РНК-интерференция ( РНКi ) — это биологический процесс, в котором молекулы РНК участвуют в последовательно-специфическом подавлении экспрессии генов двухцепочечной РНК посредством трансляционной или транскрипционной репрессии. Исторически РНКi была известна под другими названиями, включая косупрессию , посттранскрипционное подавление генов (PTGS) и подавление . Детальное изучение каждого из этих, казалось бы, разных процессов выявило, что идентичность этих явлений на самом деле была РНКi. Эндрю Файр и Крейг К. Мелло разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2006 года за свою работу по РНКi в нематоде Caenorhabditis elegans , которую они опубликовали в 1998 году . С момента открытия РНКi и ее регуляторного потенциала стало очевидно, что РНКi имеет огромный потенциал в подавлении желаемых генов. РНКi теперь известна как точная, эффективная, стабильная и лучшая, чем антисмысловая терапия , для подавления генов. [1] Антисмысловая РНК, продуцируемая внутриклеточно вектором экспрессии, может быть разработана и может найти применение в качестве новых терапевтических агентов. [2]
Два типа молекул малых рибонуклеиновых кислот (РНК), микроРНК (miRNA) и малая интерферирующая РНК ( siRNA ), являются центральными для компонентов пути РНК-интерференции. После деградации мРНК происходит посттранскрипционное подавление, поскольку предотвращается трансляция белка. Транскрипция может быть подавлена с помощью механизма претранскрипционного подавления РНК-интерференции, посредством которого ферментный комплекс катализирует метилирование ДНК в геномных позициях, комплементарных комплексу siRNA или miRNA. РНК-интерференция играет важную роль в защите клеток от паразитических нуклеотидных последовательностей (например, вирусов или транспозонов ), а также влияет на развитие организмов.
Путь РНК-интерференции — это естественный процесс, обнаруженный во многих эукариотах и животных клетках. Он инициируется ферментом Dicer , который расщепляет длинные двухцепочечные молекулы РНК (dsRNA) на короткие двухцепочечные фрагменты siRNA длиной приблизительно от 21 до 23 нуклеотидов . Каждая siRNA раскручивается на две одноцепочечные РНК (ssRNA), пассажирскую (смысловую) цепь и направляющую (антисмысловую) цепь. Затем пассажирская цепь расщепляется белком Argonaute 2 (Ago2). Пассажирская цепь расщепляется, а направляющая цепь включается в комплекс подавления экспрессии, индуцированный РНК (RISC). Затем сборка RISC связывает и расщепляет целевую мРНК. В частности, это достигается, когда направляющая цепь спаривается с комплементарной последовательностью в молекуле мРНК и вызывает расщепление Ago2, каталитическим компонентом RISC. В некоторых организмах этот процесс распространяется системно, несмотря на изначально ограниченные молярные концентрации siRNA. [3]
РНКi является ценным исследовательским инструментом, как в клеточной культуре , так и в живых организмах , поскольку синтетическая dsRNA, введенная в клетки, может избирательно и надежно вызывать подавление определенных интересующих генов. РНКi может использоваться для крупномасштабных скринингов, которые систематически отключают каждый ген (и последующие белки, которые он кодирует) в клетке, что может помочь идентифицировать компоненты, необходимые для определенного клеточного процесса или события, такого как деление клетки . Этот путь также используется в качестве практического инструмента для продуктов питания, лекарств и инсектицидов . [4]
РНК-интерференция — это РНК-зависимый процесс подавления генов , который контролируется RISC и инициируется короткими двухцепочечными молекулами РНК в цитоплазме клетки, где они взаимодействуют с каталитическим компонентом RISC Argonaute . [6] Когда dsRNA является экзогенной (поступающей из-за заражения вирусом с РНК-геномом или лабораторных манипуляций), РНК импортируется непосредственно в цитоплазму и расщепляется на короткие фрагменты Dicer. Инициирующая dsRNA также может быть эндогенной (возникающей в клетке), как в пре-микроРНК, экспрессируемых из РНК-кодирующих генов в геноме. Первичные транскрипты из таких генов сначала обрабатываются для формирования характерной структуры стебель-петля пре-микроРНК в ядре , а затем экспортируются в цитоплазму. Таким образом, два пути dsRNA, экзогенный и эндогенный, сходятся в RISC. [7]
Экзогенная dsRNA инициирует РНКi, активируя белок рибонуклеазы Dicer, [8] который связывает и расщепляет dsRNA в растениях или короткие шпилечные РНК (shRNA) у людей, чтобы произвести двухцепочечные фрагменты из 20–25 пар оснований с 2-нуклеотидным выступом на 3′ конце. [9] Биоинформатические исследования геномов множества организмов предполагают, что эта длина максимизирует специфичность целевого гена и минимизирует неспецифические эффекты. [10] Эти короткие двухцепочечные фрагменты называются siRNA . Затем эти siRNA разделяются на отдельные нити и интегрируются в активный RISC с помощью комплекса RISC-Loading Complex (RLC). RLC включает Dicer-2 и R2D2 и имеет решающее значение для объединения Ago2 и RISC. [11] Фактор 11, ассоциированный с белком TATA (TAF11), собирает RLC, способствуя тетрамеризации Dcr-2-R2D2, что увеличивает сродство связывания с siRNA в 10 раз. Ассоциация с TAF11 преобразует комплекс R2-D2-Initiator (RDI) в RLC. [12] R2D2 несет тандемные двухцепочечные РНК-связывающие домены для распознавания термодинамически стабильного конца дуплексов siRNA , тогда как Dicer-2 — другой, менее стабильный конец. Загрузка асимметрична: домен MID Ago2 распознает термодинамически стабильный конец siRNA. Поэтому «пассажирская» (смысловая) цепь, 5′ конец которой отбрасывается MID, выбрасывается, в то время как сохраненная «направляющая» (антисмысловая) цепь взаимодействует с AGO для формирования RISC. [11]
После интеграции в RISC, siRNAs спариваются с целевой мРНК и расщепляют ее, тем самым предотвращая ее использование в качестве шаблона для трансляции . [13] В отличие от siRNA , комплекс RISC, нагруженный miRNA, сканирует цитоплазматические мРНК на предмет потенциальной комплементарности. Вместо деструктивного расщепления (Ago2), miRNAs скорее нацелены на 3'-нетранслируемые области (UTR) мРНК, где они обычно связываются с несовершенной комплементарностью, тем самым блокируя доступ рибосом для трансляции. [14]
Экзогенная dsRNA обнаруживается и связывается эффекторным белком, известным как RDE-4 у C. elegans и R2D2 у Drosophila , который стимулирует активность Dicer. [15] Механизм, обеспечивающий эту специфичность длины, неизвестен, и этот белок связывает только длинные dsRNA. [15]
У C. elegans этот ответ инициации усиливается посредством синтеза популяции «вторичных» siRNA, в ходе которого инициирующие или «первичные» siRNA, продуцируемые Dicer, используются в качестве шаблонов. [16] Эти «вторичные» siRNA структурно отличаются от siRNA, продуцируемых Dicer , и, по-видимому, продуцируются РНК-зависимой РНК-полимеразой (RdRP). [17]
МикроРНК (миРНК) — это геномно кодируемые некодирующие РНК , которые помогают регулировать экспрессию генов , особенно во время развития . [18] Феномен РНК-интерференции, в широком смысле, включает в себя эндогенно индуцированные эффекты подавления генов микроРНК, а также подавление, вызванное чужеродной дцРНК. Зрелые микроРНК структурно похожи на siRNA, полученные из экзогенной дцРНК, но перед достижением зрелости микроРНК должны сначала пройти обширную посттранскрипционную модификацию . МикроРНК экспрессируется из гораздо более длинного гена, кодирующего РНК, в качестве первичного транскрипта, известного как при-миРНК , который обрабатывается в ядре клетки в 70-нуклеотидную структуру стебля-петли , называемую пре-миРНК, микропроцессорным комплексом . Этот комплекс состоит из фермента РНКазы III, называемого Дроша , и белка, связывающего дцРНК , DGCR8 . Часть dsRNA этой пре-miRNA связывается и расщепляется Dicer для получения зрелой молекулы miRNA, которая может быть интегрирована в комплекс RISC; таким образом, miRNA и siRNA используют один и тот же клеточный механизм нисходящего потока. [19] Сначала вирусная кодируемая miRNA была описана в вирусе Эпштейна-Барр (EBV). [20] После этого все большее количество микроРНК было описано в вирусах. VIRmiRNA — это полный каталог, охватывающий вирусные микроРНК, их мишени и противовирусные miRNA [21] (см. также ресурс VIRmiRNA: http://crdd.osdd.net/servers/virmirna/).
