lavoro pubblicato simultaneamente dal team di Ruvkun , inclusi Wightman e Ha. Questi gruppi hanno pubblicato articoli consecutivi sul gene lin-4 , che era noto per controllare i tempi dello sviluppo larvale di C. elegans reprimendo il gene lin-14 . Quando Lee et al. isolato il miRNA lin-4 , hanno scoperto che invece di produrre un mRNA che codifica per una proteina, produce brevi RNA non codificanti , uno dei quali era un RNA ~ 22 nucleotidi che conteneva sequenze parzialmente complementari a sequenze multiple nel 3' UTR del lin-14 mRNA. Questa complementarità è stata proposta per inibire la traduzione dell'mRNA lin-14 nella proteina LIN-14. A quel tempo, si pensava che il piccolo RNA lin-4 fosse un'idiosincrasia del nematode .

Nel 2000 è stato caratterizzato un secondo piccolo RNA: let-7 RNA, che reprime lin-41 per promuovere una successiva transizione evolutiva in C. elegans . È stato scoperto che l'RNA let-7 è conservato in molte specie, portando a suggerire che l' RNA let-7 e ulteriori "piccoli RNA temporali" potrebbero regolare i tempi di sviluppo in diversi animali, inclusi gli esseri umani.

Un anno dopo, si scoprì che gli RNA lin-4 e let-7 facevano parte di una vasta classe di piccoli RNA presenti in C. elegans , Drosophila e cellule umane. I molti RNA di questa classe assomigliavano agli RNA lin-4 e let-7 , tranne per il fatto che i loro modelli di espressione erano generalmente incoerenti con un ruolo nella regolazione dei tempi di sviluppo. Ciò ha suggerito che la maggior parte potrebbe funzionare in altri tipi di percorsi regolatori. A questo punto, i ricercatori hanno iniziato a usare il termine "microRNA" per riferirsi a questa classe di piccoli RNA regolatori.

La prima malattia umana associata alla deregolamentazione dei miRNA è stata la leucemia linfatica cronica . In questo disturbo, i miRNA hanno un duplice ruolo lavorando sia come soppressori tumorali che come oncogeni.

Nomenclatura

Con un sistema di nomenclatura standard, i nomi vengono assegnati ai miRNA confermati sperimentalmente prima della pubblicazione. Il prefisso "miR" è seguito da un trattino e un numero, quest'ultimo che spesso indica l'ordine di denominazione. Ad esempio, miR-124 è stato nominato e probabilmente scoperto prima di miR-456. Un "miR-" maiuscolo si riferisce alla forma matura del miRNA, mentre il "mir-" non maiuscolo si riferisce al pre-miRNA e al pri-miRNA. I miRNA che codificano i geni sono anche nominati usando lo stesso prefisso di tre lettere secondo le convenzioni della nomenclatura genica dell'organismo. Ad esempio, i nomi ufficiali dei geni dei miRNA in alcuni organismi sono " mir-1 in C. elegans e Drosophila, Mir-1 in Rattus norvegicus e MIR-25 nell'uomo.

i miRNA con sequenze quasi identiche ad eccezione di uno o due nucleotidi sono annotati con una lettera minuscola aggiuntiva. Ad esempio, miR-124a è strettamente correlato a miR-124b. Per esempio:

hsa-miR-181a :aacauucaACgcugucggugAgu
hsa-miR-181b :aacauucaUUgcugucggugGgu

Pre-miRNA, pri-miRNA e geni che portano a miRNA maturi identici al 100% ma che si trovano in punti diversi nel genoma sono indicati con un suffisso aggiuntivo. Ad esempio, i pre-miRNA hsa-mir-194-1 e hsa-mir-194-2 portano a un identico miRNA maturo (hsa-miR-194) ma provengono da geni situati in diverse regioni del genoma.

La specie di origine è designata con un prefisso di tre lettere, ad esempio hsa-miR-124 è un miRNA umano ( Homo sapiens ) e remo-miR-124 è un miRNA ovino ( Ovis aries ). Altri prefissi comuni includono "v" per virale (miRNA codificato da un genoma virale) e "d" per miRNA di Drosophila (un moscerino della frutta comunemente studiato nella ricerca genetica).

Quando due microRNA maturi provengono da bracci opposti dello stesso pre-miRNA e si trovano in quantità approssimativamente simili, sono indicati con un suffisso -3p o -5p. (In passato questa distinzione veniva fatta anche con "s" ( senso ) e "as" (antisenso)). Tuttavia, il microRNA maturo trovato da un braccio della forcina è solitamente molto più abbondante di quello trovato dall'altro braccio, nel qual caso un asterisco dopo il nome indica la specie matura trovata a bassi livelli dal braccio opposto di una forcina. Ad esempio, miR-124 e miR-124* condividono una forcina pre-miRNA, ma nella cellula si trova molto più miR-124.

obiettivi

I miRNA delle piante di solito hanno un accoppiamento quasi perfetto con i loro bersagli mRNA, che induce la repressione genica attraverso la scissione delle trascrizioni bersaglio. Al contrario, i miRNA animali sono in grado di riconoscere i loro mRNA bersaglio utilizzando solo 6-8 nucleotidi (la regione seme) all'estremità 5' del miRNA, che non è un accoppiamento sufficiente per indurre la scissione degli mRNA bersaglio. La regolazione combinatoria è una caratteristica della regolazione dei miRNA negli animali. Un dato miRNA può avere centinaia di diversi target di mRNA e un dato target potrebbe essere regolato da più miRNA.

Le stime del numero medio di RNA messaggeri unici che sono bersagli per la repressione da parte di un tipico miRNA variano a seconda del metodo di stima, ma più approcci mostrano che i miRNA dei mammiferi possono avere molti bersagli unici. Ad esempio, un'analisi dei miRNA altamente conservati nei vertebrati mostra che ciascuno ha, in media, circa 400 bersagli conservati. Allo stesso modo, gli esperimenti mostrano che una singola specie di miRNA può ridurre la stabilità di centinaia di RNA messaggeri unici. Altri esperimenti mostrano che una singola specie di miRNA può reprimere la produzione di centinaia di proteine, ma che questa repressione spesso è relativamente lieve (molto meno di 2 volte). La prima malattia umana scoperta essere associata alla deregolamentazione dei miRNA è stata la leucemia linfatica cronica . Seguirono altre neoplasie a cellule B.

biogenesi

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Ben il 40% dei geni miRNA può trovarsi negli introni o addirittura negli esoni di altri geni. Questi sono di solito, anche se non esclusivamente, trovati in un orientamento di senso, e quindi di solito sono regolati insieme ai loro geni ospiti.

