МАЛЫЕ НЕКОДИРУЮЩИЕ РНК КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЕ БИОМАРКЕРЫ: БИОГЕНЕЗ И ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ СТРАТЕГИИ
https://doi.org/10.20538/1682-0363-2016-2-112-126
Аннотация
В данном обзоре рассмотрены история открытия, биогенез и функционирование основных групп малых некодирующих РНК у человека: микроРНК и коротких интерферирующих РНК; отмечены их сходства и различия. Обозначенные молекулы РНК ингибируют экспрессию генов на уровне трансляции посредством РНК-интерференции. МикроРНК и короткие интерферирующие РНК, как было обнаружено, циркулируют во многих биологических жидкостях и могут служить биомаркерами различных заболеваний у человека благодаря своей консервативной последовательности, тканеспецифичности, устойчивости к факторам внешней среды. Рассмотрены применяемые методические подходы изучения искомых молекул. Эти подходы можно разделить на клонирование, биоинформатический анализ и методы гибридизации (нозерн-блот, RTPCR, гибридизация in situ, анализ на микрочипах, репортерный анализ). Возможное нацеленное на микроРНК и короткие интерферирующие РНК терапевтическое вмешательство предполагает доставку в целевую ткань микроРНК, анти-микроРНК, антагомиров, микроРНК-губок либо имитаторов микроРНК посредством вирусных молекул, липосом или наночастиц.
Об авторах
В. В. Тигунцев
Сибирский государственный медицинский университет, Томск;
НИИ психического здоровья, Томск
Россия
Россия
Тигунцев Владимир Владимирович – студент 6-го курса медико-биологического факультета СибГМУ, лаборант-исследователь лаборатории молекулярной генетики и биохимии НИИ психического здоровья
С. А. Иванова
НИИ психического здоровья, Томск
Россия
Иванова Светлана Александровна – доктор медицинских наук, профессор, заведующая лабораторией молекулярной генетики и биохимии
Россия
Иванова Светлана Александровна – доктор медицинских наук, профессор, заведующая лабораторией молекулярной генетики и биохимии
В. Ю. Серебров
Сибирский государственный медицинский университет, Томск;
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск
Россия
Серебров Владимир Юрьевич – доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики
Россия
Серебров Владимир Юрьевич – доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики
М. Б. Бухарева
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск
Россия
Бухарева Марина Борисовна – магистрант
Россия
Бухарева Марина Борисовна – магистрант
Список литературы
1. Boehm M.., Slack F. A Developmental Timing MicroRNA and Its Target Regulate Life Span in C. elegans // Science. 2005. V. 310, № 5756. P. 1954–1957.
2. Sood P., Krek A., Zavolan M. et al. Cell-type-specific signature of microRNAs on target mRNA expression // PNAS USA. 2006. V. 103, № 8. P. 2746–2751.
3. Li M., Li J., Ding X. et al. MicroRNA and cancer // AAPS J. 2010. V. 12, № 3. P. 309–317.
4. Ghildiyal M., Zamore P.D. Small silencing RNAs: an expanding universe // Nat. Rev. Genet. 2009. V. 10, № 2. P. 94–108.
5. Choudhuri S. Small Noncoding RNAs: Biogenesis, Function, and Emerging Significance in Toxicology // J. Biochem. Molecular Toxicology. 2010. V. 24, № 3. P. 195–216.
6. Napoli C, Lemieux C, Jorgensen R. Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into Petunia results in reversible co-suppression of homologous genes in trans // The Plant Cell. 1990. V.2, № 4. P. 279–289.
7. van der Krol A.R., Mur L.A., Beld M. et al. Flavonoid genes in petunia: addition of a limited number of gene copies may lead to a suppression of gene expression // The Plant Cell 1990. V. 2, № 4. P. 291–299.
8. Cogoni C., Macino G. Post-transcriptional gene silencing across kingdoms // Curr. Opin. Genet. Dev. 2000. V. 10, № 6. P. 638–643.
9. Lee R.C., Feinbaum R.L., Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14 // Cell. 1993. V. 75, № 5. P. 843–854.
