Antisense-RNA

Antisense-RNAs können auf verschiedene Arten klassifiziert werden. In Bezug auf regulatorische Mechanismen gruppieren einige Autoren asRNAs in RNA-DNA-Interaktionen, RNA-RNA-Interaktionen entweder im Kern oder Zytoplasma und RNA-Protein-Interaktionen (epigenetisch). Antisense-RNAs können nach dem Typ der Promotoren kategorisiert werden, die die Expression von asRNAs initiieren: unabhängige Promotoren, gemeinsame bidirektionale Promotoren oder kryptische Promotoren. In Bezug auf die Länge, obwohl asRNA im Allgemeinen unter lncRNAs klassifiziert ist, gibt es kurze asRNAs mit einer Länge von weniger als 200 Basispaaren., Da der Regulationsmechanismus von asRNAs artspezifisch ist, können asRNAs auch nach Arten klassifiziert werden. Eine der häufigsten Methoden zur Klassifizierung von asRNAs besteht darin, dass die asRNAs relativ zu ihren Zielgenen transkribiert werden: cis-wirkend und trans-wirkend.

Cis-actingEdit

Cis-acting asRNAs werden vom gegenüberliegenden Strang des Zielgens am Zielgenlocus transkribiert. Sie zeigen oft einen hohen Grad oder eine vollständige Komplementarität mit dem Zielgen., Wenn die cis-wirkende asRNA die Genexpression reguliert, indem sie auf mRNA abzielt, kann sie nur auf einzelne mRNA abzielen. Bei Wechselwirkungen mit den Targeting-mRNAs können cis-wirkende asRNAs entweder die Ribosomenbindung blockieren oder RNAase rekrutieren, um die Targeting-mRNAs abzubauen. Folglich besteht die Funktion dieser cis-wirkenden asRNAs darin, die Übersetzung der Ziel-mRNAs zu unterdrücken. Neben cis-wirkenden asRNAs, die auf mRNAs abzielen, gibt es cis-wirkende epigenetische Schalldämpfer und Aktivatoren. Es wurde gezeigt, dass Antisense-RNA die Translation der LINE1-ORF2-Domäne von Entamoeba histolytica unterdrückt., Es ist jedoch noch nicht bestätigt, ob seine cis-handeln oder trans.

In Bezug auf die epigenetische Modifikation bezieht sich cis-acting auf die Art dieser asRNAs, die epigenetische Veränderungen um die Loci herum regulieren, an denen sie transkribiert werden. Anstatt auf einzelne mRNAs abzuzielen, können diese cis-wirkenden epigenetischen Regulatoren chromatinmodifizierende Enzyme rekrutieren, die sowohl die Transkriptionsloci als auch die benachbarten Gene beeinflussen können.

Trans-actingEdit

Trans-acting asRNAs werden von Loci transkribiert, die distal von den Targeting-Genen sind., Im Gegensatz zu cis-wirkenden asRNAs weisen sie einen geringen Grad an Komplementarität mit dem Zielgen auf, können jedoch länger als cis-wirkende asRNAs sein. Sie können auch auf mehrere Loci abzielen. Aufgrund dieser Eigenschaften von trans-wirkenden asRNAs bilden sie mit ihren Targeting-Transkripten weniger stabile Komplexe und benötigen manchmal Hilfsmittel von RNA-Chaperon-Protein wie Hfq, um ihre Funktionen auszuüben. Aufgrund der Komplexität der Trans-acting asRNAs gelten sie derzeit als weniger drogenfähige Ziele.,

FunctionEdit

Epigenetische regulationEdit

Viele Beispiele von asRNAs zeigen die hemmende Wirkung auf die Transkriptionsinitiation über epigenetische Modifikationen.

DNA-Methylierungedit

DNA-Methylierung kann zu einer langfristigen Downregulation spezifischer Gene führen., Repression von funktionellen Proteinen über asRNA-induzierte DNA-Methylierung wurde in mehreren menschlichen Krankheiten gefunden. In einer Klasse von Alpha-Thalassämie, einer Art von Blutkrankheit, die einen reduzierten Hämoglobinspiegel aufweist, der zu unzureichendem Sauerstoff in den Geweben führt, wird das Hämoglobin-Alpha1-Gen (HBA1) durch ein abnormales Transkript des mutmaßlichen RNA-bindenden Proteins Luc7-like (LUC71), das als asRNA zu HBA1 dient und die Methylierung des HBA1-Promotors induziert, herunterreguliert. Ein weiteres Beispiel ist die Stummschaltung eines Tumorsuppressorgens p15INK4b, auch CDKN2B genannt, bei akuter lymphoblastischer Leukämie und akuter myeloischer Leukämie., Die asRNA, die für diesen Silencing-Effekt verantwortlich ist, ist Antisense-nicht-kodierende RNA im INK Locus (ANRIL), die im selben Locus exprimiert wird, der für p15INK4b kodiert.

