MikroRNA

MikroRNA (µRNA, miRNA, microribonucleic acid, mikroribonukleová kyselina) sú malé jednovláknové nekódujúce molekuly RNA, ktoré pozostávajú zo sekvencie 21 až 25 nukleotidov^[2][3] v závislosti od Dicer endonukleázy, ktorej pôsobením vznikajú. miRNA regulujú expresiu eukaryotických génov posttranskripčne, i.e. až po syntéze mRNA (messengerovej/mediátorovej RNA).

Nezamieňať s heslom Mediátorová ribonukleová kyselina.

Príklad vláseniek miRNA z C. elegans a človeka. V neupravenom transkripte génu (pri-miRNA) je miRNA zobrazená červenou farbou.

Laureáti Nobelovej ceny za fyziológiu alebo medicínu za rok 2024 za objav mikroRNA a vysvetlenie ich úlohy pri posttranskripčnej regulácii génov: Gary Bruce Ruvkur (vľavo) a Victor Ambros (vpravo).

Diagram posttranskripčnej regulácie génu: tvorba a význam mikroRNA:1. Proteín jadrovej membrány exportín-5 premiestni vlásenku dsRNA z nukleoplazmy do cytoplazmy.2. Endonukleoáza nazývaná dicer odštiepi slučku, čím vznikne dsRNA duplex. Jedno vlákno duplexu RNA (guide RNA, sprievodná RNA) sa pripojí ku skupine proteínov, čím vznikne nukleoproteínový komplex RISC, RNA-induced silencing complex), ktorý obsahuje proteín Argonaut, ktorý môže vykazovať endonukleázovú aktivitu. 3. RISC v rastlinách obsahuje mikroRNA, ktoré sú úplne komplementárne ku cieľovej mRNA, rastlinný Argonaut proteín má endonukleázovú aktivitu a štiepi cieľovú molekulu mRNA, čím zabráni expresii príslušného génu.4. RISC v živočíšnych bunkách (a bunkách človeka) obsahuje mikroRNA, ktorá nie je úplne komplementárna ku cieľovej mRNA. Živočíšne proteíny Argonaut nemajú endonukleázovú aktivitu, neštiepia cieľovú molekulu mRNA. U ľudí vykazuje nukleázovú aktivitu iba jeden zo štyroch roteínov Argonaut a to proteín Ago2.^[1] 5. Prítomnosť RISC proteínu na cieľovej mRNA blokuje transláciu (prístup ribozómu), čím sa reguluje expresia génu.

Za objav a vysvetlenie úlohy miRNA v posttranskripčnej regulácii génov bola v roku 2024 udelená Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu Garymu Brucemu Ruvkunovi a Victorovi Ambrosovi.^[4]

miRNA boli objavené u rastlín, hlístic, múch, rýb, cicavcov i u niektorých vírusov a podieľajú sa na posttranskripčnej regulácii expresie génov.^[5][6] miRNA sa viaže na komplementárne sekvencie v mRNA pomocou párovania báz^[7] a následne zabraňuje translácii danej mRNA prostredníctvom jedného alebo viacerých z nasledujúcich procesov:^[2][8]

1. štiepenie mRNA na dve časti (u rastlín),
2. destabilizácia mRNA skrátením polyadenylového chvosta (v bunkách ľudí a iných živočíchov miRNA primárne destabilizujú mRNA).^[9][10]
3. znížením miery translácie mRNA: zníženie až zastavenie syntézy bielkovín.

miRNA sa podobá na malú interferujúcu RNA (siRNA, z anglického short interfering RNA), ktorá sa účastní RNA-interferencie. miRNA však vzniká z jednovlákonovej RNA (ssRNA), ktoré sa prehýbajú a tvoria krátke vlásenky (tzv. hairpins), zatiaľ čo siRNA vzniká z dlhších regiónov dvojvláknovej RNA.^[5]

Ľudský genóm pravdepodobne obsahuje až 2300 miRNA,^[11] avšak v databáze MirGeneDB sa nachádza len asi 500 ľudských miRNA.^[12]

miRNA sú hojne zastúpené v mnohých druhoch cicavčích buniek.^[13][14] Podľa všetkého ovplyvňujú až 60 % všetkých génov ľudí a iných cicavcov.^[15][16] Mnohé miRNA sú evolučne zachovávané, čo naznačuje ich dôležitú biologickú funkciu.^[2][17] Až 90 rodín miRNA sa zachovalo minimálne od posledného spoločného predka cicavcov a rýb, pričom mnohé z nich majú dôležité úlohy. Toto bolo ukázané v štúdiách, kde u myší odstránili gény pre jedného alebo viacerých členov rodiny miRNA.^[2]

Biogenéza mikroRNA a jej osud v bunke

Vznik miRNA

Až 40 % génov kódujúcich miRNA sa môžu nachádzať v intrónoch alebo dokonca exónoch ostatných génov.^[18] Zvyčajne (ale nie vždy) sa nachádzajú v DNA ako súčasť kódujúceho vlákna,^[19][20] takže sú zvyčajne regulované spolu s génmi, ktorého sú súčasťou.^[21][22][23]

Nie vždy však miRNA odpovedá sekvencii DNA, ktorá ju kóduje. Až u 6 % ľudských miRNA dochádza k úprave RNA, čím vznikajú isomiR, ktoré majú upravené niektoré bázy v sekvencii, takže sa líšia od sekvencie DNA. Tým dochádza k vzniku rôznorodejších miRNA, než kóduje DNA.

