A mikroRNS definíciója és működése az állati szervezetben

Contents

A mikroRNS definíciója és működése az állati szervezetben

A mikroRNS-ről általában

Definíció

A mikroRNS-ek (továbbiakban miRNS) már több, mint 10 éve ismertek, számuk egyre bővül, és mind a növény mind az állatvilágban univerzálisan megtalálhatóak. Olyan RNS molekulák, amelyek fehérjét nem kódolnak, viszont befolyásolják adott mRNS-ek transzlációját azáltal, hogy az mRNS molekula 3’ UTR (untranslated region=fehérjévé nem átíródó régió) részéhez kötődve többnyire gátolják a fehérje szintézist. Vagyis a miRNS-ek a génexpresszió (génkifejeződés) poszttranszkripciós szintű negatív szabályozóinak tekinthetők (Lendvai és mtsai 2012).

A 90-es évekig „hulladék RNS-ként” emlegetett molekulák a bázispárosodás elveinek megfelelően kapcsolódni tudnak a szabályozandó gének mRNS-eihez, amely során gátolják a transzlációját, illetve indukálják degradációját. Ezek a rövid (19-22 nukleotid hosszúságú) egy szálú RNS-ből álló molekulák több génhez is kötődhetnek, egy miRNS akár több száz gén szabályozására is képes lehet, míg egy gént akár több miRNS is regulálhat. A miRNS-ek hatása a legtöbb esetben gátló, működésük következtében a transzláció nem megy végbe, tehát az mRNS-ből kevesebb fehérje képződik. A miRNS-ek szövetspecifikusak, tehát minden szövet egy rá jellemző miRNS mintázattal rendelkezik, amely gyakorlatilag ujjlenyomatként szolgál az adott szövet felismerése során.

Felfedezés

Az első miRNS-t (lin-4) 1993-ban írták le Caenorhabditis elegans-ban (talajlakó fonálféreg faj), mely az egyedfejlődés kontrolljában játszik szerepet, és ezt a jelenséget akkor a fonálférgek különlegességének tekintették. 2000-ben ugyanebben a fonálféregben egy újabb ugyanolyan szabályozó mechanizmussal működő miRNS-t (let-7, egyedfejlődést és sejtdifferenciációt szabályoz) találtak, amelynek mind a szekvenciája mind az egyedfejlődési expressziós mintázata gerincesekben is nagyon hasonlónak bizonyult. Egy évre rá számos új miRNS-t azonosítottak gerincesekben és gerinctelenekben is (Lendvai és mtsai 2010).

Kialakulása

A miRNS készülhet transzkripcióval II. típusú RNS-polimeráz segítségével, ilyenkor még pri-miRNS-ről beszélünk, aminek egyik vége 7-metil-guaninnal van lezárva, míg a másikhoz több adenin molekula kötődik. Ezt egy endonukleázt is tartalmazó fehérje komplex alakítja pre-miRNS-sé, ami 60-70 nukleotidból áll. Pre-miRNS képződhet olyan intronokból, amelyekben miRNS kódolva van, mRNS splicing-on keresztül, ezt mirtronnak nevezik (az intron a DNS néma szála). A képződött pre-miRNS ez exportin-5 fehérje által jut ki a sejtmagból. A citoplazmában a Dicer-ként megkülönböztetett RN-áz hasítja 21-24 nukleotidot tartalmazó RNS duplexé. Ennek az egyik szála a RISC-hez (RNA induced silencing complex=RNS indukált némító komplex) kerül. Ez egy olyan fehérjékből álló csoport, ami meghatározza a szál további sorsát, kifejeződését. A másik szál pedig lebontásra kerül. Az ábrán feltüntetett AGO protein a RISC része. Feladata lehet további szeletelés vagy az említett 7-metil-guanin csoporton keresztül transzláció gátlás. Habár a legtöbb miRNS bevégzi a citoplazmában, akadnak olyanok, amelyek visszaszállítódnak a sejtmagba. (1. Ábra)

felugró szöveg
1. Ábra
Szintézis

Működése

Feltételezhetően a miRNs-mRNS komplementeritás százalékos aránya meghatározza a gátlás típusát. Ha 100%-os, akkor megtörténik az mRNS endonukleáz általi hasítása. Ugyanakkor a miRNS-ek középső részén fennálló rossz párosítások az mRNS transzlációjának gátlását idézik elő. A transzláció gátlásának módjára több hipotézis keletkezett:

