МікроРНК — нова сторінка біологічного прогресу

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 577.213/.216:57.001.71

МікроРНК -- нова сторінка біологічного прогресу

В.П. Пішак,

д-р мед. наук, проф.,

М. О. Ризничук ,

канд. мед. наук, доц.

Буковинський державний медичний університет, Чернівці, Україна

В огляді проаналізовано етапи відкриття мікроРНК. Порушені питання синтезу міРНК і значення цього класу РНК. Сьогодні створено атлас мікроРНК людини та мишей ученими 20 країн світу. Також функціонує сайт мікроРНК (miRBase), на якому представлена та систематизована інформація про всі відкриті мікроРНК, їх геномну локалізацію, послідовність та експресію. Поточна версія бази містить відомості про 28 645 мікроРНК (з них 2588 людини) і доступна на сайті http://mirbase.org.

Ключові слова: мікроРНК, історія виникнення, людина, атлас мікроРНК. рнк геном біологічний

The review analyzes the stages of microRNA discovery. The issues of siRNA synthesis and the signifi¬cance of this class of RNA are touched upon. Now an atlas of human and mouse microRNAs has been created by scientists from 20 countries around the world. The microRNA site (miRBase) also functions and provides information on all open miRNAs, their genomic localization, sequence and expression. The current version of the database contains information on 28 645 microRNAs (of which 2588 human beings) and is available at http://mirbase.org.

Key words: microRNA, history of occurrence, human, atlas of microRNA.

Кінець ХХ -- початок ХХІ ст. ознаменований революційним відкриттям у молекулярній біо-логії та генетиці -- мікроРНК (міРНК). У 1997 р. у Німеччині на конференції з досліджень РНК вперше оприлюднено доповідь щодо РНК-інтер- ференції -- раніше невідомого явища регуляції функціонування генів спеціальними малими РНК. Це повідомлення викликало справжній фурор -- невеличкі за розміром молекули РНК здатні впливати на активність генів? Нечуване явище. Взагалі, інтерференція давно відома у фізиці: накладання світлових або акустичних хвиль, що призводить до підсилення або послаблення результуючої хвилі. У генетиці це явище відоме як перешкода до виникнення нового кросинговеру між двома гомологічними хромосомами в ділянках, розташованих по сусідству. Але щоб молекула РНК гальмувала експресію матричної РНК -- це була справжня сенсація.

Через рік, у 1998 р. (уже проминуло 20 ро-ків!) з'являються роботи J. R. Kennerdell, R. W. Carthew [1] у часописі “Cell” і одночасно в най- престижнішому журналі “Nature” друкується повідомлення Fire et al. [2] із розшифрування участі мікроРНК в явищах генетичної інтерфе-ренції.

Понад 70 років тому А. Н. Білозерський і А. С. Спірін незалежно довели існування мРНК (іРНК), яка переносить генетичну інформацію від ДНК до рибосом, де відбувається біосинтез білка за участі тРНК (транспортерів амінокислоти). Основна маса РНК у клітині припадає не на мРНК, а на рибосомну РНК (рРНК). До початку ХХІ ст. вважали, що функція РНК полягає у генній експресії та біосинтезі білка. Була навіть сформульована «центральна догма молекулярної біології», згідно з якою у живій клітині потік інформації відбувається від ДНК до РНК, а далі до білка. Однак пізніше були виявлені «зворотна транскриптаза» і явище зворотної транскрипції -- синтез ДНК на матриці РНК. Цей процес властивий для РНК-вмісних вірусів.

Поступово накопичувалися факти, що в рибо-сомі РНК виконує не тільки структурну роль, а входить до складу каталітичного центру, а мікроРНК не продукт деградації, розпаду, як це вважали раніше. Тому ключові фукнції в процесі синтезу білка належать інтеруючим мікроРНК -- багатофункціональним, універсальним молеку-лам.

Мета нашої роботи -- провести огляд літера-тури щодо історії відкриття мікроРНК та їх ролі в біологічних процесах.

Основна частина

Початок третього тисячоліття ознаменований формуванням нового напряму досліджень у мо-лекулярній генетиці -- місця і ролі РНК. На-прикінці 2001 р. три групи дослідників [3-5] незалежно запровадили термін мікроРНК (miRNAs). У 2001 р. мікроРНК була визнана «молекулою року» за версією журналу “Science”. За 12 років кількість публікацій на цю тему перевищила мільйон.

МікроРНК -- клас малих некодуючих РНК завдовжки 20-24 нуклеотиди, які регулюють екс-пресію генів, що кодують синтез білка, на пост- транскрипційному рівні.