Il modello di DNA non è l'ultima parola sulla produzione di miRNA maturi: il 6% dei miRNA umani mostra l'editing dell'RNA ( IsomiRs ), la modifica sito-specifica delle sequenze di RNA per produrre prodotti diversi da quelli codificati dal loro DNA. Ciò aumenta la diversità e la portata dell'azione dei miRNA oltre a quella implicata dal solo genoma.

Trascrizione

I geni miRNA sono solitamente trascritti dalla RNA polimerasi II (Pol II). La polimerasi spesso si lega a un promotore che si trova vicino alla sequenza del DNA, codificando quello che diventerà l'ansa a forcina del pre-miRNA. La trascrizione risultante è ricoperta con un nucleotide appositamente modificato all'estremità 5', poliadenilata con più adenosine (una coda di poli(A)) e giuntata . I miRNA animali sono inizialmente trascritti come parte di un braccio di un anello staminali di RNA nucleotidico 80 che a sua volta forma parte di un precursore di miRNA lungo diverse centinaia di nucleotidi chiamato pri-miRNA. Quando un precursore dell'ansa si trova nel 3' UTR, una trascrizione può fungere da pri-miRNA e mRNA. L'RNA polimerasi III (Pol III) trascrive alcuni miRNA, in particolare quelli con sequenze Alu a monte , RNA di trasferimento (tRNA) e unità promotrici di ripetizioni intercalati larghe di mammifero (MWIR).

Elaborazione nucleare

Una struttura cristallina della proteina umana Drosha in complesso con le eliche C-terminali di due molecole DGCR8 (verde). Drosha consiste di due domini di ribonucleasi III (blu e arancione); un dominio di legame all'RNA a doppio filamento (giallo); e un dominio connettore/piattaforma (grigio) contenente due ioni di zinco legati (sfere). Dal PDB : 5B16 .

Un singolo pri-miRNA può contenere da uno a sei precursori di miRNA. Queste strutture ad anello a forcina sono composte da circa 70 nucleotidi ciascuna. Ogni tornante è affiancato da sequenze necessarie per una lavorazione efficiente.

La struttura dell'RNA a doppio filamento (dsRNA) delle forcelle in un pri-miRNA è riconosciuta da una proteina nucleare nota come Regione critica della sindrome di DiGeorge 8 (DGCR8 o "Pasha" negli invertebrati), chiamata per la sua associazione con la sindrome di DiGeorge . DGCR8 si associa all'enzima Drosha , una proteina che taglia l'RNA, per formare il complesso del microprocessore . In questo complesso, DGCR8 orienta il dominio catalitico RNasi III di Drosha per liberare le forcine dai pri-miRNA scindendo l'RNA di circa undici nucleotidi dalla base della forcina (un dsRNA elicoidale si trasforma nello stelo). Il prodotto risultante ha una sporgenza di due nucleotidi alla sua estremità 3'; ha gruppi 3' idrossile e 5' fosfato. È spesso definito come un pre-miRNA (precursore-miRNA). Sono stati identificati motivi di sequenza a valle del pre-miRNA che sono importanti per un'elaborazione efficiente.

I pre-miRNA che vengono uniti direttamente dagli introni, bypassando il complesso del microprocessore, sono noti come " Mirtron ". Originariamente pensato per esistere solo in Drosophila e C. elegans , i mirtron sono stati ora trovati nei mammiferi.

Ben il 16% dei pre-miRNA può essere alterato attraverso l' editing dell'RNA nucleare . Più comunemente, gli enzimi noti come adenosina deaminasi che agiscono sull'RNA (ADAR) catalizzano le transizioni da adenosina a inosina (da A a I). L'editing dell'RNA può arrestare l'elaborazione nucleare (ad esempio, di pri-miR-142, che porta alla degradazione da parte della ribonucleasi Tudor-SN) e alterare i processi a valle, tra cui l'elaborazione del miRNA citoplasmatico e la specificità del bersaglio (p. es., modificando la regione seme di miR-376 nel sistema nervoso centrale).

Esportazione nucleare

La proteina exportin-5 umana (rosso) è in complesso con Ran-GTP (giallo) e un pre-microRNA (verde), mostrando un elemento di riconoscimento della sporgenza di due nucleotidi (arancione). Dal PDB : 3A6P ​.

Le forcine pre-miRNA vengono esportate dal nucleo in un processo che coinvolge lo shuttler nucleocitoplasmatico Exportin-5 . Questa proteina, un membro della famiglia delle carioferine , riconosce una sporgenza di due nucleotidi lasciata dall'enzima RNasi III Drosha all'estremità 3' della forcina pre-miRNA. Il trasporto mediato dall'esportazione di 5 al citoplasma è energia-dipendente, utilizzando guanosina trifosfato (GTP) legato alla proteina Ran .

Processo citoplasmatica

Nel citoplasma , la forcina pre-miRNA viene scissa dall'enzima RNasi III Dicer . Questa endoribonucleasi interagisce con le estremità 5' e 3' della forcina e taglia via l'anello che unisce i bracci 3' e 5', producendo un duplex miRNA:miRNA* imperfetto di circa 22 nucleotidi di lunghezza. La lunghezza complessiva della forcina e la dimensione del ciclo influenzano l'efficienza dell'elaborazione Dicer. La natura imperfetta dell'accoppiamento miRNA:miRNA* influenza anche la scissione. Alcuni dei pre-miRNA ricchi di G possono potenzialmente adottare la struttura G-quadruplex come alternativa alla struttura canonica del ciclo dello stelo. Ad esempio, il pre-miRNA 92b umano adotta una struttura G-quadruplex resistente alla scissione mediata da Dicer nel citoplasma . Sebbene entrambi i filamenti del duplex possano potenzialmente agire come miRNA funzionale, solo un filamento è solitamente incorporato nel complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC) in cui interagiscono il miRNA e il suo bersaglio mRNA.

Mentre la maggior parte dei miRNA si trova all'interno della cellula, alcuni miRNA, comunemente noti come miRNA circolanti o miRNA extracellulari, sono stati trovati anche in ambiente extracellulare, inclusi vari fluidi biologici e terreni di coltura cellulare.

Biogenesi nelle piante

La biogenesi dei miRNA nelle piante differisce dalla biogenesi animale principalmente nelle fasi di elaborazione ed esportazione nucleare. Invece di essere scissi da due diversi enzimi, una volta all'interno e una volta all'esterno del nucleo, entrambi i tagli del miRNA della pianta vengono eseguiti da un omologo Dicer, chiamato Dicer-like1 (DL1). DL1 è espresso solo nel nucleo delle cellule vegetali, il che indica che entrambe le reazioni avvengono all'interno del nucleo. Prima che i duplex della pianta miRNA:miRNA* vengano trasportati fuori dal nucleo, le sue sporgenze 3' sono metilate da una proteina RNA metiltransferasi chiamata Hua-Enhancer1 (HEN1). Il duplex viene quindi trasportato fuori dal nucleo al citoplasma da una proteina chiamata Hasty (HST), un omologo dell'Esportina 5, dove si disassembla e il miRNA maturo viene incorporato nel RISC.

