Dugo i kratko: duge nekodirajuće RNA u neuronskom razvoju i bolestima

1. Svestrane i stratificirane funkcionalnosti lncRNA

Duge nekodirajuće RNK (lncRNA) su polimeri nukleinskih kiselina u nastajanju koji igraju ključnu regulatornu i strukturnu ulogu u brojnim ćelijskim procesima [1-3]. Dok pravi raspon njihovog impresivnog funkcionalnog repertoara još uvijek čeka punu istragu, sada se mnogo zna o nekim od njihovih raznolikih nuklearnih i citoplazmatskih funkcija. U jezgri, lncRNA mogu preoblikovati arhitekturu hromozoma, modulirati interakcije hromatina i remodeliranje, regulisati inicijaciju i elongaciju transkripcije, itd. [4–10].

Kliknite za cistanche dozu za neuroprotektivni efekat

Značajno je da i čin biogeneze lncRNA i rezultirajući transkripti mogu doprinijeti regulaciji [11, 12]. Zanimljivo je da lncRNA također djeluju kao skele za stvaranje jezgri u formiranju dinamičkih skupova ribonukleoproteina koji se nazivaju nuklearna tijela [13-15]. Iako se većina lncRNA zadržava u jezgri, neke funkcionišu u citoplazmi, pa čak i mitohondrijama kako bi reostatirale stabilnost i translaciju mRNK, kroz direktne interakcije sa mRNA, mikroRNK, proteinima koji se vezuju za RNK, pa čak i ribosomima [16–18].

Čak i posttranslaciona modifikacija kao što je fosforilacija može se kontrolisati pomoću lncRNA promjenom interakcije ciljnog proteina s kinazama i fosfatazama [19, 20]. Uprkos ovim fascinantnim biološkim efektima, postoje značajne prepreke u funkcionalnom i mehaničkom objašnjenju lncRNA.

Prvo, česta redundantnost gena kod ljudi otežava dodjelu funkcije pojedinačnim genima lncRNA na osnovu manipulacija jednim genom. Ovo je ilustrovano slučajem gena Drosophila roX1 i roX2, a moguće i gena MALAT-1 (Metastasis Associated Lung Adenocarcinoma Transscript 1) [21–23]. Drugo, kako lncRNA geni mogu funkcionirati na različitim točkama regulacije iu različitim oblicima, može biti teško razlikovati efekte transkripata lncRNA per se, proteinskih proizvoda za koje se sada zna da neke lncRNA kodiraju, i čin njihove transkripcije i obrada [10, 24]. Treće, primarne sekvence većine lncRNA nisu dobro očuvane, a mnoge od njih su ograničene na genome sisara [25, 26].

Ovo otežava efektivno višestruko poravnanje sekvenci koje se koristi za izdvajanje informacija o očuvanim regionima i motivima sekvence. Konačno, na nivoima sekundarnih i tercijarnih struktura, mnoge ako ne i većina lncRNA pokazuju ograničenu kovarijaciju sekvence koja bi podržala prisustvo dobro očuvanih regiona stabljike, koji su obilježja očuvanih funkcionalnih struktura pronađenih u poznatim strukturiranim RNK [25, 27, 28 ].

Sa nedavnim procvatom i primjenom umjetne inteligencije i neuronskih mreža u biologiji, mogu postojati prilike za primjenu ovih novih tehnologija u analizi, klasifikaciji, pretraživanju obrazaca i predviđanju sekundarnih i tercijalnih struktura lncRNA. Ako su uspješni, ovi pristupi također mogu pružiti drugi put ka uspostavljanju odnosa struktura-funkcija.

2. Regulatorne uloge lncRNA u neuralnom razvoju i patologiji

Raznovrsne i stratifikovane funkcije lncRNA su posebno izražene u centralnom nervnom sistemu (CNS), posebno u mozgu. Mnoge lncRNA su eksprimirane na mnogo višim nivoima u mozgu, a čini se da su neke konzervirane lncRNA specifične za mozak [29, 30]. Ovi nalazi su u skladu sa idejom da programi ekspresije gena tokom razvoja CNS-a i mozga, u poređenju sa programima drugih tkiva i organa, zahtevaju precizniju, sofisticiraniju i koordiniranu kontrolu.

