МикроРНК: Какво са и как регулират генната експресия?

В повечето случаи, в които някой се сеща за РНК, насочва мислите си към информационна РНК, рибозомна РНК и транспортна РНК. Съществуват обаче повече видове РНК, които изпълняват много разнообразни функции, сред които се намират микроРНК. В продължение ще говорим за последните, от техния синтез до различните функции, които те изпълняват в клетките.

Фигура, създадена с Piktochart.

МикроРНК (miRNAs) са малки РНК, между 19 и 25 нуклеотида, които регулират експресията на гените. Как правят това? Предимно чрез разграждането на информационната РНК или регулирането на транскрипцията. Транскрипцията е процес, при който молекула информационна РНК се получава от една от ДНК веригите, така че информацията се прехвърля от ДНК към РНК. Поради това, ако се инхибира транскрипцията, не се синтезират протеини.

При животните микроРНК са закодирани в отделни гени (кодиращи една единична микроРНК), групирани в клъстери (групи гени, кодиращи няколко различни микроРНК) или в интрони на гени, кодиращи протеини.

Тези РНК могат да модулират експресията на до 60% от гените, които кодират протеини и участват в процеси като диференциация, пролиферация, апоптоза и развитие. Поради това нарушаването на регулирането на процесите, при които се намесва микроРНК, може да причини различни патологии. Някои примери са диабет, мускулна дистрофия, някои алергии и рак.

 

Синтез на микроРНК

Синтезът на микроРНК е сложен процес, който се състои от няколко етапа и протича както в ядрото, така и в цитоплазмата. В този процес се образува транскрибирана версия на микроРНК от ДНК, която бива обработвана от различни ензими, докато достигне зряла микроРНК.

Синтез на микроРНК. Първо, микроРНК гените се транскрибират, получава се при-микроРНК. След това Drosha обработва първичната микроРНК, за да образува молекулата на предшественика на микроРНК, пре-микроРНК. Предшественикът се изнася в цитоплазмата и там, ензимът Dicer образува дуплексна микроРНК, която в последствие се размотава от протеина Аргонавт. И накрая, една от микроРНК веригите, която съставлява зрялата микроРНК, остава заедно с Аргонавт и образува комплекс miRISC, готов да упражни репресията на своите прицелни информационни РНК. Фигура, създадена с Biorender.

На първо място се осъществява транскрипцията на ДНК в РНК главно от РНК полимераза II, а понякога и от РНК полимераза III. Това поражда първична микроРНК (pri-microRNA). При-микроРНК е структура, която образува двойна верига, макар че в крайната част двете вериги се разделят.

След това pri-microRNA се обработва от ензима рибонуклеаза III или Drosha и протеин за връзка с двойноверижна RNA. Резултатът е молекула предшественик на микроРНК, наречена пре-микроРНК. Различава от предишната по това, че е по-малка по дължина и структурата и е различна.

В следващия етап пре-микроРНК се изнася от ядрото в цитоплазмата посредством един протеин. Веднъж попаднали в цитоплазмата, RNase III или Dicer обработва пре-микроРНК и се получават двуверижни или дуплексни микроРНК (ds-microRNA) от между 21 и 24 нуклеотида.

МикроРНК в повечето случаи не работят сами, те обикновено упражняват своята регулация, като индуцират действието на генно-заглушаващ комплекс RISC. За да се образува RISC комплекса (РНК индуциран шумозаглушаващ комплекс), дуплексната микроРНК трябва да бъде заредена в протеини на аргонавт (Ago) с помощта на шаперон. Включва се само една от двете микроРНК вериги, водещата верига. По време на формирането на RISC комплекса, Ago2 размотава дуплексната микроРНК и отстранява комплементарната на водещата верига, така че остава включена само водещата верига. Така се получава зрялата микроРНК. Тази зряла микроРНК заедно с протеина Ago2 образува основния RISC комплекс, който вече е функционален, макар че е възможно да се присъединят други протеини към комплекса.

 

Функции на микроРНК в цитоплазмата

МикроРНК действат на пост-транскрипционно ниво чрез регулиране на генната експресия, както коментирахме по-рано. Една микроРНК може да има стотици прицелни информационни РНК, поради което те могат да контролират експресията на голям брой гени.

В растенията се изисква микроРНК и нейната прицелна информационна РНК да се допълват напълно (т.е. да има комплементарност на базите) за да се получи разпознаването и срязването на информационната РНК. Докато при бозайниците за разпознаването е достатъчно да е комплементарна една последователност при 5', която се простира от нуклеотид 2 до 8 в микроРНК. Тази последователност се допълва с прицелната информационна РНК главно в 3'-UTR региона, но може също така да се допълва с 5'-UTR региона и с кодиращи региони на информационната РНК.