Complesso di silenziamento indotto da RNA

Il miRNA maturo fa parte di un complesso di silenziamento indotto da RNA attivo (RISC) contenente Dicer e molte proteine ​​associate. RISC è anche noto come complesso ribonucleoproteico di microRNA (miRNP); Un RISC con miRNA incorporato viene talvolta indicato come "miRISC".

Si pensa che l'elaborazione dicer del pre-miRNA sia accoppiata con lo svolgimento del duplex. Generalmente, solo un filamento è incorporato nel miRISC, selezionato sulla base della sua instabilità termodinamica e dell'appaiamento di basi più debole all'estremità 5' rispetto all'altro filamento. Anche la posizione dell'ansa può influenzare la scelta del filo. L'altro filone, chiamato filo passeggero a causa dei suoi livelli inferiori nello stato stazionario, è indicato con un asterisco (*) ed è normalmente degradato. In alcuni casi, entrambi i filamenti del duplex sono vitali e diventano miRNA funzionali che prendono di mira diverse popolazioni di mRNA.

I membri della famiglia delle proteine Argonaute (Ago) sono centrali per la funzione RISC. Gli argonauti sono necessari per il silenziamento indotto dai miRNA e contengono due domini di legame all'RNA conservati: un dominio PAZ che può legare l'estremità 3' a singolo filamento del miRNA maturo e un dominio PIWI che assomiglia strutturalmente alla ribonucleasi-H e funziona per interagire con il 5' estremità del filo guida. Legano il miRNA maturo e lo orientano per l'interazione con un mRNA bersaglio. Alcuni argonauti, ad esempio Ago umano2, scindono direttamente le trascrizioni bersaglio; gli argonauti possono anche reclutare proteine ​​aggiuntive per ottenere la repressione traslazionale. Il genoma umano codifica otto proteine ​​argonaute divise per somiglianze di sequenza in due famiglie: AGO (con quattro membri presenti in tutte le cellule di mammifero e chiamate E1F2C/hAgo nell'uomo) e PIWI (trovate nella linea germinale e nelle cellule staminali ematopoietiche).

Ulteriori componenti RISC includono TRBP [proteina legante la risposta transattivante dell'RNA (TAR) del virus dell'immunodeficienza umana (HIV)], PACT (attivatore proteico della proteina chinasi indotta dall'interferone ), il complesso SMN, la proteina del ritardo mentale dell'X fragile (FMRP), lo stafilococco Tudor proteina contenente il dominio della nucleasi (Tudor-SN), la presunta DNA elicasi MOV10 e il motivo di riconoscimento dell'RNA contenente la proteina TNRC6B .

Modalità di silenziamento e circuiti regolatori

Il silenziamento genico può avvenire tramite la degradazione dell'mRNA o impedendo la traduzione dell'mRNA. Ad esempio, miR16 contiene una sequenza complementare all'elemento ricco di AU che si trova nel 3'UTR di molti mRNA instabili, come il TNF alfa o il GM-CSF . È stato dimostrato che, data la completa complementarità tra il miRNA e la sequenza dell'mRNA bersaglio, Ago2 può scindere l'mRNA e portare alla degradazione diretta dell'mRNA. In assenza di complementarità, il silenzio si ottiene impedendo la traduzione. La relazione tra miRNA e il suo mRNA bersaglio può essere basata sulla semplice regolazione negativa di un mRNA bersaglio, ma sembra che uno scenario comune sia l'uso di un " anello feed-forward coerente ", "ciclo di feedback negativo reciproco" (chiamato anche doppio loop negativo) e "feed-forward loop positivo". Alcuni miRNA funzionano come buffer dei cambiamenti casuali dell'espressione genica derivanti da eventi stocastici nella trascrizione, nella traduzione e nella stabilità delle proteine. Tale regolazione è tipicamente ottenuta in virtù di cicli di feedback negativi o incoerenti loop feed-forward che disaccoppiano l'output della proteina dalla trascrizione dell'mRNA.

Turnover

Il fatturato di miRNA maturo è necessario per rapidi cambiamenti nei profili di espressione di miRNA. Durante la maturazione del miRNA nel citoplasma, si ritiene che l'assorbimento da parte della proteina Argonaute stabilizzi il filamento guida, mentre il filamento opposto (* o "passeggero") viene preferibilmente distrutto. In quella che è stata definita una strategia "Usa o perdi", Argonaute può preferenzialmente conservare miRNA con molti bersagli rispetto a miRNA con pochi o nessun bersaglio, portando alla degradazione delle molecole non bersaglio.

Decadimento di maturo miRNA in Caenorhabditis elegans è mediato dal 5'-a-3' exoribonuclease XRN2 , noto anche come Rat1p. Nelle piante, i membri della famiglia SDN (small RNA degrading nuclease) degradano i miRNA nella direzione opposta (da 3' a 5'). Enzimi simili sono codificati nei genomi animali, ma i loro ruoli non sono stati descritti.

Diverse modifiche del miRNA influenzano la stabilità del miRNA. Come indicato dal lavoro nell'organismo modello Arabidopsis thaliana (crescione di Thale), i miRNA delle piante mature sembrano essere stabilizzati dall'aggiunta di porzioni metiliche all'estremità 3'. I gruppi metilici 2'-O-coniugati bloccano l'aggiunta di residui di uracile (U) da parte degli enzimi uridiltransferasi , una modifica che può essere associata alla degradazione dei miRNA. Tuttavia, l'uridilazione può anche proteggere alcuni miRNA; le conseguenze di questa modifica sono comprese in modo incompleto. È stata segnalata l'uridilazione di alcuni miRNA animali. Sia i miRNA vegetali che quelli animali possono essere alterati mediante l'aggiunta di residui di adenina (A) all'estremità 3' del miRNA. Un extra di A aggiunto alla fine del miR-122 dei mammiferi , un miRNA arricchito di fegato importante nell'epatite C , stabilizza la molecola e i miRNA delle piante che terminano con un residuo di adenina hanno tassi di decadimento più lenti.

