microRNAs: Nýr skilningur á verkunarmáta í veirusýkingum og mikilvægi þess

MicroRNA eða í stuttu máli miRNA (ekki rugla saman við mRNA eða boðbera RNA) fundust árið 1993 og hafa verið mikið rannsökuð á síðustu tveimur áratugum eða svo vegna hlutverks þeirra við að stjórna tjáningu gena. miRNA eru tjáð á mismunandi hátt í ýmsum líkamsfrumum og vefjum. Nýlegar rannsóknir vísindamanna við Queen's háskólann í Belfast hafa afhjúpað vélrænt hlutverk miRNAs í stjórnun ónæmiskerfisins þegar líkamsfrumur eru ögraðar af vírusum. Þessar niðurstöður munu leiða til aukins skilnings á sjúkdómnum og hagnýtingu hans sem markmið nýrrar meðferðarþróunar.  

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 eftir Lee og samstarfsmenn hans ⁽⁶⁾. Það kom í ljós að LIN-14 próteinið var niðurstýrt af öðru umrituðu geni sem kallast lin-4 og þessi niðurstýring var nauðsynleg fyrir lirfuþroska í 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, þar til um 2000, þegar þeir fundust í öðrum dýrategundum ⁽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 beita áhrifum sínum með því að bæla mRNA eftir umritun með því að bindast viðbótarstöðum í 3' UTR mRNA sem þeir stjórna. Sterk fylling eyrnamerkir mRNA fyrir niðurbrot á meðan veik viðbót veldur engum breytingum á mRNA gildum heldur veldur hömlun á þýðingu. Þrátt fyrir að meginhlutverk miRNA sé í umritunarbælingu, virka þau einnig sem virkjar í mjög sjaldgæfum tilvikum ⁽⁸⁾. miRNA gegna ómissandi hlutverki í þróun lífverunnar með því að stjórna genum og genaafurðum allt frá fósturstigi til þróunar líffæra og líffærakerfa. ^(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). Framleiðsla interferóna er þétt stjórnað bæði á umritunar- og þýðingarstigi og gegnir lykilhlutverki við að ákvarða veirueyðandi svörun hýsilsins. Hins vegar hafa vírusar þróast nægilega mikið til að blekkja hýsilfrumurnar til að bæla þetta ónæmissvörun, veita vírusnum kost á eftirmyndun hennar og þar með versna sjúkdómseinkennin. ^{(12, 13)}. Strangt eftirlit með samspili milli IFN-framleiðslu hýsilsins við veirusýkingu og bælingar hennar af smitandi veirunni ákvarðar umfang og lengd sjúkdómsins af völdum umræddrar veiru. Þó að umritunarstýring á IFN framleiðslu og tengdum IFN örvuðum genum (ISG) sé vel þekkt ⁽¹⁴⁾, fyrirkomulag þýðingarstýringar hefur enn verið óviðráðanlegt ⁽¹⁵⁾. 

Nýleg rannsókn vísindamanna við McGill háskólann, Kanada og Queens háskólinn, Belfast veitir vélrænan skilning á þýðingarstýringu á IFN framleiðslu sem undirstrikar hlutverk 4EHP próteins við að bæla IFN-beta framleiðslu og þátttöku miRNA, miR-34a. 4EHP lækkar IFN framleiðslu með því að stilla miR-34a framkallaða þýðingarþöggun á Ifnb1 mRNA. Sýking með RNA vírusum og IFN beta örvun eykur magn miR-34a miRNA, sem kallar á neikvæða endurgjöf stýrilykkja sem bælir IFN beta tjáningu í gegnum 4EHP ⁽¹⁶⁾. Þessi rannsókn hefur mikla þýðingu í kjölfar núverandi heimsfaraldurs Covid-19 (sýking af völdum RNA veiru) þar sem hún mun hjálpa til við frekari skilning á sjúkdómnum og leiða til nýrra leiða til að takast á við sýkinguna með því að stilla magn miR-34a miRNA með því að nota hönnuð virkjunar/hemla og prófa þau í klínískum rannsóknum fyrir áhrif þess á IFN svörun. Greint hefur verið frá klínískum rannsóknum þar sem IFN beta meðferð er notuð ⁽¹⁷⁾ og þessi rannsókn mun hjálpa til við að afhjúpa sameindakerfin með því að varpa ljósi á hlutverk miRNA við að stjórna þýðingavélum hýsilsins í eðli sínu til að viðhalda hómóstatísku umhverfi. 

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.  

*** 

Meðmæli  

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

2. Ambros V. Hlutverk ör-RNA dýra. Náttúran. 2004, 431 (7006): 350–5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  

3. Bartel DP. Ör-RNA: erfðafræði, lífmyndun, gangverk og virkni. Cell. 2004, 116 (2): 281–97. DOI: https://10.1016/S0092-8674(04)00045-5  

4. Jansson læknir og Lund AH MicroRNA og krabbamein. Sameindakrabbameinsfræði. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  

5. Bhaskaran M, Mohan M. MicroRNAs: saga, líffræðileg tilurð og þróunarhlutverk þeirra í þróun dýra og sjúkdóma. Dýralæknir Pathol. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 

6. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. C. elegans heterochronic genið lin-4 kóðar fyrir lítil RNA með andsense complementarity við lin-14, Cell, Volume 75, Issue 5,1993, Pages 843-854, ISSN 0092-8674. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 

7. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et al. Varðveisla á röð og tímabundinni tjáningu láta-7 heterókrónískt stjórnunar-RNA. Nature 408, 86–89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 

8. Vasudevan S, Tong Y og Steitz JA. Skipt úr kúgun yfir í virkjun: MicroRNA getur stýrt þýðingu. Vísindi  21. desember 2007: árg. 318, hefti 5858, bls.1931-1934. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 

9. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA, o.fl. Dicer er nauðsynlegt fyrir þróun músa. Nat Genet. 2003; 35:215–217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253 

10. Kloosterman WP, Plasterk RH. Fjölbreytt hlutverk ör-RNA í þróun dýra og sjúkdóma. 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, o.fl. MíkróRNA-framleiðandi ensímið Dicer1 er nauðsynlegt fyrir þróun sebrafiska. Nat Genet. 2003; 35:217–218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251 

12. Haller O, Kochs G og Weber F. The interferon response circuit: Induction and suppression by pathogenic viruses. Veirufræði. 344. bindi, 1. tölublað, 2006, bls. 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. Interferón af tegund I í smitsjúkdómum. Nat Rev Immunol. 2015 Feb;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 

14. Apostolou, E. og Thanos, D. (2008). Veirusýking framkallar NF-kappa-B háð litningatengsl sem miðla einsamsætu IFN-b genatjáningu. Hólf 134, 85–96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   

15. Savan, R. (2014). Eftir umritun stjórnun á interferónum og boðleiðum þeirra. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318–329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  

16. Zhang X, Chapat C o.fl. míkróRNA-miðluð þýðingarstýring á veirueyðandi ónæmi með cap-bindandi próteininu 4EHP. Molecular Cell 81, 1–14 2021. Birt: 12. febrúar 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030

17. SCIEU 2021. Interferon-β til meðferðar á COVID-19: Lyfjagjöf undir húð skilvirkari. Vísindaleg Evrópu. Birt 12. febrúar 2021. Í boði á netinu á http://scientificeuropean.co.uk/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Skoðað 14. febrúar 2021.  

***