Wyciszanie genów

Wyciszanie genów to regulacja ekspresji genów w komórce, aby zapobiec ekspresji określonego genu . Wyciszanie genów może wystąpić podczas transkrypcji lub translacji i jest często wykorzystywane w badaniach. W szczególności metody wyciszania genów są coraz częściej wykorzystywane do produkcji środków terapeutycznych do zwalczania raka i innych chorób, takich jak choroby zakaźne i zaburzenia neurodegeneracyjne .

Wyciszanie genów jest często uważane za to samo, co powalenie genów . Kiedy geny są wyciszone, ich ekspresja jest zmniejszona. genomu organizmu , a zatem nie mają ekspresji. Wyciszanie genów jest uważane za mechanizm powalenia genów, ponieważ metody stosowane do wyciszania genów, takie jak RNAi , CRISPR lub siRNA , generalnie zmniejszają ekspresję genu o co najmniej 70%, ale go nie eliminują. Metody wykorzystujące wyciszanie genów są często uważane za lepsze niż nokauty genów [ potrzebne źródło ] , ponieważ pozwalają naukowcom badać podstawowe geny, które są niezbędne do przetrwania modeli zwierzęcych i których nie można usunąć. Ponadto zapewniają pełniejszy obraz rozwoju chorób, ponieważ choroby są na ogół związane z genami o obniżonej ekspresji.

typy

transkrypcyjne

Posttranskrypcyjne

mejotyczny

Metody badawcze

oligonukleotydy antysensowne

Antysensowne oligonukleotydy zostały odkryte w 1978 roku przez Paula Zamecnika i Mary Stephenson. Oligonukleotydy , które są krótkimi fragmentami kwasów nukleinowych , po dodaniu do komórki wiążą się z komplementarnymi docelowymi cząsteczkami mRNA. Cząsteczki te mogą składać się z jednoniciowego DNA lub RNA i mają na ogół długość 13–25 nukleotydów. Antysensowne oligonukleotydy mogą wpływać na ekspresję genów na dwa sposoby: za pomocą RNazy H lub za pomocą mechanizmu blokowania sterycznego. Oligonukleotydy zależne od RNazy H powodują degradację docelowych cząsteczek mRNA , podczas gdy oligonukleotydy blokujące steryczność zapobiegają translacji cząsteczki mRNA. Większość leków antysensownych działa poprzez mechanizm zależny od RNazy H, w którym RNaza H hydrolizuje nić RNA heterodupleksu DNA/RNA . wyrażenie.

Rybozymy

Ogólny mechanizm wykorzystywany przez rybozymy do rozszczepiania cząsteczek RNA

Rybozymy to katalityczne cząsteczki RNA stosowane do hamowania ekspresji genów . Cząsteczki te działają poprzez rozszczepianie mRNA , zasadniczo wyciszając geny, które je wytworzyły. Sidney Altman i Thomas Cech jako pierwsi odkryli katalityczne cząsteczki RNA, RNazę P i rybozymy intronowe grupy II, w 1989 roku i otrzymali za to odkrycie Nagrodę Nobla. Istnieje kilka typów motywów rybozymów, w tym głowa młota , spinka do włosów , wirus zapalenia wątroby typu delta , grupa I , grupa II i rybozymy RNazy P. Motywy rybozymu młota, szpilki do włosów i wirusa zapalenia wątroby typu delta (HDV) są generalnie spotykane w wirusach lub wiroidowych RNA. Motywy te są zdolne do samodzielnego rozszczepienia specyficznego wiązania fosfodiestrowego na cząsteczce mRNA. Niższe eukarionty i kilka bakterii zawierają rybozymy grupy I i grupy II. Motywy te mogą samosplatać się poprzez rozszczepianie i łączenie wiązań fosfodiestrowych. Ostatni motyw rybozymu, rybozym RNazy P, znajduje się w Escherichia coli i jest znany ze swojej zdolności do rozszczepiania wiązań fosfodiestrowych kilku prekursorów tRNA po połączeniu z kofaktorem białkowym.