Funzioni cellulari

Interazione del microRNA con il processo di traduzione delle proteine. Sono mostrati diversi meccanismi di repressione della traduzione: M1) sul processo di iniziazione, impedendo l'assemblaggio del complesso di iniziazione o reclutando la subunità ribosomiale 40S; M2) sul gruppo ribosomiale; M3) sul processo di traduzione; M7, M8) sulla degradazione dell'mRNA. 40S e 60S sono componenti leggeri e pesanti del ribosoma, 80S è il ribosoma assemblato legato all'mRNA, eIF4F è un fattore di inizio della traduzione, PABC1 è la proteina legante Poly-A e "cap" è la struttura del cappuccio dell'mRNA necessaria per la circolarizzazione dell'mRNA (che può essere il normale m7G-cap o A-cap modificato). L'inizio dell'mRNA può procedere in modo indipendente dal cap, attraverso il reclutamento di 40S nell'IRES ( Internal Ribosome Entry Site ) situato nella regione 5'UTR. Il lavoro effettivo di silenziamento dell'RNA è svolto dal RISC in cui la subunità catalitica principale è una delle proteine ​​Argonaute (AGO) e il miRNA funge da modello per il riconoscimento di specifiche sequenze di mRNA.

La funzione dei miRNA sembra essere nella regolazione genica. A tal fine, un miRNA è complementare a una parte di uno o più RNA messaggeri (mRNA). I miRNA animali sono solitamente complementari a un sito nel 3' UTR mentre i miRNA vegetali sono solitamente complementari alle regioni codificanti degli mRNA. L'accoppiamento di basi perfetto o quasi perfetto con l'RNA bersaglio promuove la scissione dell'RNA. Questa è la modalità principale dei miRNA vegetali. Negli animali gli abbinamenti sono imperfetti.

Affinché i microRNA parzialmente complementari riconoscano i loro bersagli, i nucleotidi 2-7 del miRNA (la sua "regione seme") devono essere perfettamente complementari. I miRNA animali inibiscono la traduzione proteica dell'mRNA bersaglio (questo è presente ma meno comune nelle piante). I microRNA parzialmente complementari possono anche accelerare la deadenilazione , causando una prima degradazione degli mRNA. Mentre la degradazione dell'mRNA mirato al miRNA è ben documentata, è oggetto di accesi dibattiti se la repressione traduzionale sia realizzata o meno attraverso la degradazione dell'mRNA, l'inibizione traduzionale o una combinazione dei due. Recenti lavori su miR-430 in zebrafish, così come su bantam-miRNA e miR-9 in cellule coltivate di Drosophila , mostrano che la repressione traduzionale è causata dall'interruzione dell'inizio della traduzione , indipendentemente dalla deadenilazione dell'mRNA.

i miRNA occasionalmente causano anche la modifica dell'istone e la metilazione del DNA dei siti promotori , che influenza l'espressione dei geni bersaglio.

Nove meccanismi di azione dei miRNA sono descritti e assemblati in un modello matematico unificato:

  • inibizione dell'inizio di Cap-40S;
  • 60S Inibizione dell'unione delle unità ribosomiali;
  • Inibizione dell'allungamento;
  • Ribosoma drop-off (interruzione prematura);
  • Degradazione co-traduzionale delle proteine ​​nascenti;
  • Sequestro in P-corpi;
  • decadimento dell'mRNA (destabilizzazione);
  • scissione dell'mRNA;
  • Inibizione trascrizionale mediante riorganizzazione della cromatina mediata da microRNA seguita da silenziamento genico.

Spesso è impossibile discernere questi meccanismi utilizzando dati sperimentali sui tassi di reazione stazionari. Tuttavia, sono differenziati nelle dinamiche e hanno diverse firme cinetiche .

A differenza dei microRNA vegetali, i microRNA animali prendono di mira diversi geni. Tuttavia, i geni coinvolti in funzioni comuni a tutte le cellule, come l'espressione genica, hanno relativamente meno siti bersaglio di microRNA e sembrano essere sotto selezione per evitare il targeting da parte dei microRNA.

Il dsRNA può anche attivare l'espressione genica , un meccanismo che è stato definito "attivazione genica indotta da piccoli RNA" o RNAa . I dsRNA che prendono di mira i promotori genici possono indurre una potente attivazione trascrizionale dei geni associati. Ciò è stato dimostrato nelle cellule umane utilizzando dsRNA sintetici chiamati piccoli RNA attivanti ( saRNA ), ma è stato dimostrato anche per i microRNA endogeni.

Si pensa che le interazioni tra microRNA e sequenze complementari su geni e persino pseudogeni che condividono l' omologia di sequenza siano un canale posteriore di comunicazione che regola i livelli di espressione tra geni paraloghi (geni con una struttura simile che indica una divergenza da un gene ancestrale comune). Dato il nome di "RNA endogeni concorrenti" ( ceRNA ), questi microRNA si legano agli "elementi di risposta dei microRNA" su geni e pseudogeni e possono fornire un'altra spiegazione per la persistenza del DNA non codificante.

Alcune ricerche mostrano che il carico di mRNA degli esosomi può avere un ruolo nell'impianto, può impedire l'adesione tra trofoblasto ed endometrio o supportare l'adesione regolando verso il basso o verso l'alto l'espressione di geni coinvolti nell'adesione/invasione.

Inoltre, il miRNA come miR-183/96/182 sembra svolgere un ruolo chiave nel ritmo circadiano .

Evoluzione

I miRNA sono ben conservati sia nelle piante che negli animali e si pensa che siano un componente vitale ed evolutivamente antico della regolazione genica. Mentre i componenti principali del percorso dei microRNA sono conservati tra piante e animali , i repertori di miRNA nei due regni sembrano essere emersi indipendentemente con diverse modalità di azione primarie.

i microRNA sono marcatori filogenetici utili a causa del loro tasso di evoluzione apparentemente basso. l'origine dei microRNA come meccanismo di regolazione sviluppato da precedenti macchinari RNAi inizialmente utilizzati come difesa contro materiale genetico esogeno come i virus. La loro origine potrebbe aver permesso lo sviluppo dell'innovazione morfologica e, rendendo l'espressione genica più specifica e "regolabile", ha permesso la genesi di organi complessi e forse, in ultima analisi, di vita complessa. Rapide esplosioni di innovazione morfologica sono generalmente associate ad un alto tasso di accumulo di microRNA.

