microRNA's: nieuw begrip van het werkingsmechanisme bij virale infecties en de betekenis ervan

MicroRNA's of kortweg miRNA's (niet te verwarren met mRNA of boodschapper-RNA) werden in 1993 ontdekt en zijn de afgelopen twee decennia uitgebreid bestudeerd vanwege hun rol bij het reguleren van genexpressie. miRNA's worden differentieel tot expressie gebracht in verschillende lichaamscellen en weefsels. Recent onderzoek door de wetenschappers van de Queen's University, Belfast heeft de mechanistische rol van miRNA's in de regulatie van het immuunsysteem ontrafeld wanneer lichaamscellen worden uitgedaagd door virussen. Deze bevindingen zullen leiden tot een beter begrip van de ziekte en hun exploitatie als doelwitten voor nieuwe therapeutische ontwikkeling.  

MicroRNA's of miRNA's zijn de afgelopen twintig jaar populair geworden vanwege hun rol in post-transcriptionele processen zoals differentiatie, metabolische homeostase, proliferatie en apoptose ^(1-5). miRNA's zijn klein enkelstrengig RNA sequenties die voor geen enkel eiwit coderen. Ze zijn afgeleid van grotere voorlopers, die dubbelstrengig zijn RNA's. De biogenese van miRNA begint in de kern van de cel en omvat de vorming van primaire cellen miRNA transcripties door RNA polymerase II gevolgd door het bijsnijden van het primaire transcript om de pre-miRNA-haarspeld vrij te geven door een enzymcomplex. De primaire miRNA wordt vervolgens geëxporteerd naar het cytoplasma waar er op wordt ingewerkt door DICER (een eiwitcomplex dat het pre-miRNA verder splitst), waardoor het volwassen enkelstrengige miRNA wordt geproduceerd. Het volwassen miRNA integreert zichzelf als onderdeel van het RNA-geïnduceerde silencing-complex (RISC) en induceert post-transcriptionele genuitschakeling door RISC te bevestigen aan de complementaire regio's, gevonden binnen de 3'-niet-getranslateerde regio's (UTR's), in de doel-mRNA's. 

Het verhaal begon in 1993 met de ontdekking van miRNA's in C. elegans door Lee en zijn collega's ⁽⁶⁾. Er werd waargenomen dat het LIN-14-eiwit werd neerwaarts gereguleerd door een ander getranscribeerd gen, lin-4 genaamd, en deze neerwaartse regulatie was noodzakelijk voor de ontwikkeling van larven in C. elegans in de overgang van fase L1 naar L2. Het getranscribeerde lin-4 resulteerde in het neerwaarts reguleren van de LIN-14-expressie via complementaire binding aan het 3'UTR-gebied van lin-4 mRNA, met weinig wijzigingen in mRNA niveaus van lin-4. Aanvankelijk werd gedacht dat dit fenomeen exclusief en specifiek was C. elegans, tot ongeveer 2000, toen ze werden ontdekt bij andere diersoorten ⁽⁷⁾. Sindsdien is er een stortvloed aan onderzoeksartikelen verschenen die de ontdekking en het bestaan ​​van miRNA’s in zowel planten als dieren beschrijven. Ruim 25000 miRNA's zijn tot nu toe ontdekt en voor velen blijft de exacte rol die ze spelen in de biologie van het organisme nog steeds ongrijpbaar. 