Ogólny mechanizm katalityczny stosowany przez rybozymy jest podobny do mechanizmu stosowanego przez rybonukleazy białkowe . Te katalityczne cząsteczki RNA wiążą się z określonym miejscem i atakują sąsiadujący fosforan w szkielecie RNA swoim 2' tlenem, który działa jak nukleofil , co prowadzi do powstania rozszczepionych produktów z 2'3'-cyklicznym fosforanem i 5' koniec hydroksylowy. Ten mechanizm katalityczny jest coraz częściej wykorzystywany przez naukowców do przeprowadzania specyficznego dla sekwencji cięcia docelowych cząsteczek mRNA. Ponadto podejmowane są próby wykorzystania rybozymów do produkcji leków wyciszających geny, które wyciszałyby geny odpowiedzialne za wywoływanie chorób.

interferencja RNA

Po lewej: przegląd interferencji RNA.

Interferencja RNA ( RNAi ) to naturalny proces wykorzystywany przez komórki do regulacji ekspresji genów. Została odkryta w 1998 roku przez Andrew Fire i Craiga Mello , którzy w 2006 roku otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie. Proces wyciszania genów zaczyna się od wejścia cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA) do komórki, co wyzwala szlak RNAi. Dwuniciowa cząsteczka jest następnie cięta na małe dwuniciowe fragmenty przez enzym o nazwie Dicer . Te małe fragmenty, które obejmują małe interferujące RNA (siRNA) i mikroRNA (miRNA) , mają długość około 21–23 nukleotydów. Fragmenty integrują się w wielopodjednostkowe białko zwane kompleksem wyciszającym indukowanym przez RNA , które zawiera białka Argonaute , które są niezbędnymi składnikami szlaku RNAi. Jedna nić cząsteczki, zwana nicią „przewodniczącą”, wiąże się z RISC, podczas gdy druga nić, znana jako nić „pasażerska”, ulega degradacji. Nić prowadząca lub antysensowna fragmentu, która pozostaje związana z RISC, kieruje specyficznym dla sekwencji wyciszeniem docelowej cząsteczki mRNA. Geny mogą zostać wyciszone przez cząsteczki siRNA, które powodują rozszczepienie endojądrowe docelowych cząsteczek mRNA lub przez cząsteczki miRNA, które hamują translację cząsteczki mRNA. Wraz z rozszczepieniem lub represją translacyjną cząsteczek mRNA geny, które je tworzą, stają się zasadniczo nieaktywne. Uważa się, że RNAi wyewoluował jako komórkowy mechanizm obronny przed najeźdźcami, takimi jak wirusy RNA , lub do zwalczania proliferacji transpozonów w DNA komórki. Zarówno wirusy RNA, jak i transpozony mogą istnieć jako dwuniciowe RNA i prowadzić do aktywacji RNAi. Obecnie siRNA są szeroko stosowane do tłumienia specyficznej ekspresji genów i oceny funkcji genów . Firmy stosujące to podejście to Alnylam , Sanofi , Arrowhead, Discerna i Persomics .

Trzy główne nieulegające translacji regiony i mikroRNA

Trzy główne nieulegające translacji regiony (3'UTR) informacyjnych RNA (mRNA) często zawierają sekwencje regulatorowe, które po transkrypcji powodują wyciszanie genów. Takie 3'-UTR często zawierają zarówno miejsca wiązania mikroRNA (miRNA), jak i białek regulatorowych . Wiążąc się ze specyficznymi miejscami w obrębie 3'-UTR, duża liczba specyficznych miRNA zmniejsza ekspresję genów ich konkretnych docelowych mRNA albo poprzez hamowanie translacji , albo bezpośrednio powodując degradację transkryptu, przy użyciu mechanizmu podobnego do interferencji RNA (patrz MicroRNA ). 3'-UTR może również mieć regiony wyciszające, które wiążą białka represorowe, które hamują ekspresję mRNA.

3'-UTR często zawiera elementy odpowiedzi mikroRNA (MRE) . MRE to sekwencje, z którymi wiążą się miRNA i powodują wyciszanie genów. Są to dominujące motywy w obrębie 3'-UTR. Wśród wszystkich motywów regulatorowych w obrębie 3'-UTR (np. obejmujących regiony tłumiące), MRE stanowią około połowy motywów.