Az mRNS sapkája (cap) a miRNS-RISC fehérjekomplexhez kötődik, meggátolva a transzláció megkezdését.
A miRNS előidézi az mRNS deadenilizációját, amelynek következtében az mRNS nem tudja a transzlációhoz szükséges cirkulációs formát felvenni.
A miRNS a riboszóma alegységek (unitok) leválását idézhetik elő röviddel a transzláció megkezdése után.

Általános szerepe

A miRNS-ek által szabályozott gének fontos életműködéssel kapcsolatos folyamatokat regulálnak, mint pl. az egyedfejlődés pontos, időbeli lefolyása, sejtdifferenciáció, szervek kialakulása, az őssejtek osztódása, sejtek sorsának meghatározása, apoptózis, jelátviteli utak enzimjei, haemopoetikus vonal differenciálódása, a gazda és a vírus interakció, de a betegségek, többek között a rák kialakulása is.

A génexpresszió szabályozása révén a miRNS-ek már az egyedfejlődés kezdetétől fogva részt vesznek az élettani folyamatok szabályozásában, biztosítva ezzel a gének működésének összehangoltságát, a megfelelő fehérje-expressziós mintázat kialakulását. Az anyagcsere folyamatok szabályozásában betöltött szerepük révén egyes miRNS-ek megváltozott kifejeződése figyelhető meg cukorbetegségben, illetve a zsíranyagcsere zavaraiban is.

Egyes miRNS-ek elvesztése vagy alulszabályozása veszélyezteti az immunrendszer fejlődését, az immunválasz kialakulását és autoimmunitáshoz vagy rákhoz vezethetnek. A vírusok is felhasználhatják a miRNS-eket egyrészt, hogy fokozzák a saját kifejeződésüket, másrészt, hogy miRNS ortológokat juttassanak a fertőzött sejtekbe.

Konkrét példák

A nem kódoló miRNS-eket tartják a legjobb, legígéretesebb biomarkereknek, mert figyelemreméltó a stabilitásuk, rákspecifikusak és megjelennek a testnedvekben, főleg a vérben. Ennek ellenére kutatásuk nehézkes, mert egyénenként is változatosak és nehéz megkülönböztetni őket a nem tumor eredetű társaiktól. Kimutatták, hogy a mikro-RNS-ek expressziója patológiás állapotokban megváltozik a normális szinthez képest, ezért ezt eredményesen lehetne alkalmazni a betegségek pontosabb diagnosztizálásában.