Međutim, kao što je gore objašnjeno, mehaničke analize lncRNA u različitim biološkim kontekstima bile su izazovne, zbog njihovog malog broja kopija, redundantnosti gena, opšteg nedostatka značajne konzervacije sekvence i kovarijacije, i nedostatka strukturnih informacija na sekundarnom, tercijarnom , i kvartarni nivoi (slika 1A) [27, 31–33].

Zaista, strukturne i mehaničke analize visoke rezolucije nekodirajućih RNK ​​mnogo manjih od većine lncRNA su već tehnički izazovne, uprkos nedavnoj revoluciji rezolucije koju su donele jednočestične krio-EM analize [34–38]. Ovi nedostaci su djelimično doprinijeli naizgled suprotstavljenim nalazima i modelima za predložene mehanizme djelovanja nekih lncRNA.

Stoga, u ovoj ranoj razvojnoj fazi biologije lncRNA, u ovoj ranoj razvojnoj fazi biologije lncRNA, vrijedne su komparativne meta-analize koje upoređuju i suprotstavljaju više linija dokaza kako bi se sintetizirali i izvukli opći uvidi i trendovi. Jedna takva analiza, Oe et al. [39], počinje sa poznatim ulogama odabranih lncRNA u toku neuronske diferencijacije, od samoobnavljanja neuronskih matičnih ćelija do predanosti ćelijskim sudbinama i njihovog funkcionalnog sazrevanja (slika 1B).

Zaista, mnoge lncRNA doprinose ovoj početnoj fazi neuralnog razvoja, uključujući MALAT1, TUNA (Tcl1 Upstream NeuronAssociated lincRNA) itd. [40, 41]. Nakon što se neuroni diferenciraju i dodijele im karakteri, dendriti i aksoni rastu prema van i stvaraju prve sinapse koje počinju formirati neuronske krugove, poznate kao sinaptogeneza. LncRNA kao što su MALAT1, FMR4 (krhka X mentalna retardacija 4) i BC1 (Citoplazmatska RNA mozga 1) regulišu sinaptogenezu ili sinaptičku plastičnost [40, 42].

Sinaptička plastičnost je posljednja faza neuralnog razvoja u kojoj sinaptički prijenosi mijenjaju snagu ili učinkovitost kao odgovor na podražaje, a neophodna je za funkcije mozga uključujući učenje i pamćenje. Zanimljivo je da se sinaptička plastičnost također predlaže da modulira ekspresiju velikog skupa lncRNA, omogućavajući na taj način međusobnu regulaciju i potencijalnu kontrolu povratnih informacija [43].

Logično, deregulacija ekspresije i rada lncRNA povezana je s nastankom i patogenezom nekoliko neuroloških bolesti. Oe et al. [39], fokusiraju se na diskusiju o poznatim korelacijama između deregulacije lncRNA i primarnih neuroloških bolesti uključujući neurodegenerativne bolesti kao što su Alchajmerova i Parkinsonova bolest, i gliom, karcinom mozga glijalnih ćelija koje okružuju i podržavaju neurone.

Zanimljivo je da predloženi mehanistički putevi koji povezuju implicirane lncRNA (npr. HOTAIR, NEAT1, 51A) sa patologijama bolesti često uključuju direktne interakcije lncRNA sa mikroRNA, regulaciju ciljne mRNA i stabilnost proteina, kao i epigenetsku regulaciju kao što je promjena metilacije DNK .

Dok je analiza Oe et al. [39] naglašava dvije decenije uzbudljivog napretka na raskrsnici između lncRNA biologije i neuralnog razvoja i patologije, ostaje još mnogo toga da se potvrdi i razjasni kako bi se takvo osnovno znanje prešlo u pouzdanu dijagnostiku, terapiju i kliničku primjenu.

Ono što je također jasno je da su potrebne fundamentalne mehaničke analize lncRNA na molekularnom i strukturnom nivou kako bismo produbili naše razumijevanje ovih novousvojenih regulatornih polimera, koji često pokazuju nove i često iznenađujuće načine rada i neobične obrasce očuvanja [32, 44] .

koji je mehanizam zaštite neurona Cistanche

Cistanche je tradicionalna kineska medicina poznata po svojim neuroprotektivnim efektima. Neke studije sugeriraju da aktivni spojevi u Cistancheu, kao što su ehinakozid i akteozid, mogu djelovati smanjenjem oksidativnog stresa, regulacijom imunološkog sistema i povećanjem nivoa neurotrofina.

