Uloga mikroRNA u opadanju proteostaze i agregaciji proteina

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

sažetak:Starenje se može definirati kao progresivno pogoršanje ćelijske, tkiva i funkcije organizma tokom vremena. Promjene u homeostazi proteina, također poznate kao proteostaza, su obilježje starenja koje dovode do neravnoteže proteoma i agregacije proteina, pojava koje se javljaju i kod bolesti povezanih sa starenjem. Među različitim regulatorima proteostaze, zabilježeno je da mikroRNA (miRNA) igraju važnu ulogu u post-transkripcijskoj kontroli gena uključenih u održavanje proteostaze tokom životnog vijeka u nekoliko tkiva organizma. U ovom pregledu objedinjujemo nedavno objavljene izvještaje koji pokazuju kako miRNA reguliraju fundamentalne procese povezane s proteostazom relevantne za starenje tkiva, s naglaskom na dva najproučavanija tkiva, moždano tkivo i skeletni mišić. Također istražujemo novu perspektivu o ulozi regulatornih mreža miRNA u agregaciji proteina vezanih za starenje, poznatom obilježju starenja i bolesti povezanih sa starenjem, kako bismo razjasnili potencijalne miRNA kandidate za dijagnostičke i terapeutske ciljeve protiv starenja.

Molimo kliknite ovdje da saznate više

Ključne riječi:miRNA; starenje tkiva sisara; agregacija proteina povezana sa starenjem; proteostazna mreža

1. Uvod

Do 2050. godine, 22 posto svjetske populacije bit će starije od 60 godina, što će dovesti do povećanja incidencije bolesti povezanih sa godinama i uticati na dugovječnost i dobrobit starijih [1]. Promjene u proteostazi su karakteristične za neurodegenerativne bolesti povezane sa starenjem poput Alchajmerove i Parkinsonove bolesti, kao i za normalno starenje [2-4]. Pad proteostaze se sastoji od postepene neravnoteže u sintezi proteina, procesima savijanja i degradacije tokom vremena što dovodi do povećanog pogrešnog savijanja proteina i proteotoksičnog stresa koji na kraju smanjuju dugovječnost organizma [2,5-8].

Cistanche može protiv starenja

Proizvodnja pogrešno savijenih proteina rezultira agregacijom proteina i aktivacijom puteva odgovora na stres povezanih s proteostazom, koji su zajednički poznati kao mreža proteostaze (PN) i uključuju odgovor na toplotni šok (HSR), nesavijeni proteinski odgovor u endoplazmatskom retikulumu ( ER) (UPREN) i u mitohondrijima (UPRmt), ubikvitin-proteasomskom sistemu (UPS) i autofagno-lizozomskom putu (ALP). Aktivacija PN-a je neophodna za ponovno savijanje i/ili razgradnju proteinskih agregata, što smanjuje nivoe stresa i sprječava ćelijsku smrt [9-12]. Agregacija proteina tokom normalnog starenja takođe je proučavana na nekoliko modela organizma, i to u bubrezima i pankreasu Rattus norvegicus [13,14], u srcu, koštanoj srži i slezeni Mus musculus [15,16] i u ljudski korteks[17,18]. Međutim, osnovni mehanizmi ovog fenomena do danas ostaju nejasni.

MikroRNA (miRNA) su klasa malih, nekodirajućih RNK ​​dužine od 21 do 23 nukleotida koji reguliraju ekspresiju gena nakon transkripcije ciljajući i sprječavajući translaciju specifičnih glasnih RNK ​​(mRNA). Oni regulišu mnoštvo ćelijskih procesa, odnosno rast i diferencijaciju ćelija, razvoj organizma, fiziološko funkcionisanje i ćelijsku homeostazu[19-21]. U stvari, ~2500 miRNA prijavljenih kod ljudi reguliše otprilike 60 posto gena koji kodiraju proteine, dok svaka miRNA regulira, u prosjeku, 200 ciljnih gena putem komplementarnih ciljnih mjesta [22]. Tokom protekle decenije, pokazalo se da eksperimenti prekomjerne ekspresije miRNA i/ili knockdown-a direktno mijenjaju životni vijek kod C.elegans, D.melanogaster i M.musculus[23-26]. Značajno je da su studije na stogodišnjacima pružile više znanja o tome koliko su dinamični ljudski miRNA profili tokom starenja [27,28] Na primjer, povećana biogeneza miRNA je uočena kod stogodišnjaka u poređenju sa osmogodišnjacima [29]. Novije studije su pokazale da miRNA reguliraju procese povezane sa godinama, a neki dokazi povezuju miRNA sa agregacijom proteina u tkivima sisara, naime u mozgu i skeletnim mišićima [30,31].

Ipak, ekspresija miRNA može biti specifična za tkivo ili ćeliju, au isto vrijeme, miRNA mogu biti nećelijske autonomne, djelujući kao medijatori u različitim tkivima [32]. Promjene povezane sa godinama koje utiču na specifične porodice miRNA mogu se razlikovati ovisno o tipu ćelije i tkiva, što ove analize čini izazovnim zbog složenosti i međusobne povezanosti miRNA mreža u jednom organizmu [19,26]. Osim toga, cirkulirajuće miRNA (c-miRNA) i njihovi šatlovi (tj. ekstracelularni vezikuli) nedavno su zabilježeni kao markeri zdravog fiziološkog starenja, s miR-19a-3p i miR-19 Utvrđeno je da je b-3p povećan kod starijih osoba, ali smanjen kod zdravih stogodišnjaka, dodajući tako još jedan sloj zamršenosti u miRNA regulatornu mrežu[27,28]. Iz tog razloga, prethodne studije su pružile kompilaciju miRNA povezanih sa specifičnim obilježjima starenja u različitim modelnim organizmima kako bi se pružila bolja reprezentacija miRNA koje su povezane sa starenjem u nekoliko tkiva [33]. Ovaj pregled se fokusira na nedavno objavljene izvještaje o miRNA regulaciji genskih meta uključenih u procese povezane s proteostazom koji su relevantni za starenje tkiva, s posebnim naglaskom na starenje tkiva sisara.