Od 2014 r. Witryna internetowa miRBase , archiwum sekwencji i adnotacji miRNA, zawierała 28 645 wpisów dotyczących 233 gatunków biologicznych. Spośród nich 1881 miRNA znajdowało się w opisanych ludzkich loci miRNA. Przewidywano, że każdy z miRNA będzie miał średnio około czterystu docelowych mRNA (powodując wyciszenie kilkuset genów). Freidmana i in. szacują, że > 45 000 docelowych miejsc miRNA w ludzkich 3'UTR mRNA jest konserwowanych powyżej poziomów tła, a > 60% genów kodujących ludzkie białka znajduje się pod presją selekcyjną, aby utrzymać parowanie z miRNA.

Bezpośrednie eksperymenty pokazują, że pojedynczy miRNA może zmniejszyć stabilność setek unikalnych mRNA. Inne eksperymenty pokazują, że pojedynczy miRNA może hamować produkcję setek białek, ale ta represja jest często stosunkowo łagodna (mniej niż 2-krotna).

Skutki rozregulowania ekspresji genów przez miRNA wydają się być istotne w przypadku raka. Na przykład w nowotworach przewodu pokarmowego zidentyfikowano dziewięć miRNA jako epigenetycznie i skutecznych w regulacji w dół enzymów naprawy DNA.

Skutki rozregulowania ekspresji genów przez miRNA wydają się być również istotne w zaburzeniach neuropsychiatrycznych , takich jak schizofrenia, choroba afektywna dwubiegunowa, duża depresja, choroba Parkinsona, choroba Alzheimera i zaburzenia ze spektrum autyzmu.

Aplikacje

Badania medyczne

Techniki wyciszania genów są szeroko stosowane przez naukowców do badania genów związanych z zaburzeniami. Zaburzenia te obejmują raka , choroby zakaźne , choroby układu oddechowego i zaburzenia neurodegeneracyjne . Wyciszanie genów jest również obecnie wykorzystywane w wysiłkach na rzecz odkrywania leków, takich jak syntetyczna śmiertelność , wysokowydajne badania przesiewowe i zminiaturyzowane ekrany RNAi.

Rak

Interferencja RNA została wykorzystana do wyciszenia genów związanych z kilkoma nowotworami. W badaniach in vitro przewlekłej białaczki szpikowej (CML) zastosowano siRNA do rozszczepienia białka fuzyjnego BCR-ABL , które zapobiega wiązaniu się leku Gleevec ( imatynib ) z komórkami nowotworowymi. Rozszczepienie białka fuzyjnego zmniejszyło liczbę transformowanych krwiotwórczych , które rozprzestrzeniają się po organizmie, zwiększając wrażliwość komórek na lek. Interferencję RNA można również wykorzystać do celowania w określone mutanty. Na przykład siRNA były w stanie specyficznie wiązać się z p53 supresora guza zawierającymi pojedynczą mutację punktową i niszczyć ją, pozostawiając nienaruszony supresor typu dzikiego.

Receptory biorące udział w szlakach mitogennych prowadzących do zwiększonej produkcji komórek nowotworowych również stały się celem cząsteczek siRNA. Receptor chemokin Receptor chemokin 4 (CXCR4) , związany z proliferacją raka piersi, został rozszczepiony przez cząsteczki siRNA, które zmniejszyły liczbę podziałów powszechnie obserwowanych przez komórki rakowe. Naukowcy wykorzystali również siRNA do selektywnej regulacji ekspresji genów związanych z rakiem. Białka antyapoptotyczne, takie jak klusteryna i surwiwina , często ulegają ekspresji w komórkach nowotworowych. SiRNA ukierunkowane na klusterynę i surwiwinę zastosowano w celu zmniejszenia liczby białek antyapoptotycznych, a tym samym zwiększenia wrażliwości komórek nowotworowych na chemioterapię. in vivo są również coraz częściej wykorzystywane do badania potencjalnego zastosowania cząsteczek siRNA w leczeniu raka. Na przykład stwierdzono, że myszy, którym wszczepiono gruczolakoraka okrężnicy, przeżyły dłużej, gdy komórki zostały wstępnie potraktowane siRNA, które celują w B-kateninę w komórkach nowotworowych.