Primárna mikroRNA

Gény, ktoré kódujú miRNA, sú zvyčajne prepisované DNA-dependentnou RNA polymerázou II (Pol II)^[24][25] z DNA bunky. Táto polymeráza sa často viaže na promótor blízko sekvencie DNA, ktorá kóduje primárnu mikroRNA (pri-miRNA). Výsledný transkript sa modifikuje na 5'-konci čiapkou a na 3'-konci polyadenylovým chvostom.^[24][26] miRNA živočíchov sa z DNA najprv prepisuje ako primárna mikroRNA (pri-miRNA, z anglického primary, prvý), ktorá má niekoľko stoviek nukleotidov.

Prekurzorová mikroRNA

Primárna mikroRNA je ešte v bunkovom jadre štiepená endonukleázami Drosha a DGCR8, ktoré tvoria mikroprocesorový komplex v bunkovom jadre, na prekurzorové mikroRNA (pre-miRNA). Prekurzorové miRNA sú následne z bunkového jadra exportované do cytozolu cez jadrové póry, proteín exportín 5.^[1]

mikroRNA

Prekurzorové mikroRNA sú v cytoplazme štiepené endonukleázou dicer na mikroRNA (miRNA), ktoré majú okolo 22 párov bází a ide o dvojvláknové molekuly RNA (duplexy, ktorých jedno vlákno sa volá vodiaca RNA (guide RNA) - stane sa súčasťou nukleoproteínu RISC a druhé vlákno sa nazýva pasažierska RNA (passenger RNA), ktorá bude odbúraná).^[1]

RISC komplex

Vodiaca RNA (jednovláknová RNA, ssRNA) sa naviaže na komplex proteínov nazývaných RISC (RNA-induced silencing complex). Tento nukleoproteínový komplex následne vyhľadáva v cytoplazme komplementárne úseky mediátorovej RNA (mRNA).^[27] RISC sa naviaže pomocou mikroRNA na mRNA, pričom sa mikroRNA naväzuje na 3'-neprekladaný región molekuly mRNA (3´UTR).^[1]

U rastlín dochádza pôsobením endonukleázy Argonaut, ktorá je súšasťou RISC komplexu, ku štiepeniu mRNA na dva celky, ktoré sú okamžite cytoplazmatickými endonukleázami a exonukleázami rozštiepené na nukleotidy a príslušná mRNA sa tak nepreloží do proteínu a nedojde ku expresii génu.^[28]

Človek má štyri rôzne proteíny Argonaut, len Ago2 má katalytickú triádu, ktorá je schopná štiepiť mRNA. Ostatné tri proteíny Argonaut zabraňujú translácii iným mechanizmom: okupujú miesto na mRNA a bránia prístupu ribozómu ku mRNA v dôsledku čoho nedôjde ku syntéze proteínu a tým k expresii daného génu.^[1]

Využitie a význam

miRNA mala spočiatku len akademický a výskumný význam: používa sa na knock-out génov v rastlinách a u bezstavovcov, u ktorých sa pomocou miRNA skúmala funkcia takmer každého proteín-kódujúceho génu: u hlístice C. elegans sa systematicky skúmala funkcia 16000 proteín-kódujúcich génov z celkového počtu 19000 proteín-kódujúcich génov. Vedcom sa tak podarilo selektívne vypnúť gén (knock-out) a následne pozorovať dôsledky, ktoré to má pre organizmus.^[1]

Génová regulácia pomocou mikroRNA, ktorú prvýkrát objavili Ambros a Ruvkun, prebieha už stovky miliónov rokov. Práve tento mechanizmus je jedným z tých, ktoré umožnili evolúciu mnohobunkových organizmov. Bez nej sa bunky a tkanivá nevyvíjajú normálne.^[29]

Nevýhody

Utišovanie génov pomocou miRNA má niekoľko dodnes nevyriešených problémov:

1. pomocou miRNA je možné gény len deaktivovať, nie aktivovať,
2. utíšenie génu (deaktivácia) je len dočasná,
3. nie je vyriešené doručovanie dvojvlákonvej RNA do buniek cicavcov a teda aj človeka, to komplikuje vývoj liečiv založených na miRNA,
4. bunky cicavcov (človeka) sú vybavené vrodeným imunitným systémom proti RNA vírusom. Bunky nešpecificky štiepia všetky cudzie molekuly RNA doručené do bunky.^[1]

Vyhliadky do budúcnosti

Výzvou pre budúcnosť bude vývoj špecifických a dlhšie trvajúcich technológií založených na miRNA. Pomocou miRNA bude možné bojovať proti vírusovým ochoreniam, vyliečiť ochorenia zapríčinené defektným mutantným génom,^[1] nahradiť chemické liečivá (inhibítory) molekulami miRNA. Zlá regulácia mikroRNA môže prispívať ku vzniku rakoviny. U ľudí sa našli napríklad mutácie v génoch kódujúcich mikroRNA, ktoré spôsobujú stavy, ako napríklad strata sluchu či očné a kostné poruchy. A mutácie v jednom z proteínov potrebných pre produkciu mikroRNA dokonca vedou k syndrómu DICER1, vzácnemu, ale závažnému syndrómu spojenému s rakovinou rôznych orgánov a tkanív. A to už vedlo k významnému pokroku, ktorý pomáha mnohým chorým. Pokrok už lekári dosiahli vo vývoji diagnostiky a terapie na báze mikroRNA u ochorení, ako sú metabolické poruchy, kardiovaskulárne ochorenia, neurodegeneratívne stavy a rakovina.^[29]