A rákkutatásban

Felfedeztek egy úgynevezett „kiterjesztett integrált áramkört” a rákos sejtekben (Sotiropoulou és mtsai 2009). A sejtek különböző jeleinek egymásra hatása hasonlít egy áramkörhöz, ahol a miRNS-ek, mint ki-bekapcsolók helyezkednek el. Egészséges sejtek ilyen kapcsolóinak meghibásodása okozhatja olyan rendellenes utak létrejöttét, amelyek daganatos elváltozásokat eredményeznek. Egy-egy kapcsoló felelőssé tehető a rákos sejtek hat leglényegesebb tulajdonságával:
1. hosszantartó önellátás növekedési szignálokkal
2. érzéketlenség növekedés elleni és önmegújító szignálokkal szemben
3. apoptózis kikerülése
4. határtalan önmásolás
5. érfejlesztés tápláláshoz
6. invázió, áttétképzés
Tüdőrák esetében próbálták megfigyelni egyes miRNS törzsek szerepét, mivel az egész világon a rosszindulatú daganatos megbetegedések 30%-át teszi ki, rossz a túlélési aránya és a klasszikus kemoterápiának ellenáll. Az eredmények azt mutatták, hogy bizonyos miRNS csoportok száma csökkent a tumor kivétele után a vérben, illetve azt szövettenyészetbe helyezve nőtt a szekretált miRNS-ek száma (Aushev és mtsai 2013).
Calin és mtsai (2002) a krónikus lymphocytás leukémia (CLL) kialakulásánál vizsgálták a miRNS-ek szerepét. Azt találták, hogy egy adott génszakasz a CLL-es betegek több mint felénél kiesik, ez a génszakasz kódolja a miRNS-ek 15-16-os csoportját. Így ezek hiányában következtethetünk a betegség fennállására.
A miRNS-ek szerepét a rákos sejtek növekedésében és a kemoterápiára adott válaszában tanulmányozták. Ezt a kísérletet rákos epevezető sejtsorokon végezték. A miRNS 21, 200B és 141 jutott legjobban érvényre a beteg sejtekben. A két előbbi gátlására megnövekedett érzékenységet tapasztaltak különböző kemoterápiás gyógyszerekre, míg a 141-es gátlására csökkent a sejtnövekedés (Meng és mtsai 2006).
Gong és mtsai (2013) a gyomorrák és a miRNS 29-es család érdekes fordított kapcsolatát fedezték fel. Ezen belül a 29 c-nek a legkisebb az előfordulása a gyomorrákban, mégis ez hozható kapcsolatba a legagresszívebb típusaival. Viszont további kutatások igazolták, hogy a miRNS 29-es család többi tagja a tumor gátlójaként funkcionál meghatározott génekre hatva, melyek a rák növekedéséért felelősek.
Az emlőből kiinduló adenoid cisztikus carcinoma (ACC) esetek a nyálmirigyből kiinduló megfelelőjükhöz képest sokkal kedvezőbb klinikai kimenettel bírnak. Mivel a két szervből kiinduló ACC között szövettani különbség nincs, molekuláris szinten kellett választ kapni. A kutatások eredménye az lett, hogy egyes miRNS-ek kifejeződése mind az emlő, mind a nyálmirigy eredetű tumorokban eltért a normál kontrolljukhoz képest. A let-7b expressziója a nyálmirigy eredetű szövetben fokozódott, emlő eredetű tumoros esetekben pedig csökkent. A miR-24 mennyisége a nyálmirigy eredetű daganatban csökkent, emlőeredetűben nőtt (Kiss és mtsai 2013).
Az előbbi példákból is látható, hogy a miRNS-ek központi témáját képezik a rákkutatásnak. A kísérletekben főleg azt vizsgálják, hogy hogyan változik a miRNS-ek kifejeződése egyes daganattípusokban. Az alábbi táblázat összefoglalja az elmúlt évek erre irányuló kutatásainak eredményeit.