miRNA's oefenen hun effecten uit door post-transcriptioneel de mRNA's te onderdrukken door te binden aan complementaire plaatsen in de 3'-UTR's van het mRNA dat ze controleren. Een sterke complementariteit zorgt ervoor dat het mRNA wordt afgebroken, terwijl een zwakke complementariteit geen veranderingen in mRNA-niveaus veroorzaakt, maar remming van translatie veroorzaakt. Hoewel de belangrijkste rol van miRNA ligt bij transcriptionele repressie, werken ze in zeldzame gevallen ook als activatoren ⁽⁸⁾. miRNA's spelen een onmisbare rol in de ontwikkeling van het organisme door de genen en genproducten te reguleren vanaf de embryonale staat tot de ontwikkeling van orgaan- en orgaansystemen ^(9-11). Naast hun rol bij het handhaven van cellulaire homeostase, zijn miRNA’s ook betrokken bij verschillende ziekten zoals kanker (miRNA's die zowel als activator als als repressor van genen fungeren), neurodegeneratieve aandoeningen en hart- en vaatziekten. Het begrijpen en ophelderen van hun rol bij verschillende ziekten kan leiden tot de ontdekking van nieuwe biomarkers met daarmee gepaard gaande nieuwe therapeutische benaderingen voor ziektepreventie. miRNA's spelen ook een cruciale rol bij de ontwikkeling en pathogenese van infecties veroorzaakt door micro-organismen zoals bacteriën en virussen, door de genen van het immuunsysteem te reguleren om een ​​effectieve reactie op de ziekte op te wekken. In het geval van virale infecties komen Type I interferonen (IFN alfa en IFN bèta) vrij als antivirale cytokines die op hun beurt het immuunsysteem moduleren om een ​​strijdlustige reactie op te wekken ⁽¹²). De productie van interferonen is strak gereguleerd, zowel op het niveau van transcriptie als translatie, en speelt een cruciale rol bij het bepalen van de antivirale respons door de gastheer. Virussen zijn echter voldoende geëvolueerd om de gastheercellen te misleiden om deze immuunrespons te onderdrukken, waardoor het virus voordeel heeft voor zijn replicatie en daardoor de ziektesymptomen verergeren ^{(12, 13)}. De strikte controle van de wisselwerking tussen IFN-productie door de gastheer bij virale infectie en de onderdrukking ervan door het infecterende virus bepaalt de omvang en duur van de ziekte veroorzaakt door het genoemde virus in kwestie. Hoewel de transcriptionele controle van IFN-productie en gerelateerde IFN-gestimuleerde genen (ISG's) goed ingeburgerd is ⁽¹⁴⁾, het mechanisme van translationele controle is nog steeds ongrijpbaar gebleven ⁽¹⁵⁾. 

De recente studie door onderzoekers van de McGill University, Canada en de Koninginnen Universiteit, Belfast biedt een mechanisch begrip van de translationele controle van IFN productie die de rol van 4EHP-eiwit benadrukt bij het onderdrukken van IFN-bèta-productie en betrokkenheid van miRNA, miR-34a. 4EHP reguleert de IFN-productie door de miR-34a-geïnduceerde translationele silencing van Ifnb1-mRNA te moduleren. Infectie met RNA-virussen en IFN-bèta-inductie verhogen de niveaus van miR-34a miRNA, waardoor een negatieve feedbackregulatielus wordt geactiveerd die IFN-bèta-expressie onderdrukt via 4EHP ⁽¹⁶⁾. Deze studie is van groot belang in de nasleep van de huidige pandemie veroorzaakt Covid-19 (een infectie veroorzaakt door een RNA-virus), omdat het zal helpen bij het beter begrijpen van de ziekte en zal leiden tot nieuwe manieren om met de infectie om te gaan door de niveaus van miR-34a miRNA te moduleren met behulp van designer-activators/-remmers en deze te testen in klinische onderzoeken voor de effecten ervan op de IFN-respons. Er zijn meldingen geweest van klinische onderzoeken waarbij IFN-bètatherapie werd gebruikt ⁽¹⁷⁾ en deze studie zal helpen de moleculaire mechanismen te ontrafelen door de rol van miRNA te benadrukken bij het intrinsiek reguleren van de translatiemachinerie van de gastheer voor het handhaven van een homeostatische omgeving. 