I nuovi microRNA vengono creati in diversi modi. Nuovi microRNA possono avere origine dalla formazione casuale di forcine in sezioni "non codificanti" di DNA (cioè introni o regioni intergene), ma anche dalla duplicazione e modifica di microRNA esistenti. i microRNA possono anche formarsi da duplicazioni invertite di sequenze codificanti proteine, che consente la creazione di una struttura a forcina ripiegata. La velocità di evoluzione (cioè sostituzione nucleotidica) nei microRNA di recente origine è paragonabile a quella altrove nel DNA non codificante, implicando un'evoluzione per deriva neutra; tuttavia, i microRNA più vecchi hanno un tasso di cambiamento molto più basso (spesso meno di una sostituzione per cento milioni di anni), suggerendo che una volta che un microRNA acquisisce una funzione, subisce una selezione purificante. Le singole regioni all'interno di un gene miRNA affrontano diverse pressioni evolutive, dove le regioni che sono vitali per l'elaborazione e la funzione hanno livelli di conservazione più elevati. A questo punto, un microRNA viene raramente perso dal genoma di un animale, sebbene i nuovi microRNA (quindi presumibilmente non funzionali) vengano spesso persi. In Arabidopsis thaliana , è stato previsto che il flusso netto di geni miRNA sia compreso tra 1,2 e 3,3 geni per milione di anni. Questo li rende un prezioso marcatore filogenetico e vengono considerati una possibile soluzione a problemi filogenetici in sospeso come le relazioni tra gli artropodi . D'altra parte, in più casi i microRNA sono scarsamente correlati con la filogenesi, ed è possibile che la loro concordanza filogenetica rifletta in gran parte un campionamento limitato di microRNA.

i microRNA sono presenti nei genomi della maggior parte degli organismi eucarioti, dalle alghe brune agli animali. Tuttavia, la differenza nel funzionamento di questi microRNA e nel modo in cui vengono elaborati suggerisce che i microRNA siano sorti indipendentemente nelle piante e negli animali.

Concentrandosi sugli animali, il genoma di Mnemiopsis leidyi sembra mancare di microRNA riconoscibili, così come le proteine ​​nucleari Drosha e Pasha , che sono fondamentali per la biogenesi canonica dei microRNA. È l'unico animale finora segnalato per la scomparsa di Drosha. I microRNA svolgono un ruolo vitale nella regolazione dell'espressione genica in tutti gli animali non ctenofori studiati finora, ad eccezione di Trichoplax adhaerens , l'unico membro noto del phylum Placozoa .

In tutte le specie, nel marzo 2010 erano stati identificati oltre 5000 diversi miRNA. Mentre brevi sequenze di RNA (50 – centinaia di paia di basi) con una funzione ampiamente comparabile si verificano nei batteri, i batteri mancano di veri microRNA.

Rilevamento sperimentale e manipolazione

Mentre i ricercatori si sono concentrati sull'espressione dei miRNA nei processi fisiologici e patologici, sono emerse varie variabili tecniche relative all'isolamento dei microRNA. La stabilità dei campioni di miRNA conservati è stata messa in discussione. i microRNA si degradano molto più facilmente degli mRNA, in parte a causa della loro lunghezza, ma anche a causa delle RNasi ubiquitariamente presenti . Ciò rende necessario raffreddare i campioni su ghiaccio e utilizzare apparecchiature prive di RNasi .

L'espressione di microRNA può essere quantificata in un processo di reazione a catena della polimerasi in due fasi di RT-PCR modificata seguita da PCR quantitativa . Le variazioni di questo metodo ottengono una quantificazione assoluta o relativa. i miRNA possono anche essere ibridati a microarray , vetrini o chip con sonde a centinaia o migliaia di bersagli di miRNA, in modo che i livelli relativi di miRNA possano essere determinati in campioni diversi. i microRNA possono essere sia scoperti che profilati mediante metodi di sequenziamento ad alto rendimento ( sequenziamento di microRNA ). L'attività di un miRNA può essere inibita sperimentalmente utilizzando un oligo di acido nucleico bloccato (LNA) , un oligo di Morpholino o un oligo di 2'-O-metil RNA. Un miRNA specifico può essere silenziato da un antagomir complementare . la maturazione dei microRNA può essere inibita in diversi punti da oligo-bloccanti sterico. Il sito bersaglio del miRNA di un trascritto di mRNA può anche essere bloccato da un oligo bloccante sterico. Per il rilevamento "in situ" di miRNA, LNA o sonde Morpholino possono essere utilizzate. La conformazione bloccata dell'LNA si traduce in proprietà di ibridazione migliorate e aumenta la sensibilità e la selettività, rendendolo ideale per il rilevamento di miRNA corti.

La quantificazione ad alto rendimento dei miRNA è soggetta a errori, per la varianza maggiore (rispetto agli mRNA ) che comporta problemi metodologici. L' espressione di mRNA viene quindi spesso analizzata per verificare gli effetti dei miRNA nei loro livelli (ad es. in). I database possono essere utilizzati per accoppiare mRNA e dati di miRNA che predicono gli obiettivi di miRNA in base alla loro sequenza di basi. Mentre questo viene solitamente fatto dopo che sono stati rilevati i miRNA di interesse (ad esempio a causa di alti livelli di espressione), sono state proposte idee per strumenti di analisi che integrano informazioni sull'espressione di mRNA e miRNA.

Malattia

Proprio come il miRNA è coinvolto nel normale funzionamento delle cellule eucariotiche, così la disregolazione del miRNA è stata associata alla malattia. Un database disponibile al pubblico, curato manualmente, miR2Disease, documenta le relazioni note tra la disregolazione dei miRNA e le malattie umane.

malattie ereditarie

Una mutazione nella regione del seme di miR-96 causa una progressiva perdita dell'udito ereditaria.

Una mutazione nella regione del seme di miR-184 causa cheratocono ereditario con cataratta polare anteriore.

L'eliminazione del cluster miR-17~92 causa difetti scheletrici e di crescita.

Cancro

Ruolo del miRNA in una cellula cancerosa

La prima malattia umana nota per essere associata alla deregolazione dei miRNA è stata la leucemia linfatica cronica. Anche molti altri miRNA hanno legami con il cancro e di conseguenza vengono talvolta definiti " oncomir ". Nelle cellule B maligne i miRNA partecipano a percorsi fondamentali per lo sviluppo delle cellule B come la segnalazione del recettore delle cellule B (BCR), la migrazione/adesione delle cellule B, le interazioni cellula-cellula nelle nicchie immunitarie e la produzione e il cambio di classe delle immunoglobuline. I miRNA influenzano la maturazione delle cellule B, la generazione di pre-, zona marginale, follicolari, B1, plasma e cellule B di memoria.

Un altro ruolo dei miRNA nei tumori è quello di utilizzare il loro livello di espressione per la prognosi. Nei campioni di NSCLC , bassi livelli di miR-324 a possono servire come indicatore di scarsa sopravvivenza. Sia alti livelli di miR-185 che bassi di miR-133b possono essere correlati con metastasi e scarsa sopravvivenza nel cancro del colon-retto .