10. Fire A., Xu S., Montgomery M.K. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans // Nature. 1998. V. 391, № 6669. P. 806–811.
11. Reinhart B.J., Slack F.J., Basson M. et al. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans // Nature. 2000. V. 403, № 6772. P. 901–906.
12. Pasquinelli A.E., Reinhart B.J., Slack F. et al. Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA // Nature. 2000. V. 408, № 6808. P. 86–89.
13. Lau N.C., Lim L.P.,Weinstein E.G., Bartel D.P. An abundant class of tiny RNAs with probable regulatory roles in Caenorhabditis elegans // Science. 2001.V. 294, № 5543. P. 858–862.
14. Lagos-Quintana M., Rauhut R., Lendeckel W., Tuschl T. Identification of novel genes coding for small expressed RNAs // Science. 2001. V. 294, № 5543. P. 853–858.
15. Lee R.C, Ambros V. An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans // Science. 2001. V. 294, № 5543. P. 862–864.
16. Hammond S.M., Bernstein E., Beach D., Hannon G.J. An RNA-directed nuclease mediates post-transcriptional gene silencing in Drosophila cells // Nature. 2000. V. 404, № 6775. P. 293–296.
17. Bernstein E., Caudy A.A., Hammond S.M., Hannon G.J. Role for a bidentate ribonuclease in the initiation step of RNA interference // Nature. 2001. V. 409, № 6818. P. 363–366.
18. Grishok A., Pasquinelli A.E., Conte D. et al. Genes and mechanisms related to RNA interference regulate expression of the small temporal RNAs that control C. elegans developmental timing. Cell. 2001. V. 106, № 1. P. 23–34.
19. Hutvґagner G., McLachlan J., Pasquinelli A.E. et al. A cellular function for the RNA interference enzyme Dicer in the maturation of the let-7 small temporal RNA // Science. 2001. V. 293, № 5589. P. 834–838.
20. Lee Y., Kim M., Han J. et al. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II // EMBO J. 2004. V. 23, № 20. P. 4051–4060.
21. Schwarz D., Zamore P. Why do miRNAs live in the miRNP? // Genes and Dev. 2002. V. 16. P. 1025–1031.
22. Khvorova A., Reynolds A., Jayasena S.D. Functional siRNAs and miRNAs exhibit strand bias // Cell. 2003. V. 115, № 2. P. 209–216.
23. Bartel D.P. MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function // Cell. 2004. V. 116, № 2. P. 281–297.
24. Kim V.N., Nam J.W. Genomics of microRNA // Trends Genet. 2006. V. 22, № 3. P. 165–173.
25. Zeng Y., Wagner E., Cullen B. Both natural and designed microRNAs can inhibit the expression of cognate mRNAs when expressed in human cells // Mol. Cell. 2002. V. 9, № 6. P. 1327–1333.
26. Mourelatos Z., Dostie J., Paushkin S. et al. miRNPs: A novel class of ribonucleoproteines containing numerous microRNAs // Genes and Dev. 2002. V. 16. P. 720– 728.
27. Hutvagner G., Zamore P.D. A miRNA in a multiple-turnover RNAi enzyme complex // Science. 2002. V. 297. P. 2056–2060.
28. Carmell M.A., Xuan Zh., Zhand M.Q., Hannon G.J. The argonaute family: tentacles that reach into RNAi, developmental control, stem cell maintenance, and tumorigenesis // Genes and Dev. 2002. V. 16, № 21. P. 2733–2742.
29. Бабушкина Н.П., Кучер А.Н. Генетическая основа функционирования малых регуляторных РНК у человека // Генетика человека и патология: сборник науч. трудов / под ред. В.П. Пузырева. Вып. 8. Томск: Изд-во «Печатная мануфактура», 2007. С. 219–228.
30. Doench J.G., Petersen Ch.P., Sharp Ph.A. siRNAs can function as miRNAs // Genes and Dev. 2003. V. 17, № 4. P. 438–442.
31. Lim L.P., Glasner M.E., Yekta S. et al. Vertebrate microRNA genes // Science. 2003. V. 299, № 5612. P. 1540.
32. Ruby J.G., Jan C.H., Bartel D.P. Intronic microRNA precursors that bypass Drosha processing // Nature. 2007. V. 448, № 7149. P. 83–86.