2. Biogeneza i ciljno vezivanje miRNA

RNA polimeraza II transkribuje miRNA, proizvodeći primarne miRNA transkripte (prethodne miRNA) koje zatim obrađuje Drosha/DGC8, enzimski mikroprocesorski kompleks RNase III, da bi proizveo ~70-100 nukleotid (nt) prekursor miRNA petlje stabla (prethodno -miRNA) [21,34]. Ove pre-miRNA se izvoze iz jezgra u citoplazmu preko Exportina-5, RanGTP-zavisnog, dvolančane RNK-vezujuće i nuklearnog transportnog proteina, a zatim se cijepaju od strane enzima RNase II Dicer, dajući {{ 13}} nt dvolančanih zrelih miRNA dupleksa [35,36]. MiRNA može poticati sa 5' strane pre. miRNA nazvana "5p" lanac, ili sa 3' kraja, koji je poznat kao "3p" lanac [37] U prošlosti je prijavljeno da proces selekcije lanca počinje s jednim od dupleksiranih miRNA lanaca poznatih kao miR ili vodeći lanac, koji je odabran i napunjen u protein Argonaute da formira miRNA-inducirani kompleks za utišavanje (miRISC), dok je drugi lanac, tradicionalno označen kao putnički lanac ili miR', izbačen iz kompleksa i degradiran [37 ]. Ipak, u nekim slučajevima, bilo koji lanac se može odabrati i učitati u Argonaute proteine ​​da reguliše ekspresiju gena, kao što je slučaj miR-34 gdje je miR-34b-5p i miR{ {27}}b-3p su prisutni u približno jednakim koncentracijama kod ljudi, što omogućava ciljanje različitih mRNA [37-39]. Fenomen koji se naziva "promjena ruka miRNA" je gdje preferencijalni odabir 3' ili 5'miRNA krakova za odabir lanca može ovisiti ili o tipu tkiva ili o razvojnoj fazi života, dok deregulacija ovog proces je povezan sa bolešću [37-39]MiRISC može ciljati specifične mRNA putem komplementarnosti sekvence između sekvence sjemena učitanog miRNA vodiča (2-7 nukleotida) i u većini slučajeva 3 neprevedena regiona (3 'UTR) ciljne mRNA [32,34]. U nekim slučajevima, 3' krajevi miRNA mogu biti podvrgnuti preferencijalnom komplementarnom vezivanju za motive u 5'UTR regionima ciljne mRNA[40,41]. Promjena ruke može rezultirati akumulacijom zrelih miRNA sa izmijenjenim sekvencama sjemena, što drastično mijenja ciljanje mRNA[42]Tokom starenja dolazi do generalnog pomaka u ekspresiji 3 i 5' zrelih krakova miRNA, s povećanjem 5 'zrela ekspresija i opadajuća 3' ekspresija tokom vremena, posebno za miR-6786 u uzorcima ljudske plazme [42]. U isto vrijeme, miR-4423 je identificiran sa najsmanjenijim omjerom ekspresije 5', naime u majčinom mlijeku, srcu, testisima, matičnim stanicama i krvnim stanicama, što znači da su starosne varijacije u 3' do Omjeri ekspresije 5'zrele miRNA mogu biti zavisni od tkiva [42]

U doba sekvenciranja sljedeće generacije, pokazalo se da jedan pojedinačni lokus miRNA može proizvesti nekoliko različitih izoforma miRNA ili izomiR-a, koji su varijante sekvence miRNA koje su promijenile 3' i/ili 5' kraj(ove) zbog nukleotida dodavanje, brisanje ili supstitucija [43]. Biogeneza izomiR-a može biti zavisna od šablona, ​​što rezultira pomeranjem 5' ili 3' nukleotida, ili nezavisna od šablona, ​​što dovodi do post-transkripcionog uređivanja RNK i zadržavanja repa [44]. IzomiR se mogu klasifikovati kao 3', 5', polimorfni i mešoviti, u zavisnosti od varijacije sekvence i promena u dužini [4]. Modifikacije sekvence nakon sazrijevanja kao što su trimming (uklanjanje nukleotida putem egzoribonukleaza na 3' kraju) i tailing (dodavanje nukleotida terminalnim nukleotidil transferazama na 3' kraju) dovode do 3' izomiR-a (također poznatih kao 3'-isomi -podrezani i 3'-isomiR-tailed)[43-45]Takođe je objavljeno da se 5' izomiR-ovi uglavnom stvaraju nepreciznim cijepanjem miRNA sekvenci preko Drosha i/ili Dicer-a[43]. Polimorfni izomiR-ovi sadrže promjene unutar zrelog niza i nepromijenjeni su po dužini, dok mješoviti izomiR-ovi sadrže promjene u dužini i sekvenci[46,47]. Značajno, pokazalo se da je stvaranje izomiR-a specifično za ćelije i tkiva kod sisara, te su korišteni kao biomarkeri raka i uključeni u Alchajmerovu bolest[48,49].

Postoji vrlo malo studija koje u potpunosti razjašnjavaju ulogu izomiR-a u kontekstu starenja. Nedavno je utvrđeno da je isomiR-19a-3p značajno povećan kod nezdravih stogodišnjaka u poređenju sa zdravim stogodišnjacima, što ukazuje da se ovaj izomiR može koristiti kao potencijalni marker za zdravo starenje [28]. Nadalje, izomiR sekvenciranje metforminom tretiranih (liječenje produženjem životnog vijeka) ljudskih endotelnih ćelija pupčane vene (HUVEC) tokom replikativne senescencije otkrilo je da nekanonske sekvence čine gotovo 40 posto ukupnog miRNA skupa, pri čemu je liječenje metforminom značajno promijenilo relativnu obilje od 133 izomiR-a koji su identifikovani kao varijante 73 pojedinačne miRNA [50]. Zanimljivo je da je utvrđeno da su ciljni geni ovih miRNA i izomiR-a dio fosfatidilinozitol-3-kinaze (PI3K)-Akt puta i meta signalnog puta rapamicina (mTOR) kod sisara [50]. Značajno je da je većina izomiR-a pogođenih liječenjem metforminom identificirana kao 3'izomiR; međutim, oko 5 procenata je identifikovano kao 5' izomiR, za koje se pokazalo da pomeraju sekvencu semena i daju veći broj ciljnih gena koji nisu uobičajeni u miRNA metama u ovoj studiji [50]. Još jednom, čini se da su izomiR-ovi učinkoviti markeri za procjenu zdravog starenja i produženja životnog vijeka. Ipak, biološke reperkusije dinamičkih promjena u izomiR-u kroz starenje i starenje treba dalje istražiti.