siRNA, полученные из длинных предшественников dsRNA, отличаются от miRNA тем, что miRNA, особенно у животных, обычно имеют неполное спаривание оснований с мишенью и подавляют трансляцию многих различных мРНК со схожими последовательностями. Напротив, siRNA обычно идеально спариваются с основаниями и вызывают расщепление мРНК только в одной конкретной мишени. [22] У Drosophila и C. elegans miRNA и siRNA обрабатываются различными белками Argonaute и ферментами Dicer. [23] [24]
Три основных нетранслируемых региона (3′UTR) мРНК часто содержат регуляторные последовательности, которые посттранскрипционно вызывают РНКi. Такие 3′-UTR часто содержат как сайты связывания для miRNAs , так и для регуляторных белков. Связываясь со специфическими сайтами в пределах 3′-UTR, miRNAs могут снижать экспрессию генов различных мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо напрямую вызывая деградацию транскрипта. 3′-UTR также может иметь области сайленсера, которые связывают белки-репрессоры, которые ингибируют экспрессию мРНК.
3′-UTR часто содержит элементы ответа микроРНК (MRE) . MRE — это последовательности, с которыми связываются miRNA. Это преобладающие мотивы в 3′-UTR. Среди всех регуляторных мотивов в 3′-UTR (например, включая области сайленсеров) MRE составляют около половины мотивов.
По состоянию на 2023 год веб-сайт miRBase [25] , архив последовательностей и аннотаций miRNA , содержал 28 645 записей в 271 биологическом виде. Из них 1917 miRNA находились в аннотированных локусах miRNA человека. Было предсказано, что miRNA имеют в среднем около четырехсот целевых мРНК (влияющих на экспрессию нескольких сотен генов). [26] Фридман и др. [26] подсчитали, что >45 000 целевых участков miRNA в пределах 3'UTR человеческой мРНК сохраняются выше фоновых уровней, и >60% генов, кодирующих белки человека, находились под селективным давлением для поддержания спаривания с miRNA.
Прямые эксперименты показывают, что одна miRNA может снизить стабильность сотен уникальных мРНК. [27] Другие эксперименты показывают, что одна miRNA может подавлять выработку сотен белков, но это подавление часто является относительно мягким (менее чем в 2 раза). [28] [29]
Эффекты нарушения регуляции экспрессии генов микроРНК, по-видимому, важны при раке. [30] Например, при раке желудочно-кишечного тракта было идентифицировано девять микроРНК, которые были эпигенетически изменены и эффективно подавляли ферменты репарации ДНК. [31]
Эффекты нарушения регуляции экспрессии генов микроРНК также, по-видимому, важны при нейропсихиатрических расстройствах, таких как шизофрения, биполярное расстройство, большая депрессия, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра. [32] [33] [34]
Экзогенная dsRNA обнаруживается и связывается эффекторным белком, известным как RDE-4 у C. elegans и R2D2 у Drosophila , который стимулирует активность Dicer. [15] Этот белок связывает только длинные dsRNA, но механизм, обеспечивающий эту специфичность длины, неизвестен. [15] Затем этот связывающий РНК белок облегчает перенос расщепленных siRNA в комплекс RISC. [35]
У C. elegans этот ответ инициации усиливается посредством синтеза популяции «вторичных» siRNA, в ходе которого инициирующие или «первичные» siRNA, продуцируемые Dicer, используются в качестве шаблонов. [16] Эти «вторичные» siRNA структурно отличаются от siRNA, продуцируемых Dicer , и, по-видимому, продуцируются РНК-зависимой РНК-полимеразой (RdRP). [17]
Активными компонентами комплекса подавления экспрессии РНК (RISC) являются эндонуклеазы , называемые белками Argonaute, которые расщепляют целевую цепь мРНК, комплементарную связанной с ними siRNA . [6] Поскольку фрагменты, продуцируемые Dicer, являются двухцепочечными, теоретически каждый из них может производить функциональную siRNA . Однако только одна из двух цепей, которая известна как направляющая цепь , связывает Argonaute и направляет подавление экспрессии гена. Другая анти-направляющая цепь или пассажирская цепь деградирует во время активации RISC. [36] Хотя сначала считалось, что АТФ -зависимая геликаза разделяет эти две цепи, [37] процесс оказался АТФ-независимым и выполнялся непосредственно белковыми компонентами RISC. [3] [38] Однако in vitro кинетический анализ РНК-интерференции в присутствии и в отсутствие АТФ показал, что АТФ может потребоваться для раскручивания и удаления расщепленной цепи мРНК из комплекса RISC после катализа. [39] Направляющая цепь, как правило, та, 5′ конец которой менее стабильно связан с ее комплементом, [40] но выбор цепи не зависит от направления, в котором Dicer расщепляет dsRNA перед включением RISC. [41] Вместо этого белок R2D2 может служить дифференцирующим фактором, связывая более стабильный 5′ конец цепи-пассажира. [42]
Структурная основа связывания РНК с белком Argonaute была исследована с помощью рентгеновской кристаллографии связывающего домена РНК-связанного Argonaute. Здесь фосфорилированный 5′ конец цепи РНК входит в консервативный базовый поверхностный карман и устанавливает контакты через двухвалентный катион (атом с двумя положительными зарядами), такой как магний , и посредством ароматического стекинга (процесса, который позволяет более чем одному атому делить электрон, передавая его туда и обратно) между 5′ нуклеотидом в siRNA и консервативным остатком тирозина . Предполагается, что этот сайт образует центр зародышеобразования для связывания siRNA с ее мишенью мРНК. [43] Анализ ингибирующего эффекта несоответствий на 5'- или 3'-конце направляющей цепи продемонстрировал, что 5'-конец направляющей цепи, вероятно, отвечает за соответствие и связывание целевой мРНК, тогда как 3'-конец отвечает за физическую организацию целевой мРНК в благоприятную для расщепления область RISC. [39]
Непонятно, как активированный комплекс RISC находит комплементарные мРНК внутри клетки. Хотя предполагается, что процесс расщепления связан с трансляцией , трансляция целевой мРНК не является существенной для деградации, опосредованной РНКи. [44] Действительно, РНКи может быть более эффективной против целевых мРНК, которые не транслируются. [45] Белки аргонавтов локализуются в определенных областях цитоплазмы, называемых P-тельцами (также цитоплазматическими тельцами или тельцами GW), которые представляют собой области с высокой скоростью распада мРНК; [46] активность miRNA также кластеризуется в P-тельцах. [47] Нарушение P-тельцов снижает эффективность РНКи, что позволяет предположить, что они являются критическим участком в процессе РНКи. [48]
Компоненты пути РНКi используются во многих эукариотах для поддержания организации и структуры их геномов . Модификация гистонов и связанная с ней индукция образования гетерохроматина служат для подавления генов до транскрипции ; [50] этот процесс называется РНК-индуцированным транскрипционным сайленсингом (RITS) и осуществляется комплексом белков, называемым комплексом RITS. У делящихся дрожжей этот комплекс содержит Argonaute, хромодоменный белок Chp1 и белок Tas3 неизвестной функции. [51] Как следствие, индукция и распространение гетерохроматиновых областей требуют белков Argonaute и RdRP. [52] Действительно, делеция этих генов у делящихся дрожжей S. pombe нарушает метилирование гистонов и образование центромеры , [53] вызывая медленную или остановившуюся анафазу во время деления клетки . [54] В некоторых случаях наблюдались схожие процессы, связанные с модификацией гистонов, которые транскрипционно повышали регуляцию генов. [55]