33. Berezikov E., Chung W.J., Willis J. et al. Mammalian mirtron genes // Mol. Cell. 2007. V. 28, № 2. P. 328–336.
34. Okamura K., Hagen J.W., Duan H. et al. The mirtron pathway generates microRNA-class regulatory RNAs in Drosophila // Cell. 2007. V. 130, № 1. P. 89–100.
35. Griffiths-Jones S., Grocock R.J., van Dongen S. et al. MiRBase: microRNA sequences, targets and gene nomenclature // Nucleic Acids Res. 2006. № 34. P. D140–D144.
36. Kennerdell J.R., Carthew R.W. Use of dsRNA-mediated genetic interference to demonstrate that frizzled and frizzled 2 act in the wingless pathway // Cell. 1998. V. 95, № 7. P. 1017–1026.
37. Tuschl T., Zamore P.D., Lehmann R. et al. Targeted mRNA degradation by double-stranded RNA in vitro // Genes Dev. 1999. V. 13, № 24. P. 3191–3197.
38. Zamore P.D., Tuschl T., Sharp P.A., Bartel D.P. RNAi: Double-stranded RNA directs the ATP-dependent cleavage of mRNA at 21 to 23 nucleotide intervals // Cell. 2000. V. 101, № 1. P. 25–33.
39. Tomari Y., Zamore P.D. Perspective: machines for RNAi // Genes Dev. 2005. V. 19, № 5. P. 517–529.
40. Liu Y., Ye X., Jiang F. et al. C3PO, an endoribonuclease that promotes RNAi by facilitating RISC activation // Science. 2009. V. 325, № 5941. P. 750–753.
41. Pena J.T.G., Lee C.S., Rouhanifard S.H. et al. miRNA in situ hybridization in formaldehyde and EDC-fixed tissues // Nature Methods. 2009. V. 6, № 2. P. 139– 141.
42. Aravin A., Tuschl T. Identification and characterization of small RNAs involved in RNA silencing // FEBS Lett. 2005. V. 579, № 26. P. 5830–5840.
43. Lim L.P., Lau N.C., Garrett-Engele A. et al. Microarray analysis shows that some microRNAs downregulate large numbers of target mRNAs // Nature. 2005. V. 433, № 7027. P. 769–773.
44. Poy M.N., Eliasson L., Krutzfeldt J. et al. A pancreatic islet-specific microRNA regulates insulin secretion // Nature. 2004. V. 432, № 7014. P. 226–230.
45. Esau C., Davis S., Murray S.F., et al. miR-122 regulation of lipid metabolism revealed by in vivo antisense targeting // Cell Metab. 2006. V. 3, № 2. P. 87–98.
46. Khalaj M., Tavakkoli M., Stranahan A.W., Park C.Y. Pathogenic microRNA’s in myeloid malignancies // Front Genet. 2014. V. 5, № 361. P.
47. Simone N.L., Soule B.P., Ly D. et al. Ionizing radiation-induced oxidative stress alters miRNA expression. PLoS One. 2009. 4 (7): e6377. DOI: 10.1371/journal. pone.0006377.
48. Wang K., Zhang S., Weber J. et al. Export of microRNAs and microRNA-protective protein by mammalian cells // Nucleic Acids Research. 2010. V. 38, № 20. P. 7248–7259.
49. Arroyo J.D., Chevillet J.R., Kroh E.M. et al. Argonaute2 complexes carry a population of circulating microRNAs independent of vesicles in human plasma // PNAS USA. 2011. V. 108, №12. P. 5003–5008.
50. Hunter M.P., Ismail N., Zhang X. Detection of microRNA expression in human peripheral blood microvesicles // PLoS ONE. 2008. 3 (11): e3694. DOI: 10.1371/journal. pone.0003694. PMCID: PMC2577891.
51. Gallo A., Tandon M., Alevizos I., Illei G.G. The majority of microRNAs detectable in serum and saliva is concentrated in exosomes // PLoS ONE. 2012. 7 (3): e30679. DOI: 10.1371/journal.pone.0030679.
