DER microRNA FÜR DIE DIAGNOSE UND BEHANDLUNG VON KRANKHEITEN – Dr. Med. I. Muñoz

VOM GENOM ZUM PROTEOM

In unserer DNA sind alle Informationen über den Organismus enthalten. Ein Gen hat mehrere Bestandteile: eine Transkriptionsinitiationsstelle, eine Promoterregion, eine terminale Sequenz, auch als Consensus bezeichnet, Exons und Introns. Die Exons sind die codierende Region des Proteins. Es gibt nicht-codierende Regionen in den Introns und Intergen-Sequenzen, die die Expression des Genoms regulieren. (1)

Damit die codierende Sequenz eines Proteins abgelesen und exprimiert werden kann, muss die Doppelhelix der DNA exponiert sein. Dies geschieht dank der Acetylierung der Histone, die für die Kondensation der DNA verantwortlich sind.

Darüber hinaus, um die Transkription zu initiieren, muss eine Demethylierung der DNA stattfinden, und es muss ein Erkennungssignal ausgegeben werden. Dann wird die RNA-Polymerase aktiviert, wodurch eine mRNA entsteht. Die Introns werden durch Spleißen separiert, die Exons verbleiben in der reifen mRNA unter sich.

Das mRNA-Basentriplett (Codon) bindet sich an seinen Komplementär (Anticodon) der Transfer-RNA und wandert dann zum Ribosom, wo die ribosomale RNA die Sequenz abliest und die Translation für die Proteinsynthese beginnt. Diese ist für die Bildung einer bestimmten Struktur bzw. für den Eingriff in eine organische Funktion notwendig. (2)

RNA-INTERFERENZ

Nach dem Splicing zerfallen die meisten nicht-codierenden Sequenzen. Die Sequenzen, die nicht zerfallen, bilden die RNA-Interferenz (RNAi) als Regulator der Genexpression.

Von den nicht-codierenden RNA sind die miRNA (interferente microRNA) besonders wichtig. Ihre Biosynthese läuft wie folgt ab:

1 ° Transkription des Gens einer miRNA durch die RNA-Polymerase II: Erhalt der pri-mir- oder primären miRNA, eines einfachen RNA-Moleküls mit 1000 Nukleotiden.

Es enthält eine nicht-codierende Sequenz und eine komplementäre Sequenz, wodurch deren späteres Pairing möglich wird.

2 ° Splicing durch das Drosha-Protein: Bildung einer doppelsträngigen RNA mit 20 Nukleotiden, die eine „Haarnadelstruktur“ annimmt, d. h. der pre-miR oder Precursor-miRNA.

3 ° Transport der pre-miR in das Zytoplasma der Zelle, wo mit Hilfe der Dicer-Ribonuklease die reife Sequenz der miRNA gebildet wird.

Die miRNA wird zu den Ribosomen befördert, um mittels eines perfekten Pairings mit der Ziel-mRNA ihre Aufgabe als Modulator bei der Proteinsynthese zu erfüllen.

Dort moduliert sie die Expression des codierenden Gens anhand des RISC-Molekülkomplexes (RNA-induced silencing complex) durch Abbau der mRNA oder Blockade ihrer Translation (wodurch sie für die Ribosomen unleserlich wird). Die Proteinsynthese wird verhindert. (3)

Die miRNAs erfüllen eine post-transkriptionelle Schlüsselfunktion. Sie können aber auch eine prä-transkriptionelle Rolle spielen, indem sie die Histone oder die Methylierung der DNA beeinflussen. Sie agieren als epigenetischer Mechanismus der Genregulation. (4)

Dieser natürliche Mechanismus der miRNA, die RNA-Interferenz, findet ständig in unseren Zellen statt. Und es ist eminent wichtig, dass eine transkriptionelle Einheit exprimiert bzw. dass ihre Expression stummgeschaltet wird.

HOMÖOSTASE UND SELBSTREGULATION DER ZELLE

Ein ausgewogenes Gleichgewicht in unserem Organsystem bewirkt, dass der Körper richtig funktioniert. Epigenetische Faktoren (Umwelt, Ernährung, Stress, miRNAs usw.) hinterlassen Spuren auf unserer DNA, die die Expression der Gene verändern.

