MiRNA (microRNA) Structuur, functies, toepassing (2023)

Micro-RNA's (miRNA's) zijn een familie van niet-coderende RNA's (ncRNA's) die genexpressie post-transcriptioneel reguleren. Sinds hun ontdekking in 1993 zijn ze het onderwerp geweest van uitgebreid onderzoek vanwege hun rol in tal van cruciale biologische processen. In tegenstelling tot andere niet-coderende RNA's,microRNA'sworden gemaakt van transcriptie-eenheden die worden verwerkt door een bepaalde groep endonucleasen.

Wat is miRNA (microRNA)?

• De miRNA of microRNA zijn klein (22 tot 25nucleotiden) natuurlijk voorkomende moleculen die betrokken zijn bij gencontrole.
• Dit zijn de geconserveerde sequenties die gedurende de evolutie in alle eukaryoten aanwezig zijn geweest, maar bepaalde miRNA's worden ook in virussen aangetroffen.
• Tijdens genetische screening, Lee et al. vond in 1993 het eerste microRNA in wormen.
• Lee en collega's. ontdekte miRNA tijdens het onderzoeken van de postembryonale ontwikkeling van het modelorganisme C. elegans.
• Destijds dacht men dat het miRNA exclusief was voor nematoden.
• Lee en collega's toonden aan dat het lin-4-gen kon worden omgezet in mRNA, maar niet kon worden vertaald in eiwit; in plaats daarvan transcribeert het een kort RNA-molecuul met een lengte tussen 22 en 60 nucleotiden dat het lin-14-gen reguleert via het antisense RNA-mechanisme.
• De hele miRNA-database is online beschikbaar in de miRBase-database.
• Er zijn maar weinig miRNA's aanwezig in de intronische of exonische regio's. Het grootste deel van miRNA's bevindt zich in de intergene regio's en is gedurende de evolutie bewaard gebleven.
• Sommige miRNA's worden uitgedrukt als polycistronische hoofdtranscripten en zijn gepositioneerd in een cluster dat fysiek aan elkaar grenst.
• Hoewel sommige miRNA's hun eigen promoters hebben en onafhankelijk worden getranscribeerd, het mono-cistronische hoofdtranscript genoemd, hebben andere dat niet.
• Eukaryote genomen omvatten vier verschillende soorten microRNA op basis van hun locatie en functie:
  1. Intronic miRNA in coderende transcriptie-eenheden
  2. Exonic miRNA in coderende transcriptie-eenheden
  3. Intronic miRNA in niet-coderende transcriptie-eenheden
  4. Exonic miRNA in niet-coderende transcriptie-eenheden

Eigenschappen van miRNA

• Volwassen microRNA's (miRNA's) zijn een familie van natuurlijk voorkomende, 21-25 nucleotiden lange niet-coderende RNA-moleculen.
• MicroRNA's zijn gedeeltelijk complementair aan een of meer boodschapper-RNA-moleculen (mRNA), en hun primaire doel is het remmen van genexpressie via translationele repressie, mRNA-splitsing en deadenylatie.
• Lee en collega's1 karakteriseerden ze oorspronkelijk in 1993 en de term microRNA werd bedacht in 20012.
• Duizenden microRNA's zijn gevonden in talloze organismen met behulp van willekeurig klonen, sequencing en computationele voorspelling.
• Het Sanger Institute host de miRBase, die informatie bevat over miRNA-nomenclatuur, sequentiegegevens, annotatie en doelvoorspelling.
• Mutaties kunnen microRNA-genen in kankercellen beschadigen.
• Een mutatie in een microRNA-gen kan een cel verstoken maken van of ernstig uitgeput raken in een bepaald microRNA.
• Abnormaal lage niveaus van een microRNA kunnen resulteren in overexpressie van genen die het reguleert, wat de ontwikkeling en progressie van kanker kan bevorderen. Een specifiek microRNA kan honderden of duizenden genen beïnvloeden door zich aan hun mRNA te binden.
• De abnormale expressie van microRNA is in verband gebracht met een verscheidenheid aan menselijke maligniteiten.
• Het eerste gentranscript wordt primair miRNA (pri-miRNA) genoemd. In de kern van de cel worden deze haarspeld-lusmoleculen geknipt om dubbelstrengs voorloper-miRNA (pre-miRNA) te genereren
• De overdracht van pre-miRNA naar het cytoplasma. Daar wordt het verder gekliefd om een ​​volwassen, functionerend miRNA te produceren (volwassen miRNA-moleculen zijn ongeveer 22 nucleotiden lang)
• Het volwassen miRNA bindt aanvankelijk met het RNA-interferentie-uitschakelingscomplex of RISC.
• Het miRNA hecht zich vervolgens aan zijn doelboodschapper-RNA (mRNA), waardoor de translatie wordt geremd of de vernietiging ervan wordt veroorzaakt.