52. Valadi H., Ekstrom K., Bossios A. et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells // Nature Cell Biology. 2007. V. 9, № 6. P. 654–659.
53. Wagner J., Riwanto M., Besler C. Characterization of levels and cellular transfer of circulating lipoprotein bound microRNAs // Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 2013. V. 33, № 6. P. 1392– 1400.
54. Тигунцев В.В., Иванова С.А., Серебров В.Ю., Бухарева М.Б. Циркулирующие микроРНК открывают новый подход к диагностике и прогнозированию психических заболеваний // Innovations and Science. 2015. V. 4, № 1. P. 127–129.
55. Chen X., Ba Y., Ma L. et al. Characterization of microRNAs in serum: a novel class of biomarkers for diagnosis of cancer and other diseases // Cell. 2008. № 18, № 10. P. 997–1006.
56. Mitchell P.S., Parkin R.K., Kroh E.M. et al. Circulating microRNAs as stable blood-based markers for cancer detection // PNAS USA. 2008. V. 105, № 30. P. 10513– 10518.
57. Тигунцев В.В., Иванова С.А., Серебров В.Ю., Бухарева М.Б. Достоинства и недостатки определения микроРНК как потенциальных диагностических биомаркеров // Innovations and Science. 2015. V. 4, № 1. P. 126–127.
58. Jiang J., Zheng X., Xu X. et al. Prognostic significance of miR-181b and miR-21 in gastric cancer patients treated with S-1/Oxaliplatin or Doxifluridine/Oxaliplatin // PLoS One. 2011. 6 (8): e23271. DOI: 10.1371/journal. pone.0023271.
59. Stegmeier F., Hu G., Rickles R.J. et al. A lentiviral microRNA-based system for single-copy polymerase II-regulated RNA interference in mammalian cells // PNAS USA. 2005. V. 102, № 37. P. 13212–13217.
60. Chung K.H., Hart C.C., Al-Bassam S. et al. Polycistronic RNA polymerase II expression vectors for RNA interference based on BIC/miR-155 // Nucleic Acids Res. 2006. V. 34 (7): e53.
61. Чехонин В.П., Цибулькина Е.А., Рябинина А.Е. и др. Иммунолипосомальные контейнеры как системы направленного транспорта малых интерферирующих РНК в шванновские клетки // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2008. Т. 146, № 10. С. 431–434.
62. Young L.S., Searle P.F., Onion D., Mautner V. Viral gene therapy strategies: from basic science to clinical application // J. Pathol. 2006. V. 208, № 2. P. 299– 318.
63. Борисенко А.С., Свитич О.А., Кривцов Г.Г. и др. Эффективность поликатионных наночастиц полиэтиленимин-полигидрозид-хитозана (ПЭИ-ПГ-ОХГ) в качестве вектора для коротких интерферирующих РНК, направленных на подавление репликации вируса простого герпеса 2 типа // Журн. микробиол. 2015. № 3. С. 31–37.
64. Kota J., Chivukula R.R., O’Donnell K.A. et al. Therapeutic microRNA delivery suppresses tumorigenesis in a murine liver cancer model // Cell. 2009. V. 137, № 6. P. 1005–1017.
65. Ширшова А.Н., Сметанина М.А., Аушев В.Н., Филипенко М.Л., Кушлинский Н.Е. МикроРНК – новые перспективные биомаркеры опухолей и мишени химиотерапии. Часть 3. Терапевтическое применение микроРНК. Методы количественного определения // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2015. № 4. С. 31–39.
66. Wang Z. miRNA mimic technology. miRNA interference technologies. Springer: Berlin, Heidelberg, 2009. P. 93– 100.
67. Doxakis E. Post-transcriptional regulation of alphasynuclein expression by mir-7 and mir-153 // J. Biol. Chem. 2010. V. 285, №17. P. 12726–12734.
68. Cho H.J., Liu G., Jin S.M. et al. MicroRNA-205 regulates the expression of Parkinson’s disease-related leucine-rich repeat kinase 2 protein // Hum. Mol. Genet. 2014. V. 22, № 3. P. 608–620.