Studije su objavile da je najmanje šest baznih parova miRNA i mRNA neophodno za utišavanje ekspresije gena, a zbog ovog komplementarnog vezivanja sa ciljnom mRNA, pojedinačne miRNA mogu imati više ciljnih mRNA (otprilike 100 mRNA) i mogu istovremeno ciljaju različita 3-UTR mjesta iste mRNA, dok različite miRNA također mogu ciljati istu mRNA, što povećava složenost regulatornih ishoda za istu mRNA [32]. Ovo znači da svaka ćelija i tip tkiva predstavljaju vrlo složene obrasce miRNA, a disregulacija jedne ili više komponenti unutar miRNA mreža može rezultirati neravnotežom homeostaze, skraćenim životnim vijekom i bolešću [5152]. U stvari, stogodišnjaci pokazuju pojačanu regulaciju ekspresije miRNA, naime miR-16,miR-18a i miR-21, dok ekspresija mRNA RNA polimeraze Ⅱ, Drosha, Exportin{{ 10}}, i Dicer su također regulirani u odnosu na oktogenarce [29].

3. Ciljno usmjerena degradacija miRNA i njena uloga u fundamentalnim ćelijskim procesima

Za razliku od biogeneze miRNA, uloga raspada/razgradnje miRNA – posebno ciljano usmjerene razgradnje miRNA (TDMD) – u zdravlju i bolesti tek počinje da se razjašnjava. TDMD se javlja kada je ciljna RNK u stanju inducirati degradaciju/propadanje svoje srodne miRNA umjesto da izazove represiju cilja, što omogućava modulaciju raznih ćelijskih procesa. TDMD se javlja kada postoji ekstenzivno komplementarno vezivanje na 3'regiji miRNA, što izaziva konformacionu promjenu koja stimulira oslobađanje 3'kraja iz veznog džepa Ago PAZ domene [53-55]Naknadno izlaganje 3'kraj omogućava enzimsku degradaciju miRNA [54]Ovaj proces također može biti popraćen post-transkripcijskim modifikacijama miRNA sekvence, kao što je zadržavanje repa (pomoću terminalnih nukleotidil transferaza) i trimovanje (od 3'-do{{9) }}'egzonukleaze), što rezultira proizvodnjom izomiR-a[56,57]. TDMD mete su takođe u stanju da zarobe Ago2 u određenoj konformaciji koja omogućava izlaganje kraja miRNA 3' za rep i trimovanje, dok se kontinuirano vezuju za Ago2 [54,55]. Zanimljivo je da je moguće izmjeriti stope propadanja miRNA u stanicama sisara kombiniranim metodologijama kao što je označavanje "pulse-chase" bazirano na metaboličkoj RNA 4sU s visokopropusnim RNA sekvenciranjem, pri čemu se pokazalo da su obrezivanje i zadržavanje repa dinamički tokom vremena u fibroblastima [ 57]Ove metodologije mogu se pokazati korisnima u budućim studijama koje procjenjuju raspad miRNA tokom fiziološkog starenja.

Nekoliko studija istraživalo je endogeni TDMD i njegovu funkciju kod sisara, identificirajući ključne ciljne gene uključene u ovaj fenomen. Na primjer, Serpinel, koji kodira inhibitor serin-treonin proteaze, djeluje na TDMD metu za kontrolu miR-30b-5p i miR-30c-5p degradacije kod miša fibroblasta, čime se promoviše ponovni ulazak mirnih fibroblasta u ćelijski ciklus[58]. Zanimljivo je da svi članovi porodice miR-30 (miR-30a -30b,-30c,-30d i-30e) mogu za interakciju sa Serpinelom; međutim, samo miR-30b i miR-30c pokazuju proširenu komplementarnost 3' kraja (takođe poznatu kao 3C uparivanje) sa Serpinel transkriptom, dokazujući da je ovo 3C uparivanje fundamentalno za TDMD [58]. Uzeto zajedno, Serpinel.miR-30b/c interakcija igra ključnu regulatornu ulogu u fenotipovima ćelija sisara tako što olakšava ponovni ulazak mirnih ćelija u ćelijski ciklus. Za još jedan primjer endogene TDMD mete, gena za protein povezan s neuronskom regeneracijom (Nrep), prijavljeno je da usmjerava degradaciju miR-29b kroz 3' trimovanje, kontrolirajući ukupnu motoričku koordinaciju i motoričko učenje kod miševa[59]. Normalno, Nrep ograničava ekspresiju miR-29b isključivo na cerebelarne Purkinje neurone, dok je poremećaj miR-29 mjesta u Prep-u proširio ekspresiju miR-29b na cerebelarni granularni sloj, što je dovelo do abnormalnog motoričko učenje i koordinacija kod miševa [59]. Preciznije, kodiranje miR-29 mjesta u Nrep u neuralnim progenitorskim ćelijama rezultiralo je odsustvom miR-29 izoforma proizvedenih 3' trimingom ili repom[59]. Zanimljivo je da se pokazalo da mjesto Prep miR-29 ima visoku sličnost sekvence sa nekodirajućom RNA librom u zebrice, koja regulira anksioznost i istraživačko ponašanje kod zebrica [59]. Uzeto zajedno, TDMD je, kroz endogene mete, neophodan za održavanje ispravnih funkcija i ponašanja mozga sisara i u kontroli staničnih fenotipova.