Functie van miRNA

• miRNA's zijn voornamelijk betrokken bij gencontrole. miRNA's kunnen complementair zijn aan verschillende mRNA's. Bij dieren zijn miRNA's compatibel met de 3'-onvertaalde regio's, maar bij planten zijn ze complementair aan de coderende regio's.
• In planten veroorzaakt bijna perfecte basenparing de splitsing van mRNA. Het is gedeeltelijk complementair aan mRNA bij dieren en onderdrukt beide mRNAtranslatie en synthese van genproducten. Het kan ook mRNA-dedenylatie stimuleren, wat resulteert in mRNA-destabilisatie.
• Methylering bestelwagenDNAin het promotorgebied kan ook de expressie van genen door miRNA beïnvloeden. Het kan ook leiden tot veranderingen in histonen.
• miRNA's worden in de loop van de evolutie bewaard en fungeren als uitstekende fylogenetische markers. Een miRNA kan zich richten op vele genen in een organisme. Omdat ze sterk geconserveerd zijn, zijn miRNA's essentieel voor de juiste werking van een cel en gencontrole.
• Er is ook ontdekt dat microRNA de bloedstollingscascade en hemostase beïnvloedt. Naast het reguleren van obesitas, diabetes en insulineresistentie, reguleren microRNA's ook obesitas, diabetes en insulineresistentie. Er is ontdekt dat een specifieke klasse microRNA zich ophoopt met de leeftijd en insulineresistentie produceert, wat leidt tot obesitas en diabetes.
• Ze reguleren genen die betrokken zijn bij de celcyclus, celsignalering, apoptose, ontwikkeling van het zenuwstelsel, enz., en zijn verantwoordelijk voor de veranderde genexpressie bij verslaving.
• Er is ontdekt dat verschillende ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer, schizofrenie, depressie en angststoornissen, de miRNA-expressie hebben veranderd. Het reguleert het cholesterolmetabolisme en is betrokken bij cardiomyopathieën tijdens hart- en vaatziekten en beroertes.
• Meerdere genetische aandoeningen, zoals cataract, progressief gehoorverlies, skelet- en groeiafwijkingen, enz., Houden verband met miRNA-ontregeling. De deregulering van miRNA is in verband gebracht met chronische lymfatische leukemie, een soort maligniteit. Bovendien is het verbonden met colorectale kanker. Hepatocellulaire carcinoomcelproliferatie is gecorreleerd met de interactie van microRNA met het gen dat tumorgroei onderdrukt.
• Van miRNA's is ook bekend dat ze tumorgroei remmen. miRNA's kunnen worden gebruikt als doelen of instrumenten voor de behandeling van verschillende maligniteiten. Verschillende microRNA's controleren genen die betrokken zijn bijDNA-reparatie. Tekortkomingen in het DNA-reparatiesysteem resulteren in de accumulatie van mutaties en de ontwikkeling van kanker. De afwijkende expressie van bij DNA-reparatie betrokken microRNA-genen is in verband gebracht met de ontwikkeling van verschillende vormen van kanker.
• MicroRNA's vervullen een cruciale functie bij de regulatie van virale en gastheergenen ten voordele van het virus. Het is essentieel voor de pathofysiologie van de virale ziekte.

