Nobelovu cenu v oboru fyziologie a medicíny pro rok 2024 získali Američané Victor Ambrose a Gary Ruvkun za objev mikroRNA . Tento objev umožnil objasnit základní princip regulace genové aktivity.

Každá buňka lidského organismu obsahuje stejnou sadu genů. Přesto mají různé typy buněk (např. svalové nebo nervové) velmi odlišné vlastnosti. Tyto rozdíly vznikají díky regulaci aktivity genů, která umožňuje každé buňce vybrat pouze relevantní genetické instrukce. To zajišťuje, že v každém typu buňky je aktivní pouze správná sada genů. Ambros a Ruvkun  se zajímali o mechanismus, kterými je řízena aktivita genů v mnohobuněčných organismech. Objevili mikroRNA, novou třídu molekul RNA, které hrají klíčovou roli v regulaci aktivity genů. MikroRNA jsou součástí epigenetiky, tedy mechanismů, které ovlivňují proces přenosu vybraných informací zapsaných v genech do reálné funkce buňky.

MikroRNA jako součást epigenetiky

Epigenetika zahrnuje změny v genové expresi nebo buněčném fenotypu bez změny základní sekvence DNA. Epigenetika zahrnuje metylaci DNA, histonů a tzv. nekódující RNA. Jak ukázal nový objev, k základním nekódujícím RNA, potřebným pro epigenetické regulace, patří právě mikroRNA. MikroRNA regulují genovou expresi. Tím, že se podílejí na mechanismu tzv. RNA interference (RNAi) tím, že se navazují na messengerRNA (mRNA) a tím ovlivňují jejich funkci. Každá mikroRNA cílí na stovky mRNA. Předpokládá se, že ovlivňuje více než 30 % lidských genů. Zároveň mikroRNA ovlivňují různé další epigenetické mechanismy, například působením na působením na klíčové enzymy zodpovědné za epigenetické reakce, jako jsou DNA methyltransferázy (DNMT), histondeacetylázy (HDAC) a histon methyltransferázy (EZH).

Působení je ale oboustranné:  exprese mikroRNA může být ovlivňována jinými epigenetickými mechanismy, včetně methylace DNA, modifikace RNA a modifikace histonů. Reciproční vztah mezi mikroRNA a jinou epigenetickou regulací tvoří zpětnovazební smyčku. Modulace této zpětnovazební smyčky a její buněčné funkce regluje buněčné funkce, včetně buněčné proliferace, apoptózy a diferenciace. Výzkum regulace a dysregulace této zpětnovazební smyčky během vývoje různých onemocnění má potenciál vést k objevu nových terapeutických cílů strategií pro tyto poruchy.

MikroRNA, vývoj a funkce organismů

MikroRNA jsou zásadně důležité pro vývoj a fungování organismů. Genetická informace se převádí z DNA do messenger RNA (mRNA) procesem zvaným transkripce a poté do buněčného aparátu pro produkci proteinů. Tam jsou mRNA překládány tak, aby se proteiny vytvářely podle genetických instrukcí uložených v DNA. Od poloviny 20. století několik nejzákladnějších vědeckých objevů vysvětlilo, jak tyto procesy fungují.

Orgány a tkáně se skládají z mnoha různých typů buněk, všechny s identickou genetickou informací uloženou v jejich DNA. Tyto různé buňky však exprimují jedinečné sady proteinů. Důvodem je existence přesné regulace genové aktivity zaměřené tak, aby v každém specifickém typu buňky byla aktivní pouze správná sada genů. To umožňuje například svalovým buňkám, střevním buňkám a různým typům nervových buněk vykonávat jejich specializované funkce. Kromě toho musí být genová aktivita neustále dolaďována, aby se buněčné funkce přizpůsobily měnícím se podmínkám v našem těle a prostředí. Pokud se genová regulace naruší, může to vést k závažným onemocněním.

Výzkum vedl k průlomovému objevu

Victor Ambros a Gary Ruvkun studovali ještě jako postdoktorandi v laboratoři organismus háďátka obecného (Caenorhabditis elegans, C.elegans), který se používá jako model pro zkoumání vývoje a funkcí tkání mnohobuněčných organismů. Zajímali se o geny, které řídí načasování aktivace různých genetických programů a zajišťují, aby se různé typy buněk vyvíjely ve správný čas. Studovali dva mutantní kmeny červů, lin-4 a lin-14, které vykazovaly defekty v načasování aktivace genetických programů během vývoje. Chtěli identifikovat mutované geny a pochopit jejich funkci.

Victor Ambros již dříve zjistil, že gen lin-4 se jeví jako negativní regulátor genu lin-14. Jak však byla aktivita lin-14 blokována, nebylo známo. Po svém postdoktorandském výzkumu analyzoval mutant lin-4 ve své nově založené laboratoři na Harvardově univerzitě. Metodické mapování umožnilo klonování genu a vedlo k neočekávanému zjištění. Gen lin-4 produkoval neobvykle krátkou molekulu RNA, které chyběl kód pro produkci proteinu. Tyto překvapivé výsledky naznačovaly, že tato malá RNA z lin-4 byla zodpovědná za inhibici lin-14. Současně druhý z vědců, Gary Ruvkun, zkoumal regulaci genu lin-14 ve své nově založené laboratoři v Massachusetts General Hospital. Zjistil, že k regulaci dochází v pozdější fázi procesu genové exprese, a to zastavením produkce proteinu. Ambros a Ruvkun pozěji již společně provedli další experimenty, které vedly k objevu mikroRNA, která blokuje produkci proteinu lin-14. Byl objeven nový princip genové regulace, zprostředkovaný dříve neznámým typem RNA, mikroRNA.