Механизм, посредством которого комплекс RITS индуцирует формирование и организацию гетерохроматина, не до конца изучен. Большинство исследований были сосредоточены на регионе типа спаривания в делящихся дрожжах, который может не быть репрезентативным для активности в других геномных регионах/организмах. При поддержании существующих регионов гетерохроматина RITS образует комплекс с siRNA , комплементарными локальным генам, и стабильно связывает локальные метилированные гистоны, действуя ко-транскрипционно для деградации любых возникающих пре-мРНК-транскриптов, инициированных РНК-полимеразой . Формирование такого региона гетерохроматина, хотя и не его поддержание, зависит от Dicer, предположительно потому, что Dicer требуется для генерации начального комплемента siRNA , которые нацелены на последующие транскрипты. [56] Было высказано предположение, что поддержание гетерохроматина функционирует как самоусиливающаяся петля обратной связи, поскольку новые siRNA образуются из случайных возникающих транскриптов с помощью RdRP для включения в локальные комплексы RITS. [57] Значимость наблюдений за областями спаривания и центромерами делящихся дрожжей для млекопитающих не ясна, поскольку поддержание гетерохроматина в клетках млекопитающих может быть независимым от компонентов пути РНК-интерференции. [58]
Тип редактирования РНК , который наиболее распространен у высших эукариот, преобразует аденозиновые нуклеотиды в инозин в dsRNAs с помощью фермента аденозиндезаминазы (ADAR). [59] Первоначально было предложено в 2000 году, что пути редактирования РНК РНК i и A→I могут конкурировать за общий субстрат dsRNA. [60] Некоторые пре-miRNAs действительно подвергаются редактированию РНК A→I [61] [62] , и этот механизм может регулировать процессинг и экспрессию зрелых miRNAs. [62] Кроме того, по крайней мере один ADAR млекопитающих может изолировать siRNAs из компонентов пути RNAi. [63] Дальнейшее подтверждение этой модели исходит из исследований штаммов C. elegans, не имеющих ADAR , указывающих на то, что редактирование РНК A→I может противодействовать подавлению РНКi эндогенных генов и трансгенов. [64]
Организмы различаются по своей способности захватывать чужеродную дцРНК и использовать ее в пути РНКи. Эффекты РНКи могут быть как системными, так и наследственными у растений и C. elegans , но не у Drosophila или млекопитающих. Считается, что у растений РНКи распространяется путем передачи siRNA между клетками через плазмодесмы (каналы в клеточных стенках, которые обеспечивают связь и транспорт). [37] Наследуемость происходит от метилирования промоторов, на которые нацелена РНКи; новый паттерн метилирования копируется в каждом новом поколении клеток. [66] Широкое общее различие между растениями и животными заключается в нацеливании на эндогенно продуцируемые miRNA; у растений miRNA обычно идеально или почти идеально комплементарны своим целевым генам и вызывают прямое расщепление мРНК RISC, в то время как miRNA животных, как правило, более расходятся в последовательности и вызывают трансляционную репрессию. [65] Этот трансляционный эффект может быть вызван ингибированием взаимодействия факторов инициации трансляции с полиадениновым хвостом мРНК . [67]
У некоторых эукариотических простейших, таких как Leishmania major и Trypanosoma cruzi, полностью отсутствует путь РНК-интерференции. [68] [69] Большинство или все компоненты также отсутствуют у некоторых грибов , в частности, у модельного организма Saccharomyces cerevisiae . [70] Наличие РНК-интерференции у других видов почкующихся дрожжей, таких как Saccharomyces castellii и Candida albicans , дополнительно демонстрирует, что индукция двух белков, связанных с РНК-интерференцией, из S. castellii облегчает РНК-интерференцию в S. cerevisiae . [71] Тот факт, что у некоторых аскомицетов и базидиомицетов отсутствуют пути РНК-интерференции, указывает на то, что белки, необходимые для подавления РНК, были утрачены независимо от многих линий грибов , возможно, из-за эволюции нового пути со схожей функцией или из-за отсутствия селективного преимущества в определенных нишах . [72]
Экспрессия генов у прокариот находится под влиянием системы на основе РНК, в некоторых отношениях схожей с РНК-интерференцией. Здесь гены, кодирующие РНК, контролируют обилие мРНК или трансляцию, производя комплементарную РНК, которая отжигается с мРНК. Однако эти регуляторные РНК обычно не считаются аналогичными микроРНК, поскольку фермент Dicer не участвует. [73] Было высказано предположение, что системы интерференции CRISPR у прокариот аналогичны системам эукариотической РНК-интерференции, хотя ни один из белковых компонентов не является ортологичным . [74]
Этот раздел необходимо обновить . Пожалуйста ( Май 2020 ) |
РНК-интерференция является важной частью иммунного ответа на вирусы и другой чужеродный генетический материал , особенно в растениях, где она также может предотвращать самораспространение транспозонов. [75] Такие растения, как Arabidopsis thaliana, экспрессируют несколько гомологов Dicer , которые специализированы для того, чтобы реагировать по-разному, когда растение подвергается воздействию различных вирусов. [76] Еще до того, как путь РНК-интерференции был полностью понят, было известно, что индуцированное подавление генов в растениях может распространяться по всему растению в системном эффекте и может передаваться от подвоя к привою посредством прививки . [77] С тех пор это явление было признано особенностью иммунной системы растений, которая позволяет всему растению реагировать на вирус после первоначального локализованного столкновения. [78] В ответ многие вирусы растений выработали сложные механизмы для подавления ответа РНК-интерференции. [79] К ним относятся вирусные белки, которые связывают короткие двухцепочечные фрагменты РНК с одноцепочечными выступающими концами, такими как те, которые продуцирует Dicer. [80] Некоторые геномы растений также экспрессируют эндогенные siRNA в ответ на заражение определенными типами бактерий . [81] Эти эффекты могут быть частью генерализованного ответа на патогены, который подавляет любой метаболический процесс в хозяине, способствующий процессу заражения. [82]
Хотя животные обычно экспрессируют меньше вариантов фермента Dicer, чем растения, РНК-интерференция у некоторых животных вызывает противовирусный ответ. Как у молодых, так и у взрослых особей Drosophila РНК-интерференция играет важную роль в противовирусном врожденном иммунитете и активна против таких патогенов, как вирус Drosophila X . [83] [84] Подобная роль в иммунитете может выполняться у C. elegans , поскольку белки Argonaute активируются в ответ на вирусы, а черви, которые сверхэкспрессируют компоненты пути РНК-интерференции, устойчивы к вирусной инфекции. [85] [86]