Inoltre, specifici miRNA possono essere associati a determinati sottotipi istologici di cancro del colon-retto. Ad esempio, è stato dimostrato che i livelli di espressione di miR-205 e miR-373 sono aumentati nei tumori del colon-retto mucinosi e nei tumori del colon associati alla colite ulcerosa che producono mucina, ma non nell'adenocarcinoma del colon sporadico privo di componenti mucinosi. Studi in vitro hanno suggerito che miR-205 e miR-373 possono indurre funzionalmente diverse caratteristiche della progressione neoplastica associata a mucinoso nelle cellule epiteliali intestinali.

La proliferazione delle cellule di carcinoma epatocellulare può derivare dall'interazione di miR-21 con MAP2K3, un gene repressore del tumore. Il trattamento ottimale per il cancro comporta l'identificazione accurata dei pazienti per la terapia stratificata per il rischio. Quelli con una risposta rapida al trattamento iniziale possono beneficiare di regimi di trattamento troncati, mostrando il valore di misure accurate di risposta alla malattia. I miRNA circolanti liberi da cellule (cimiRNA) sono altamente stabili nel sangue, sono sovraespressi nel cancro e sono quantificabili all'interno del laboratorio diagnostico. Nel linfoma di Hodgkin classico , miR-21, miR-494 e miR-1973 plasmatici sono promettenti biomarcatori di risposta alla malattia. I miRNA circolanti hanno il potenziale per assistere il processo decisionale clinico e aiutare l'interpretazione della tomografia a emissione di positroni combinata con la tomografia computerizzata . Possono essere eseguiti ad ogni consultazione per valutare la risposta alla malattia e rilevare la ricaduta.

I microRNA hanno il potenziale per essere utilizzati come strumenti o bersagli per il trattamento di diversi tipi di cancro. In diversi studi è stato scoperto che il microRNA specifico, miR-506, funziona come antagonista del tumore. È stato scoperto che un numero significativo di campioni di cancro cervicale aveva un'espressione sottoregolata di miR-506. Inoltre, miR-506 lavora per promuovere l'apoptosi delle cellule del cancro cervicale, attraverso il suo fattore di trascrizione della via del riccio bersaglio diretto, Gli3.

Riparazione del DNA e cancro

Il cancro è causato dall'accumulo di mutazioni dovute a danni al DNA o errori non corretti nella replicazione del DNA . Difetti nella riparazione del DNA causano l'accumulo di mutazioni, che possono portare al cancro. Diversi geni coinvolti nella riparazione del DNA sono regolati dai microRNA.

Le mutazioni della linea germinale nei geni di riparazione del DNA causano solo il 2-5% dei casi di cancro del colon . Tuttavia, l'espressione alterata dei microRNA, che causa carenze nella riparazione del DNA, è frequentemente associata ai tumori e può essere un importante fattore causale . Fra 68 tumori del colon sporadici con ridotta espressione del DNA mismatch repair proteina MLH1 , la maggior parte sono stati trovati ad essere dovuta a carente metilazione epigenetica del CpG isola del MLH1 gene. Tuttavia, fino al 15% delle carenze di MLH1 nei tumori sporadici del colon sembrava essere dovuto alla sovraespressione del microRNA miR-155, che reprime l'espressione di MLH1.

Nel 29-66% dei glioblastomi , la riparazione del DNA è carente a causa della metilazione epigenetica del gene MGMT , che riduce l'espressione proteica di MGMT. Tuttavia, per il 28% dei glioblastomi, la proteina MGMT è carente, ma il promotore MGMT non è metilato. Nei glioblastomi senza promotori MGMT metilati, il livello di microRNA miR-181d è inversamente correlato con l'espressione proteica di MGMT e il bersaglio diretto di miR-181d è l' mRNA 3'UTR di MGMT (le tre regioni prime non tradotte dell'mRNA di MGMT). Pertanto, nel 28% dei glioblastomi, l'aumento dell'espressione di miR-181d e la ridotta espressione dell'enzima di riparazione del DNA MGMT possono essere un fattore causale.

Le proteine HMGA (HMGA1a, HMGA1b e HMGA2) sono implicate nel cancro e l'espressione di queste proteine ​​è regolata dai microRNA. L'espressione di HMGA è quasi impercettibile nei tessuti adulti differenziati, ma è elevata in molti tumori. Le proteine ​​HMGA sono polipeptidi di circa 100 residui di amminoacidi caratterizzati da un'organizzazione di sequenza modulare. Queste proteine ​​hanno tre regioni altamente caricate positivamente, chiamate ganci AT , che legano il solco minore di tratti di DNA ricchi di AT in specifiche regioni del DNA. Le neoplasie umane, inclusi i carcinomi tiroidei, prostatici, cervicali, colorettali, pancreatici e ovarici, mostrano un forte aumento delle proteine ​​HMGA1a e HMGA1b. Topi transgenici con HMGA1 mirato alle cellule linfoidi sviluppano un linfoma aggressivo, dimostrando che un'elevata espressione di HMGA1 è associata a tumori e che HMGA1 può agire come un oncogene. La proteina HMGA2 mira specificamente al promotore di ERCC1 , riducendo così l'espressione di questo gene di riparazione del DNA. L'espressione della proteina ERCC1 era carente nel 100% dei 47 tumori del colon valutati (sebbene non sia nota la misura in cui l'HGMA2 fosse coinvolto).

I polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) possono alterare il legame dei miRNA sui 3'UTR, ad esempio il caso di hsa-mir181a e hsa-mir181b sul gene soppressore del tumore CDON.

Cardiopatia

Il ruolo globale della funzione dei miRNA nel cuore è stato affrontato inibendo condizionatamente la maturazione dei miRNA nel cuore murino . Ciò ha rivelato che i miRNA svolgono un ruolo essenziale durante il suo sviluppo. Gli studi sui profili di espressione dei miRNA dimostrano che i livelli di espressione di miRNA specifici cambiano nei cuori umani malati, indicando il loro coinvolgimento nelle cardiomiopatie . Inoltre, studi su animali su miRNA specifici hanno identificato ruoli distinti per i miRNA sia durante lo sviluppo del cuore che in condizioni patologiche, inclusa la regolazione di fattori chiave importanti per la cardiogenesi, la risposta alla crescita ipertrofica e la conduttanza cardiaca. Un altro ruolo dei miRNA nelle malattie cardiovascolari è quello di utilizzare i loro livelli di espressione per la diagnosi, la prognosi o la stratificazione del rischio. I miRNA nei modelli animali sono stati anche collegati al metabolismo e alla regolazione del colesterolo.

miRNA-712

Il microRNA-712 murino è un potenziale biomarcatore (cioè predittore) per l' aterosclerosi , una malattia cardiovascolare della parete arteriosa associata a ritenzione di lipidi e infiammazione. Il flusso sanguigno non laminare è anche correlato allo sviluppo dell'aterosclerosi poiché i meccanosenori delle cellule endoteliali rispondono alla forza di taglio del flusso disturbato (d-flow). Un certo numero di geni pro-aterogenici, tra cui le metalloproteinasi di matrice (MMP) sono sovraregolati dal flusso d, mediando segnali pro-infiammatori e pro-angiogenici. Questi risultati sono stati osservati nelle arterie carotidi legate dei topi per imitare gli effetti del d-flow. Entro 24 ore, miR-712 immaturo preesistente ha formato miR-712 maturo suggerendo che miR-712 è sensibile al flusso. In coincidenza con questi risultati, il miR-712 è anche sovraregolato nelle cellule endoteliali esposte al flusso d naturale nella grande curvatura dell'arco aortico.