У сімействі малих некодуючих РНК виділя-ють кілька груп, до основних з яких належать мікроРНК (тіРНК) і короткі інтерферуючі РНК ^іРНК). Обидва види схожі за своєю структурою і є інгібіторами експресії генів, основні відмінності між ними полягають у механізмі утворення і ступені гомологічності до таргетних мРНК [6].

Як синтезуються міРНК? Як і в інших різно-видів РНК, це здійснюється на молекулі ДНК, на якій загальновідомі пари регуляторних послідов-ностей нуклеотидів формують геном того чи ін-шого організму і кодують білки, а також розмі-щені гени рибосомних і транспортних РНК. Це ті ділянки ДНК, які входять до складу екзонів і на частку яких припадає не більше 1,5 % геномної ДНК. Інша більша частина цієї макромолекули -- інтрони, міжгенні регіони, гетерохроматинові райони хромосом тощо. Доведено, що більшість генів міРНК розташовані саме в цих міжгенних регіонах хромосом у складі інтронів. Проте вони трапляються і в екзонних та довгих некодуючих генах ДНК [7].

У людини майже 40 % міРНК розташовані в інтронних ділянках [8], близько 10 % -- в екзон- них ділянках некодуючих транскриптів і близько 40 % локалізовані в інтронах білок-кодуючих генів, решта генів міРНК містяться в інших ре-гіонах [9].

Дозрівання міРНК відбувається, як і мРНК, попередники зазнають багатоступеневого проце-су: кепування, потім аденілування і сплайсингу [10].

На першому етапі гени міРНК транскрибу-ються як первинні попередники пре-міРНК, далі відбувається процесинг, під час якого утворюються пре-міРНК завдовжки близько 100 пар нуклеотидів. З цих попередників і утво-рюється зріла форма міРНК завдовжки в 22 нуклеотиди. Зріла міРНК зв'язується з компле-ментарною ділянкою 3'иТР-районів генів- мішеней, при цьому відбувається або розщеп-лення мРНК гена-мішені, або пригнічення трансляції, що рівноцінно функції негативного регулятора генів на посттранскрипційному рівні [11].

Гени міРНК займають мізерну частину гено-му, у 1000 раз меншу (0,004 %), ніж екзони, що кодують білок генів (2 %), найбільша кількість генів міРНК розташована в трьох хромосомах, що становить 10 % геному: у хромосомі 1 -- 158, у хромосомі 19 -- 141 і у хромосомі Х -- 118 міРНК. Найменшу кількість міРНК містять хромосома 21 (29) і Y-хромосома (2).

Відкриття міРНК привело до перегляду уста-леної догми гормональної регуляції. Раніше вва-жали, що міжклітинні інформаційні зв'язки за-безпечують гормони. Як з'ясовано, між клітина-ми відбувається обмін крихітними везикулами, у яких міститься генетична інформація у вигляді міРНК. Це дозволяє вважати їх одним із най-більш важливих генних регуляторів. Отже, клітини і тканини отримують сигнали не тільки на гуморальному, а й на більш тонкому рівні, і цей зв'язок двобічний [12].

Для того щоб організувати і систематизувати інформацію про відкриття мікроРНК, дослідники Сенгерівського інституту (Велика Британія) створили спеціалізовану базу даних, названу miRBase [13]. Наразі база є головним централі-зованим сховищем інформації, куди в обов'язковому порядку заносяться всі нові відкриті мікроРНК, їх геномна локалізація, послідовність та експресія [14]. Назви мікроРНК присвоюються за номенклатурою, додатково додають скорочену назву організму (наприклад, для людини -- hsa- miR-25, hsa-let-7; для миші mmu-miR-25; для нематоди -- cel-lin-4 тощо). Поточна версія бази (випуск № 38) містить відомості про 28 645 мікроРНК (з них 2588 людини) і доступна на сайті http:// mirbase.org.

У межах п'ятого видання проекту «Функціо-нальна анотація геному ссавців» (FANTOM5) створено інтегрований атлас експресії miRNAs та їх промоторів за допомогою глибоких секве- нуючих 492 коротких РНК-бібліотек (sRNA) з відповідними виразами гена Cap Analysis Gene (CAGE) даних із зразків РНК людських (396) та мишей (47). У проекті FANTOM5 представлено близько 20 000 функціональних lncRNAs у людини [15].

Як відомо, МіРНК здійснюють широкий спектр біологічних функцій: регуляцію різних етапів ембріогенезу, диференціювання тканин, онкогенезу, контроль циркадіанної системи, що висвітлено у відповідних оглядах [16-20].

Наразі МіРНК задіяні в метаболічних шляхах, сигнальній трансдукції, проліферації, апоптозі. Вони беруть участь у низці клітинних реакцій: імунна відповідь, секреція інсуліну, синтез нейро- медіаторів, реплікації вірусів, у посттранскрип- ційних механізмах регуляції генів та ін.