В основния RISC комплекс или miRISC (микроРНК и Ago2), микроРНК разпознава прицелните последователности и свързването се осъществява посредством правилата за допълване на базите на Уотсън и Крик, докато Ago2 действа като платформа, върху която регулаторните фактори могат да се свържат със своите мишени. Тоест микроРНК е отговорна за разпознаването, а Ago2 определя какъв ще бъде начинът на действие, в зависимост от това кои регулаторни протеини се събират в комплекса.

След като веднъж miRISC разпознае и се свърже с информационната РНК, той може да действа като възпрепятства транслацията и, или засилва нейното разграждане. Това се случва в последователен процес, първо транслацията се инхибира и след това се разграждат информационните РНК. Следователно, miRISC може да действа на ниво на иницииране на транслацията. Механизмите, чрез които се инхибира транслацията, са инхибиране на удължаването, разграждане на протеини и отстраняване на рибозоми.

Функции на микроРНК в ядрото

Макар че най-изследваната функция на микроРНК е тази на регулацията на генната експресия в цитоплазмата, тя също играе важна роля в ядрото.

miRISC може да регулира и транскриптома в ядрото. В този случай той действа чрез индуциране на посттранскрипционно разграждане на малки РНК молекули, дълги некодиращи молекули и също така на кодираща РНК.

Също така е важно генерирането на зрели микроРНК да се контролира, така че различните клетъчни процеси и следователно организмът като цяло да функционират правилно. Пре-микроРНК и зрелите микроРНК се съхраняват в ядрото и могат да повлияят на количеството рибозомна РНК (рРНК), което се синтезира. Това, което се случва, е, че miRISC може да се асоциира към рибозомни субединици в началните етапи на синтеза на рибозомната РНК и придава различни свойства на зрелите рибозоми, определяйки тяхното взаимодействие с различни спомагателни протеини. По този начин той контролира генната експресия и на нивото на транслация, от синтеза на рибозоми.

 

Циркулация на микроРНК от ядрото към цитоплазмата и обратно 

Комплексът miRISC има различен състав, когато е в ядрото и когато е в цитоплазмата. Освен това ядреният miRISC е по-малък, това може да е свързано с факта, че те изпълняват различни функции. Както видяхме преди, сглобяването на микроРНК и Ago2 се извършва извън ядрото, така че за да може да упражнява функцията си на това място, трябва да бъде внесен от цитоплазмата. В този процес участва протеинът импронта 8 (IPO8), въпреки че се смята, че има няколко пътеки за навлизане в ядрото.

МикроРНК като биомаркери. Нивата на микроРНК в кръвта могат да бъдат количествено определени, следователно те могат да служат като индикатори за патологии или определени физиологични ситуации, когато се наблюдава вариация в споменатите нива. Фигура, създадена с Biorender.

Всички клетъчни процеси трябва да бъдат добре регулирани, тъй като когато не работят добре, те могат да имат отрицателно въздействие върху клетките и тъканите и да доведат до появата на заболявания. Поради тази причина микроРНК са много полезни като биомаркери. Нивата на микроРНК в кръвта могат да бъдат количествено определени и могат да се изчислят стойностите, съответстващи на нормални физиологични състояния или на патологични състояния. Следователно промените в тези нива могат да бъдат показатели за определени патологии или различни физиологични състояния. Например при бременност се наблюдават промени в нивата на микроРНК, тъй като някои клетъчни функции са променени.

 

Fuentes:

Catalanotto C, Cogoni C, Zardo G. MicroRNA in Control of Gene Expression: An Overview of Nuclear Functions. Int J Mol Sci. 2016 Oct 13;17(10):1712. doi: 10.3390/ijms17101712. PMID: 27754357; PMCID: PMC5085744. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27754357/ 

Matsuyama H, Suzuki HI. Systems and Synthetic microRNA Biology: From Biogenesis to Disease Pathogenesis. Int J Mol Sci. 2019 Dec 24;21(1):132. doi: 10.3390/ijms21010132. PMID: 31878193; PMCID: PMC6981965.

Lu TX, Rothenberg ME. MicroRNA. J Allergy Clin Immunol. 2018 Apr;141(4):1202-1207. doi: 10.1016/j.jaci.2017.08.034. Epub 2017 Oct 23. PMID: 29074454; PMCID: PMC5889965.

Автор: Mónica Martínez Adell, Genotipia

Превод от испански: Лиляна Петрова

Източник: MicroARNs: Qué son y cómo regulan la expresión génica