Origine

La sequenza pre-mRNA di miR-712 è generata dal gene ribosomiale murino RN45s nella regione 2 dello spaziatore trascritto interno (ITS2). XRN1 è un'esonucleasi che degrada la regione ITS2 durante l'elaborazione di RN45. La riduzione di XRN1 in condizioni di d-flow porta quindi all'accumulo di miR-712.

Meccanismo

MiR-712 prende di mira l'inibitore tissutale delle metalloproteinasi 3 (TIMP3). I TIMP normalmente regolano l'attività delle metalloproteinasi della matrice (MMP) che degradano la matrice extracellulare (ECM). L'ECM arterioso è composto principalmente da fibre di collagene ed elastina , che forniscono il supporto strutturale e le proprietà di rinculo delle arterie. Queste fibre svolgono un ruolo critico nella regolazione dell'infiammazione e della permeabilità vascolare, che sono importanti nello sviluppo dell'aterosclerosi. Espresso dalle cellule endoteliali, TIMP3 è l'unico TIMP legato all'ECM. Una diminuzione dell'espressione di TIMP3 determina un aumento della degradazione dell'ECM in presenza di d-flow. Coerentemente con questi risultati, l'inibizione del pre-miR712 aumenta l'espressione di TIMP3 nelle cellule, anche se esposte a un flusso turbolento.

TIMP3 riduce anche l'espressione di TNFa (un regolatore pro-infiammatorio) durante il flusso turbolento. L'attività del TNFa nel flusso turbolento è stata misurata dall'espressione dell'enzima di conversione del TNFa (TACE) nel sangue. TNFα è diminuito se miR-712 è stato inibito o TIMP3 sovraespresso, suggerendo che miR-712 e TIMP3 regolano l'attività TACE in condizioni di flusso turbolento.

L'anti-miR-712 sopprime efficacemente l'espressione di miR-712 indotta da d-flow e aumenta l'espressione di TIMP3. L'anti-miR-712 inibisce anche l'iperpermeabilità vascolare, riducendo così significativamente lo sviluppo di lesioni aterosclerotiche e l'infiltrazione delle cellule immunitarie.

MicroRNA-205 . omologo umano

L'omologo umano di miR-712 è stato trovato sul gene omologo RN45s, che mantiene miRNA simili ai topi. Il MiR-205 degli umani condivide sequenze simili con il miR-712 dei topi ed è conservato nella maggior parte dei vertebrati. MiR-205 e miR-712 condividono anche più del 50% dei bersagli di segnalazione cellulare, incluso TIMP3.

Quando è stato testato, il d-flow ha diminuito l'espressione di XRN1 nell'uomo come ha fatto nelle cellule endoteliali dei topi, indicando un ruolo potenzialmente comune di XRN1 nell'uomo.

Malattie renali

La delezione mirata di Dicer nelle cellule progenitrici renali derivate da FoxD1 in un modello murino ha determinato un fenotipo renale complesso che comprendeva l'espansione dei progenitori del nefrone , un minor numero di cellule renina , arteriole muscolari lisce , perdita mesangiale progressiva e aneurismi glomerulari. Il profilo dell'intero trascrittoma ad alto rendimento del modello di topo knockout FoxD1-Dicer ha rivelato un'iperregolazione ectopica del gene pro-apoptotico, Bcl2L11 (Bim) e una disregolazione della via p53 con aumento dei geni effettori p53 tra cui Bax , Trp53inp1 , Jun, Cdkn1a , Mmp2 e Arid3a . i livelli della proteina p53 sono rimasti invariati, suggerendo che i miRNA stromali FoxD1 reprimono direttamente i geni effettori p53. Utilizzando un approccio di tracciamento del lignaggio seguito dall'ordinamento cellulare attivato da fluorescenza , il profilo dei miRNA delle cellule derivate da FoxD1 non solo ha definito in modo completo il panorama trascrizionale dei miRNA che sono fondamentali per lo sviluppo vascolare, ma ha anche identificato i miRNA chiave che potrebbero modulare il fenotipo renale in sua assenza. Questi miRNA includono miRs-10a, 18a, 19b, 24, 30c, 92a, 106a, 130a, 152, 181a, 214, 222, 302a, 370 e 381 che regolano Bcl2L11 (Bim) e miRs-15b, 18a, 21, 30c, 92a, 106a, 125b-5p, 145, 214, 222, 296-5p e 302a che regolano i geni effettori p53. Coerentemente con i risultati del profilo, l' apoptosi ectopica è stata osservata nei derivati ​​cellulari del lignaggio progenitore derivato da FoxD1 e ribadisce l'importanza dei miRNA stromali renali nell'omeostasi cellulare.

Sistema nervoso

i miRNA sembrano regolare lo sviluppo e la funzione del sistema nervoso . I miRNA neurali sono coinvolti in varie fasi dello sviluppo sinaptico, inclusa la dendritogenesi (che coinvolge miR-132 , miR-134 e miR-124 ), la formazione e la maturazione delle sinapsi (dove si ritiene che miR-134 e miR-138 siano coinvolti). L'eliminazione della formazione di miRNA nei topi mediante il silenziamento sperimentale di Dicer ha portato a esiti patologici, come dimensioni neuronali ridotte e anomalie motorie quando silenziate nei neuroni striatali e neurodegenerazione quando silenziate nei neuroni del proencefalo . Alcuni studi trovano un'espressione alterata dei miRNA nella malattia di Alzheimer , così come nella schizofrenia , nel disturbo bipolare , nella depressione maggiore e nei disturbi d'ansia .

Ictus

Secondo il Center for Disease Control and Prevention, l'ictus è una delle principali cause di morte e disabilità a lungo termine in America. L'87% dei casi sono ictus ischemici, che derivano dal blocco nell'arteria del cervello che trasporta sangue ricco di ossigeno. L'ostruzione del flusso sanguigno significa che il cervello non può ricevere i nutrienti necessari, come ossigeno e glucosio, e rimuovere i rifiuti, come l'anidride carbonica. I miRNA svolgono un ruolo nel silenziamento genico post-traduzionale prendendo di mira i geni nella patogenesi dell'ischemia cerebrale, come la via infiammatoria, angiogenica e apoptotica. 