Роль РНКi во врожденном иммунитете млекопитающих плохо изучена, и имеется относительно мало данных. Однако существование вирусов, которые кодируют гены, способные подавлять реакцию РНКi в клетках млекопитающих, может быть свидетельством в пользу иммунной реакции млекопитающих, зависящей от РНКi, [87] [88], хотя эта гипотеза была оспорена как плохо обоснованная. [89] Были представлены доказательства существования функционального противовирусного пути РНКi в клетках млекопитающих. [90] [91]
Существуют также и другие функции РНК-интерференции в вирусах млекопитающих, такие как микроРНК, экспрессируемые вирусом герпеса , которые могут действовать как триггеры организации гетерохроматина , опосредующие латентность вируса. [92]
Эндогенно экспрессируемые miRNA, включая как интронные , так и межгенные miRNA, наиболее важны для трансляционной репрессии [65] и для регуляции развития, особенно в отношении сроков морфогенеза и поддержания недифференцированных или не полностью дифференцированных типов клеток, таких как стволовые клетки . [93] Роль эндогенно экспрессируемой miRNA в подавлении экспрессии генов была впервые описана у C. elegans в 1993 году. [94] У растений эта функция была обнаружена, когда было показано, что «микроРНК JAW» Arabidopsis участвует в регуляции нескольких генов, которые контролируют форму растения. [95] У растений большинство генов, регулируемых miRNA, являются факторами транскрипции ; [96] таким образом, активность miRNA особенно широко распространена и регулирует целые сети генов во время развития, модулируя экспрессию ключевых регуляторных генов, включая факторы транскрипции, а также белки F-box . [97] Во многих организмах, включая людей, miRNA связаны с образованием опухолей и нарушением регуляции клеточного цикла . Здесь miRNA могут функционировать как онкогены и супрессоры опухолей . [98]
На основе филогенетического анализа, основанного на экономии , последний общий предок всех эукариот , скорее всего, уже обладал ранним путем РНК-интерференции; отсутствие пути у некоторых эукариот считается производной характеристикой. [99] Эта предковая система РНК-интерференции, вероятно, содержала по крайней мере один белок типа Dicer, один белок Argonaute, один белок PIWI и РНК-зависимую РНК-полимеразу , которая также могла играть другие клеточные роли. Масштабное сравнительное геномное исследование также указывает на то, что эукариотическая коронная группа уже обладала этими компонентами, которые затем могли иметь более тесные функциональные связи с обобщенными системами деградации РНК, такими как экзосома . [100] Это исследование также предполагает, что семейство РНК-связывающих белков Argonaute, которое является общим для эукариот, большинства архей и, по крайней мере, некоторых бактерий (таких как Aquifex aeolicus ), гомологично компонентам системы инициации трансляции и изначально произошло от них .
Снижение экспрессии генов — это метод, используемый для снижения экспрессии определенных генов организма. Это достигается с помощью естественного процесса РНК-интерференции. [6] Этот метод снижения экспрессии генов использует двухцепочечную молекулу siRNA, которая синтезируется с последовательностью, комплементарной интересующему гену. Каскад RNAi начинается, как только фермент Dicer начинает обрабатывать siRNA. Конечный результат процесса приводит к деградации мРНК и разрушает любые инструкции, необходимые для построения определенных белков. Используя этот метод, исследователи могут снизить (но не полностью устранить) экспрессию целевого гена. Изучение эффектов этого снижения экспрессии может показать физиологическую роль или воздействие целевых генных продуктов. [101] [102]
Обширные усилия в области вычислительной биологии были направлены на разработку успешных реагентов dsRNA, которые максимизируют нокдаун генов, но минимизируют «внецелевые» эффекты. Внецелевые эффекты возникают, когда введенная РНК имеет базовую последовательность, которая может спариваться с несколькими генами и, таким образом, снижать их экспрессию. Такие проблемы возникают чаще, когда dsRNA содержит повторяющиеся последовательности. Было подсчитано, что при изучении геномов человека, C. elegans и S. pombe около 10% возможных siRNA имеют существенные внецелевые эффекты. [10] Было разработано множество программных инструментов, реализующих алгоритмы для разработки общих [103] [104] специфичных для млекопитающих [105] и специфичных для вирусов [106] siRNA , которые автоматически проверяются на возможную перекрестную реактивность.
В зависимости от организма и экспериментальной системы экзогенная РНК может быть длинной цепью, предназначенной для расщепления Dicer, или короткими РНК, предназначенными для использования в качестве субстратов siRNA . В большинстве клеток млекопитающих используются более короткие РНК, поскольку длинные двухцепочечные молекулы РНК вызывают реакцию млекопитающих на интерферон , форму врожденного иммунитета , которая неспецифически реагирует на чужеродный генетический материал. [107] Ооциты мышей и клетки ранних эмбрионов мышей не имеют этой реакции на экзогенную dsRNA и поэтому являются общей модельной системой для изучения эффектов нокдауна генов млекопитающих. [108] Также были разработаны специализированные лабораторные методы для улучшения полезности РНК-интерференции в системах млекопитающих путем избежания прямого введения siRNA , например, путем стабильной трансфекции плазмидой, кодирующей соответствующую последовательность, из которой могут транскрибироваться siRNA , [109] или с помощью более сложных лентивирусных векторных систем, позволяющих индуцируемую активацию или деактивацию транскрипции, известных как условная РНК-интерференция . [110] [111]
Методика подавления генов с использованием РНК-интерференционной терапии продемонстрировала успех в рандомизированных контролируемых клинических исследованиях. Эти препараты представляют собой растущий класс препаратов на основе siRNA, которые снижают экспрессию белков, кодируемых определенными генами. На сегодняшний день пять препаратов РНК-интерференции были одобрены регулирующими органами в США и Европе: патисиран (2018), гивосиран (2019), люмасиран (2020), инклизиран (2020 в Европе с ожидаемым одобрением в США в 2021 году) и вутрисиран (2022). [112] [113] [114] [115]
В то время как все одобренные регулирующими органами терапевтические средства на основе РНК-интерференции направлены на лечение заболеваний, возникающих в печени, дополнительные исследуемые препараты нацелены на целый ряд заболеваний, включая сердечно-сосудистые заболевания, нарушения свертываемости крови, расстройства, связанные с употреблением алкоголя, муковисцидоз, подагру, карциному и заболевания глаз.