4. Profili ekspresije miRNA su dinamični i specifični su za tkivo tokom starenja

Tokom starenja tkiva, dolazi do progresivnog opadanja u obilju miRNA, što je prvi put prijavljeno zbog smanjenja biogeneze miRNA povezanih sa godinama koje se javlja kroz smanjenje Dicer-a[60]. Zaista, pokazalo se da biogeneza miRNA poboljšava toleranciju na stres i dugovječnost kod C. elegans i u masnom tkivu kod miševa, dok su specifične miRNA bile povezane sa otpornošću na stres i starenjem[23,60]. Nedavno je otkriveno da geni miRNA biogeneze su, u stvari, visoko ciljane od strane miRNA koje su uključene u procese povezane sa starenjem, naime miRNA-71, za koju se pokazalo da smanjuje globalnu ekspresiju miRNA i dovodi do povećane varijabilnosti ekspresije mRNA sa godinama [19]. Ovi rezultati su u skladu s prethodnim dokazima koji su utvrdili miR-71 kao jednu od najproučavanijih miRNA u kontekstu starenja i dugovječnosti, pri čemu je njegova ekspresija značajno pojačana tokom ranog do srednjeg odraslog doba [24,25]. Zanimljivo je da je nedavno objavljeno da miR-71 stimuliše promet proteina zavisan od ubikvitina, posebno u crijevima, produžavajući životni vijek C. elegans, dok je njegova inhibicija utjecala na proteostazu organizma [61]. Konkretno, mirisi hrane koje C. elegans osjeti preko trepljastih AWC olfaktornih neurona 1) stimuliraju ćelijsku neautonomnu regulaciju degradacije proteina zavisne od ubikvitina preko ubikvitin-proteasomskog sistema (UPS) i putem degradacije proteina povezane s endoplazmatskim retikulumom (ER) (ERAD) i 2) povećavaju otpornost crijeva na toplotni stres [61]. Autori su pokazali da miR-71 specifično inhibira protein domene Toll-receptora (TIR-1) u "C"(AWC) mirisnim neuronima krila amfida, dok miR-71 i/ili TIR{ {29}}knockout crvi pokazuju UPS i ERAD disfunkciju, eliminišući uticaj izvora hrane u ovom odgovoru [61]. Jedna važna stvar koja se nameće je da su regulatorne mreže miRNA vrlo zamršene u nekoliko modela organizama, a profili ekspresije miRNA izgleda da su i tkivno specifični i, u isto vrijeme, međusobno povezani s različitim tkivima.

Većina studija koje su istraživale ulogu miRNA u normalnom starenju tkiva sisara fokusirale su se na eksperimente koristeći uzorke uglavnom iz mozga i skeletnog mišićnog tkiva, možda zbog sklonosti ovih tkiva razvoju bolesti povezanih sa starenjem [62]Jedna visoko proučavana miRNA kod starenja i bolesti povezanih sa starenjem je miR-34. Pokazalo se da je ova miRNA pojačano regulirana u starenju C. elegans [63], dok njena prekomjerna ekspresija produžava životni vijek drozofile i smanjuje sklonost neurodegeneraciji uzrokovanoj starenjem [64]Međutim, za razliku od drugih organizama, članovi miR{{7} } porodica igra štetnu ulogu u starenju mozga sisara, gdje je povećana regulacija miR-34c pronađena u mišjem hipokampusu i kod normalnog starenja i kod modela AD i povezana je sa kognitivnim padom [65]. Štaviše, povećana regulacija miR-29a i miR-29b u mozgu miša povezana sa godinama dovodi do disregulacije mikroglije i povećanja neuroinflamacije, što je također obilježje starenja mozga [66]. Slično, tokom procesa starenja, degeneracija i regeneracija mišića su neuravnoteženi, što dovodi do gubitka mišićne homeostaze. Osim toga, miRNA, naime miR-29, su povezane sa sarkopenijom, gubitkom mišićne funkcije uzrokovane starenjem, i pokazalo se da moduliraju apoptozu, starenje i signalizaciju faktora rasta sličnog insulinu (IGF-1) u starenju mišićnih ćelija [67]. Dakle, miRNA se mogu koristiti kao biomarkeri starenja u više od jednog tkiva i za specifične fenotipove povezane sa starenjem kao što je sarkopenija.

Nedavno je grupa studija istraživala ulogu miR-206 tokom starenja vaskularnog (odnosno srčanog mišića) i skeletnih mišića i homeostaze[68-74]. Povećana ekspresija miR-206 bila je povezana sa starenjem krvnih sudova, posebno kod osoba sa aritmijama, [74] i takođe se pokazalo da inhibira proliferaciju vaskularnih glatkih mišićnih ćelija i da promoviše aterosklerozu[72,73]. Ove studije naglašavaju važnost istraživanja regulacije miRNA u jednom specifičnom tkivu sisara kako bi se mogli pronaći novi terapijski ciljevi za specifične patologije povezane sa starenjem.

Uzimajući u obzir sve ove nedavne nalaze, očigledno je da regulatorne mreže miRNA u određenoj mjeri posreduju u starenju i dugovječnosti. Međutim, bitno je razjasniti uloge miRNA za svaki model organizma zbog složene prirode regulatornih mreža miRNA i mnoštva potencijalnih meta koje svaka miRNA može posjedovati. U narednim odeljcima pobliže ističemo uticaj pada proteostaze miRNK specifično vezanog za starenje, što uključuje degradaciju proteina i procese čišćenja, sažeto na Slici 1, i ulazimo u njihov potencijalni uticaj na široko rasprostranjenu agregaciju proteina tokom starenja sisara.

