Клетки животных содержат множество некодирующих РНК, таких, как транспортная РНК и рибосомальная РНК, а также регуляторные РНК, влияющие на экспрессию других генов. Один из классов малых некодирующих РНК — микроРНК (miRNA) — охарактеризован как наиболее многочисленный и филогенетически обширный. На генах микроРНК синтезируются миниатюрные транскрипты длиной приблизительно в 22 нуклеотида, функционирующие как негативные регуляторы других РНК. Первая молекула miRNA — lin-4 — открыта только в 1993 г. и охарактеризована V. Ambros и соавт. при скрининге генов нематоды Caenorhabditis elegans. Последующее изучение функций этого класса молекул показало их участие во многих физиологических процессах: пролиферации, дифференцировки, клеточной
гибели и т.д. (табл. 6.1). Нарушение функций микроРНК может привести к различным заболеваниям, в том числе раковым.
Таблица 6.1. Функции и мишени miRNA, участвующих в иммунном ответе (модифицирована по Lindsay M.A., 2008)
В настоящее время известно более 700 различных молекул miRNA, и они регулируют более 30\% генов человека. Микро-РНК — пожалуй, самый большой класс регуляторов белков.
Молекулярный механизм формирования зрелой молекулы miRNA следующий. Первоначально РНК-полимеразой II транскрибируется длинный олигонуклеотид, называемый первичной микро-РНК (primiRNA). Молекула pri-miRNA кепирована и полиаденилированна, как и другие транскрипты РНК-полимеразы II. Участки, кодирующие miRNA, могут располагаться как в интронах белоккодирущих генов, так и в экзонах и интронах генов, которые белок не кодируют. Pri-miRNA имеет длину около 60-80 оснований и содержит в своей структуре одну или несколько петель. Такая структура распознается ферментом РНКазой III, называемой Drosha, и ее кофактором DGCR8. Молекула pri-miRNA разрезается этим ферментом до молекулы предшественника микроРНК — pre-miRNA. Pre-miRNA на своем 3′ конце содержат два основания, которые распознаются белком экспортином-5. Данный белок, связываясь с pre-miRNA, транспортирует ее через ядерную мембрану в цитоплазму, где находится другая РНКаза III — Dricer, разрезающая pre-miRNA и оставляющая от нее участок в 20-23 нуклеотида. Таким образом, формируется зрелая miRNA, встраивающаяся в белковый комплекс RISC (RNA-induced silecing complex). Только в составе такого комплекса miRNA способна оказывать свое действие на мРНК, заключающееся в разрушении мРНК-мишени или в торможении ее трансляции. Негативная регуляция мРНК реализуется за счет комплементарности между miRNA и мРНК-мишенью. Когда связь miRNA с участком 3′ UTR (3′-нетранслируемый регион) мРНК-мишени несовершенна вследствие неполной комплементарности, происходит репрессия трансляции. Когда же комплементарность сохранена полностью, мРНК-мишень разрушается комплексом RISC.
В последние годы особый интерес вызывает возможность регулирования врожденного и адаптивного иммунного ответа с помощью семейства miRNA.
На сегодняшний день хорошо охарактеризована небольшая группа молекул miRNA, участвующих в регуляции генных механизмов врожденного иммунитета. Мы приводим данные о наиболее изученных miRNA, играющих важную роль в регуляции генов врожденного иммунитета.
MiRNA-146
Семейство miRNA представлено двумя молекулами: miRNA-146а и miRNA-146b. Они локализованы на хромосомах 5 и 10 соответственно. Молекулы отличаются лишь по двум нуклеотидным основаниям в 3′ регионе. Важность этих miRNA для врожденного иммунитета впервые показал K.D. Таganov и соавт. (2006). Уровень miRNA в клетках линии THP-1 человека повышается в ответ на стимуляцию липополисахаридом (ЛПС) — лигандом TLR4. Такой же эффект наблюдается в ответ на активацию паттернами бактерий и некоторых грибов TLR2, 4 или 5, а также после действия провоспалительных цитокинов (ФНОα и ИЛ-1β). Экспрессия miRNA-146 не повышается в ответ на активацию TLR3, рецепторов 7 и 9. Увеличения уровня miRNA-146а не происходит при стимуляции ИЛ-1β эпителиальных клеток легких и бронхов. В промоутерном регионе miRNA-146а выявлены несколько потенциальных транскрипционных факторов, которые могут быть вовлечены в регуляцию экспрессии этой молекулы: IRF3, IRF7 (interferon regulatory factor) и CCAAT enhancer-binding protein-b (C/EBPb). Однако непосредственный регулятор экспрессии микроРНК-146 до сих пор не известен. При изучении мишеней для miRNA-146 показано: молекула может блокировать мРНК генов адаптерных белков IRAK1 (IL-1 receptor associated kinase 1) и TRAF6 (TNF receptor-associated factor 6). IRAK1 и TRAF6 — адаптерные белки, участвующие в передаче сигнала с TLR и рецептора ИЛ-1. Отрицательная регуляция данных молекул с помощью miRNA-146 приводит к тому, что сигнал с TLR не проводится в клетку и провоспалительные медиаторы не секретируются. Это может иметь чрезвычайно важное значение при разработке новых TLR-опосредованных подходов в регуляции врожденного иммунитета через адаптерные молекулы.