Патисиран — первый препарат на основе двухцепочечной siRNA, одобренный в 2018 году и разработанный Alnylam Pharmaceuticals . Патисиран использует каскад РНК-интерференции для подавления гена, кодирующего TTR (транстриетин). Мутации в этом гене могут вызвать неправильное сворачивание белка, ответственного за наследственный амилоидоз ATTR . Для достижения терапевтического ответа патисиран заключен в мембрану липидной наночастицы , которая облегчает переход в цитоплазму. Попав внутрь клетки, siRNA начинает обрабатываться ферментом Dicer. Патисиран вводится медицинским работником посредством внутривенной инфузии с дозировкой в зависимости от веса тела. Предупреждения и меры предосторожности включают риск реакций, связанных с инфузией, и снижение уровня витамина А (сыворотка). [116]
В 2019 году FDA и EMA одобрили гивосиран для лечения взрослых с острой печеночной порфирией (AHP). [117] FDA также предоставило гивосирану статус прорывной терапии , статус приоритетного рассмотрения и статус орфанного препарата для лечения острой печеночной порфирии (AHP) в ноябре 2019 года. [118] К 2020 году гивосиран получил одобрение EMA. [119] Гивосиран представляет собой siRNA, которая расщепляет мРНК синтазы аминолевулиновой кислоты 1 (ALAS1) в печени. Расщепление мРНК ALAS1 предотвращает накопление токсинов (ответственных за нейровисцеральные атаки и заболевание AHP), таких как аминолевулиновая кислота (ALA) и порфобилиноген (PBG). [120] [121] [122] [123] Для облегчения проникновения в цитоплазму гивосиран использует лиганды GalNAc и проникает в клетки печени. Лекарство вводится подкожно медицинским работником с дозировкой на основе веса тела. Предупреждения и меры предосторожности включают риск анафилактических реакций, гепатотоксичности, почечной токсичности и реакций в месте инъекции. [124]
Lumasiran был одобрен как препарат на основе siRNA в 2020 году для использования как в Европейском союзе, так и в Соединенных Штатах. [125] [126] Этот препарат используется для лечения первичной гипероксалурии типа 1 (PH1) у детей и взрослых. Препарат предназначен для снижения продукции оксалатов в печени и уровня оксалатов в моче посредством РНК-интерференции путем воздействия на мРНК гидроксикислотной оксидазы 1 (HAO1) для расщепления. Снижение уровня фермента HAO1 снижает окисление гликолата до глиоксилата (который является субстратом для оксалата). Lumasiran вводится подкожно медицинским работником с дозировкой на основе массы тела. [127] Данные рандомизированных контролируемых клинических испытаний показывают, что наиболее распространенной нежелательной реакцией, о которой сообщалось, были реакции в месте инъекции. Эти реакции были легкими и присутствовали у 38 процентов пациентов, получавших лечение lumasiran. [128]
В 2022 году FDA и EMA одобрили вутрисиран для лечения взрослых с наследственным транстиретин-опосредованным амилоидозом с полинейропатией 1 или 2 стадии. [129] [130] Вутрисиран предназначен для расщепления мРНК, кодирующей транстиретин .
Другие исследуемые препараты с использованием РНК-интерференции, которые разрабатываются фармацевтическими компаниями, такими как Arrowhead Pharmaceuticals , Dicerna, Alnylam Pharmaceuticals , Amgen и Sylentis. Эти препараты охватывают различные цели с помощью РНК-интерференции и заболеваний.
Исследовательские терапевтические препараты на основе РНК-интерференции, находящиеся в стадии разработки:
Лекарство | Цель | Система доставки | Болезнь | Фаза | Статус | Компания | Идентификатор |
---|---|---|---|---|---|---|---|
АЛН–ВСП02 | КСП и VEGF | ЛНП | Солидные опухоли | я | Завершенный | Alnylam Фармасьютикалс | NCT01158079 |
siRNA–EphA2–DOPC | ЭфА2 | ЛНП | Распространенные виды рака | я | Рекрутинг | Онкологический центр им. М. Д. Андерсона | NCT01591356 |
Ату027 | ПКН3 | ЛНП | Солидные опухоли | я | Завершенный | Терапия тишины | NCT00938574 |
ТКМ–080301 | ПЛК1 | ЛНП | Рак | я | Рекрутинг | Текмира Фармасьютикал | NCT01262235 |
ТКМ–100201 | VP24, VP35, L-полимераза вируса Эбола в Заире | ЛНП | Инфекция вируса Эбола | я | Рекрутинг | Текмира Фармасьютикал | NCT01518881 |
АЛН–RSV01 | Нуклеокапсид вируса RSV | Голая siRNA | Респираторно-синцитиальные вирусные инфекции | II | Завершенный | Alnylam Фармасьютикалс | NCT00658086 |
ПРО-040201 | АпоВ | ЛНП | Гиперхолестеринемия | я | Прекращено | Текмира Фармасьютикал | NCT00927459 |
АЛН–PCS02 | PCSK9 | ЛНП | Гиперхолестеринемия | я | Завершенный | Alnylam Фармасьютикалс | NCT01437059 |
АЛН–ТТР02 | ТТР | ЛНП | Транстиретин-опосредованный амилоидоз | II | Рекрутинг | Alnylam Фармасьютикалс | NCT01617967 |
КАЛАА-01 | РРМ2 | Циклодекстрин НП | Солидные опухоли | я | Активный | Каландо Фармасьютикалс | NCT00689065 |
ТД101 | K6a (мутация N171K) | Голая siRNA | Врожденная пахионихия | я | Завершенный | Проект врожденной пахионихии | NCT00716014 |
AGN211745 | VEGFR1 | Голая siRNA | Возрастная макулярная дегенерация, хориоидальная неоваскуляризация | II | Прекращено | Аллерган | NCT00395057 |
QPI-1007 | КАСП2 | Голая siRNA | Атрофия зрительного нерва, неартериитная передняя ишемическая оптическая нейропатия | я | Завершенный | Кварк Фармасьютикалс | NCT01064505 |
И5НП | стр53 | Голая siRNA | Повреждение почек, острая почечная недостаточность | я | Завершенный | Кварк Фармасьютикалс | NCT00554359 |
Задержка функции трансплантата, осложнения при трансплантации почки | Я, 2 | Рекрутинг | Кварк Фармасьютикалс | NCT00802347 | |||
ПФ-655 (ПФ-04523655) | RTP801 (собственная цель) | Голая siRNA | Хориоидальная неоваскуляризация, диабетическая ретинопатия, диабетический макулярный отек | II | Активный | Кварк Фармасьютикалс | NCT01445899 |