miRns-ek megváltozott expressziója különböző ráktípusokban
miRNS	Rák típus	Kimutatási módszer	Nőtt vagy csökkent	Hivatkozás
let-7a	Gyomor	Q	Csökken	Zhang és mtsai (2007b)
miR-9	Mell	Q	Nő	Ma és mtsai (2007)
miR-10b	Mell-metastasis	Q	Nő	Ma és mtsai (2007)
miR-10b	Glioblastoma	N	Nő	Ciafrè és mtsai (2005)
miR-15	CLL	N	Csökken	Calin és mtsai (2002)
miR-15a	Hipofizís adenoma	N	Csökken	Bottoni és mtsai (2005)
miR-16	CLL	N	Csökken	Calin és mtsai (2002)
miR-16-1	Hipofizís adenoma	N	Csökken	Bottoni és mtsai (2005)
miR-17-5p	Mell rák sejtvonalak	N	Csökken	Hossain és mtsai (2006)
miR-17-92	Lymphoma	Q	Nő	He és mtsai (2005b)
miR-17-92	Colorectalis	Q	Nő	He és mtsai (2005b)
miR-21	HCC	N	Nő	Meng és mtsai (2007)
miR-21	Mell	N	Nő	Iorio és mtsai (2005)
miR-21	Jól elkülönült hasnyálmirigy endokrin carcinoma amit máj metastasis követ	N	Nő	Roldo és mtsai (2006)
miR-21	Nyaki rák sejtvonalak	N	Nő	Lui és mtsai (2007)
miR-21	Epevezetőrák sejtvonalak	N, Q	Nő	Meng és mtsai (2006)
miR-29a	CLL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-29c	CLL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-34a	CLL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-34a	Neuroblastoma	Q	Csökken	Welch és mtsai (2007)
miR-34a	Vastagbél	Q	Csökken	Tazawa és mtsai (2007)
miR-103	Jól elkülönült hasnyálmirigy endokrin carcinoma	N	Nő	Roldo és mtsai (2006)
miR-122	HCC	N	Csökken	Kutay és mtsai (2006)
miR-125b	Mell	N	Csökken	Iorio és mtsai (2005)
miR-125b1	Petefészek	N	Csökken	Iorio és mtsai (2007)
miR-127	Nyaki SSC	Q	Nő	Lee és mtsai (2008)
miR-128	Glioblastoma	N	Csökken	Ciafrè és mtsai (2005)
miR-128b	ALL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-140	Petefészek	Q	Csökken	Iorio és mtsai (2007)
miR-141	Petefészek	N	Nő	Iorio és mtsai (2007)
miR-141	Epevezetőrák sejtvonalak	N, Q	Nő	Roldo és mtsai (2006)
miR-143	CLL	R, Q	Csökken	Akao és mtsai (2007)
miR-143	Colorectal neoplasia	N	Csökken	Michael és mtsai (2003)
miR-143	B sejtes lymphoma	R, Q	Csökken	Akao és mtsai (2007)
miR-143	Nyaki rák sejtvonalak	N	Csökken	Lui és mtsai (2007)
miR-145	Mell	N	Csökken	Iorio és mtsai (2005)
miR-145	Colorectal neoplasia	N	Csökken	Michael és mtsai (2003)
miR-145	Petefészek	N	Csökken	Iorio és mtsai (2007)
miR-145	CLL	R, Q	Csökken	Akao és mtsai (2007)
miR-145	B sejtes lymphoma	R, Q	Csökken	Akao és mtsai (2007)
miR-146b	PTC	N, R	Nő	He és mtsai (2005a)
miR-155	Mell	Q	Nő	Ma és mtsai (2007)
miR-155	Hasnyálmirigy	N	Csökken	Roldo és mtsai (2006)
miR-155	Lymphoma	Q	Nő	Eis és mtsai (2005)
miR-181a	Glioblastoma	N	Csökken	Ciafrè és mtsai (2005)
miR-181b	Glioblastoma	N	Csökken	Ciafrè és mtsai (2005)
miR-181b	PTC	N, Q	Nő	Pallante és mtsai (2006)
miR-181b-1	ALL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-184	Nyelv SSC	Q	Nő	Wong és mtsai (2008)
miR-195	CLL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-199a	Petefészek	N	Csökken	Iorio és mtsai (2007)
miR-199a	Nyaki SSC	Q	Nő	Lee és mtsai (2007b)
miR-200a	Petefészek	N	Nő	Iorio és mtsai (2007)
miR-204	ALL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-204	Hasnyálmirigy insulinoma	N	Nő	Roldo és mtsai (2006)
miR-218	ALL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-221	PTC	N, Q	Nő	Eis és mtsai (2005)
miR-221	PTC	N, R	Nő	He és mtsai (2005a)
miR-221	Glioblastoma	N	Nő	Ciafrè és mtsai (2005)
miR-222	PTC	N, Q	Nő	Eis és mtsai (2005)
miR-222	PTC	R	Nő	He és mtsai (2005a)
miR-331	ALL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-331	CLL	Q	Nő	Zanette és mtsai (2007)
miR-372	Here	N	Nő	Voorhoeve és mtsai (2006)
miR-373	Mell rák metastasis	Q	Nő	Huang és mtsai (2008)
Jelmagyarázat: CLL Chronic Lymphatic Leukemia (Krónikus Lyphatikus Leukémia), PTC Pappilary Thyroid Carcinoma (Papilláris pajzsmirigyrák), HCC Hepatocellular Carcinoma (Májsejt rák), ALL Acute Lymphoblastic Leukemia (Akut Lymphoblasztikus Leukémia), SSC Squamous Cell Carcinoma (Laphámrák). Kimutatási reakciók: N Northern Blott, Q Kvantitatív RT-PCR, R Semikvantitatív RT-PCR