MiRNA-155
MiRNA-155 образуется из первичного транскрипта, который считывается со второго экзона белокнекодирующего гена, называемого «BIC». Ранние исследования miRNA-155 показали усиленную экспрессию этой молекулы у человека при В-клеточной лимфоме. Трансгенная экспрессия miRNA-155 в В-клетках мышей приводит к малигнизации, что дало основание для предположения о роли miRNA-155 в дифференцировке и пролиферации В-лимфоцитов. Ведущая роль miRNA-155 в регуляции Т- и В-клеточного ответа
выявлена в исследованиях на мышах, дефицитных по miRNA-155. У них не развивается оптимальный иммунный и протективный ответ на патогены после иммунизации. В последние годы показано значение miRNA-155 в реакциях врожденного иммунитета. Экспрессии miRNA-155 возрастает после стимуляции ЛПС и липопротеином (лиганд TLR2) в моноцитах, макрофагах и в спленоцитах мышей, которых иммунизировали Salmonella enteritidis, содержащей ЛПС. В отличие от таковой miRNA-146а экспрессия miRNA-155 увеличивается и после активации врожденного иммунного ответа вирусными и бактериальными нуклеотидами, имеющими в своей структуре лиганды для TLR3 — poly (I:C) и для TLR9 — CpG. Экспрессия miRNA-155 может возрастать в ответ на стимуляцию ИФβ и ИФγ. Количество miRNA-155 варьирует после стимуляции ФНОа и зависит от сроков инкубации с цитокином. В подобных случаях miRNA-155 оказывает как позитивное, так и негативное действие на экспрессию своих мишеней (NF-κΒ, IKKb, IKKe, а также FADD домен — Fasassociated death domain и Ripk 1 — receptor iteracting serine — threonine kinase 1). В отличие от miRNA-146, miRNA-155 позитивно регулирует экспрессию провоспалительных цитокинов в процессе врожденного иммунного ответа. Такой эффект продемонстрирован на эмбриональных клетках человека (HEK-293), в которых miRNA-155 увеличивает продукцию ФНОа путем снижения связанной с 3′ UTR посттрансляционной ингибицией. Усиленная экспрессия miRNA-155 наблюдается в В-клетках мышей, трансгенных по miRNA-155. При очень высоких уровнях miRNA-155 мыши высокочувствительны к септическому шоку. Трансфекция miRNA-155 в гемопоэтические стволовые клетки и трансплантация их летально облученным мышам приводят к появлению у них признаков миелоидной неоплазии. Эти данные позволили авторам предположить, что связь между воспалением и канцерогенезом вызвана хронически высоким уровнем miRNA-155.
MiRNA-223 — регулятор пролиферации и активации нейтрофилов
Многими исследованиями показано: экспрессия miRNA-223 связана с миелоидными клетками в костном мозгу; она повышается при дифференцировке миелоидных предшественников в гранулоциты. Интересны наблюдения за мышами с нокаутом гена miRNA-223, которые оставались здоровыми и у них обнаруживалось повышенное число предшественников гранулоцитов в костном мозгу и зрелых
нейтрофилов в циркуляции. Считается, что miRNA-223 вовлечена в негативную регуляцию созревания, но не дифференцировки гранулоцитов. Действие miRNA-223, вероятно, опосредовано через отрицательное влияние другого миелоидного фактора (подобного ELF-1). Этот транскрипционный фактор участвует в пролиферации клеток миелоидного ряда. Функциональные исследования циркулирующих нейтрофилов нокаутных животных показали: miRNA-223 не вовлечена в выход клеток из сосудистого русла, миграцию или фагоцитоз ими Escherichia coli. Однако уменьшение количества miRNA- 223 приводит к усилению кислородного взрыва и цитотоксического ответа на действие грибов Candida albicans. У животных, нокаутных по miRNA-223, спонтанно развиваются воспалительные процессы в легких и наблюдается повышенное разрушение тканей после воздействия эндотоксинов. Обнаруживается быстрое и селективное увеличение экспрессии miRNA-223 в эпителии легких и бронхов после аэрозольного воздействия токсином. Большое количество факторов может регулировать экспрессию miRNA-223 в процессе дифференцировки и созревания гранулоцитов.