siG12D ЗАГРУЗЧИК | КРАС | полимер LODER | Рак поджелудочной железы | II | Рекрутинг | Sileseed | NCT01676259 |
Бевасираниб | СЭФР | Голая siRNA | Диабетический макулярный отек, дегенерация желтого пятна | II | Завершенный | Опко Здоровье | NCT00306904 |
SYL1001 | ТРПВ1 | Голая siRNA | Глазная боль, синдром сухого глаза | Я, 2 | Рекрутинг | Силентис | NCT01776658 |
SYL040012 | АДРБ2 | Голая siRNA | Глазная гипертензия, открытоугольная глаукома | II | Рекрутинг | Силентис | NCT01739244 |
CEQ508 | CTNNB1 | shRNA, переносящая Escherichia coli | Семейный аденоматозный полипоз | Я, 2 | Рекрутинг | Марина Биотех | Неизвестный |
RXi-109 | CTGF | Самодостаточное соединение РНК-интерференции | Профилактика образования рубцов | я | Рекрутинг | RXi Фармацевтика | NCT01780077 |
ALN–TTRsc | ТТР | Конъюгат siRNA–GalNAc | Транстиретин-опосредованный амилоидоз | я | Рекрутинг | Alnylam Фармасьютикалс | NCT01814839 |
АРК-520 | Консервативные регионы HBV | ЦОД | ВГВ | я | Рекрутинг | Исследования наконечника стрелы | NCT01872065 |
В настоящее время как miRNA, так и SiRNA синтезируются химически и, таким образом, юридически классифицируются в ЕС и США как «простые» лекарственные средства. Но поскольку биоинженерные siRNA (BERA) находятся в стадии разработки, они будут классифицироваться как биологические лекарственные средства, по крайней мере в ЕС. Развитие технологии BERA поднимает вопрос о категоризации лекарств, имеющих тот же механизм действия, но производимых химическим или биологическим путем. Это отсутствие согласованности следует устранить. [131]
Для достижения клинического потенциала РНКi, siRNA должна эффективно транспортироваться в клетки целевых тканей. Однако существуют различные барьеры, которые необходимо устранить, прежде чем ее можно будет использовать в клинической практике. Например, «голая» siRNA подвержена нескольким препятствиям, которые снижают ее терапевтическую эффективность. [132] Кроме того, как только siRNA попадает в кровоток, голая РНК может быть деградирована сывороточными нуклеазами и может стимулировать врожденную иммунную систему. [132] Из-за своего размера и высокополианионной (содержащей отрицательные заряды в нескольких местах) природы немодифицированные молекулы siRNA не могут легко проникать в клетки через клеточную мембрану. Поэтому необходимо использовать искусственные или инкапсулированные в наночастицы siRNA . Если siRNA переносится через клеточную мембрану, может возникнуть непреднамеренная токсичность, если терапевтические дозы не оптимизированы, и siRNA могут проявлять нецелевые эффекты (например, непреднамеренное подавление генов с частичной комплементарностью последовательностей ). [133] Даже после попадания в клетки требуется повторное дозирование, поскольку их эффекты разбавляются при каждом делении клетки. В ответ на эти потенциальные проблемы и барьеры два подхода помогают облегчить доставку siRNA в целевые клетки: липидные наночастицы и конъюгаты. [134]
Липидные наночастицы (ЛНП) основаны на липосомоподобных структурах, которые обычно состоят из водного центра, окруженного липидной оболочкой. [135] Подмножество липосомальных структур, используемых для доставки лекарств в ткани, находятся в крупных однослойных везикулах (ЛВ), размер которых может составлять 100 нм. Механизмы доставки ЛНП стали все более распространенным источником инкапсулирующих нуклеиновых кислот и могут включать плазмиды , CRISPR и мРНК . [136]
Первое одобренное использование липидных наночастиц в качестве механизма доставки лекарств началось в 2018 году с препарата siRNA patisiran, разработанного Alnylam Pharmaceuticals. Dicerna Pharmaceuticals, Persomics , Sanofi и Sirna Therapeutics также работали над выводом на рынок терапии RNAi. [137] [138]
Другие недавние приложения включают две одобренные FDA вакцины COVID-19: мРНК-1273, разработанную Moderna , и BNT162b , разработанную в сотрудничестве между Pfizer и BioNtech . [139] Эти две вакцины используют липидные наночастицы для доставки антигенной мРНК. Инкапсуляция молекулы мРНК в липидные наночастицы стала критическим прорывом для производства жизнеспособных вакцин мРНК, решив ряд ключевых технических барьеров при доставке молекулы мРНК в клетку-хозяина, распределенную через аполипопротеин E (apoE) в рецепторе липопротеинов низкой плотности (LDLR). В декабре 2020 года компания Novartis объявила, что положительные результаты исследований эффективности фазы III позволили считать инклизиран средством лечения гетерозиготной семейной гиперхолестеринемии (HeFH) и атеросклеротического сердечно-сосудистого заболевания (ASCVD). [140]
В дополнение к LNP, терапевтические средства RNAi имеют целевую доставку через конъюгаты siRNA (например, GalNAc, углеводы, пептиды, аптамеры, антитела). [141] Терапевтические средства с использованием конъюгатов siRNA были разработаны для редких или генетических заболеваний, таких как острая печеночная порфирия (AHP), гемофилия , первичная гипероксалурия (PH) и наследственный ATTR- амилоидоз, а также других кардиометаболических заболеваний, таких как гипертония и неалкогольный стеатогепатит (НАСГ). [142]
РНК-интерференция использовалась для множества других применений, включая продукты питания, сельскохозяйственные культуры и инсектициды. Использование пути РНК-интерференции позволило разработать множество продуктов, таких как арктические яблоки , табак без никотина, кофе без кофеина, обогащенные питательными веществами растения и гипоаллергенные культуры. [143] [144] [145] Новое использование РНК-интерференции имеет потенциал для разработки многих других продуктов для будущего использования.