Choroba zakaźna

Wirusy

Geny wirusowe i geny gospodarza, które są niezbędne wirusom do replikacji lub wniknięcia do komórki, lub które odgrywają ważną rolę w cyklu życiowym wirusa, są często celem terapii przeciwwirusowych. RNAi zastosowano do celowania w geny w kilku chorobach wirusowych, takich jak ludzki wirus niedoboru odporności (HIV) i zapalenie wątroby . W szczególności siRNA zastosowano do wyciszenia głównego receptora chemokinowego receptora HIV 5 (CCR5). Zapobiegło to przedostaniu się wirusa do ludzkich limfocytów krwi obwodowej i pierwotnych hematopoetycznych komórek macierzystych. Podobną technikę zastosowano do zmniejszenia ilości wykrywalnego wirusa w wirusem zapalenia wątroby typu B i C. W wirusowym zapaleniu wątroby typu B wyciszanie siRNA zastosowano do celowania w antygen powierzchniowy wirusa zapalenia wątroby typu B i doprowadziło do zmniejszenia liczby składników wirusowych. Ponadto techniki siRNA stosowane w wirusowym zapaleniu wątroby typu C były w stanie obniżyć ilość wirusa w komórce o 98%.

Interferencja RNA jest stosowana komercyjnie do zwalczania wirusowych chorób roślin od ponad 20 lat (patrz Odporność na choroby roślin ). W latach 1986–1990 opublikowano wiele przykładów „oporności za pośrednictwem białek płaszcza” na wirusy roślinne, zanim odkryto RNAi. W 1993 roku praca z wirusem wżerania tytoniu po raz pierwszy wykazała, że ​​organizmy gospodarzy mogą celować w określone sekwencje wirusa lub mRNA w celu degradacji i że ta aktywność jest mechanizmem leżącym u podstaw niektórych przykładów oporności na wirusy w roślinach transgenicznych. Odkrycie małych interferujących RNA (wyznacznik specyficzności w wyciszaniu genów za pośrednictwem RNA) również wykorzystało indukowane przez wirusy potranskrypcyjne wyciszanie genów u roślin. Do 1994 r. wygenerowano transgeniczne odmiany dyni wykazujące ekspresję genów białek płaszcza z trzech różnych wirusów, zapewniając hybrydy dyni o potwierdzonej w terenie odporności na wiele wirusów, które są obecnie w użyciu komercyjnym. Linie ziemniaka wykazujące ekspresję wirusowych sekwencji replikaz, które nadają odporność na wirusa liściozwoju ziemniaka, były sprzedawane pod nazwami handlowymi NewLeaf Y i NewLeaf Plus i były powszechnie akceptowane w produkcji komercyjnej w latach 1999–2001, dopóki McDonald's Corp. nie zdecydował się kupować GM ziemniaków i Monsanto zdecydował zamknąć swoją działalność związaną z ziemniakami NatureMark. Inny często cytowany przykład odporności na wirusy, w której pośredniczy wyciszanie genów, dotyczy papai, gdzie hawajski przemysł papai został uratowany przez odporne na wirusy genetycznie zmodyfikowane papaje produkowane i licencjonowane przez naukowców uniwersyteckich, a nie przez dużą korporację. Te papaje również są obecnie w użyciu, chociaż nie bez znacznego protestu społecznego, co jest znacznie mniej widoczne w medycznych zastosowaniach wyciszania genów.

Techniki wyciszania genów zostały również wykorzystane do atakowania innych wirusów, takich jak wirus brodawczaka ludzkiego , wirus Zachodniego Nilu i wirus Tulane. Gen E6 w próbkach guza pobranych od pacjentów z wirusem brodawczaka ludzkiego został ukierunkowany i stwierdzono, że powoduje apoptozę w zakażonych komórkach. Plazmidowe wektory ekspresyjne siRNA użyte do zwalczania wirusa Zachodniego Nilu były również w stanie zapobiegać replikacji wirusów w liniach komórkowych. Ponadto stwierdzono, że siRNA skutecznie zapobiega replikacji wirusa Tulane, należącego do rodziny wirusów Caliciviridae , poprzez celowanie zarówno w jego geny strukturalne, jak i niestrukturalne. Wykazano, że poprzez celowanie w gen NTPazy jedna dawka siRNA 4 godziny przed zakażeniem kontroluje replikację wirusa Tulane przez 48 godzin po zakażeniu, zmniejszając miano wirusa nawet o 2,6 logarytmu. Chociaż wirus Tulane jest specyficzny gatunkowo i nie atakuje ludzi, wykazano, że jest blisko spokrewniony z ludzkim norowirusem , który jest najczęstszą przyczyną ostrego zapalenia żołądka i jelit oraz epidemii chorób przenoszonych przez żywność w Stanach Zjednoczonych. Ludzkie norowirusy są znane z tego, że są trudne do badania w laboratorium, ale wirus Tulane oferuje model, za pomocą którego można badać tę rodzinę wirusów w celu klinicznym opracowania terapii, które można zastosować w leczeniu chorób wywołanych przez ludzki norowirus.