felugró szöveg
2. Ábra
miRNS hatása az agykéreg fejlődésére

Más élettani folyamatokban

Orvostanhallgatók vérében 7 miRNS típus jelenlétét vizsgálták 2 hónappal illetve 2 nappal egy nagy vizsga előtt, és megállapították, hogy mennyiségük jelentősen csökkent a vizsgához közeledve. Ebből arra következtettek, hogy a miRNS-ek a krónikus stressz elleni válaszban is részt vesznek (Honda és mtsai 2013).
A miRNS-eknek szerepe lehet az egyének és a fajok közötti kommunikációban. A keringő miRNS-ek hormonszerű hatásokat fejthetnek ki, aminek révén távoli sejteket befolyásolhatnak. Az anyatej is tartalmaz miRNS-eket, amik a csecsemőre hatva, az epigenetikai információ egyének közötti áramlását tehetik lehetővé. Illetve a táplálékban található miRNS-ek, így a növényi miRNS-ek is kimutathatóak a keringésben, és ott aktívak lehetnek (Igaz és mtsai 2012).
Az epilepszia többféle bonyolult úton kialakulhat, melyek közül néhány bizonyítottan a miRNS-ek szabályozása alatt állnak. Egyik leggyakoribb típus a halántéklebeny epilepszia (Temporal lobe epilepsy, TLE), és ennek az a formája amikor középső (mesial) halántéki sclerosissal társul a mesial TLE. Leginkább ennek az együttesnek köszönhető a gyógyszer rezisztens epilepszia kialakulása. Halántéki sclerosisos szövetben mutattak már ki abnormálisan működő miRNS-t állatkísérletekben és humán betegeknél is. MiRNS-ek expressziója folyamatos szabályozás alatt van a neurogenesis során és ennek hibája hatással lehet az agykéreg fejlődésére, annak kóros elváltozásához vezethet (Malformation of cortical development, MCD). Ilyen elváltozás pedig fő oka a gyógyszerrezisztens epilepsziának. A második ábra bemutatja, hogy a gesztáció egyes fázisaira mely miRNS-ek hatnak. Az egyedfejlődés 5- 20. hetében az őssejtek progenitorokat képeznek, amelyek proliferálódnak, majd differenciálódnak. A 6-24. héten az idegsejtek a kéreg széli részei felé vándorolnak a radiális gliasejteken keresztül. Végül megtörténik a szürkeállomány rétegződése. Ezek a folyamatok a képen feltüntetett miRNS-ek szabályozása alatt állnak. Ezen kívül vizsgáltak állatokat status epilepticusban tartva, ami folyamatos rohamokat jelent eszmélet visszaszerzés nélkül. Ennek során kiderült, hogy változásokon ment keresztül miRNS-ek olyan csoportja, amelyek felelősek sejthalál szabályozásért, synapticus újraszerveződésért és az ingerlékenységért. Ezen specifikus miRNS-ek feltárása ígéretes lehetőség a terápiákhoz (Dogini és mtsai 2013).

Az említett vizsgálatok eredményei alapján kimondhatjuk, hogy a miRNS-ek hatása meglehetősen sokrétű, így most is és a jövőben is rengeteg kutatás tárgyát képezik. Szerepet játszhatnak egyes élettani folyamatok molekuláris mechanizmusának megértésében, pontosításában, különféle betegségek diagnosztizálásában, korábbi felismerésében, illetve terápiás gyógymódok kialakításában.