5. Uloga regulacije miRNA u autofagnom opadanju mozga i skeletnih mišića povezanom sa starenjem

Opisani kao glavni modulatori nekoliko puteva degradacije povezanih s proteostazom tokom starenja tkiva sisara, naučni izvještaji su se fokusirali na miRNA regulatorne mreže koje uključuju put autofagije-lizosoma (ALP), s posebnim naglaskom na sisarski cilj kompleksa rapamicina (mTOR), uglavnom u mozgu i mišićima [24,75]. Inukai i kolege (2012) proveli su jednu od prvih studija koristeći Solexa duboko sekvenciranje kako bi identificirali vezu između diferencijalne ekspresije miRNA tokom starenja mozga i mTOR signalizacije [24].cistanche แอ ม เว ย์U ovoj studiji, većina različito eksprimiranih miRNA je opala u relativnom obilju kod 24-25-mjesečnih miševa u poređenju sa 5-mjesečnima, pri čemu je KEGGenrichment analiza otkrila da miRNA, odnosno miR-5620 izomiR i miR-341 izomiR, uključeni su u signalizaciju mTOR/protein kinaze B(Akt)/Forkhead box klase O (FOXO) [24].

Jedna vrsta autofagije, nazvana makrofagija, uključuje razgradnju i recikliranje citoplazmatskih komponenti, uključujući ćelijske ostatke i pogrešno savijene proteine, koji su spakovani u dvomembranske vezikule zvane autofagozomi, koji su spojeni s lizosomima da bi ih razgradile lizozomske hidrolaze [ 75]. Proteinski agregati mogu biti zahvaćeni autofagosomima i degradirani, a starenje može promijeniti autofagični klirens kroz defekte u formiranju autofagosoma, neuspjelu fuziju autofagosoma-lizosoma i acidifikaciju lizosoma [76]. Autofagna disfunkcija povezana sa starenjem također može rezultirati razvojem bolesti povezanih sa starenjem, odnosno sarkopenije i neurodegenerativnih bolesti. Za opširan pregled, vidi [75]. Tokom starenja skeletnih mišića, pokazalo se da se autofagna aktivnost smanjuje kod starijih pacijenata sa sarkopenijom i u mišićnom tkivu miša, gdje nivoi proteina LC3, markera autofagosoma i autolizosoma, i E{10}}enzima ATG7 sličnog s godinama opadaju [ 62]. Nedavno je potvrđeno da je miR-34a ključni igrač u autofagnoj aktivnosti u starenju mozga, s njegovom regulacijom koja rezultira defektnom autofagijom i abnormalnom dinamikom mitohondrija u modelima starenja pacova izazvanim d-galaktozom [77]. U ovoj istoj studiji, autofagna disfunkcija je poništena primjenom miR-34inhibitora d-galaktozom izazvanim SH-SY5Y stanicama i rezultirala je pojačanom ekspresijom proteina povezanih s autofagijom, naime LC3, Beclin 1, ATG7 i degradacija P62[7] Uzeti zajedno, miRNA-34a može biti efikasna terapeutska meta za ublažavanje i/ili preokretanje autofagnog opadanja u mozgu sisara koji je povezan sa starenjem.

MiRNA obogaćene mišićima, poznate kao mio-miRNA, kao što su miR-1 i miR-206, mogu regulisati mete putem PI3K/AKT/mTOR/FOXO puta, koji kontrolira ćelijski ciklus, proliferaciju i procesi diferencijacije u miocitima [68-71]. Nedavno se pokazalo da pacijenti na hemodijalizi koji prolaze kroz redovne treninge fizičke otpornosti imaju niže nivoe miR-206, što je rezultiralo većom miogenezom i manjim brojem srčanih kalcifikacija, što je znak starenja krvnih sudova [69]. Autori su zaključili da, nakon redovnog treninga, smanjenje miR-206 možda stimuliše miogenezu kroz vezivanje faktora rasta 1 (IGF1) sličnog insulinu i aktivaciju PI3K/AKT/mTOR puta [70]. Slično, u ljudskim skeletnim mišićima, identifikovano je 26 miRNA koje su regulirane godinama, vježbanjem ili kombinacijom oba, pri čemu je devet od ovih miRNA, naime miR-99a-5p, miR{{18 }}b-5p, miR-100-5p, miR-199a i miR-196b-5p, imaju validirane ciljne sekvence unutar 3'UTRs ciljnih gena uključenih u Akt/mTOR-signalni put, kao što su mTOR, Akt, regulatorno povezani protein MTOR kompleksa 1 (RPTOR) i IGF1[71].

Značajno je da je miR-378 također identificiran kao ključan za homeostazu mišića održavanjem autofagije kroz direktno ciljanje fosfoinozitid-zavisne protein kinaze 1 (PDK1), promovirajući Akt-mTORCl signalizaciju i smanjujući apoptozu miocita putem ciljanja kaspaze 9 [69]. MiR-378-nokaut miševi su pokazali poremećenu autofagiju i akumulaciju defektnih mitohondrija, dok se pokazalo da prekomjerna ekspresija miR-378 smanjuje fosforilaciju unc-51-poput autofagije koja aktivira kinazu 1 (ULK1), a zatim promoviše formiranje autofagosoma, rezultat koji je potvrđen pojačanom regulacijom ekspresije LC3 i puncta u ćelijskoj liniji C2C12myotube[69]. Ova studija je važna jer potvrđuje da miR-378 ima korisnu ulogu u promicanju autofagije i identificira njegova dva direktna cilja: (1)PDK1, koji aktivira Akt i mTORCl za promicanje autofagije u skeletnim mišićima i (2)Caspase9, koji suzbija apoptozu miocita. Ipak, još uvijek postoje mnogi aspekti miRNA regulacije autofagije koje treba istražiti u kontekstu starenja tkiva, posebno kod vrsta sisara.

