LncRNA - ещё один путь регуляции биологических процессов

До ∼73% генома дрожжей S. cerevisiae кодирует белки, у дрозофил на долю кодирующих последовательностей приходится уже всего ∼18% генома, а у млекопитающих кодирующие последовательности – это всего ∼2–3% геномной ДНК. Остальная часть генома – это различные некодирующие последовательности, в том числе длинные некодирующие РНК – lncRNA. Общее количество lncRNA выше у млекопитающих, чем у более просто устроенных животных – нематод, насекомых, рыб. Размер больших некодирующих РНК >200 оснований, они могут включать тысячи оснований. LncRNA могут быть сходны (но не всегда) по структуре с матричными РНК и подвергаться кэпированию и полиаденилированию.

Последовательности, кодирующие lncRNA могут располагаться в пределах генов, вне генов или на антисмысловых цепях ДНК. Естественные антисмысловые транскрипты считываются с цепей, комплементарных экзону. Межгенные lncRNA (lincRNA) – lncRNA, кодируемые межгенными промежутками. Некоторые lncRNA осуществляют регуляцию в кодирующем их регионе (цис-регуляцию). Молекулы подкласса активирующих ncRNA (ncRNA-a), активируют гены, расположенные в близлежащем участке путём изгибания ДНК между lncRNA и геном-мшенью. Другие lncRNA осуществляют транс-регуляцию, например, путём взаимодействия с белками, отвечающими за структуру хроматина, ведущего к модификации хроматина в различных участках генома, отдалённых от региона, кодирующего данную lncRNA. Теломерные некодирующие РНК считываются с теломерных участков, ранее считавшихся транскрипционно неактивными и защищают их от разрушения, путём участия в организации хроматина. Кроме того они регулируют активность теломеразы.

Последовательности lncRNA не являются консервативными и быстро эволюционируют. Порядка одной трети обнаруженных у человека lncRNA возникли только у приматов. Несмотря на высокую изменчивость, способность связываться с регуляторными белками сохраняется, и сигнальные пути, реализующиеся с участием lncRNA консервативны. Эти сигнальные пути участвуют в регуляции клеточного цикла, апоптоза, клеточной дифференцировки. LncRNA могут как активировать, так и подавлять экспрессию, участвуют в осуществления импринтинга – механизма регуляции экспрессии, в результате которого происходит экспрессия только одной аллели в клетке – отцовской или материнской.), регулируют трансляцию, сплайсинг и деградацию мРНК. Связываясь с транскрипционными факторами и белками хроматина могут участвовать в регуляции экспрессии генов, взаимодействуя с  ДНК и препятствуют или способствуют присоединению белков. Могут связываться с мРНК и микроРНК. Полная комплементарность при взаимодействии мРНК и lncRNA не обязательна, возможно взаимодействие отдельных участков молекул, например по повторам ALU, которые широко распространены в геноме. Взаимодействие с мРНК запускает разрушение дуплекса или, напротив, стабилизирует мРНК. Таким образом, группа lncRNA объединяет различные по структуре и функции молекулы.

lncRNA могут иметь функцию, связанную с реализацией последних этапов сигнального пути, так и являться эффекторными молекулами, запускающими сигнальный каскад. Например, Braveheart - lncRNA, обнаруженная у мышей. Она экспрессируется в эмбриональных стволовых клетках и в клетках сердца. В культуре она стимулирует формирование кардиомиоцитов из стволовых клеток. Braveheart – транс-регуляторная молекула, связывающаяся с комплексом, участвующем в эпигенетической регуляции, PRC2. Под действием Beaveheart активируется ген транскрипционного фактора MesP1 и транскрипционных факторов нисходящего сигнального пути, участвующих в кардиогенезе. Регулятор MesP1 обеспечивает повышение содержания ряда других lncRNA, в том числе Fendrr, тоже участвующей в модификации хроматина. При нарушении структуры Fendrr в эксперименте, эмбрионы мышей гибнут до рождения из-за тяжёлых нарушений формирования сердца.

Итак, мутации lncRNA могут вести к наследственным заболеваниям, а изменения экспрессии – быть причиной или следствием ряда тяжёлых и смертельных болезней. Поскольку lncRNA можно ингибировать с помощью антисмысловых РНК, можно рассматривать их как мишени таргетной терапии. Описаны примеры ассоциации lncRNA с различными заболеваниями, вот лишь некоторые из них:

• lncRNA EVF2 взаимодействует с транскрипционным фактором Dlx2, нарушения её структуры, вероятно, приводят к нарушению формирования пальцев на руках и ногах. Dlx2 регулирует экспрессию генов, ответственных за этот процесс, но мутаций кодирующих последовательностей, связанных с данным нарушением обнаружено не было. По всей вероятности, к данному нарушению ведут изменения в структуре lncRNA.

• SNP rs1333049 в составе некодирующей антисмысловой lncRNA, комплементарной локусу INK4, ассоциирована с риском инфаркта миокарда.

• ANRIL взаимодействует с субъединицами комплексов PRC2 и комплекса PRC1, осуществляющих ингибирование экспрессии генов путём модификации гистонов. Экспрессия ANRIL повышается при повреждении ДНК. Эта же lncRNA ANRIL экспрессируется в клетках иммунной системы, эндотелия, гладкой мускулатуры. Её полиморфизмы могут быть связаны  риском заболеваний коронарных артерий, инфаркта, диабета второго типа, и некоторых онкологических заболеваний. lncRNA

• HOTAIR участвует в процессах модификации гистонов. Экспрессия HOTAIR связана с неблагоприятным прогнозом при раке молочной железы, назофарингеальной и гепатоцеллюлярной карциноме, а также может быть связана с метастазированием.

• Экспрессия  lncRNA H19 и его производной, miR-675 повышена в клетках колоректального рака. miR-675 активирует рост опухоли. H19 также связана с пролиферацией клеток при раке желудка и метастазированием рака мочевого пузыря.

Итак, lncRNA - это гетерогенная группа некодирующих транскриптов, задействованных практически во всех основных процессах, обеспечивающих функционирование клетки. Поиск взаимосвязей заболеваний и особенностей lncRNA это путь, ведущий к пониманию причин и механизмов развития злокачественных новообразований, нейродегенеративных заболеваний, нарушений развития, а так же способов воздействия на эти процессы с помощью препаратов таргетной терапии.