Alcolismo

Il ruolo vitale dei miRNA nell'espressione genica è significativo per la dipendenza , in particolare l' alcolismo . L'abuso cronico di alcol provoca cambiamenti persistenti nella funzione cerebrale mediati in parte da alterazioni nell'espressione genica . La regolazione globale dei miRNA di molti geni a valle è ritenuta significativa per quanto riguarda la riorganizzazione o le connessioni sinaptiche o gli adattamenti neurali a lungo termine che comportano il cambiamento comportamentale dal consumo di alcol all'astinenza e/o alla dipendenza. È stato scoperto che fino a 35 diversi miRNA sono alterati nel cervello post-mortem alcolizzato, che colpiscono tutti geni che includono la regolazione del ciclo cellulare , l' apoptosi , l'adesione cellulare , lo sviluppo del sistema nervoso e la segnalazione cellulare . Livelli alterati di miRNA sono stati trovati nella corteccia prefrontale mediale di topi alcol-dipendenti, suggerendo il ruolo del miRNA nell'orchestrare gli squilibri traslazionali e la creazione di proteine ​​differenzialmente espresse all'interno di un'area del cervello dove probabilmente hanno origine il comportamento cognitivo complesso e il processo decisionale .

I miRNA possono essere sovraregolati o sottoregolati in risposta all'uso cronico di alcol. L' espressione di miR-206 è aumentata nella corteccia prefrontale dei ratti alcol-dipendenti, prendendo di mira il fattore di trascrizione del fattore neurotrofico derivato dal cervello ( BDNF ) e riducendone infine l'espressione. Il BDNF svolge un ruolo critico nella formazione e maturazione di nuovi neuroni e sinapsi, suggerendo una possibile implicazione nella crescita delle sinapsi/ plasticità sinaptica nei consumatori di alcol. Il miR-155, importante nella regolazione delle risposte neuroinfiammatorie indotte dall'alcol , è risultato essere sovraregolato, suggerendo il ruolo della microglia e delle citochine infiammatorie nella fisiopatologia dell'alcol. La downregulation di miR-382 è stata trovata nel nucleo accumbens , una struttura nel prosencefalo basale significativa nella regolazione dei sentimenti di ricompensa che alimentano le abitudini motivazionali. miR-382 è l'obiettivo per il recettore della dopamina D1 (DRD1) e la sua sovraespressione provoca l'upregulation di DRD1 e delta fosB , un fattore di trascrizione che attiva una serie di eventi di trascrizione nel nucleo accumbens che alla fine si traducono in comportamenti di dipendenza. In alternativa, la sovraespressione di miR-382 ha comportato un consumo attenuato e l'inibizione della sovraregolazione di DRD1 e delta fosB in modelli di alcolismo di ratto, dimostrando la possibilità di utilizzare farmaci mirati al miRNA nei trattamenti.

Obesità

I miRNA giocano un ruolo cruciale nella regolazione dei progenitori delle cellule staminali che si differenziano in adipociti . Gli studi per determinare quale ruolo pluripotenti le cellule staminali svolgono nella adipogenesi , sono stati esaminati nel umana immortalato midollo osseo -derived cellule stromali linea hMSC-Tert20. È stata riscontrata una ridotta espressione di miR-155 , miR-221 e miR-222 durante la programmazione adipogenica di hMSC sia immortalizzate che primarie, suggerendo che agiscono come regolatori negativi della differenziazione. Al contrario, l' espressione ectopica dei miRNA 155 , 221 e 222 ha inibito significativamente l'adipogenesi e l'induzione repressa dei regolatori principali PPARγ e CCAAT/proteina legante il potenziatore alfa ( CEBPA ). Questo apre la strada a possibili trattamenti per l'obesità genetica.

Un'altra classe di miRNA che regolano la resistenza all'insulina , l' obesità e il diabete è la famiglia let-7 . Let-7 si accumula nei tessuti umani durante il corso dell'invecchiamento . Quando let-7 è stato sovraespresso ectopicamente per imitare l'invecchiamento accelerato, i topi sono diventati insulino-resistenti e quindi più inclini all'obesità e al diabete indotti da una dieta ricca di grassi . Al contrario, quando let-7 è stato inibito da iniezioni di antagomir specifici per let-7 , i topi diventano più sensibili all'insulina e notevolmente resistenti all'obesità e al diabete indotti da una dieta ricca di grassi. Non solo l'inibizione Let-7 potrebbe prevenire l'obesità e il diabete, ma potrebbe anche invertire e curare la condizione. Questi risultati sperimentali suggeriscono che l'inibizione let-7 potrebbe rappresentare una nuova terapia per l' obesità e il diabete di tipo 2.

Emostasi

I miRNA svolgono anche ruoli cruciali nella regolazione di complesse cascate enzimatiche, incluso il sistema di coagulazione del sangue emostatico. Studi su larga scala sul targeting funzionale dei miRNA hanno recentemente scoperto bersagli terapeutici razionali nel sistema emostatico.

RNA non codificanti

Quando il progetto sul genoma umano ha mappato il suo primo cromosoma nel 1999, si prevedeva che il genoma avrebbe contenuto oltre 100.000 geni codificanti proteine. Tuttavia, alla fine sono stati identificati solo circa 20.000. Da allora, l'avvento degli approcci bioinformatici combinati con studi di piastrellatura del genoma che esaminano il trascrittoma, il sequenziamento sistematico di librerie di cDNA a lunghezza intera e la convalida sperimentale (compresa la creazione di oligonucleotidi antisenso derivati ​​​​da miRNA chiamati antagomir ) hanno rivelato che molti trascritti non codificano proteine RNA, inclusi diversi snoRNA e miRNA.

virus

I microRNA virali svolgono un ruolo importante nella regolazione dell'espressione genica di geni virali e/o ospiti a beneficio del virus. Quindi, i miRNA svolgono un ruolo chiave nelle interazioni ospite-virus e nella patogenesi delle malattie virali. Si ritiene che l'espressione degli attivatori della trascrizione da parte del DNA dell'herpesvirus-6 umano sia regolata dal miRNA virale.

Previsione dell'obiettivo

I miRNA possono legarsi a trascritti di RNA messaggero (mRNA) di geni codificanti proteine ​​e controllare negativamente la loro traduzione o causare la degradazione dell'mRNA. È di fondamentale importanza identificare con precisione i bersagli dei miRNA. È disponibile un confronto delle prestazioni predittive di diciotto algoritmi in silico . Studi su larga scala sul targeting funzionale dei miRNA suggeriscono che molti miRNA funzionali possono essere persi dagli algoritmi di previsione del bersaglio.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno