Zirkulierende miRNAs

MicroRNAs sind eine Klasse kleiner nichtkodierender RNA-Moleküle mit einer Länge von 18 bis 25 Nukleotiden, die aktiv an der Regulation der Genexpression beteiligt sind. Die Wirkung von miRNAs ist sehr vielfältig und hängt eng mit vielen im Körper ablaufenden Prozessen zusammen. Einschließlich der Aufrechterhaltung der Stabilität des Genoms, Immunantworten, Differenzierung, Proliferation, Apoptose von Zellen, sowohl normal als auch für verschiedene Pathologien. Und der letzte Umstand macht sie für Forscher und Ärzte in zwei Richtungen gleichzeitig attraktiv: als therapeutisches Ziel und potenzieller Biomarker für die Diagnose fast aller altersbedingten (und nicht nur) Krankheiten.

Die erste microRNA namens lin-4 wurde vor einem Vierteljahrhundert von Wissenschaftlern der Harvard University unter Verwendung des Nematoden C. elegance entdeckt [1]. Wissenschaftler fanden heraus, dass das lin-4-Gen kein Protein, sondern zwei kleine RNAs - einen Vorläufer mit einer Länge von 61 Nukleotiden und eine microRNA selbst mit 22 Nukleotiden - codierte, die die Expression des Nematoden-lin-14-Gens unterdrückten und dessen normale Entwicklung verhinderten. Lange Zeit glaubte man, dass miRNA ein solches evolutionäres Exot ist, eine Eigenschaft des Nematodengenoms, bis sieben Jahre später, im Jahr 2000, das zweite miRNA-Molekül, let-7, entdeckt wurde [2]. Sie unterdrückte die Expression mehrerer Gene gleichzeitig und wurde dann in einer Reihe lebender Organismen, einschließlich Menschen, beschrieben. Und danach brach der „Damm“ - die miRNA-Entdeckungen begannen nacheinander zu folgen.

Heute ist bekannt, dass jede miRNA viele (bis zu mehreren hundert) Gene kontrollieren kann, während ein bestimmtes Gen ein Ziel für mehrere miRNAs sein kann. Wie funktioniert dieses kleine Molekül? miRNAs bringen ein Gen auf verschiedene Weise zum Schweigen. Erstens hemmen sie die Genexpression durch Interaktion mit Messenger-RNA (mRNA). miRNAs binden an mRNA, was den Translationsprozess (d. h. die Proteinsynthese) und den mRNA-Abbau blockiert. Die zweite Variante des Herunterfahrens von Genen ist die Transkription, wenn miRNAs im Polyproteinkomplex epiginetische Modifikationen des Genoms verursachen - DNA-Methylierung und Histondeacetylierung und -methylierung.

Darüber hinaus wurde eine andere Variante der Unterdrückung der microRNA-Proteinsynthese durch Wechselwirkung mit Repressorproteinen beschrieben, die die Translation blockieren [3]. Gleichzeitig wurde jedoch festgestellt, dass in einigen Fällen, nämlich wenn der Zellzyklus gestoppt wurde, microRNAs den Translationsprozess möglicherweise nicht unterdrücken, sondern aktivieren. Dieses Phänomen wurde 2007 in der Zeitschrift Science [4] beschrieben. Dieses Phänomen ist jedoch so selten und nicht charakteristisch, dass es in den meisten wissenschaftlichen Artikeln nicht einmal erwähnt wird.

Vor ungefähr 10 Jahren wurde erstmals beschrieben, dass von einem Zelltyp sekretierte miRNAs auf andere Zelltypen übertragen werden können. Dies war der Grund dafür, dass neben zellulärer microRNA auch extrazelluläre, sogenannte Zellen, im Körper vorhanden sind. zirkulierende miRNA (zirkulierende miRNA, c-miPHK), die dann in Blutplasma und anderen biologischen Flüssigkeiten gefunden wurde. Wie heute vorgeschlagen, kann das Auftreten von c-miRNA im Blut das Ergebnis sowohl der Sekretion durch ihre Zellen als auch des Todes der Zellen selbst während Apoptose und Nekrose sein.