69. Boutla A., Delidakis C., Tabler M. Developmental defects by antisense-mediated inactivation of micro-RNAs 2 and 13 in Drosophila and the identification of putative target genes // Nucleic Acids Res. 2003 V. 31, № 17. P. 4973–4980.
70. Hutvagner G., Simard M.J., Mello C.C., Zamore P.D. Sequence-specific inhibition of small RNA function // PLoS Biol. 2004. 2 (4): E98.
71. Vester B., Wengel J. LNA (locked nucleic acid): highaffinity targeting of complementary RNA and DNA // Biochemistry. 2004. V. 43, № 42. P. 13233–13241.
72. Si M.L., Zhu S., Wu H. et al. miR-21-mediated tumor growth // Oncogene. 2007. V. 26, № 19. P. 2799 –2803.
73. Weiler J., Hunziker J., Hall J. Anti-miRNA oligonucleotides (AMOs): ammunition to target miRNAs implicated in human disease? // Gene Ther. 2006. V. 13, № 6. P. 496 –502.
74. Krьtzfeld J., Rajewsky N., Braich R. et al. Silencing of microRNAs in vivo with ‘antagomirs’ // Nature. 2005. V. 438, № 7068. P. 685–689.
75. Lindow M., Kauppinen S. Discovering the first microRNA-targeted drug // J. Cell Biol. 2012. V. 199, № 3. P. 407–412.
76. Ebert M.S., Neilson J.R., Sharp P.A. MicroRNA sponges: competitive inhibitors of small RNAs in mammalian cells // Nat. Methods. 2007. V. 4, № 9. P. 721–726.
77. Xiao J., Yang B., Lin H. et al. Novel approaches for gene-specific interference via manipulating actions of microRNAs: examination of the pacemaker channel genes HCN2 and HCN4 // J. Cell Physiol. 2007. V. 212, № 2. P. 285–292.
78. Tan H., Poidevin M., Li H. et al. MicroRNA-277 modulates the neurodegeneration caused by Fragile X permutation rCGG repeats // PLoS Genet. 2012. 8 (5): e1002681. DOI: 10.1371/journal.pgen.1002681. PMCID: PMC3343002.
79. Fedorov Y., Anderson E.M., Birmingham A. et al. Off-target effects by siRNA can induce toxic phenotype // RNA. 2006. V. 12, № 7. P. 1188–1196.
80. Calin G.A., Cimmino A., Fabbri M. et al. MiR-15a and miR-16–1 cluster functions in human leukemia // PNAS USA. 2008. V. 105, № 13. P. 5166–5171.
81. Grimm D., Streetz K.L., Jopling C.L. et al. Fatality in mice due to oversaturation of cellular microRNA/short hairpin RNA pathways // Nature. 2006. V. 441, № 7092. P. 537–541.
82. Koval E.D., Shaner C., Zhang P. et al. Method for widespread microRNA-155 inhibition prolongs survival in ALS-model mice // Hum. Mol. Genet. 2013. V. 22, № 20. P. 4127–4135.
83. Miller T.M., Pestronk A., David W. et al. An antisense oligonucleotide against SOD1 delivered intrathecally for patients with SOD1 familial amyotrophic lateral sclerosis: a phase 1, randomized, first-in-man study // Lancet Neurol. 2013. V. 12, № 5. P. 435–442.
Рецензия
Для цитирования:
Тигунцев В.В., Иванова С.А., Серебров В.Ю., Бухарева М.Б. МАЛЫЕ НЕКОДИРУЮЩИЕ РНК КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЕ БИОМАРКЕРЫ: БИОГЕНЕЗ И ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ СТРАТЕГИИ. Бюллетень сибирской медицины. 2016;15(2):112-126. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2016-2-112-126
For citation:
Tiguntsev V.V., Ivanova S.A., Serebrov V.Yu., Buhareva M.B. SMALL NONCODING RNA AS PERSPECTIVE BIOMARKERS: BIOGENESIS AND THERAPEUTIC STRATIGIES. Bulletin of Siberian Medicine. 2016;15(2):112-126. (In Russ.) https://doi.org/10.20538/1682-0363-2016-2-112-126
Просмотров:
1475
Послать статью по эл. почте 