Bakteria
Struktura typowej komórki bakterii Gram-dodatnich

W przeciwieństwie do wirusów, bakterie nie są tak podatne na wyciszanie przez siRNA. Wynika to głównie z replikacji bakterii. Bakterie replikują się poza komórką gospodarza i nie zawierają maszynerii niezbędnej do funkcjonowania RNAi. Jednak infekcje bakteryjne mogą być nadal tłumione przez siRNA poprzez celowanie w geny gospodarza, które biorą udział w odpowiedzi immunologicznej spowodowanej infekcją lub przez celowanie w geny gospodarza zaangażowane w pośredniczenie w wejściu bakterii do komórek. cytokin prozapalnych wyrażanych w komórkach myszy traktowanych lipopolisacharydem (LPS) . Z kolei zmniejszona ekspresja cytokiny zapalnej, czynnika martwicy nowotworu α (TNFα) , spowodowała zmniejszenie wstrząsu septycznego odczuwanego przez myszy leczone LPS. Ponadto zastosowano siRNA, aby zapobiec inwazji bakterii Psueomonas aeruginosa na mysie komórki nabłonkowe płuc poprzez wyłączenie genu kaweoliny-2 (CAV2). Tak więc, chociaż bakterie nie mogą być bezpośrednio celem mechanizmów siRNA, siRNA nadal może na nie wpływać, gdy celem są składniki zaangażowane w infekcję bakteryjną.

Choroby układu oddechowego

Rybozymy, antysensowne oligonukleotydy, a ostatnio RNAi zostały użyte do celowania w cząsteczki mRNA zaangażowane w astmę . Eksperymenty te sugerują, że siRNA może być wykorzystywane do zwalczania innych chorób układu oddechowego, takich jak przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) i mukowiscydoza . POChP charakteryzuje się hiperplazją komórek kubkowych i nadmiernym wydzielaniem śluzu . Stwierdzono, że wydzielanie śluzu zmniejsza się, gdy transformujący czynnik wzrostu (TGF)-α był celem siRNA w ludzkich komórkach nabłonka dróg oddechowych NCI-H292 . Oprócz nadmiernego wydzielania śluzu, POChP i astma charakteryzują się przewlekłym stanem zapalnym i uszkodzeniem tkanki płucnej. Uważa się, że transformujący czynnik wzrostu TGF-β odgrywa rolę w tych objawach. W rezultacie, gdy interferon (IFN)-γ został użyty do wyeliminowania TGF-β, zwłóknienie płuc spowodowane uszkodzeniem i bliznowaceniem tkanki płucnej uległo poprawie.

Zaburzenia neurodegeneracyjne

choroba Huntingtona
Struktura krystalograficzna N-końcowego regionu ludzkiego białka huntingtyny.

Choroba Huntingtona (HD) wynika z mutacji w genie huntingtyny , która powoduje nadmiar powtórzeń CAG. Następnie gen tworzy zmutowane białko huntingtyny z powtórzeniami poliglutaminowymi w pobliżu końca aminowego . Ta choroba jest nieuleczalna i wiadomo, że powoduje deficyty motoryczne, poznawcze i behawioralne. Naukowcy szukali wyciszenia genów jako potencjalnego leku na HD.