Oksidativni stres je proces u kojem slobodni radikali oštećuju stanice, uključujući neurone u mozgu. Cistanche spojevi djeluju kao antioksidansi i neutraliziraju slobodne radikale, sprječavajući ih da uzrokuju oštećenje neurona.

Imuni sistem igra važnu ulogu u nastanku mnogih moždanih poremećaja, uključujući neurodegenerativne bolesti. Cistanche spojevi moduliraju imunološki odgovor i smanjuju upalu, koja se često povezuje s neurodegenerativnim bolestima.

Neurotrofini su proteini koji podržavaju rast i opstanak neurona. Studije su pokazale da jedinjenja Cistanchea povećavaju nivoe neurotrofina, koji mogu pomoći u zaštiti neurona od oštećenja.

Općenito, neuroprotektivni efekti Cistanchea vjerovatno su posljedica kombinacije njegovih antioksidativnih, protuupalnih i neurotrofičnih svojstava.

References

[1] Cech T, Steitz J. Nekodirajuća RNA revolucija—razbacivanje starih pravila za stvaranje novih. Cell. 2014, 157: 77–94.

[2] Statello L, Guo C, Chen L, Huarte M. Regulacija gena dugim nekodirajućim RNK i njene biološke funkcije. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2021, 22: 96–118.

[3] Yao R, Wang Y, Chen L. Ćelijske funkcije dugih nekodirajućih RNA. Prirodna ćelijska biologija. 2019, 21: 542–551.

[4] Chen CK, Blanco M, Jackson C, Aznauryan E, Ollikainen N, Surka C, et al. Xist regrutuje X hromozom u nuklearnu laminu kako bi omogućio utišavanje na cijelom hromozomu. Nauka. 2016, 354: 468–472.

[5] Rinn JL, Kertesz M, Wang JK, Squazzo SL, Xu X, Brugmann SA, et al. Funkcionalna demarkacija aktivnih i tihih domena hromatina u ljudskim HOX lokusima nekodirajućim RNK. Cell. 2007, 129: 1311–1323.

[6] Zhao J, Sun BK, Erwin JA, Song J-, Lee JT. Polycomb proteini ciljani RNA kratkog ponavljanja na mišji X hromozom. Nauka. 2008, 322: 750–756.

[7] Calo E, Flynn RA, Martin L, Spitale RC, Chang HY, Wysocka J. RNA helikaza DDX21 koordinira transkripciju i obradu ribosomske RNK. Priroda. 2015, 518: 249–253.

[8] Mariner PD, Walters RD, Espinoza CA, Drullinger LF, Wagner SD, Kugel JF, et al. Ljudska Alu RNK je modularni represor transkripcije mRNA tokom toplotnog šoka. Molecular Cell. 2008, 29: 499–509.

[9] Xing Y, Yao R, Zhang Y, Guo C, Jiang S, Xu G, et al. SLERT reguliše DDX21 prstenove povezane sa Pol I transkripcijom. Cell. 2017, 169: 664–678.e16.

[10] Wu M, Xu G, Han C, Luan P, Xing Y, Nan F, et al. LncRNA SLERT kontroliše fazno odvajanje FC/DFC-a kako bi se olakšala transkripcija Pol I. Nauka. 2021, 373: 547–555.

[11] Engreitz JM, Haines JE, Perez EM, Munson G, Chen J, Kane M, et al. Lokalna regulacija ekspresije gena pomoću promotora lncRNA, transkripcije i spajanja. Priroda. 2016, 539: 452–455.

[12] Latos PA, Pauler FM, Koerner MV, Şenergin HB, Hudson QJ, Stocsits RR, et al. Airn transkripcijsko preklapanje, ali ne i njegovi lncRNA proizvodi, inducira utišavanje utisnutog Igf2r. Nauka. 2012, 338: 1469–1472.