Ziekte houdt verband met miRNA

MiRNA is betrokken bij de goede werking vaneukaryotische cellen, en de ontregeling ervan is in verband gebracht met ziekte. miR2Disease is een handmatig onderhouden, openbaar toegankelijke database die de bekende associaties tussen miRNA-ontregeling en ziekten bij de mens documenteert.

Erfelijke ziekten

• Een mutatie in het zaadgebied van miR-96 veroorzaakt geleidelijk erfelijk gehoorverlies.
• Erfelijke keratoconus met anterieure polaire cataract wordt veroorzaakt door een mutatie in het zaadgebied van miR-184.
• De afwezigheid van het miR-1792-cluster resulteert in skelet- en groeiafwijkingen.

Kanker

• Chronische lymfatische leukemie was de eerste ziekte die in verband werd gebracht met miRNA-ontregeling bij mensen.
• Veel meer miRNA's hebben banden met kanker en worden daarom vaak "oncomirs" genoemd.
• In kwaadaardige B-cellen zijn microRNA's betrokken bij belangrijke B-celgroeiroutes zoals B-celreceptor (BCR)-signalering, B-celmigratie/adhesie, cel-cel-interacties in immunologische niches en de synthese en klassewisseling van immunoglobulinen.
• MiRNA's beïnvloeden de ontwikkeling van B-cellen, evenals de productie van pre-, marginale zone-, folliculaire, B1-, plasma- en geheugen-B-cellen.
• Het expressieniveau van miRNA's in tumoren wordt ook gebruikt voor de prognose. Lage miR-324a-waarden in NSCLC-weefsels kunnen wijzen op een slechte overleving. Ofwel hoge miR-185- of lage miR-133b-waarden kunnen in verband worden gebracht met metastasen van colorectale kanker en een slechte overleving.

DNA-reparatie en kanker

• Talrijke miRNA's kunnen zich direct richten op genen die betrokken zijn bij de celcyclus en deze remmen om de celgroei te reguleren.
• Door de defecte miRNA-route bij kankers te repareren, is een nieuwe techniek voor de behandeling van maligniteiten het verminderen van de proliferatie van tumorcellen.
• Kanker ontstaat door de opeenhoping van mutaties als gevolg van DNA-schade of onherstelde replicatiefouten.
• Defecten in DNA-reparatie leiden tot de accumulatie van mutaties, wat kan leiden tot de ontwikkeling van kanker.
• Verschillende aan DNA-reparatie gerelateerde genen worden aangestuurd door microRNA's.

Hartziekte

• De algehele rol van de miRNA-functie in het hart is onderzocht door onder specifieke omstandigheden de miRNA-rijping in het muizenhart te blokkeren. Dit toonde aan dat miRNA's fundamenteel zijn voor de groei ervan.
• Studies van miRNA-expressieprofilering geven aan dat de expressieniveaus van bepaalde miRNA's zijn veranderd in zieke menselijke harten, wat hun rol in cardiomyopathieën suggereert.

hemostase

• Bovendien spelen microRNA's een sleutelrol bij de controle van gecompliceerde enzymcascades, zoals het bloedstollingssysteem.
• Recente grootschalige onderzoeken naar functionele microRNA-targeting hebben redelijke therapeutische doelen in het hemostatische systeem aan het licht gebracht.

zwaarlijvigheid

• miRNA's spelen cruciale functies bij het reguleren van de differentiatie van stamcelvoorlopers in adipocyten.
• Op het onsterfelijk gemaakte menselijke beenmergstromale cellenlijn hMSC-Tert20 werden onderzoeken uitgevoerd om de betrokkenheid van pluripotente stamcellen bij adipogenese vast te stellen.
• Tijdens de adipogene programmering van zowel onsterfelijk gemaakte als primaire hMSC's suggereert verminderde expressie van miR-155, miR-221 en miR222 dat ze functioneren als negatieve regulatoren van differentiatie.
• Daarentegen verminderde overexpressie van miRNA's 155, 221 en 222 de adipogenese drastisch en beperkte het de activering van de hoofdregulatoren PPAR en CCAAT/enhancer-binding protein alpha (CEBPA). Dit maakt de weg vrij voor mogelijke obesitasbehandelingen op basis van genetica.