U kontekstu agregacije proteina povezane sa starenjem, pokazalo se da miR-1 reguliše funkciju mišića i poboljšava faringealno pumpanje kao odgovor na proteotoksični stres tokom vremena, dok također potiskuje agregaciju poliglutamin 35(polyQ35) proteina u C.elegansu [30 ]. Podjedinica v-ATPaze, vha-13 je identificirana kao direktna meta miR-1, koja reguliše biogenezu i funkciju lizosoma [30]. Stoga, miR-1 treba proučavati kao pretpostavljenu terapijsku strategiju za borbu protiv agregacije proteina specifične za mišiće i poboljšanje pokretljivosti mišića tokom životnog vijeka. Ranije se pokazalo da povećani nivoi miR-1 potiču autofagiju čime se smanjuje akumulacija proteinskih agregata u C. elegans i ćelijama sisara[78]Naročito, u mišjim kortikalnim neuronima i HeLa ćelijama, miR-1 aktivira autofagija kroz ciljanje Tre-2/Bub2/CDC16(TBC) Rab GTPase-aktivirajućeg proteina (TBC1D15) kao odgovor na akumulaciju mutantnih agregata huntingtina[78]. Pokazalo se da TBC1D15 blokira autofagiju inaktivacijom Rab7, koji regulira fuziju autofagosoma i lizosoma. Još jednom, čini se da je miR-1 efikasan kandidat za terapiju protiv starenja koja cilja procese povezane sa autofagijom.

6.miRNA posreduju u ubikvitin-proteosomskom sistemu u starenju mozga i atrofiji mišića

Ubikvitin-proteasomski sistem (UPS) je proces ćelijske proteolitičke degradacije koji se sastoji od 26S proteasoma kao njegove centralne komponente, koji obuhvata dvije 19S regulatorne komponente i jedno 20S jezgro [79]. Proteazomalna aktivnost se smanjuje tokom normalnog starenja i neurodegeneracije [80]. U protekloj godini, dvije studije su opisale doprinos regulacije miRNA na promjene vezane za UPS tokom starenja u kontekstu koji nije bolest [81-83]. Na primjer, pronađeno je da miR-127-5p ima smanjenu ekspresiju u mozgu ostarjelih miševa C57BL/6] koji su bili podvrgnuti ishemiji izazvanoj LPS-om i po prvi put je identificirao 26S proteazom ne-ATPaze regulatornu podjedinicu 3 (Psmd3) kao jedan od njegovih ciljeva [82]. Ova studija je važna jer su autori ne samo dali miRNom mozga kroz zrelo sekvenciranje miRNA, već su identifikovali i novu miRNA u mozgu, miR-127, koja je povezana sa apoptozom ćelija i proteazomalnom aktivnošću tokom starenja i ishemije. Nadalje, kod zdravih nosilaca polimorfizma apolipoproteina E(ApoE c4), povezanog sa klirensom A i povećanim rizikom za razvoj AD, pokazalo se da je miR-153-3p povećan, što dovodi do blokade nuklearnog faktora eritroida{{ 23}}povezanim faktorom-2(Nrf2) posredovana proteazomska funkcija i akumulacija eritrocita A u plazmi [81]Osim toga, komponente povezane s proteazomima, kao što je protein 1 povezan s Kelchovim ECH-om u plazmi (Keapl) i eritrocitna histon deacetilaza 6 (HDAC6), takođe je povećana u Apoes4 nosiocima u poređenju sa ne-nosiocima [81]. ApoE a4 polimorfizam, zajedno sa komponentama povezanim s proteoazomima i miR-153-3p, može se koristiti kao plazma ili cirkulirajući markeri za procjenu ranjivosti na akumulaciju A i povezane proteazomske disfunkcije tokom starenja mozga, a istovremeno, za procjenu sklonosti razvoju patološke starosne neurodegeneracije i agregacije proteina, čime se pruža neinvazivna mjera za nosioce.

Atrofiju mišića karakterizira aberantna degradacija proteina kroz UPS put [83].koliko cistanche uzetiU skeletnim mišićima, mišić prstenjak 1 (MuRF1) i F-kutija atrofije mišića (MAFbx)/atrogin-1 su E3 ubikvitinske ligaze za koje se smatra da su uključene u ubikvitinaciju supstrata za razgradnju pomoću 26S proteasoma, pri čemu povećanje ovih UPS komponenti potiče atrofiju mišića [83]. Tokom atrofije mišića dolazi do prekomjerne ekspresije MuRFI i MAFbx/atrogina-1, dok inhibicija ovih komponenti usporava gubitak mišića [84,85].bioflavonoidiNekoliko studija je istaklo ulogu miRNA u regulaciji ekspresije MuRFl i MAFbx/atrogin-1. Na primjer, pokazalo se da miR-23a inhibira translacijsku aktivaciju MuRFl i MAFbx/atrogin-1, suprotstavljajući se atrofiji mišića u mišjem modelu atrofije mišića izazvane deksametazonom [86].šta je cistancheOsim toga, utvrđeno je da povećana ekspresija specifičnog miR-1 smanjuje nivoe HSP70, smanjujući fosforilaciju AKT-a i dovodeći do aktivacije FOXO3 i na kraju rezultirajući povećanom regulacijom MuRFl i MAFbx/atrogin-1 ekspresije tokom atrofije mišića izazvane deksametazonom kod miševa [87]. Konkretno, nakon indukcije deksametazonom, miR-1, reguliše defosforilaciju i naknadnu aktivaciju FoxO3a putem HSP70/Akt signalizacije, koja direktno ili indirektno inhibira proteine ​​koji suzbijaju atrofiju mišića [87]U novije vrijeme, inhibicija MuRF1 i MAFbx/ Pokazalo se da transkripcija atrogin-1 poboljšava gubitak mišića u skeletnim mišićima (konkretno, gastrocnemius mišićima) 40-nedjeljnih miševa s ubrzanim starenjem sklonih 8 (SAMP8) miševa u poređenju sa starošću odgovarajuće dobi -ubrzani miševi otporni na miševe (SAMR1) nakon stimulacije epigalokatehin-3-galatom (EGCG), komponentom katehina u zelenom čaju za koju je poznato da poboljšava gubitak mišića [88]. Pokazalo se da EGCG inhibira miostatin i reguliše miR-486-5p, koji direktno potiskuje homolog fosfataze i tenzina (PTEN), povećavajući Akt fosforilaciju i rezultirajući inhibicijom aktivne FoxOla i supresijom MuRFl i MAFbx/atrogin{ 25}} u skeletnim mišićima 40-sedmičnog SAMP8 miševa, kao iu kasnim prolaznim C2C12 ćelijama mioblasta [88]. Ova studija je otkrila jedinstvenu intervenciju gubitka mišića koristeći EGCC komponentu zelenog čaja za promjenu regulacije miRNA u procesu ubikvitin-proteasoma i PI3K/Akt/FOXO signalizacije u skeletnim mišićima. Zapravo, ovi nalazi pružaju dokaz da aktivacija UPS-a povezana s miRNA potiče atrofiju mišića prvenstveno kroz ciljanje MuRFI i MAFbx/atrogina-1 u skeletnim mišićima.