Toekomstige onderzoeken en onderzoek naar dergelijke en andere bekende en opkomende miRNA's Gekoppeld aan de integratie van deze bevindingen met genomische, transcriptomische en/of proteomische gegevens, zal dit niet alleen ons mechanistische begrip van de cellulaire interacties en ziekten vergroten, maar ook leiden tot nieuwe miRNA gebaseerde therapieën door miRNA te exploiteren als actimirs (met behulp van miRNAs als activatoren ter vervanging van miRNA's die zijn gemuteerd of verwijderd) en antagomirs (waarbij miRNA's worden gebruikt als antagonisten waarbij sprake is van abnormale opregulatie van het genoemde mRNA) voor voorkomende en opkomende ziekten bij mens en dier.  

*** 

Referenties  

1. Clairea T, Lamarthée B, Anglicheau D. MicroRNA's: kleine moleculen, grote effecten, huidige mening over orgaantransplantatie: februari 2021 - Volume 26 - Issue 1 - p 10-16. DOI: https://doi.org/10.1097/MOT.0000000000000835  

2. Ambros V. De functies van dierlijke microRNA's. Natuur. 2004, 431 (7006): 350-5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  

3. Bartel DP. MicroRNA's: genomica, biogenese, mechanisme en functie. Cel. 2004, 116 (2): 281-97. DOI: 10.1016/S0092-8674(04)00045-5

4. Jansson MD en Lund AH MicroRNA en kanker. Moleculaire Oncologie. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  

5. Bhaskaran M, Mohan M. MicroRNA's: geschiedenis, biogenese en hun evoluerende rol in de ontwikkeling en ziekte van dieren. Dierenarts Pathologie. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 

6. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Het heterochrone gen lin-4 van C. elegans codeert voor kleine RNA's met antisense-complementariteit met lin-14, Cell, Volume 75, uitgave 5,1993, pagina's 843-854, ISSN 0092-8674. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 

7. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et al. Behoud van de sequentie en temporele expressie van laat-7 heterochrone regulerende RNA. NATUUR 408, 86-89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 

8. Vasudevan S, Tong Y en Steitz JA. Overschakelen van repressie naar activering: microRNA's kunnen de vertaling opwaarderen. Wetenschap  21 december 2007: Vol. 318, uitgave 5858, pp.1931-1934. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 

9. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA, et al. Dicer is essentieel voor de ontwikkeling van muizen. Nat Genet. 2003; 35:215-217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253

10. Kloosterman WP, Plasterk RH. De diverse functies van micro-RNA's bij de ontwikkeling en ziekte van dieren. Dev cel. 2006; 11:441-450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2006.09.009 

11. Wienholds E, Koudijs MJ, van Eeden FJM, et al. Het microRNA-producerende enzym Dicer1 is essentieel voor de ontwikkeling van zebravissen. Nat Genet. 2003; 35:217-218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251

12. Haller O, Kochs G en Weber F. Het interferon-responscircuit: inductie en onderdrukking door pathogene virussen. Virologie. Volume 344, uitgave 1, 2006, pagina's 119-130, ISSN 0042-6822, DOI: https://doi.org/10.1016/j.virol.2005.09.024 

13. McNab F, Mayer-Barber K, Sher A, Wack A, O'Garra A. Type I interferonen bij infectieziekten. Nat Rev Immunol. 2015 februari;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 

14. Apostolo, E., en Thanos, D. (2008). Virusinfectie induceert NF-kappa-B-afhankelijke interchromosomale associaties die monoallele IFN-b-genexpressie mediëren. Cel 134, 85-96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   

15. Savan, R. (2014). Post-transcriptionele regulatie van interferonen en hun signaalroutes. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318-329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  

16. Zhang X, Chapat C et al. microRNA-gemedieerde translationele controle van antivirale immuniteit door het cap-bindende eiwit 4EHP. Molecular Cell 81, 1-14 2021. Gepubliceerd: 12 februari 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030

17. SCIEU 2021. Interferon-β voor de behandeling van COVID-19: subcutane toediening effectiever. Wetenschappelijk Europees. Geplaatst op 12 februari 2021. Online beschikbaar op http://scientificeuropean.co.uk/covid-19/interferon-%ce%b2-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Betreden op 14 februari 2021.  

***