Die miRNA regulieren die Homöostase der Zelle und sind an der Differenzierung, Proliferation, Apoptose und am Stoffwechsel der Zellen beteiligt. Daneben spielen sie eine Rolle bei der Stressantwort, in der Angiogenese, Onkogenese und bei kardiovaskulären Prozessen. Sie können aber auch als Tumorsuppressoren agieren.

Der Mensch besitzt eine große Anzahl an miRNAs (derzeit sind bereits über 3000 bekannt), die über 50 % der funktionellen Gene regulieren. miRNAs wurde ebenfalls bei anderen Lebewesen festgestellt: bei Tieren, Pflanzen, Pilzen usw. Daneben sind weitere interferierende RNAs beteiligt: siRNA (small interfering), piRNA (an PIWI-Proteine bindende RNA) usw.

micro-RNA ALS BIOMARKER

miRNAs sind in Geweben und organischen Flüssigkeiten (Serum, Plasma, Urin, Speiche …) nachweisbar und in den Exosomen und in den Mikrovesikeln reichlich vorhanden. (5)

Ils ont été liés à de nombreuses maladies: Parkinson, ostéoporose, cancer, diabète, hypertension, obésité, etc. Par conséquent, ils sont utiles comme biomarqueurs diagnostiques.

Sie sind mit vielen Krankheiten verbunden: Parkinson, Osteoporose, Krebs, Diabetes, Bluthochdruck, Adipositas usw. Demzufolge sind sie als diagnostische Marker nützlich. Die Deregulierung der miRNAs kann zu einem Zusammenbruch der Immuntoleranz und in der Folge zur Entwicklung einer Autoimmunkrankheit führen. Sie kann weiterhin die angeborene bzw. adaptive Immunantwort durch Aktivieren oder Stoppen einer Infektion beeinflussen. Eine Überexpression von miR-133a führt zu einer Überexposition von RhoA in den Zellen der glatten Bronchialmuskulatur, wodurch allergisches Asthma begünstigt wird.

miRNA können ebenfalls als Marker für die Prognose oder den Fortschritt einer Erkrankung fungieren. So sind z. B. miR-181a und miR-21 bei einem Osteosarcom überexprimiert. Bei der aggressivsten Form dieser Krebserkrankung sind zusätzlich miR-221-3p und miR-222-3p, die man bei Formen mit einer bessern Prognose nicht findet, über- bzw. unterexprimiert. Bei einem metastasierenden Osteosarcom ist übrigens miR-199a überexprimiert.

Zu den miRNAs gibt es mehrere Datenbanken: Plos One, miRBase, mirtarbase, starbase, microRNA.org usw.

BIO-IMMUN-GEN-MEDIZIN UND SELBSTREGULATION DER ZELLE

Da man jetzt weiß, dass die miRNAs an der Wiederherstellung der Selbstregulation der Zellen und der Homöostase mitwirken, eröffnet sich für die Behandlung von Krankheiten eine hoffnungsvolle Zukunft.

Das Ziel der Bio-Immun-(G)en-Medizin besteht nicht darin, ein neues Arzneimittel für die Behandlung eines Organs auf die eine oder andere Weise zu erfinden, sondern der Zelle zu helfen, ihre normalen Signalwege und -prozesse wiederherzustellen, die sich im Laufe der Krankheit verändert haben. Anders gesagt, die Bio-Immun-(G)en-Medizin zielt auf eine Zusammenarbeit mit der Selbstregulation der Zelle ab.

Der folgende Vergleich mag dem besseren Verständnis dienen: Wenn das Orchesterstück nicht richtig klingt, sollte man zunächst prüfen, ob es nicht am Dirigenten liegt, der es falsch interpretiert hat oder vielleicht abgelenkt war, und nicht gleich alle Instrumente reparieren oder ersetzen.

Die Bio-Immun-(G)en-Medizin verwendet Nanovektoren, um natürliche Substanzen in den Körper einzuschleusen (die es sowieso in unseren Zellen gibt), die notwendig sind, um die fehlgeleiteten Signalwege zu korrigieren. Wir verwenden also miRNAs sowie Proteine, Liganden, Enzyme, Hormone und Antikörper. Eine einzige miRNA kann viele Zielgene regulieren und somit mehrere Signalwege beeinflussen.