7.miRNA kao UPR i regulatori agregacije proteina

U uslovima stresa, pogrešno savijeni proteini se akumuliraju u lumenu ER i izazivaju UPRER za degradaciju ovih proteina preko tri ključna puta, naime protein kinaze, RNA slične ER kinaze (PERK), enzima koji zahtijeva inozitol-1 alfa (IRE-1o)/X-box vezujući protein-1 (XBP-1), i aktivirajući putevi transkripcionog faktora 6(ATF6)[890]. UPRFR aktivnost je smanjena tokom starenja ER stresnih stanja, dok prekomjerna ekspresija XBP-1 može povećati otpornost ER na stres i dugovječnost [89,90]. Sve u svemu, evidentno je da UPRER igra funkcionalnu ulogu u starenju i životnom vijeku.

Prijavljeno je da miRNA ili direktno moduliraju odgovor na ER stres ili, nasuprot tome, podliježu regulaciji putem ER stresa[91]. Zapravo, senzori ER stresa, odnosno PERK, mogu direktno regulirati ekspresiju miRNA koordinirajući pro- i anti-apoptotičku signalizaciju nakon ER stresa [92]. Na primjer, miR-30c-2-3p putem PERK-posredovane signalizacije dovodi do smanjenja XBP-1 mRNA, što kasnije promoviše ćelijsku smrt u NIH-3T3 fibroblastima [92 ]Tokom ER stresa, regulacija miR-106b-25 porodice putem PERK aktivacije omogućava aktivaciju pro-apoptotičkih gena B-ćelijskog limfoma 2 (BCL-2) kao što su Bim, izazivajući tako apoptozu izazvanu ER stresom u ćelijskim linijama [93]. Smanjenje regulacije porodice miR106b-25 i apoptoze izazvane ER-stresom također su pronađene u mišjem modelu ALS (mutant SOD1 G93A), koji povezuje ovu familiju miRNA i njene mete sa neurodegeneracijom u ALS[93]. Nedavno, u kortikalnim i hipokampalnim neuronima miševa, nakon stimulacije naprednom glikacijom krajnjih proizvoda goveđeg serumskog albumina (AGE-BSA) da izazove ER stres,miR-24,-27b,{{ Utvrđeno je da su 30}},-224,-290,-351, i-488 sniženo regulirane, dok je mRNA meta UPR-a (Prk, Irela, Chop i Puma) su regulirani naviše, što ukazuje na to da su ove miRNA vjerovatni UPR regulatori [94] Koristeći algoritame za predviđanje miRNA-cilja, autori su otkrili da je PERK bio na meti miR-24 i miR-488, Irelo od miR{{ 40}},-124,-290,-351 i -488, Chop po miR-224, i Puma po miR-24,{{ 47}}b, i -351 [94]. Nakon izlaganja šećerima, napredna glikacija proteina rezultira interakcijama između krajnjih produkata napredne glikacije (AGE) i RAGE (receptora AGE), što potiče akumulaciju aberantnih toksičnih proteina, naknadni ćelijski oksidativni stres i ER stres[94]. Osim toga, neke od ovih miRNA su također pronađene u studijama profilisanja ekspresije u neurodegeneraciji, naime miR-27b, -124 i -488 [95], što sugerira da ove miRNA mogu biti prikladne markeri starenja u oba konteksta. Ipak, direktna uzročna veza između agregacije proteina i miRNA disregulacije tek treba da se utvrdi u kontekstu zdravog starenja i patološke neurodegeneracije povezane sa starenjem.

8. Proteini koji vezuju miRNA također reguliraju životni vijek kroz komponente mreže proteostaze

Brojni izvještaji su pokazali da proteini koji vežu miRNA reguliraju starenje putem komponenti mreže proteostaze. U C. elegans, na primjer, pokazalo se da Argonaute, Dicer, Drosha i DGCR8/Pasha kontroliraju starenje i dugovječnost [19,24,25]. Pokazalo se da argonaut-1 (alg-1) promovira dugovječnost, dok argonaut-2(alg-2) skraćuje životni vijek gdje mnogi različito eksprimirani geni u mutantnim alg{{10 }} i alg{11}} C elegans su dio signalnog puta insulina/IGF-1 (IS), sa regulacijom preko DAF-a. 16/FOXO [96]. Nadalje, posebno kod alg{15}} mutanata, faktor toplotnog šoka 1 (hsf1), transkripcijski faktor koji je dio odgovora na stres toplotnog šoka, otkriven je da je smanjen [96]. Huntingtin agregacijske stanične kulture i modeli miša, kao i obdukcijski uzorci pacijenata s Huntingtonovom bolešću, također su pokazali da se Argonaute-2(AGO2), ključna komponenta RISC-a, ponovno lokalizira i akumulira u granulama stresa locirani u strijatalnim neuronima koji eksprimiraju mutantne Huntingtinove (mHTT) agregate, ometajući tako kasnu fuziju autofagosoma i lizosoma i, u isto vrijeme, dovodeći do globalnog povećanja ekspresije miRNA [31]. Međutim, zbog ponovne lokalizacije AGO2 i formiranje AGO2-miRNA kompleksa u granulama stresa, autori su primijetili da je ukupna aktivnost miRNA, posebno utišavanje cilja, ometana u neuronima koji eksprimiraju mHTT [31]. U ovom slučaju, pokazalo se da proteinski agregati ometaju autofagni klirens, što promoviše akumulaciju AGO2 i promjene nivoa i aktivnosti miRNA, što može dovesti do oštećenja neurona. Ovi rezultati predstavljaju novu perspektivu, sažetu na Slici 2, koja naglašava ulogu agregacije proteina u vezi sa starenjem u autofagnoj disfunkciji, biogenezi miRNA i aktivnosti miRNA tokom starenja sisara (slika 2).