Таким образом, накапливается все больше фактов, свидетельствующих о том, что микроРНК представляет собой новый большой класс регуляторных молекул, участвующих во многих физиологических процессах организма. Важную роль микроРНК играют в развитии врожденного иммунного ответа. В основном эти молекулы блокируют или активируют адаптерные молекулы, которые необходимы для проведения сигнала с рецепторов врожденного иммунитета или для регуляции факторов транскрипции, участвующих в дифференцировке и созревании различных клеток врожденного иммунитета. Важно, что данные молекулы реализуют свое действие на посттранскрипционном уровне, благодаря чему изучение микроРНК представляет интерес, ибо, вероятно, оно будет способствовать более глубокому пониманию механизмов регуляции врожденного иммунитета. Следует отметить перспективность такого направления исследований, так как с каждым годом возрастает количество данных о возможностях miRNA регулировать врожденный иммунитет. Несомненно: miRNA вскоре станут основой для создания перспективных лекарственных средств, дающих эффект строго направленной коррекции нарушений врожденного иммунитета. Становится очевидной и необходимость разработки новых подходов к синтезу miRNA, изучению механизмов
их действия, поиску молекул-мишеней и новых методов тестирования, основанных в первую очередь на принципе ПЦР (см. табл. 6.1).
В настоящее время известно несколько методов для определения экспрессии генов микроРНК в биологических образцах.
Первым методом анализа является Northern blot. Он хорошо изучен и описан, однако довольно трудоемок, а кроме того, существует много ограничений использования образцов. Для определения зрелой микроРНК в пробе общую РНК наносят на 12\% денатурирующий полиакриламидный гель. В качестве маркера используют низкомолекулярный олигонуклеотид. После электрофореза пробы помещают на мембрану и проводят гибридизацию с олигонуклеотидными пробами (меченными 32Р изотопом или другой меткой), комплементарными зрелой форме изучаемой микроРНК. Далее мембраны отмывают от несвязавшихся олигонуклеотидных последовательностей и осуществляют детекцию с помощью радиочувствительной пленки (если метка 32Р).
В последнее время для обнаружения молекул микроРНК в биологическом образце используют метод микрочипов (см. выше). Он позволяет исследовать образец на наличие одновременно большого количества молекул микроРНК. Недостаток такого подхода — необходимость содержания в образце больших количеств исследуемой РНК, что не всегда возможно.
Из клеточной культуры, в которой нужно определить микроРНК, выделяют общую РНК. Выделенный материал инкубируют с малыми последовательностями РНК, меченными флуоресцентными метками (Cy5, Cy3 и др). Далее меченый образец наносится на микрочип, содержащий ДНК-последовательности известных (по крайней мере 200) молекул микроРНК. После инкубации в течение 14 ч происходит гибридизация и затем планшет отмывается. Результат считывается при помощи флуоресцентного сканера (методически процесс описан выше). По свечению в лунках планшета определяют, какой из 200 образцов микроРНК экспрессируется в пробе.
Новый метод для определения уровня экспрессии генов микроРНК — количественная обратная транскрипция с ПЦР (ОТ-ПЦР) (см. выше). Этот метод имеет высокую специфичность и чувствительность.
Чтобы исследовать микроРНК с помощью ПЦР, необходимо модифицировать последнюю, ибо праймеры в обычной системе для ПЦР имеют тот же размер, что и исследуемая микроРНК. Разработан
новый методический подход, основанный на модификации ПЦР, названный miR-Q. Первым шагом в данной методике является встраивание последовательности искомой микроРНК в кДНК с известной последовательностью. Это осуществляется при реакции обратной транскрипции. После проводят ПЦР и детекцию полученного амплификата2.
Вопросы и задания
1. Какие молекулярно-генетические методы используются для решения иммунологических задач?
2. Дайте определение термина «полимеразная цепная реакция» и опишите суть метода.
3. Какие существуют модификации ПЦР, применяемые в иммунологии? Почему они используются?
4. Нарисуйте схему последовательности этапов ПЦР.
5. Опишите трудности, возникающие при постановке ПЦР.
6. Перечислите преимущества ПЦР перед другими методическими подходами.
7. Что такое микрочипы?
8. Какие виды микрочипов вы знаете?
9. Какие иммунологические цели достижимы при использовании микрочипов?
10. Опишите метод получения мышей с нокаутом (knock-out) и нокином (knock-in) генов.
11. Как получить трансгенную мышь?
12. Что такое регуляторные микроРНК?
13. Каким образом регуляторные микроРНК могут быть применены в иммунологических исследованиях?
14. Назовите основные методы для определения микроРНК.
15. Что такое гибридомы?
16. Дайте определение моноклональных антител.
17. Опишите этапы получения гибридом.
18. Проиллюстрируйте принципы метаболической селекции клеток.
2 В подготовке материалов главы 6 приняла участие студентка VI курса МБФ РГМУ Е.А. Акимова.