Wyciszanie genów może być stosowane w leczeniu HD poprzez celowanie w zmutowane białko huntingtyny. Zmutowane białko huntingtyny zostało ukierunkowane poprzez wyciszanie genów, które jest specyficzne dla alleli przy użyciu oligonukleotydów specyficznych dla alleli . W tej metodzie antysensowne oligonukleotydy są stosowane do celowania w polimorfizm pojedynczego nukleotydu (SNP) , który jest zmianą pojedynczego nukleotydu w sekwencji DNA, ponieważ stwierdzono, że pacjenci HD mają wspólne SNP, które są związane ze zmutowanym allelem huntingtyny. Stwierdzono, że około 85% pacjentów z HD można pokryć, gdy celem są trzy SNP. Ponadto, gdy użyto antysensownych oligonukleotydów do ukierunkowania na SNP związany z HD u myszy, nastąpił 50% spadek zmutowanego białka huntingtyny.

Do wyciszenia zmutowanych białek huntingtyny zastosowano również wyciszanie genów nieswoistych dla alleli przy użyciu cząsteczek siRNA. Dzięki temu podejściu, zamiast celowania w SNP na zmutowanym białku, celem są wszystkie normalne i zmutowane białka huntingtyny. Podczas badań na myszach stwierdzono, że siRNA może obniżyć poziomy huntingtyny normalnej i zmutowanej o 75%. Na tym poziomie odkryli, że myszy rozwinęły lepszą kontrolę motoryczną i dłuższy wskaźnik przeżycia w porównaniu z grupą kontrolną. Zatem metody wyciszania genów mogą okazać się korzystne w leczeniu HD.

Stwardnienie zanikowe boczne

Stwardnienie zanikowe boczne (ALS) , zwane także chorobą Lou Gehriga, jest chorobą neuronu ruchowego , która atakuje mózg i rdzeń kręgowy . Choroba powoduje degenerację neuronów ruchowych , co ostatecznie prowadzi do śmierci neuronów i zwyrodnienia mięśni. Stwierdzono, że setki mutacji w genie dysmutazy ponadtlenkowej Cu/Zn (SOD1) powodują ALS. Wyciszanie genów zostało wykorzystane do obalenia mutanta SOD1, który jest charakterystyczny dla ALS. W szczególności cząsteczki siRNA zostały z powodzeniem wykorzystane do namierzenia zmutowanego genu SOD1 i zmniejszenia jego ekspresji poprzez wyciszenie genów specyficzne dla alleli.

Wyzwania terapeutyczne

Podstawowy mechanizm wykorzystywany przez wektory wirusowe do dostarczania genów do komórek docelowych. Przedstawiony przykład to wektor lentiwirusowy.

Istnieje kilka wyzwań związanych z terapiami wyciszania genów, w tym dostarczanie i specyficzność dla komórek docelowych. Na przykład w leczeniu zaburzeń neurodegeneracyjnych do mózgu muszą być dostarczane cząsteczki do przyszłej terapii wyciszania genów. krew -mózg utrudnia dostarczanie cząsteczek do mózgu przez krwioobieg, uniemożliwiając przejście większości cząsteczek, które są wstrzykiwane lub wchłaniane do krwi. Dlatego naukowcy odkryli, że muszą bezpośrednio wstrzykiwać cząsteczki lub wszczepiać pompy, które wpychają je do mózgu.

Jednak po wejściu do mózgu cząsteczki muszą poruszać się wewnątrz docelowych komórek. W celu skutecznego dostarczenia cząsteczek siRNA do komórek można zastosować wektory wirusowe . Niemniej jednak ta metoda dostarczania może być również problematyczna, ponieważ może wywołać odpowiedź immunologiczną przeciwko cząsteczkom. Stwierdzono, że oprócz dostarczania specyficzność jest również problemem w wyciszaniu genów. Zarówno antysensowne oligonukleotydy, jak i cząsteczki siRNA mogą potencjalnie wiązać się z niewłaściwą cząsteczką mRNA. W związku z tym naukowcy poszukują skuteczniejszych metod dostarczania i opracowywania określonych środków terapeutycznych wyciszających geny, które nadal są bezpieczne i skuteczne.

Żywność

Arctic Apples to zestaw jabłek opatrzonych znakiem towarowym, które zawierają cechę niebrązowienia stworzoną za pomocą wyciszania genów w celu zmniejszenia ekspresji oksydazy polifenolowej (PPO). Jest to pierwszy zatwierdzony produkt spożywczy, w którym zastosowano tę technikę.

Zobacz też

Linki zewnętrzne