Die BI(G)MED verwendet nanomolekulare Dosen, d. h. solche, die denen ähneln, die im Normalzustand in unseren Zellen vorkommen. Es geht also darum, eine Information an den Tatort zu bringen, die Wirksamkeit zu steigern und Nebenwirkungen zu vermeiden.

FAZIT

Die Entdeckung der interferierenden RNA, vor allem der miRNAs, ist ein wichtiger Meilenstein bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Sie sind Biomarker und therapeutisches Werkzeug in einem. Nebenwirkungen, wie man sie bei traditionellen pharmakologischen Substanzen antreffen kann, gibt es hier nicht.

BIBLIOGRAPHIE

*https://en.wikipedia.org/wiki/MicroRNA

*https://www.exiqon.com/what-are-microRNAs

*Cavaillé, J. MicroRNA are everywhere. médecine/sciences. 2004. 20:p. 399-401

*Bernstein, E., Caudy, AA, et al. (2001) Role for a bidentate ribonuclease in the initiation step of RNA interference. Nature 409 (6818): 363-6

*Bartel, DP. MicroRNAs: genomics, biogenesis, merchanism, and function. Cell. 2004 Jan 23; 116 (2): 281-97.

*Zeng, Y., Cullen, BR. (2005) Efficient processing of primary microRNA hairpins by Drosha requires flanking nonstructured RNA sequences. J.Biol Chem. 2005. doi:10.1074/jbc.M504714200

*Kim, VN. MicroRNA biogenesis: coordinated cropping and dicing. Nat Rev Mol Cell Biol. 2005 May; 6 (5): 376-85

*Luc, C, Tej, et al. Elucidation of the small RNA component of the transcriptome. Science. 2005 Sep 2; 309(5740): 1567-9

*Pillai, RS. MicroRNA function: multiple mechanisms for a tiny RNA? RNA. 2005 Dec; 11(12):1753-1761. 

*Lewis, BP. et al. Conserveds seed pairing, often flanked by adenosines indicates that thousands of human genes are microRNA targets. Cell 2005 Jan 14; 120 (1):15-20

*Hayley, B. and Zamore, P.D. Kinetic analysis of the RNA: enzyme complex. Nat. Struct Mol. Biol, 2004. 11(7): p 599-606

*Ameres, S.L.,Martínez, J., and Schroeder, R. Molecular basis for target RNA recognition and cleavage by human RISC. Cell. 2007, 130 (1):p 101-12

*Rico-Rosillo, MG., et al. Importancia de los microARN en el diagnóstico y desarrollo de

  enfermedades. Rev. Med Inst Mex Seguro Soc. 2014; 52(3):302-7

*González Martín, A. microRNAs: pequeños reguladores con un gran impacto en nuestro sistema inmune. http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_RPC.2019.10.1

*Sasaki, R. et al. Micro RNA-Based Diagnosis and Treatment of Metastatic Human Osteosarcoma. Cancers (Basel) 2019 Apr; 11(4):553

*Jones, K., Salah, Z. et al. MicroRNA signatures associate with pathogenesis and progression of osteosarcoma. Cancer Res. 2012 Apr 1; 72(7):1865-1877

*Calin, GA. Et al. Frequent deletions and down-regulation of micro-RNA genes miR15 and miR16 at 13q14 in chronic lymphocytic leukemia. Proc Natl Acad sci USA. 2002 Nov 6;99(24):15524-9

ABBILDUNGEN

1. Histonmodifikation (Shutterstock)

2. Proteinsynthese durch Transkription (Shutterstock)

3. Biosynthese der miRNA (Wikimedia Commons)

4. Prä- und posttranskriptionelle Regulation (Inmaculada Muñoz)

5. Exosome, die in Flüssigkeiten nachweisbar sind und zur Krankheitsdiagnose dienen können. Kann miRNA, Proteine, RNA, DNA und Lipide der ursprünglichen Zelle enthalten (Shutterstock)

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