Andere ziekte

• miRNA's verantwoordelijk voor verschillende ziekten van het zenuwstelsel.
• Ook verantwoordelijk voor nierziekte is miRNA.

miRNA-biogenese

• De voor miRNA coderende genen zijn aanzienlijk langer dan het volwassen miRNA-molecuul.
• Het is bekend dat talloze miRNA's voorkomen in de introns van hun pre-mRNA-gastheergenen en dat ze regulerende elementen, primaire transcripties en expressieprofielen delen.
• Er zijn maar weinig primaire transcripten volledig gevonden voor de resterende miRNA-genen die zijn getranscribeerd vanuit hun eigen promoters.
• MicroRNA's worden getranscribeerd doorRNA-polymeraseII als pri-miRNA's, dit zijn gigantische RNA-voorlopers met een 5'-dop en poly-A-staart.
• Het microprocessorcomplex, bestaande uit het RNase III-enzym Drosha en het dubbelstrengige RNA-bindende eiwit Pasha/DGCR85, verwerkt pri-miRNA's in de kern.
• De resulterende pre-miRNA's zijn ongeveer 70 nucleotiden lang en hebben defecte stamlusstructuren.
• Het karyopherine-exportine 5 (Exp5) en het Ran-GTP-complex exporteren vervolgens de pre-miRNA's naar het cytoplasma.
• Ran (ras-gerelateerd nucleair eiwit) is een klein GTP-bindend eiwit dat belangrijk is voor de translocatie van RNA en eiwitten via het nucleaire poriecomplex en lid is van de RAS-superfamilie.
• Ran GTPase bindt Exp5 en vormt een heterotrimeer met pre-miRNA's in de kern.
• Eenmaal in het cytoplasma worden de pre-miRNA's verder verwerkt door het RNAse III-enzym Dicer om het miRNA te produceren, een dubbelstrengs RNA van ongeveer 22 nucleotiden.
• Dicer activeert ook de aanmaak van het RNA-geïnduceerde silencing-complex (RISC). RISC is verantwoordelijk voor de waargenomen genuitschakeling als gevolg van miRNA-productie en RNA-interferentie.

Functie van Dicer

• Dicers zijn grote eiwitten van 200 kDa die een ATPase / RNA-helicase bevatten, een DUF283-domein (domein met onbekende functie), een PAZ-domein (Piwi, Argonaut en Zwille) dat de karakteristieke twee-base 3'-overhangen van miRNA en siRNA kan binden, twee katalytische RNase III-domeinen (RIIIa en RIIIb) en een C-terminaal dubbelstrengs RNA- (dsRBD).
• Dicer werkt als een monomeer en bevat een enkele verwerkingskern, waarbij de twee RNase III-domeinen intramoleculair dimeriseren.
• Elk RNase-domein breekt één RNA-streng van de duplex onafhankelijk om producten op te leveren met 2-nt 3'-uitsteeksels.
• Dicer-enzymen zetten ook dsRNA om in siRNA's naast het verwijderen van miRNA's uit pre-miRNA's.
• De miRNA-route lijkt op de centrale fasen van RNA-interferentie (RNAi) bij dieren na Dicer-breuk.
• In tegenstelling tot siRNA's, kunnen microRNA's RISC ertoe aanzetten om genexpressie omlaag te reguleren via translationele repressie (vanwege mindere complementariteit tussen miRNA en mRNA) of mRNA-splitsing bemiddelen zoals siRNA's dat doen.
• De selectie van posttranscriptionele processen is niet afhankelijk van het soort silencing-RNA (siRNA of miRNA), maar eerder van de mate van complementariteit.
• Als het miRNA precies of bijna perfect complementair is aan zijn doelwit, kan het het doelwit-mRNA precies splitsen.
• Doorgaans zijn endogeen geproduceerde microRNA's onvolmaakt complementair aan hun doelwitgen (genen) en beïnvloeden ze genexpressie door translatie te remmen.

