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.  

MicroRNAs or miRNA's have gained popularity over the past two decades for their role in post-transcriptional processes such as differentiation, metabolic homeostasis, proliferation and apoptosis ^(1-5). miRNA's are small single-stranded RNA sequences that do not encode for any proteins. They are derived from larger precursors, which are double-stranded RNA's. The biogenesis of miRNA starts in the nucleus of the cell and involves generation of primary miRNA transcripts by RNA polymerase II followed by trimming of the primary transcript to release the pre-miRNA hairpin by an enzyme complex. The primary miRNA is then exported to the cytoplasm where it is acted upon by DICER (a protein complex that further cleaves the pre-miRNA), thereby producing the mature single-stranded miRNA. The mature miRNA integrates itself as part of the RNA induced silencing complex (RISC) and induces post-transcriptional gene silencing by fastening RISC to the complementary regions, found within the 3’ untranslated regions (UTRs), in the target mRNAs. 

The story began in 1993 with the discovery of 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 progressing from stage L1 to L2. The transcribed lin-4 resulted in downregulating LIN-14 expression via complementary binding to the 3’UTR region of lin-4 mRNA, with little changes to mRNA levels of lin-4. This phenomenon was initially thought to be exclusive and specific to C. elegans, tot ongeveer 2000, toen ze werden ontdekt bij andere diersoorten ⁽⁷⁾. Since then, there has been a deluge of research articles describing the discovery and existence of miRNAs in both plants and animals. Over 25000 miRNA's have been discovered so far and for many, the exact role they play in the biology of the organism still remains elusive. 

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). In addition to their role in maintaining cellular homeostasis, miRNAs have also been implicated in various diseases such as cancer (miRNA's acting as both activators and repressor of genes), neurodegenerative disorders and cardiovascular diseases. Understanding and elucidating their role in various diseases can lead to new biomarker discovery with concomitant new therapeutic approaches for disease prevention. miRNA's also play a critical role in the development and pathogenesis of infections caused by micro-organisms such as bacteria and viruses by regulating the genes of the immune system to mount an effective response to the disease. In case of viral infections, Type I interferons (IFN alpha and IFN beta) are released as anti-viral cytokines which in turn modulates the immune system to mount a combative response ⁽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. 

Future investigations and research on such and other known and emerging miRNA's coupled with integration of these findings with genomic, transcriptomic, and/or proteomic data, will not only enhance our mechanistic understanding of the cellular interactions and disease, but would also lead to novel miRNA based therapies by exploiting miRNA as actimirs (utilizing miRNAs as activators for replacement of miRNA's that have been mutated or deleted) and antagomirs (utilizing miRNAs as antagonists where there is abnormal upregulation of the said mRNA) for prevalent and emerging human and animal diseases.  

*** 

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: https://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/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Betreden op 14 februari 2021.  

***