Histon-modifikationEdit

In eukaryotischen Zellen ist DNA dicht von Histonen gepackt. Modifikation auf Histonen kann Wechselwirkungen mit DNA ändern, die weitere Veränderungen in der Genexpression induzieren können. Die biologischen Folgen der Histonmethylierung sind kontextabhängig., Im Allgemeinen führt die Histon-Methylierung zur Genrepression, aber es kann auch eine Genaktivierung erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass die Histon-Methylierung durch asRNAs induziert werden kann. Zum Beispiel kann ANRIL neben der Fähigkeit, DNA-Methylierung zu induzieren, auch das benachbarte Gen von CDKN2B, CDKN2A, unterdrücken, indem es den Polykomb-repressiven Komplex 2 (PRC2) rekrutiert, der zur Histonmethylierung führt (H3K27me). Ein weiteres klassisches Beispiel ist die X-Chromosom-Inaktivierung durch XIST.

ANRIL induzierte epigenetische Modifikation ist ein Beispiel für cis wirkende epigenetische Regulation., Darüber hinaus kann eine Antisense-RNA-induzierte Chromatinmodifikation sowohl trans-wirkend sein. Zum Beispiel wird bei Säugetieren die asRNA HOTAIR vom Homöobox C (HOXC) Locus transkribiert, aber sie rekrutiert PRC2 zu HOXD, das H3K27 ablagert und HOXD zum Schweigen bringt. HOTAIR wird in primären Brusttumoren stark exprimiert.

Ko-Transkriptionsregulationedit

Epigenetische Regulationen wie DNA-Methylierung und Histonmethylierung können die Genexpression unterdrücken, indem sie die Initiation der Transkription hemmen., Manchmal kann jedoch eine Genrepression erreicht werden, indem der Transkriptionsprozess vorzeitig beendet oder verlangsamt wird. AsRNAs können an dieser Ebene der Genregulation beteiligt sein. Beispielsweise kann in bakteriellen oder eukaryotischen Zellen, in denen komplexe RNA-Polymerasen vorhanden sind, die bidirektionale Transkription am selben Ort zu einer Polymerasekollision führen und zur Beendigung der Transkription führen. Selbst wenn eine Polymerasekollision während einer schwachen Transkription unwahrscheinlich ist, kann auch eine Polymerasepause auftreten, die die Dehnung blockiert und zu einer Genrepression führt., Eines der Beispiele ist die Repression des IME4-Gens durch seine asRNA RME2. Eine andere Möglichkeit, die Transkription ko-transkriptional zu beeinflussen, besteht darin, das Spleißen zu blockieren. Ein klassisches Beispiel beim Menschen ist das Zink-Finger-E-Box-bindende Homeobox 2-Gen (ZEB2), das für E-Cadherin, einen Transkriptionsrepressor, kodiert. Eine effiziente Translation von ZEB2-mRNA erfordert das Vorhandensein einer internen Ribosomen-Eintrittsstelle (IRES) im Intron der mRNA am 5′ – Ende. Wenn die asRNA von ZEB2 exprimiert wird, kann sie die Spleißstelle maskieren und die IRES in der mRNA aufrechterhalten, was zu einer effizienten Synthese von E-Cadherin führt., Schließlich können je nach Niveau der asRNA-Expression unterschiedliche Isoformen des Sense-Transkripts erzeugt werden. Daher ist die asRNA-abhängige Regelung nicht auf den Ein/Aus-Mechanismus beschränkt, sondern stellt ein Feintonsteuersystem dar.

Post-transkriptionale Regelungedit

Die direkte post-transkriptionale Modulation durch asRNAs bezieht sich auf mRNAs, die direkt von asRNAs angestrebt werden; Somit ist die Übersetzung betroffen. Einige Merkmale dieser Art von asRNAs werden in den cis – und trans – acting asRNAs beschrieben., Dieser Mechanismus ist relativ schnell, da sowohl die Targeting-mRNA als auch ihre asRNA gleichzeitig in derselben Zelle vorhanden sein müssen. Wie in den cis-wirkenden asRNAs beschrieben, kann die mRNA-asRNA-Paarung zu einer Blockierung des Ribosomeneintritts und des RNase-H-abhängigen Abbaus führen. Insgesamt kann mRNA-Targeting-asRNAs entweder die Translation der Sinn-mRNAs aktivieren oder hemmen, wobei die inhibitorische Wirkung am häufigsten auftritt.