Привертає увагу гіпотеза щодо участі родини молекул РНК у процесі зародження життя на Землі шляхом забезпечення інформаційної, ка-талітичної та структурної функцій. Проте П. Д. Брежестовский (2015) вважав участь РНК у са-мозародженні життя явищем надмалоймовір- ним [21].

Висновок

З кожним роком дослідники відкривають не-звідане у світі міРНК. Те, що приховувалося за вузькоспеціалізованими молекулами, білками і ДНК, поступово розкривається і втілюється в біомедичних технологіях для визначення патологічних станів у людини. Накопичується все більше інформації щодо доказів важливої ролі міРНК у генезі багатьох захворювань.

Ключові слова: мікроРНК, історія виникнен-ня, людина, атлас мікроРНК.

Література

1. 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. Vol. 95, № 7. P. 1017-1026.

2. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegancs / A. Fire et al. Nature. 1998. Vol. 391, № 6669. P. 901-906. doi: 10.1038/35888.

3. Lagos-Quintana M., Rauhut R., Lendeckel W., Tuschl T. Identification of novel genes coding for small expressed RNAs. Science. 2001. Vol. 294, № 5543. P. 853-858. doi: 10.1126/sci- ence.1064921.

4. 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. Vol. 294, № 5543. P. 858-862. doi: 10.1126/science.1065062.

5. Lee R. C., Ambros V. An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans. Science. 2001. Vol. 294, № 5543. P. 862-864. doi: 10.1126/science.1065329.

6. Duplexes of 21-nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells / S. M. Elbashir et al. Nature. 2001. Vol. 411, № 6836. P. 494-498. doi: 1038/35078107.

7. Колесников Н. Н., Елисаренко Е. А. Сравнительная организация и происхождение некодирующих регуляторных РНК генов центра инактивации Х-хромосомы человека и мыши. Генетика. 2010. Т. 46, № 12. С. 13891391.

8. Stark A., Brennecke J., Russel R. B., Cohen S. M. Iden-tification of Drosophilia microRNA target. PLoS Biol. 2003. Vol. 1, № 3. Р. E60. doi: 10.1371/journal.pbio.0000060.

9. A MicroRNA feedback circuit in midbrain dopamine neurons / J. Kim et al. Science. 2007. Vol. 317, № 5842. P. 1220-1224. doi: 10.1126/science.1140481.

10. Макарова Ю. А., Крамеров Д. А. Некодирующие РНК. Биохимия. 2007. Т. 72, № 11. С. 1427-1448.

11. Bartel D. P. MicroRNA Target Recognition and Regulatory Functions. Cell. 2009. Vol. 136, № 2. P. 215-233. doi: 10.1016/j .cell.2009.01.002.

12. Rajewsky N. MicroRNA target prediction in animals. Nat Genet. 2006. Vol. 38, Suppl. P. 8-13. doi: 10.1038/ng1798.

13. miRBase: microRNA sequences, targets and gene nomenclature / S. Griffiths-Jones et al. Nucl. Acids Res. 2006. Vol. 34 (Database issue). P. 140-144. doi: 10.1093/nar/gkj112.

14. Kozomara A., Griffiths-Jones S. miRBase: integrating microRNA annotation and deep-sequencing data. Nucl. Acids Res. 2011. Vol. 39. P. 152-157.

15. An integrated expression atlas of miRNAs and their promoters in human and mouse / D. De Rie et al. Nat Bio- technol. 2017. Vol. 35, № 9. P. 872-878. doi: 10.1038/nbt.3947.

16. Губин Д. Г. Роль микроРНК в регуляции циркади-анных ритмов у млекопитающих. Успехи современного ес-тествознания. 2012. № 1. C. 32-77.

17. Кучер А. Н., Бабушкина Н. П. Роль микро-РНК, генов их биогенеза и функционирования в развитии патологических состояний у человека. Медицинская генетика. 2011. № 1. C. 3-13.

18. Пішак В. П., Ризничук М. О. Участь Мікро РНК у ранньому розвитку тварин і людини. Неонатологія, хірургія та перинатальна медицина. 2017. T. VH, № 25. C. 82-87. dоі: https://doi.org/10.24061/2413-4260.VIL3.25.2017.13.

19. Рязанский С. С., Гвоздев В. А. Короткие РНК и кан-церогенез. Биохимия. 2008. T. 73, № 5. C. 640-655.

20. Чехун В. Ф., Бородай Н. В., Юрченко О. В. МикроРНК и опухолевый процесс. Онкология. 2012. T. 14, № 3. C. 172-176.

21. Брежестовский П. Д. «Мир РНК» -- сверхмаловеро-ятный сценарий происхождения и начальной эволюции жизни на земле. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2015. T. 51, № 1. C. 64-74.

Размещено на Allbest.ru