Es wurde schnell klar, dass microRNAs gegen endogene Ribonukleasen (RNA-Zerstörer) resistent sind und eine hohe Stabilität in Serum und Plasma aufweisen. Und ihre Anzahl kann auf verschiedene Weise mit hoher Empfindlichkeit und Spezifität gemessen werden. Die häufigsten davon sind Echtzeit-PCR und Hybridisierung mit fluoreszierenden Sonden. Auf diese Weise konnten wir die Spiegel zirkulierender microRNAs effektiv analysieren, aus biologischen Flüssigkeiten isolieren und als Biomarker für verschiedene Pathologien verwenden.

Um zu diagnostizieren, welche Pathologien die microRNA-Analyse verwenden können? Zuallererst sind dies natürlich die wichtigsten altersbedingten Erkrankungen - kardiovaskulär, neurodegenerativ und onkologisch. Zahlreiche Studien haben daher eine enge Beziehung zwischen miRNA-Spiegeln und Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) gezeigt - miRNAs spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Pathogenese von CVD. Dies ermöglicht es, sie bereits in sehr frühen Stadien als diagnostischen Marker zu verwenden. Einige für diesen Zweck geeignete miRNAs sind bereits heute bekannt.

Bereits 2009 zeigte eine der ersten Studien, dass miRNA-208 spezifisch in Herzzellen produziert wird und seine Plasmakonzentration ein genauer Indikator für Myokardschäden ist [5]. Später konnten Wissenschaftler zwei weitere miRNAs identifizieren, miR-423-5p und miRNA-499, die eine gute Wirksamkeit bei der Diagnose von Herzinsuffizienz und akutem Myokardinfarkt zeigten [6,7].

Über einen Zeitraum von 10 Jahren wurden während einer großen Studie im Rahmen der Nord-Trøndelag-Gesundheitsstudie eine Reihe von zirkulierenden miRNAs von norwegischen Wissenschaftlern nachgewiesen (miR-106a-5p, miR-424-5p, let-7g-5p, miR-144-3p) und miR-660-5p), deren Spiegel einen zukünftigen akuten Myokardinfarkt bei noch gesunden Menschen vorhersagen können [8]. Darüber hinaus zeigte dieselbe Arbeit, dass Männer und Frauen ihre eigenen spezifischen miRNAs (miR-424-5p bzw. miR-26a-5p) haben, die mit dem Risiko eines Myokardinfarkts verbunden sind.

Eine detaillierte systematische Überprüfung der derzeit bekannten microRNAs, potenzieller Biomarker für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, wurde 2018 von russischen Kardiologen durchgeführt [9].

Es wurde auch festgestellt, dass zusätzlich zu Myokardinfarkt und Herzinsuffizienz die Analyse von zirkulierenden miRNAs im Blut bei der Früherkennung eines Schlaganfalls helfen und das prognostische Ergebnis bei Patienten vorhersagen kann. Was besonders wichtig für den hämorrhagischen Schlaganfall ist, der für die schwerwiegenden Folgen bekannt ist, für die es laut Ärzten heute neben microRNAs keine etablierten Biomarker für den aktuellen Bluttest zur Diagnose eines Schlaganfalls gibt [10]

Im Jahr 2018 wurde eine umfangreiche systematische Übersicht veröffentlicht, die acht Studien umfasste, darunter 572 Patienten und 431 gesunde Teilnehmer in der Kontrollgruppe. Nach dieser Übersicht sind heute mindestens 22 miRNAs bekannt, deren differentielle Expression in der frühesten Zeit nach einem akuten ischämischen Schlaganfall aufgezeichnet wurde [11].