[13] Clemson CM, Hutchinson JN, Sara SA, Ensminger AW, Fox AH, Chess A, et al. Arhitektonska uloga za nuklearnu nekodirajuću RNK: NEAT1 RNA je esencijalna za strukturu paraspeckla. Molecular Cell. 2009, 33: 717–726.

[14] Yin Q, Yang L, Zhang Y, Xiang J, Wu Y, Carmichael GG, et al. Duge nekodirajuće RNK sa snoRNA krajevima. Molecular Cell. 2012, 48: 219–230.

[15] Wilusz JE, Freier SM, Spector DL. 3'-završna obrada duge nekodirajuće RNK koja je zadržana u jezgri daje citoplazmatsku RNK sličnu tRNA. Cell. 2008, 135: 919–932.

[16] Gong C, Maquat LE. LncRNA transaktiviraju STAU1-posredovani raspad mRNA dupleksiranjem sa 3' UTRs preko Alu elemenata. Priroda. 2011, 470: 284–288.

[17] Carrieri C, Cimatti L, Biagioli M, Beugnet A, Zucchelli S, Fedele S, et al. Duga nekodirajuća antisens RNK kontroliše translaciju Uchl1 kroz ugrađeno ponavljanje SINEB2. Priroda. 2012, 491: 454–457.

[18] Lee S, Kopp F, Chang T, Sataluri A, Chen B, Sivakumar S, et al. Nekodirajuća RNA NORAD reguliše genomsku stabilnost sekvestrirajući PUMILIO proteine. Cell. 2016, 164: 69–80.

[19] Wang P, Xue Y, Han Y, Lin L, Wu C, Xu S, et al. STAT3- vezujuća duga nekodirajuća RNA i DC kontrolišu diferencijaciju ljudskih dendritskih ćelija. Nauka. 2014, 344: 310–313.

[20] Liu B, Sun L, Liu Q, Gong C, Yao Y, Lv X, et al. Citoplazmatski NF-κB u interakciji s dugom nekodirajućom RNK blokira IκB fosforilaciju i suzbija metastaze raka dojke. Cancer Cell. 2015, 27: 370–381.

[21] Meller VH, Rattner BP. RoX geni kodiraju suvišne smrtonosne transkripte specifične za muškarce potrebne za ciljanje MSL kompleksa. EMBO Journal. 2002, 21: 1084–1091.

[22] Kim J, Piao H, Kim B, Yao F, Han Z, Wang Y, et al. Duga nekodirajuća RNA MALAT1 potiskuje metastaze raka dojke. Nature Genetics. 2018, 50: 1705–1715.

[23] Arun G, Diermeier S, Akerman M, Chang K, Wilkinson JE, Hearn S, et al. Diferencijacija tumora dojke i smanjenje metastaza nakon gubitka Malat1 lncRNA. Geni i razvoj. 2016, 30: 34–51.

[24] Matsumoto A, Pasut A, Matsumoto M, Yamashita R, Fung J, Monteleone E, et al. MTORC1 i regeneraciju mišića reguliše LINC00961-kodirani SPAR polipeptid. Priroda. 2017, 541: 228–232.

[25] Johnsson P, Lipovich L, Grandér D, Morris KV. Evolucijska konzervacija dugih nekodirajućih RNK; sekvenca, struktura, funkcija. Biochimica et Biophysica Acta. 2014, 1840: 1063–1071.

[26] Ruan X, Li P, Chen Y, Shi Y, Pirooznija M, Seifuddin F, et al. Funkcionalna analiza in vivo nekonzerviranih humanih lncRNA povezanih s kardiometaboličkim osobinama. Nature Communications. 2020; 11:45.

[27] Rivas E, Clements J, Eddy SR. Statistički test za očuvanu RNK strukturu pokazuje nedostatak dokaza za dizajn u lncRNA. Prirodne metode. 2017, 14: 45–48.

[28] Diederichs S. Četiri dimenzije nekodirajuće RNA konzervacije. Trendovi u genetici. 2014, 30: 121–123.

[29] Derrien T, Johnson R, Bussotti G, Tanzer A, Djebali S, Tilgner H, et al. GENCODE v7 katalog ljudskih dugih nekodirajućih RNK: analiza njihove genske strukture, evolucije i ekspresije. Genome Research. 2012, 22: 1775–1789.