RISC-complex

• Twee complementaire korte RNA-moleculen worden geproduceerd wanneer Dicer de pre-miRNA-stamlus splitst, maar er wordt er slechts één geïntegreerd in het RISC-complex.
• RISC is een ribonucleoproteïnecomplex dat leden van de Argonaute (Ago) eiwitfamilie bevat.
• De endonuclease-activiteit van Argonaute-eiwitten is gericht tegen mRNA-strengen die complementair zijn aan hun bijbehorende miRNA-fragment.
• Bovendien is Argonaut gedeeltelijk verantwoordelijk voor de selectie van de gidsstreng en de eliminatie van de passagiersstreng.
• De geleidestreng wordt gekozen door het argonaute-eiwit op basis van de stabiliteit van het 5'-uiteinde van de geïntegreerde streng.
• Als een RISC-complex substraat wordt de resterende streng, de passagiersstreng (*) genoemd, vernietigd.
• Selectie van de geleidestreng uit het dubbelstrengige RNA blijkt grotendeels afhankelijk te zijn van de stabiliteit van de twee uiteinden van het dsRNA.
• De streng met de minder stabiele basenparing van de 2–4 nucleotiden aan het 5'-uiteinde van de duplex maakt bij voorkeur verbinding met RISC en wordt zo het actieve miRNA.
• miRNA's oefenen hun regulerende effecten uit door zich te binden aan onvolmaakte complementaire sites binnen de 3'-onvertaalde regio's (UTR's) van hun mRNA-doelen, na integratie in een actief RISC-complex.
• De creatie van dubbelstrengs RNA, dat het resultaat is van de binding van het microRNA, remt de translatie.

Toepassingen van microRNA

• Assays en onderzoeken van functiewinst en -verlies.
• Specifieke miRNA-identificatie en doel-gen-verbindingsonderzoeken.
• Evaluatie van genexpressie en gene silencing.
• Studies over kanker envirale infecties.
• Andere therapeutische methoden zoals kankerdiagnose, prognose en ontwikkelingsmonitoring.
• Bovendien wordt het gebruikt bij het onderzoek naar celmetabolisme, celproliferatie en dood.

Referenties

• Kozlowski, Piotr & Starega-Roslan, Julia & Legacz, Marta & Magnus, Marcin & Krzyzosiak, Wlodzimierz. (2008). Structuren van MicroRNA-voorlopers. 10.1007/978-1-4020-8533-8_1.
• Pogue AI, Clement C, Hill JM, Lukiw WJ. Evolutie van microRNA (miRNA) Structuur en functie in planten en dieren: relevantie voor veroudering en ziekte. J Veroudering Sci. 2014 juni;2(2):119. doi: 10.4172/2329-8847.1000119. PMID: 26146648; PMCID: PMC4489142.
• Macfarlane LA, Murphy PR. MicroRNA: biogenese, functie en rol bij kanker. Curr Genomics. 2010 nov;11(7):537-61. doi: 10.2174/138920210793175895. PMID: 21532838; PMCID: PMC3048316.
• https://www.jbc.org/article/S0021-9258(20)72693-1/fulltext
• https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/technical-documents/technical-article/genomics/gene-expression-and-silencing/mirna-introduction
• https://link.springer.com/protocol/10.1007/978-1-60761-811-9_17
• https://cancer.osu.edu/microrna
• https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2018.00402/full#:~:text=miRNAs%20are%20small%20non%2Dcoding,to%20suppress%20expression%20(14).
• https://tools4mirs.org/software/precursor_prediction/
• https://geneticeducation.co.in/microrna-mirna-and-gene-regulation/