Противовирусное лечение является одним из самых ранних предложенных медицинских приложений на основе РНК-интерференции, и были разработаны два различных типа. Первый тип нацелен на вирусные РНК. Многие исследования показали, что нацеливание на вирусные РНК может подавлять репликацию многочисленных вирусов, включая ВИЧ , [146] ВПЧ , [147] гепатит А , [148] гепатит В , [149] вирус гриппа , [150] [151] [152] [153] респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), [153] коронавирус атипичной пневмонии (SARS-CoV), [153] аденовирус [153] и вирус кори . [154] Другая стратегия заключается в блокировании начальных вирусных проникновений путем нацеливания на гены клеток-хозяев. [155] Например, подавление хемокиновых рецепторов ( CXCR4 и CCR5 ) на клетках-хозяевах может предотвратить проникновение вируса ВИЧ. [156]
В то время как традиционная химиотерапия может эффективно убивать раковые клетки, отсутствие специфичности для различения нормальных клеток и раковых клеток в этих методах лечения обычно вызывает серьезные побочные эффекты. Многочисленные исследования продемонстрировали, что РНК-интерференция может обеспечить более специфический подход к подавлению роста опухоли путем воздействия на гены, связанные с раком (т. е. онкогены ). [157] Также было высказано предположение, что РНК-интерференция может повысить чувствительность раковых клеток к химиотерапевтическим агентам , обеспечивая комбинаторный терапевтический подход с химиотерапией. [158] Другим потенциальным лечением на основе РНК-интерференции является подавление инвазии и миграции клеток . [159]
По сравнению с химиотерапией или другими противораковыми препаратами, у препарата siRNA есть много преимуществ. [160] SiRNA действует на посттранскрипционной стадии экспрессии генов, поэтому он не модифицирует и не изменяет ДНК пагубным образом. [160] SiRNA также может использоваться для получения специфического ответа определенным способом, например, путем снижения подавления экспрессии генов. [160] В одной раковой клетке siRNA может вызывать резкое подавление экспрессии генов всего несколькими копиями. [160] Это происходит путем подавления генов, способствующих развитию рака, с помощью РНК-интерференции, а также путем нацеливания на последовательность мРНК. [160]
Препараты РНК-интерференции лечат рак, подавляя определенные гены, способствующие развитию рака. [160] Это делается путем дополнения генов рака с помощью РНК-интерференции, например, путем сохранения последовательностей мРНК в соответствии с препаратом РНК-интерференции. [160] В идеале РНК-интерференция должна вводиться инъекционно и/или химически модифицироваться, чтобы РНК-интерференция могла более эффективно достигать раковых клеток. [160] Поглощение и регуляция РНК-интерференции контролируются почками. [160]
Стратегии РНК-интерференции также демонстрируют потенциал для лечения нейродегенеративных заболеваний . Исследования на клетках и мышах показали, что целенаправленное воздействие на гены, продуцирующие бета-амилоид (например, BACE1 и APP) с помощью РНК-интерференции может значительно снизить количество пептида Aβ, который коррелирует с причиной болезни Альцгеймера . [161] [162] [163] Кроме того, эти подходы, основанные на подавлении, также дают многообещающие результаты в лечении болезни Паркинсона и полиглутаминовой болезни . [164] [165] [166]
Иммунная система человека делится на две отдельные ветви: врожденную иммунную систему и адаптивную иммунную систему. [167] Врожденная иммунная система является первой защитой от инфекции и реагирует на патогены общим образом. [167] С другой стороны, адаптивная иммунная система, система, которая развилась позже врожденной, состоит в основном из высокоспециализированных В- и Т-клеток, которые обучены реагировать на определенные части патогенных молекул. [167]
Борьба между старыми и новыми патогенами помогла создать систему защищенных клеток и частиц, которые называются безопасным каркасом. [167] Этот каркас дал людям целую армию систем, которые ищут и уничтожают частицы-захватчики, такие как патогены, микроскопические организмы, паразиты и инфекции. [167] Безопасный каркас млекопитающих был разработан для включения siRNA в качестве инструмента для обнаружения вирусного заражения, что позволило siRNA создать интенсивный врожденный иммунный ответ. [167]
siRNA контролируется врожденной иммунной системой, которую можно разделить на острые воспалительные реакции и противовирусные реакции. [167] Воспалительная реакция создается с помощью сигналов от малых сигнальных молекул или цитокинов. [167] К ним относятся интерлейкин-1 (IL-1), интерлейкин-6 (IL-6), интерлейкин-12 (IL-12) и фактор некроза опухоли α (TNF-α). [167] Врожденная иммунная система генерирует воспалительные и противовирусные реакции, которые вызывают высвобождение рецепторов распознавания образов (PRR). [167] Эти рецепторы помогают маркировать, какие патогены являются вирусами, грибками или бактериями. [167] Более того, важность siRNA и врожденной иммунной системы заключается в том, чтобы включать больше PRR, чтобы помочь распознавать различные структуры РНК. [167] Это повышает вероятность того, что siRNA вызовет иммуностимулирующий ответ в случае появления патогена. [167]
РНК-интерференция использовалась для генной инженерии растений с целью получения более низких уровней природных растительных токсинов. Такие методы используют стабильный и наследуемый фенотип РНК-интерференции в растительных запасах. Семена хлопка богаты диетическим белком , но от природы содержат токсичный терпеноидный продукт госсипол , что делает их непригодными для потребления человеком. РНК-интерференция использовалась для получения запасов хлопка, семена которых содержат пониженные уровни дельта-кадинен-синтазы , ключевого фермента в производстве госсипола, не влияя на производство фермента в других частях растения, где госсипол сам по себе важен для предотвращения повреждения от вредителей растений. [168]
Усилия по разработке успешно снизили уровни аллергенов в растениях томата [169] и обогащение растений, таких как томаты, диетическими антиоксидантами . [170] Подавление альфа-амилазы с помощью РНК-интерференции также использовалось для снижения роста грибка Aspergillus flavus в кукурузе, который в противном случае загрязнял бы зерна опасными афлатоксинами . [171] Подавление синтазы слезоточивого фактора в луке привело к получению лука без слез, а РНК-интерференция использовалась в генах BP1 в семенах рапса для улучшения фотосинтеза. [172] Гены SBEIIa и SBEIIb в пшенице были нацелены на пшеницу с целью производства более высоких уровней амилозы для улучшения функции кишечника, [173] и Travella et al. В 2006 году РНК-интерференция была использована для функциональной геномики при исследовании гексаплоидных рас хлеба , в то время как вирус-индуцированное подавление генов (VIGS, подтип РНК-интерференции) было использовано Скофилдом и др. в 2005 году для исследования механизма устойчивости, обеспечиваемого Lr21 против ржавчины листьев пшеницы у гексаплоидной пшеницы . [174]
РНК-интерференция разрабатывается как инсектицид , с использованием различных подходов, включая генную инженерию и местное применение. [4] Клетки в средней кишке некоторых насекомых поглощают молекулы дцРНК в процессе, называемом экологической РНК-интерференцией. [175] У некоторых насекомых эффект является системным, поскольку сигнал распространяется по всему телу насекомого (называемый системной РНК-интерференцией). [176]
Животные, подвергшиеся воздействию РНК-интерференции в дозах, в миллионы раз превышающих предполагаемые уровни воздействия на человека, не показали никаких неблагоприятных эффектов. [177] РНК-интерференция оказывает различное воздействие на различные виды чешуекрылых (бабочки и моли). [178]
Drosophila spp., Bombyx mori , Locusta spp., Spodoptera spp., Tribolium castaneum , Nilaparvata lugens , Helicoverpa armigera и Apis mellifera — это модели, которые широко использовались для изучения того, как работает РНК-интерференция в определенных таксонах насекомых. Musca domestica имеет двагена Ago2 , а Glossina morsitans — три, как обнаружили Льюис и др. 2016 и Хайн и др. 2010. [179] [180] В случаепути miRNA Diuraphis noxia имеет два гена Ago1 , M. domestica — два гена Dcr1 , Acyrthosiphon pisum — по два гена Ago1 и Loqs и Dcr1 и четыре гена Pasha . В то время как вpiRNA G. morsitans и A. pisum имеют по два или три гена Ago3 . [180] Это привело к определению будущих целей разработки инсектицидов , а также способов действия и причин устойчивости других инсектицидов к инсектицидам. [180]