Univerzální význam objevu mikroRNA

Publikované výsledky se zpočátku setkaly jen s minimální pozorností vědecké komunity. Ačkoli byly výsledky zajímavé, neobvyklý mechanismus genové regulace byl považován za zvláštnost organismu C. elegans. Toto vnímání se změnilo v roce 2000, kdy Ruvkunova výzkumná skupina publikovala svůj objev další mikroRNA kódované genem let-7. Na rozdíl od lin-4 byl gen let-7 přítomný v celé živočišné říši. Článek vyvolal velký zájem a v následujících letech byly identifikovány stovky různých mikroRNA. Dnes víme, že u lidí existuje více než tisíc genů pro různé mikroRNA a že regulace genů pomocí mikroRNA je u mnohobuněčných organismů univerzálním fenoménem.

Kromě mapování nových mikroRNA experimenty několika výzkumných skupin objasnily mechanismy, jak jsou mikroRNA produkovány a dodávány do cílových sekvencí v regulovaných messengerRNA (mRNA). Vazba mikroRNA vede k inhibici syntézy proteinů nebo k degradaci mRNA. Je zajímavé, že jediná mikroRNA může regulovat expresi mnoha různých genů a naopak, jeden gen může být regulován více mikroRNA, čímž koordinuje a dolaďuje celé sítě genů.

Fziologická role mikroRNA

MikroRNA jsou malé, nekódující RNA molekuly (cca 21–23 nukleotidů dlouhé), které hrají klíčovou roli v posttranskripční regulaci genové exprese. Po svém vzniku se vážou na komplementární sekvence na cílových mRNA, čímž 1/ inhibují translaci, nebo 2/ spouští degradaci messengerRNA. Existuje tkáňově specifická exprese: mikroRNA jsou často specificky exprimovány v určitých tkáních, vývojových stádiích nebo za určitých podmínek (např. stres, hypoxie). Regulují základní buněčné funkcí jako buněčný cyklus, apoptózu a diferenciaci buněk. Ovlivňují například reakci na stres, a imunitní funkce.

Regulace genů pomocí mikroRNA, kterou poprvé odhalili Ambros a Ruvkun, funguje již stovky milionů let. Tento mechanismus umožnil evoluci stále složitějších organismů. Genetický výzkum ukázal, že buňky a tkáně se bez mikroRNA nevyvíjejí fyziologicky. Abnormální regulace mikroRNA může přispívat k vzniku různých onemocnění, včetně onkologických.

Klinické aplikace v oblasti diagnostiky a terapie

1. Onkologie
 Deregulace mikroRNA (tzv. onkomiRNA) je spojena s mnoha malignitami – některé mikroRNA fungují jako: onkomikroRNA (inhibují tumor supresory nebo onkogeny jako RAS).  MikroRNA mají využití v onkologické diagnostice (profilování mikroRNA v plazmě, moči či exosomech jako biomarkery pro časnou detekci nádorů (např. karcinom pankreatu, prsu, plic), ale také léčbě onkologických onemocnění (experimentální léčba pomocí mikroRNA mimetik nebo inhibitorů patologických mikroRNA).

2. Kardiologie
MikroRNA regulují hypertrofii, remodelaci srdce, ischemickou toleranci a regeneraci (např. miR-1, miR-133, miR-208 zapojené do regulace srdečního rytmu a reakce na ischemii myokardu). Potvrdily to i klinické studie: např. inhibice jedné z mikroRNA podporuje angiogenezi po infarktu myokardu.

3. Neurologie
Dysregulace mikroRNA (např. miR-124, miR-132) je spojena s neurodegenerativními chorobami jako je Alzheimerova a Parkinsonova nemoc. MikroRNA ovlivňují synaptickou plasticitu, neurogenezi a neurozánět. Tato oblast je důležitá např. pro vývoj léčiv v oblasti revmatoidní artritidy či systémového lupusu (SLE).

5. Infekční choroby
Virové infekce (např. HIV, herpesviry) modulují hostitelské mikroRNA a zároveň kódují vlastní virové mikroRNA. Výzkum v této oblasti má potenciál pro vývoj antivirových léčiv (působících na specifické mikroRNA).

Závěr

Objev mikroRNA posunul medicínu k pochopení epigenetické regulace genů, která je klíčová pro fyziologii i patofyziologii. Umožňuje vývoj precizní diagnostiky a nových léčiv, působících na bázi mikroRNA interference. Stále jde o velmi aktivní oblast výzkumu s obrovským potenciálem pro personalizovanou medicínu.

---

Yao Q, Chen Y, Zou X.The roles of microRNAs in epigenetic regulation. Curr Opin Chem Biol 2019,51:11-19.

Autor

MUDr. Pavel Kostiuk, CSc.

Edukafarm, Praha