Therapeutisches potenzialEdit

Als regulatorisches Element, asRNAs tragen viele Vorteile, die als Arzneimittelziel zu betrachten sind., Zunächst regulieren asRNAs die Genexpression auf mehreren Ebenen, einschließlich Transkription, Posttranskription und epigenetischer Modifikation. Zweitens sind die cis-wirkenden asRNAs sequenzspezifisch und weisen einen hohen Grad an Komplementarität mit den Targeting-Genen auf. Drittens ist der Expressionsgrad von asRNAs im Vergleich zu dem der Ziel-mRNAs sehr gering; Daher ist nur eine geringe Menge an asRNAs erforderlich, um einen Effekt zu erzeugen. In Bezug auf Medikamentenziele stellt dies einen großen Vorteil dar, da für die Wirksamkeit nur eine geringe Dosierung erforderlich ist.,

In den letzten Jahren hat die Idee, asRNAs gezielt anzusprechen, um die Genexpression ortsspezifisch zu erhöhen, viel Aufmerksamkeit erregt. Aufgrund der Art der Arzneimittelentwicklung ist es immer einfacher, Medikamente als Downregulatoren oder Inhibitoren wirken zu lassen. Es besteht jedoch ein Bedarf an der Entwicklung von Arzneimitteln, die die Genexpression aktivieren oder hochregulieren können, wie Tumorsuppressorgene, neuroprotektive Wachstumsfaktoren und Gene, die bei bestimmten mendelschen Störungen zum Schweigen gebracht werden., Derzeit umfasst der Ansatz zur Wiederherstellung einer mangelhaften Genexpression oder Proteinfunktion Enzymersatztherapien, MikroRNA-Therapien und die Abgabe funktioneller cDNA. Jeder trägt jedoch einige Nachteile. Zum Beispiel kann das synthetisierte Protein, das in den Enzymersatztherapien verwendet wird, oft nicht die gesamte Funktion des endogenen Proteins nachahmen. Darüber hinaus sind Enzymersatztherapien lebenslanges Engagement und tragen eine große finanzielle Belastung für den Patienten., Aufgrund der ortsspezifischen Natur von asRNAs und des Nachweises von Veränderungen der asRNA-Expression bei vielen Krankheiten wurde versucht, einzelsträngige Oligonukleotide, sogenannte Antagonisten, zu entwerfen, um asRNAs zu hemmen und letztendlich die spezifische Genexpression zu erhöhen.

Trotz der Versprechen von asRNAs als Drogenziele oder Drogenkandidaten gibt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Zunächst können asRNAs und Antagonisten leicht durch RNase oder andere abbauende Enzyme abgebaut werden. Um den Abbau der therapeutischen Oliogonukleotide zu verhindern, ist üblicherweise eine chemische Modifikation erforderlich., Die häufigste chemische Modifikation der Oligonukleotide ist die Zugabe einer Phosphorothioatverbindung zu den Backbones. Die Phosphrothioatmodifikation kann jedoch proinflammatorisch sein. Nebenwirkungen wie Fieber, Schüttelfrost oder Übelkeit wurden nach lokaler Injektion von phosphrothioatmodifizierten Oligonukleotiden beobachtet. Zweitens stellt die Off-Target-Toxizität auch ein großes Problem dar. Trotz der ortsspezifischen Natur der endogenen asRNAs zeigten nur 10-50% synthetisierte Oligonukleotide eine erwartete Targeting-Wirkung., Ein möglicher Grund für dieses Problem ist die hohe Anforderung an die Struktur der asRNAs, durch die Zielsequenz und RNase H erkannt zu werden. Eine einzelne Nichtübereinstimmung kann zu Verzerrungen in der Sekundärstruktur führen und zu Off-Target-Effekten führen. Schließlich wurde gezeigt, dass künstliche asRNAs eine begrenzte intrazelluläre Aufnahme aufweisen. Obwohl gezeigt wurde, dass Neuronen und Glia nackte Antisense-Oligonukleotide frei aufnehmen können, wären rückverfolgbare Träger wie Virus-und Lipidbläschen immer noch ideal, um die intrazelluläre Konzentration und den Stoffwechsel zu kontrollieren und zu überwachen.