Трансгенные культуры были созданы для экспрессии dsRNA, тщательно отобранных для подавления важных генов у целевых вредителей. Эти dsRNA разработаны для воздействия только на насекомых, которые экспрессируют определенные последовательности генов. В качестве доказательства принципа в 2009 году исследование показало РНК, которые могут убить любой из четырех видов плодовых мух, не нанося вреда трем другим. [4]
В качестве альтернативы dsRNA можно поставлять без генной инженерии. Один из подходов заключается в добавлении их в поливную воду. Молекулы всасываются в сосудистую систему растений и отравляют насекомых, питающихся ими. Другой подход заключается в распылении dsRNA как обычного пестицида. Это позволит быстрее адаптироваться к устойчивости. Такие подходы потребуют недорогих источников dsRNA, которых в настоящее время не существует. [4]
Подходы к проектированию библиотек РНК-интерференции по всему геному могут потребовать большей сложности, чем проектирование одной siRNA для определенного набора экспериментальных условий. Искусственные нейронные сети часто используются для проектирования библиотек siRNA [181] и для прогнозирования их вероятной эффективности при нокдауне генов. [182] Массовый геномный скрининг широко рассматривается как многообещающий метод аннотации генома и положил начало разработке высокопроизводительных методов скрининга на основе микрочипов . [183] [184]
Исследования РНК-интерференции в масштабе генома опираются на технологию высокопроизводительного скрининга (HTS). Технология РНК-интерференции HTS позволяет проводить скрининг потери функции по всему геному и широко используется для идентификации генов, связанных с определенными фенотипами. Эта технология была воспринята как потенциальная вторая волна геномики, последовавшая за первой волной геномики микрочипов экспрессии генов и платформ обнаружения полиморфизма отдельных нуклеотидов . [185] Одним из основных преимуществ скрининга РНК-интерференции в масштабе генома является его способность одновременно исследовать тысячи генов. Благодаря возможности генерировать большой объем данных за эксперимент скрининг РНК-интерференции в масштабе генома привел к взрывному росту скорости генерации данных. Использование таких больших наборов данных является фундаментальной проблемой, требующей подходящих методов статистики/биоинформатики. Основной процесс скрининга РНК-интерференции на основе клеток включает выбор библиотеки РНК-интерференции, надежных и стабильных типов клеток, трансфекцию агентами РНК-интерференции, обработку/инкубацию, обнаружение сигнала, анализ и идентификацию важных генов или терапевтических мишеней. [186]
Процесс РНК-интерференции назывался «косупрессией» и «подавлением», когда наблюдался до того, как стало известно о механизме, связанном с РНК. Открытию РНК-интерференции предшествовали сначала наблюдения за ингибированием транскрипции антисмысловой РНК, экспрессируемой в трансгенных растениях, [188] и, более непосредственно, сообщения о неожиданных результатах экспериментов, проведенных учеными-растениеводами в Соединенных Штатах и Нидерландах в начале 1990-х годов. [189] В попытке изменить окраску цветков петуний исследователи ввели дополнительные копии гена, кодирующего халконсинтазу , ключевой фермент для пигментации цветков , в растения петунии с обычно розовым или фиолетовым цветом цветков. Ожидалось, что сверхэкспрессированный ген приведет к более темным цветам, но вместо этого заставил некоторые цветы иметь менее заметный фиолетовый пигмент, иногда в пестрых узорах, что указывает на то, что активность халконсинтазы была существенно снижена или стала подавленной в зависимости от контекста. Это позже будет объяснено как результат того, что трансген был вставлен рядом с промоторами в противоположном направлении в различных положениях по всему геному некоторых трансформантов, что привело к экспрессии антисмысловых транскриптов и подавлению генов, когда эти промоторы активны. [ необходима цитата ] Другое раннее наблюдение РНК-интерференции произошло из исследования грибка Neurospora crassa , [190] хотя оно не было сразу признано связанным. Дальнейшее исследование этого явления у растений показало, что подавление было вызвано посттранскрипционным ингибированием экспрессии генов через повышенную скорость деградации мРНК. [191] Это явление было названо косупрессией экспрессии генов , но молекулярный механизм остался неизвестным. [192]
Вскоре после этого вирусологи растений , работающие над повышением устойчивости растений к вирусным заболеваниям, наблюдали похожее неожиданное явление. Хотя было известно, что растения, экспрессирующие вирус-специфические белки, демонстрируют повышенную толерантность или устойчивость к вирусной инфекции, не ожидалось, что растения, несущие только короткие, некодирующие области вирусных последовательностей РНК, будут демонстрировать схожие уровни защиты. Исследователи полагали, что вирусная РНК, продуцируемая трансгенами, также может подавлять репликацию вируса. [193] Обратный эксперимент, в котором короткие последовательности растительных генов были введены в вирусы, показал, что целевой ген был подавлен в инфицированном растении. [194] Это явление было названо «вирус-индуцированным подавлением генов» (VIGS), [174] и набор таких явлений был в совокупности назван посттранскрипционным подавлением генов. [195]
После этих первоначальных наблюдений на растениях, лаборатории искали это явление в других организмах. [196] [197] Первый случай подавления РНК у животных был задокументирован в 1996 году, когда Го и Кемфуэс наблюдали, что введение смысловой и антисмысловой РНК в мРНК par-1 в Caenorhabditis elegans вызывало деградацию сообщения par-1. [198] Считалось, что эта деградация была вызвана одноцепочечной РНК (ssRNA), но два года спустя, в 1998 году, Файр и Мелло обнаружили, что эта способность подавлять экспрессию гена par-1 на самом деле была вызвана двухцепочечной РНК (dsRNA). [198] В статье Крейга К. Мелло и Эндрю Файра в журнале Nature за 1998 год сообщалось о мощном эффекте подавления генов после инъекции двухцепочечной РНК в C. elegans . [199] При исследовании регуляции производства мышечного белка они заметили, что ни инъекции мРНК, ни инъекции антисмысловой РНК не оказали влияния на производство белка, но двухцепочечная РНК успешно подавила целевой ген. В результате этой работы они ввели термин РНК-интерференция . Это открытие представляло собой первую идентификацию возбудителя этого явления. Файер и Мелло были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2006 года . [6] [200]
Сразу после новаторского открытия Файра и Мелло Элбашир и др. обнаружили, что с помощью синтетически созданных малых интерферирующих РНК (siRNA) можно нацеливать подавление определенных последовательностей в гене, а не подавлять весь ген. [201] Всего год спустя Маккаффри и его коллеги продемонстрировали, что это подавление, специфичное для последовательности, имеет терапевтическое применение, нацелившись на последовательность вируса гепатита С у трансгенных мышей. [202] С тех пор многочисленные исследователи пытались расширить терапевтическое применение РНК-интерференции, в частности, нацеливаясь на гены, вызывающие различные типы рака . [203] [204] К 2006 году первыми приложениями, достигшими стадии клинических испытаний , были лечение дегенерации желтого пятна и респираторно-синцитиального вируса . [205] Четыре года спустя было начато первое клиническое испытание фазы I на людях с использованием системы доставки наночастиц для воздействия на солидные опухоли . [206]
FDA одобрило первый препарат на основе siRNA ( патисиран ) в 2018 году. Гивосиран и лумасиран позже получили одобрение FDA для лечения AHP и PH1 в 2019 и 2020 годах соответственно. [112] Инклисиран получил одобрение EMA в 2020 году для лечения высокого уровня холестерина и в настоящее время находится на рассмотрении FDA. [207]