Aber vielleicht haben sich die effektivsten miRNAs als Biomarker für die Früherkennung von Krebs etabliert. In den Jahren 2014-17 wurden mehrere groß angelegte Studien, systematische Überprüfungen und Metaanalysen durchgeführt, die zeigten, dass die Expressionsprofile von zirkulierenden miRNAs, insbesondere unter Verwendung einer Kombination davon, einen großen potenziellen diagnostischen Wert für die genaue und frühzeitige Erkennung eines Brusttumors haben [12, 13, 14].

Andere Studien haben auch zahlreiche zirkulierende miRNAs gefunden, die für andere Arten der Onkologie spezifisch sind und dazu beitragen können, die Krankheit im Frühstadium effizienter zu erkennen [15, 16]. Im Allgemeinen kann die miRNA-Analyse verwendet werden, um fast alle Arten dieser Pathologie zu diagnostizieren.

Das ist aber noch nicht alles. Es stellte sich heraus, dass miRNAs auch effektiv zur Diagnose der wichtigsten altersbedingten neurodegenerativen Pathologien eingesetzt werden können, deren Fortschritte derzeit nur unzureichend beobachtet werden.

So wurde 2015 eine Metaanalyse von 8 Studien durchgeführt, an denen 459 Patienten mit Neurodegeneration und 340 gesunde Personen in der Kontrollgruppe teilnahmen, um die diagnostischen Parameter zirkulierender miRNAs zu untersuchen. Eine Metaanalyse bestätigte, dass miRNAs potenzielle Biomarker für die klinische Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen sein können, und ihre diagnostische Genauigkeit wird durch die Analyse mehrerer miRNAs besser sein [17].

Im Jahr 2018 wurde eine Studie amerikanischer Neurologen veröffentlicht, in der die Spiegel spezifischer miRNAs in der Cerebrospinalflüssigkeit von Menschen untersucht wurden, die genetische Mutationen im Zusammenhang mit der Huntington-Krankheit tragen. Als Ergebnis konnten sie 6 microRNAs nachweisen (miR-520f-3p, miR-135b-3p, miR-4317, miR-3928-5p, miR-8082, miR-140-5p), deren Spiegel vor 20 Jahren zu wachsen begannen das erwartete Auftreten der ersten Symptome der Krankheit. Dies erhöht laut Wissenschaftlern die Chancen, die Behandlung wirksam zu machen und den Ausbruch der Krankheit zu verzögern [18].

In anderen Studien wurden spezifische microRNAs gefunden (miR-455-3p, miR-501-3p, miR-26a-5p, miR-181c-3p, miR-126-5p, miR-22-3p, miR-148b-5p, miR-106b-3p, miR-6119-5p, miR-1246, miR-660-5p)) ermöglicht es uns, eine andere schwerwiegende Neuropathologie - die Alzheimer-Krankheit - genauer und früher zu diagnostizieren [19, 20, 21].

Studien haben auch gezeigt, dass miRNAs nicht nur zur Diagnose, sondern auch als therapeutisches Ziel bei der Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden können [22, 23]. Und das ist nicht überraschend. Nach modernen Schätzungen steht die Expression von etwa 60% der menschlichen Gene in direktem Zusammenhang mit der Wirkung von miRNAs, und die Funktionen der meisten von ihnen sind noch unklar [24].

MicroRNAs haben sich als sehr empfindliche Biomarker erwiesen, die es ermöglichen, die Krankheit an den entferntesten Ansätzen zu identifizieren, wenn noch keine Symptome und pathologischen Veränderungen sichtbar sind. Was macht sie zu einem einzigartigen Werkzeug im Kampf für eine gesunde Langlebigkeit. Und obwohl die Definition der „dunklen Materie der Biologie“ in Bezug auf miRNAs immer noch zu finden ist, zeigt das, was bereits bekannt ist, große Aussichten für die Untersuchung dieser kleinen Moleküle.

Der Autor der Rezension: Alexey Rzheshevsky.