The role and regulation of microRNAs in asthma

Summary

Curr Opin Allergy Clin Immunol 2012; 12:49–52

© 2012 Wolters Kluwer Health | Lippincott Williams & Wilkins

ÚVOD

Astma je běžné chronické zánětlivé onemocnění dýchacích cest, charakterizované proměnlivou a recidivující obstrukcí proudění vzduchu, chronickým zánětem dýchacích cest a bronchiální hyperreaktivitou. Prevalence astmatu stoupá; v roce 2025 bude na celém světě 400 milionů nemocných trpících astmatem [1,2]. Naše chápání mechanismů v pozadí patogeneze astmatu prošlo během posledních 30 let dramatickým vývojem. Narůstající objem vědeckých údajů nám poskytl hlubší vhled, spojující klinické rysy astmatu s genetickými vzorci a s novými biologickými i molekulárními mechanismy podílejícími se na rozvoji zmíněného onemocnění [3]. Je dobře známo, že epitel dýchacích cest je přímo exponován vlivu vnějšího prostředí a hraje klíčovou úlohu v udržení homeostázy dýchacích cest i v patogenezi jejich onemocnění. Komplexní interakce mezi geny a prostředím, jež mohou vést ke vzniku astmatu, jsou částečně zprostředkovány environmentální epigenetickou regulací. Navzdory pokroku v léčbě astmatu nás progresivně narůstající prevalence tohoto onemocnění upozorňuje na nedostatek opatření směřujících k prevenci jeho rozvoje i na nedostatek kurativních léčebných postupů.

Nedávná identifikace mikroRNA (miRNA), což jsou geny nekódující proteiny, zlepšila technologické možnosti, díky nimž můžeme prohloubit svůj vhled do patofyziologických procesů, zejména u zánětlivých onemocnění [4,5]. Identifikací miRNA vytvářených ve vyšším množství nebo dysregulovaných bylo prokázáno ovlivnění buněčných a molekulárních cílů regulujících různá onemocnění – tím získáváme diagnostické či léčebné cíle, které bychom potenciálně mohli programovat tak, aby modulovaly chorobný proces. Mikro­RNA jsou zapojeny do různých biologických procesů včetně vývoje, stresové odpovědi, zánětu a maligního bujení, což odpovídá jejich podílu na normálních i patologických pochodech.

Je zajímavé, že přibývá důkazů o klíčové úloze miRNA v patogenezi astmatu. Jak bylo doloženo, s rozvojem a/nebo zmírněním astmatu jsou spojeny změny v expresi několika miRNA [5,6,7^•,8]. Někteří výzkumníci naznačují u astmatu možnost negativní zpětnovazební kontroly zánětu zprostředkované jak regulátory zánětlivé signalizace, tak miRNA. Skutečnost, že je obtížné vytvořit účinnou strategii pro léčbu astmatu, může být zčásti odrazem komplexnosti chorobného procesu: příčiny astmatu jsou velmi rozmanité a chybí nám jasný vhled do přesných molekulárních mechanismů jeho rozvoje. Nejrůznější úlohy miRNA v patologických procesech mohou od základu změnit naše chápání patogeneze astmatu a mohou vést k rozvoji nových léčebných strategií. V tomto přehledovém článku shrnujeme aktuální pojetí úlohy a regulace miRNA u astmatu, abychom lépe porozuměli patogenezi tohoto onemocnění a abychom přispěli k rozvoji nových účinných léčebných postupů.

MIKRO-RNA

MikroRNA jsou krátká vlákna (o délce přibližně 20 nukleotidů) RNA nekódující proteiny, která regulují genovou expresi prostřednictvím kontroly translace specifického typu RNA označovaného jako mRNA – ten předává genetické pokyny pro tvorbu proteinů [9,10]. MikroRNA poprvé popsali Lee a spol. [11] v roce 1993. Další úspěchy se však odvinuly až od přelomové práce popisující interferenci RNA u Caeno­rhabditis elegans, kterou publikovali v roce 1998 Fire a spol. ze Stanfordovy univerzity a Craig Mello [12]. Zjištění, že buňky „umlčují“ svou vlastní RNA, vedlo ke změně paradigmatu rámujícího náš pohled na RNA a rovněž k udělení Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu za rok 2006. Změna úrovně exprese miRNA je spojena s dysfunkcí odpovídajících cílů v podobě genů kódujících proteiny [13–18]. Dysregulované miRNA mohou být přesně identifikovány v různých tkáních i tekutinách lidského těla [14–18]. Nyní zjišťujeme, že u mnoha druhů existují posttranskripční regulace genů a „transacting antisense“ RNA (miRNA). Předpokládá se, že v savčích buňkách se vyskytuje přes 2 000 miRNA, přičemž regulace pomocí miRNA byla popsána přibližně u 30 % všech genů [19,20]. Jednotlivé tkáně se mohou navzájem výrazně lišit úrovní exprese miRNA. Většina změn v genové expresi navozených prostřednictvím miRNA je nenápadných, přičemž vedou k dvojnásobné až trojnásobné represi cílů, jež mohou modulovat funkci miRNA. Nejdůležitější dopady regulace zprostředkované miRNA jsou však zřejmě důsledkem potlačení jejich tvorby či jejich delece [19–23]. Předpokládá se, že dysregulace miRNA přispívá k patogenezi astmatu.