Felhasznált irodalom

Aushev VN, Zborovskaya IB, Laktionov KK, Girard N, Cros M-P, et al. (2013) Comparisons of microRNA Patterns in Plasma before and after Tumor Removal Reveal New Biomarkers of Lung Squamous Cell Carcinoma. PLoS ONE 8(10): e78649. doi:10.1371/journal.pone.0078649

Calin GA, Dumitru CD, Shimizu M, Bichi R, Zupo S, Noch E, Aldler H, Rattan S, Keating M, Rai K, Rassenti L, Kipps T, Negrini M, Bullrich F, Croce CM. (2002) Frequent deletions and down-regulation of micro- RNA genes miR15 and miR16 at 13q14 in chronic lymphocytic leukemia Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 November 26; 99(24): 15524–15529. Published online 2002 November 14. doi: 10.1073/pnas.242606799

Dogini DB, Avansini SH, Vieira AS and Lopes-Cendes I (2013) MicroRNA regulation and dysregulation in epilepsy. Front. Cell. Neurosci. 7:172. doi: 10.3389/fncel.2013.00172

Gong J, Li J, Wang Y, Liu C, Jia H, Jiang C, Wang Y, Luo M, Zhao H, Dong L, Song W, Wang F, Wang W, Zhang J, Yu J. (2013), Characterization of miRNS-29 family expression and investigation of their mechanistis roles in gastric cancer. Carcinogenesis doi: 10.1093/carcin/bgt337

Honda M, Kuwano Y, Katsuura-Kamano S, Kamezaki Y, Fujita K, et al. (2013) Chronic Academic Stress Increases a Group of microRNAs in Peripheral Blood. PLoS ONE 8(10): e75960. doi:10.1371/journal.pone.0075960

Igaz Péter dr., Nagy Zoltán oh., Vásárhelyi Barna dr., Buzás Edit dr., Falus András dr., Rácz Károly dr. (2012), A mikro-RNS-ek lehetséges szerepe az egyének és fajok közötti kommunikációban, Orvosi Hetilap, 153. évf., 42. szám, DOI: 10.1556/OH.2012.29463

Kiss Orsolya dr., Tőkés Anna-Mária dr., Spisák Sándor dr., Szilágyi Anna dr., Lippai Norbert dr., Szász A. Marcell dr., Kulka Janina dr. (2013), Mikro-RNS-expresszió vizsgálata adenoid cysticus emlő- és nyálmirigy-carcinómában, Orvosi Hetilap, 154. évf., 25. szám, DOI: 10.1556/OH.2013.29643

Lendvai Gábor dr., Kiss András dr., Kovalszky Ilona dr., Schaff Zsuzsa dr. (2010), Eltérések a májbetegségek mikro-RNS-expressziós mintázatában, Orvosi Hetilap, 151.évf., 45. szám, DOI: 10.1556/OH.2010.28985

Lendvai Gábor dr., Kiss András dr., Kovalszky Ilona dr., Schaff Zsuzsa dr. (2012), MikroRNS-ek a hepatocarcinogenesisben, Orvosi Hetilap, 153.évf., 25. szám, DOI: 10.1556/OH.2012.29387

Meng F, Henson R, Lang M, Wehbe H, Maheshwari S, Mendell JT, Jiang J, Schmittgen TD, Patel T (2006), Involvement of Human Micro-RNA in Growth and Response to Chemotherapy in Human Cholangiocarcinoma Cell Lines, Gastroenterology: PII: S0016-5085(06)00736-0 doi:10.1053/j.gastro.2006.02.057

Sotiropoulou G, Pampalakis G, Lianidou E, and Mourelatos Z (2009), Emerging roles of microRNAs as molecular switches in the integrated circuit of the cancer cell, RNA. 2009 August; 15(8): 1443–1461. doi: 10.1261/rna.1534709

(Az ábrák saját készítésűek)