[30] Ponjavić J, Oliver PL, Lunter G, Ponting CP. Genomska i transkripcijska ko-lokalizacija proteinsko-kodirajućih i dugih nekodirajućih RNA parova u mozgu u razvoju. PLoS Genetics. 2009; 5: e1000617.

[31] Guo CJ, Ma XK, Xing YH, Zheng CC, Xu YF, Shan L, et al. Izrazita obrada lncRNA doprinosi nekonzerviranim funkcijama u matičnim ćelijama. Cell. 2020, 181: 621–636.e22.

[32] Palazzo AF, Koonin EV. Funkcionalne duge nekodirajuće RNK nastaju iz neželjenih transkripata. Cell. 2020, 183: 1151–1161.

[33] Brown JA, Valenstein ML, Yario TA, Tycowski KT, Steitz JA. Formiranje trostrukih spiralnih struktura od strane 3'-krajnih sekvenci MALAT1 i MEN nekodirajućih RNK. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012, 109: 19202–19207.

[34] Hood IV, Gordon JM, Bou-Nader C, Henderson FE, Bahmanjah S, Zhang J. Kristalna struktura RNA povezane s virusom adenovirusa. Nature Communications. 2019; 10: 2871.

[35] Li S, Su Z, Lehmann J, Stamatopoulou V, Giarimoglou N, Henderson FE, et al. Strukturna osnova nadzora aminokiselina interakcijama tRNA-mRNA višeg reda. Prirodna strukturna i molekularna biologija. 2019, 26: 1094–1105.

[36] Suddala KC, Zhang J. Visoko afinitetno prepoznavanje specifičnih tRNA pomoću žlijeba za vezivanje antikodona mRNA. Prirodna strukturna i molekularna biologija. 2019, 26: 1114–1122.

[37] Uroda T, Chillón I, Annibale P, Teulon J, Pessey O, Karuppasamy M, et al. Vizualizacija funkcionalnog 3D oblika i topografije dugih nekodirajućih RNK ​​pomoću mikroskopije atomske sile jedne čestice i hidrodinamičkih tehnika u otopini. Protokoli prirode. 2020, 15: 2107–2139.

[38] Qu G, Kaushal PS, Wang J, Shigematsu H, Piazza CL, Agrawal RK, et al. Struktura introna grupe II u kompleksu sa njegovom reverznom transkriptazom. Prirodna strukturna i molekularna biologija. 2016, 23: 549–557.

[39] Oe S, Kimura T, Yamada H. Regulatorne nekodirajuće RNA u razvoju i bolesti nervnog sistema. Frontiers in Bioscience. 2019, 24: 1203–1240.

[40] Bernard D, Prasanth KV, Tripathi V, Colasse S, Nakamura T, Xuan Z, et al. Dugotrajna nekodirajuća RNA reguliše sinaptogenezu modulacijom ekspresije gena. EMBO Journal. 2010, 29: 3082–3093.

[41] Lin N, Chang K, Li Z, Gates K, Rana ZA, Dang J, et al. Evolucijski očuvana duga nekodirajuća RNA TUNA kontrolira pluripotenciju i posvećenost neuralnoj liniji. Molecular Cell. 2014, 53: 1005–1019.

[42] Muslimov IA, Santi E, Homel P, Perini S, Higgins D, Tiedge H. Transport RNA u dendritima: ciljni element koji djeluje na cis sadržan je u neuronskoj BC1 RNA. Journal of Neuroscience. 1997, 17: 4722–4733.

[43] Maag JLV, Panja D, Sporild I, Patil S, Kaczorowski DC, Bramham CR, et al. Dinamička ekspresija dugih nekodirajućih RNK ​​i ponavljajućih elemenata u sinaptičkoj plastičnosti. Frontiers in Neuroscience. 2015;9:351.

[44] Baker M. Duge nekodirajuće RNA: potraga za funkcijom. Prirodne metode. 2011, 8: 379–383.

1Laboratorija za molekularnu biologiju, Nacionalni institut za dijabetes i bolesti probave i bubrega, Bethesda, MD

20892, Sjedinjene Američke države