REGULACE MIKRO-RNA

MikroRNA jsou regulační molekuly RNA, jež představují integrální složky genetického programu většiny buněk. K regulaci funkce a exprese miRNA dochází prostřednictvím transkripční regulace, změny zpracování nebo posttranskripčních modifikací [24–26]. Změny funkce miRNA mohou být rovněž důsledkem jednonukleotidových polymorfismů (single nucleotide polymorphism, SNP) [24,25].

Detailnímu zkoumání bylo zatím podrobeno poměrně velmi málo miRNA, a proto dosud není znám jejich přesný biologický význam. Z několika studií ovšem vyplývá, že miRNA regulují řadu signálních drah zapojených do mnoha biologických procesů v lidském organismu. Rozmanité úlohy miRNA v patogenezi onemocnění naznačují, že manipulace exprese miRNA by mohla přispět k vývoji nových léčebných přístupů [27,28].

Funkční analýza a četné validační studie dokládají zapojení miRNA do regulace mnoha signálních drah. Bylo rozpoznáno několik miRNA podílejících se na regulaci biologických procesů v průběhu rozvoje astmatu. Bioinformatickými analýzami byla regulace související s miRNA odhalena u několika signálních drah vztahujících se k astmatu, k nimž patří interakce matrixové metaloproteinázy, zánětlivá odpověď, signální dráha transformačního růstového faktoru β a různé biologické procesy včetně apoptózy a zánětu [29–36,37^•]. Zdá se též, že miRNA je do patogeneze astmatu zapojena jako regulační vrstva na pomezí genetických a environmentálních faktorů na jedné straně a alergického zánětu navozeného imunitním systémem a programováním odpovědi Th2-buněk na straně druhé. Léčebné ovlivnění miRNA by tedy mohlo představovat příležitost k regulaci nebo potlačení alergického zánětu [38–42].

FUNKČNÍ PŮSOBENÍ MIKRO-RNA

Funkční působení miRNA je specifické pro jednotlivé ­miRNA a jejich regulační sítě. Nicméně klíčovým poznatkem ohledně mechanismů účinku miRNA se stala skutečnost, že velké množství miRNA je zacíleno na vícečetné funkčně propojené mRNA, čímž je zajištěna koordinovaná regulace řady stupňů komplexního patofyziologického procesu. Například miR-155, miR-29 a miR-126 jsou zapojeny do remodelace dýchacích cest [38–46], zatímco cílem miR-155 je transkripční faktor c-muskuloaponeurotického fibrosarkomu, jenž podporuje tvorbu interleukinu 4 (IL-4), IL-5, IL-10 a IL-13 Th2-buňkami.

V několika miRNA byl rozpoznány centrální regulátory signálních drah Toll-like receptoru (TLR) (obr. 1). MiR-126 zvyšuje imunitní odpověď na určité antigeny, což vede k nadměrné stimulaci imunitního systému a k rozvoji alergického astmatu; expresi miR-126 zvyšuje TLR-4. Působení miR-29 je zprostředkováno drahami IL-1 a IL-4 a syntézou prostaglandinů. Jak bylo prokázáno, miR-146a indukuje nukleárním faktorem κB zprostředkovanou produkci tumor-nekrotizujícího faktoru a kinázu spojenou s receptorem pro IL-1 (IL-1 receptor-associated kinase) a reguluje TLR a cytokinovou signalizaci [38–46]. Ačkoli miR-21 představuje u astmatu a alergických zánětů dýchacích cest nejméně regulovanou miRNA, reguluje alergický zánět dýchacích cest prostřednictvím modulace IL-12 [33].

Byl rovněž vysloven názor, že miRNA hrají důležitou úlohu v imunitní regulaci. MiR-150 potlačuje expresi c-myelo­blastózy, transkripčního faktoru kontrolujícího vývoj lymfocytů, kdežto miR-181a reguluje T-lymfocyty [47–49]. MikroRNA-181a vykazuje pozoruhodné spektrum regulací genové exprese. MiR-181a navozuje posttranskripční kvantitativní regulaci citlivosti T-lymfocytů, která umožňuje diferenciaci zralých T-lymfocytů tak, aby rozpoznávaly antagonisty jako inhibiční peptidové antigeny a jako agonisty [50–52]. MikroRNA-181a reguluje četné cíle prostřednictvím fosfatáz a působí jako negativní regulátor v signální dráze receptoru T-lymfocytů.

Lze shrnout, že miRNA hrají významnou úlohu v patogenezi astmatu jako regulační vrstva na pomezí genetických a environmentálních faktorů na jedné straně a alergického zánětu navozeného imunitním systémem na straně druhé. Tyto epigenetické změny jsou potenciálně reverzibilní. Identifikace příslušných specifických miRNA a specifická manipulace cílená na miRNA by tedy mohly u astmatu představovat příležitost k regulaci nebo potlačení alergického zánětu a k vypracování potenciálního léčebného přístupu.

ZÁVĚR

Přibývá důkazů o tom, že patogenezi astmatu i vlastní chorobný proces zprostředkovává odstupňovaná regulace ­miRNA. Identifikace těchto specifických „podpisů“ miRNA by se v případě zmíněného onemocnění mohla stát odrazovým můstkem pro budoucí rozvoj pokročilých diagnostických a léčebných strategií opírajících se o miRNA.

Prohlášení

Žádné.

Střet zájmů

Nedošlo k žádnému střetu zájmů.

Adresa pro korespondenci:

Daya Upadhyay, MD,

Assistant Professor, Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, Stanford University School of Medicine, 300 Pasteur Drive, Room H3143, Stanford, CA 94305‑5236, USA

E‑mail: upadhyay@stanford.edu