preživljavanje neurona smanjenjem ranjivosti posebno na ER stres izazvan tapsigarginom, što sugerira da je biogeneza miRNA preko Dicera neuroprotektivna protiv ER stresa. Smanjenje regulacije Dicera tokom starenja može ugroziti biogenezu miRNA i dovesti do akumuliranog ER stresa i neurodegeneracije dopaminskih neurona[9]. Inovativne tehnike sekvenciranja poput fotoaktivirajućeg ribonukleozida pojačanog umrežavanja i sekvenciranja imunoprecipitacije (PAR-CLIP) identificirale su alternativne funkcije Dicera u ljudskim stanicama, kao i kod C.elegansa, pri čemu se pokazalo da je Dicer uključen u degradaciju nekoliko strukturnih RNK koje se ranije nisu mogle detektovati drugim metodologijama [9]

Štaviše, Drosha može cijepati strukture ukosnica koje su ugrađene u mRNA, destabilizirajući ih i stoga direktno kontrolirajući ekspresiju mRNA. Pokazalo se da Drosha cijepa mRNA za faktore diferencijacije koji su fundamentalni za neurogenezu[10]. Osim toga, nakon virusne infekcije, Drosha je prijavljeno da se izvozi u citoplazmu kako bi cijepao virusnu genomsku RNK kako bi suzbio replikaciju virusa [101,102]. Fosforilacija i nuklearni izvoz Drosha se također dešava nakon toplotnog šoka i oksidativnog stresa, narušavajući biogenezu miRNA posredovane Droshaom[103]. Druga inovativna tehnika sekvenciranja, nazvana formaldehidno umrežavanje imunoprecipitacije i sekvenciranje (fCLIP-seq), otkrila je da Drosha cijepa nekanonske supstrate koji potiču iz ne-miRNA loi u kratke ukosnice, stvarajući male RNK[104]Protokole i koristeći fCLIP-CLIP identificirati potencijalne interakcije između proteina koji vežu miRNA i strukturnih RNA u uzorcima tkiva iu kontekstu bolesti povezanih sa starenjem [104]. Uzeti zajedno, rezultati ovih studija pružaju nove istraživačke mogućnosti za ciljanje komponenti miRNA biogeneze kako bi promijenile ekspresiju miRNA, i moguće nove ciljeve mRNA, kako bi se povećala efikasnost mreže proteostaze u čišćenju toksičnih proteina i ublažila agregacija proteina povezana sa starenjem.

9. Zaključci

Glavni cilj ovog pregleda bio je pružiti potkrepljujuće dokaze, zasnovane na nedavnim studijama, za uzbudljivu novu perspektivu da miRNA, i u određenoj mjeri proteini koji se vezuju za miRNA, mogu direktno regulirati proteostazu, koja je relevantna za produženje životnog vijeka organizma, i mogu također se koriste kao markeri starenja zdravog tkiva za poređenje sa bolestima povezanim sa starenjem. Posebno se čini da su miRNA ciljani geni u putevima degradacije povezanim s proteostazom, kao što su UPS i ALP sistemi, vrlo tkivno specifični u mozgu i skeletnim mišićima sisara tokom starenja, na različitim modelima organizma. Osim toga, uloga regulacije miRNA u disfunkciji degradacije proteina i mehanizama čišćenja je postala još očiglednija u nedavnim studijama mozga i tkiva skeletnih mišića sisara.buy cistancheNa osnovu nalaza koji pokazuju regulaciju proteostaze posredovanu miRNA tokom starenja sisara, teoretiziramo da bi buduće studije trebale istražiti direktnu uzročnu vezu između agregacije proteina i disregulacije miRNA u kontekstu zdravog starenja i patološke neurodegeneracije i atrofije mišića povezane sa starenjem, što su predstavljeni na slici 2. Budući da postoje neki profili miRNA koji se preklapaju izmijenjeni u normalnom i patološkom kontekstu starenja, potencijal za modulaciju miRNA, posebno povećanje nivoa miRNA koje ciljaju na klirens proteina i gene povezane s autofagijom, mogao bi biti relevantan za budućnost terapijske strategije protiv starenja.

Doprinosi autora: Konceptualizacija, SF, VM, ARS i MAS; pisanje—priprema originalnog nacrta, SF; pisanje—pregled i uređivanje, SF, VM., MF, AR, GM, ARS i MAS vizualizacija, SF i VM; resursi, GM, A.RS. i MAS; nadzor, A.RS. i M.ASS, pribavljanje sredstava, GM, ARS i MASSA, svi autori su pročitali i pristali na objavljenu verziju rukopisa.

Finansiranje: Ovo istraživanje je finansirala PORTUGALSKA FONDACIJA ZA NAUKU I TEHNOLOGIJU (FCT) i FEDER (FUNDO EUROPEU DE DESENVOLVIMENTO REGIONAL) kroz COMPETE2020, OPERATIVNI PROGRAM ZA KONKURENTNOST- I MEĐUNARODNI POLOŽAJ: FEDER-022184;WISDOM: POCI-0145-FEDER-029843); MEDICIS(CENTRO-01-0246-FEDER-000018); i projekat "Piloto para an elaboration de uma estrategia e uma rede regional para a medicine personalized/precisao" Grant(CENTRO-08-5864-FSE{{9} }).

Istraživačku jedinicu iBiMED podržava FCT (UID/BIM/04501/2020). SF i MF su direktno podržani od strane FCT grantova (SFRH/BD/148323/2019 i SFRH/BD/131736/2017). A.RS.podržan je pojedinačnim ugovorom o pomoćnom istraživanju CEEC (CEECIND/00284/2018).

Ovaj članak je preuzet iz Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 3232. https://doi.org/10.3390/ijms23063232 https://www.mdpi.com/journal/ijms