microRNA: Nuova comprensione del meccanismo d'azione nelle infezioni virali e il suo significato

1650

I microRNA o in breve miRNA (da non confondere con l'mRNA o RNA messaggero) sono stati scoperti nel 1993 e sono stati ampiamente studiati negli ultimi due decenni circa per il loro ruolo nella regolazione dell'espressione genica. i miRNA sono espressi in modo diverso in varie cellule e tessuti del corpo. Una recente ricerca degli scienziati della Queen's University di Belfast ha svelato il ruolo meccanico dei miRNA nella regolazione del sistema immunitario quando le cellule del corpo sono sfidate dai virus. Queste scoperte porteranno a una migliore comprensione della malattia e al loro sfruttamento come bersagli per un nuovo sviluppo terapeutico.  

Credito: Istituto Nazionale del Cancro

I microRNA o miRNA hanno guadagnato popolarità negli ultimi due decenni per il loro ruolo nei processi post-trascrizionali come il differenziamento, l'omeostasi metabolica, la proliferazione e l'apoptosi (1-5)I miRNA sono piccole sequenze di RNA a singolo filamento che non codificano per alcuna proteina. Sono derivati da precursori più grandi, che sono RNA a doppio filamento. La biogenesi dei miRNA inizia nel nucleo della cellula e comporta la generazione di trascrizioni primarie di miRNA da parte di RNA La polimerasi II è seguita dal taglio del trascritto primario per rilasciare la forcina pre-miRNA da parte di un complesso enzimatico. Il miRNA primario viene poi esportato nel citoplasma dove viene agito da DICER (un complesso proteico che scinde ulteriormente il pre-miRNA), producendo così il miRNA maturo a filamento singolo. Il miRNA maturo si integra come parte del complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC) e induce il silenziamento genico post-trascrizionale fissando il RISC alle regioni complementari, che si trovano nelle regioni non tradotte 3' (UTR), negli mRNA bersaglio. 

La storia è iniziata nel 1993 con la scoperta dei miRNA in C. elegans da Lee e i suoi colleghi (6). È stato osservato che la proteina LIN-14 è stata downregolata da un altro gene trascritto chiamato lin-4 e questa downregolazione era necessaria per lo sviluppo larvale in C. elegans nella progressione dallo stadio L1 a L2. La trascrizione di lin-4 ha portato alla downregolazione dell'espressione di LIN-14 attraverso il legame complementare alla regione 3'UTR di lin-4 mRNA, con pochi cambiamenti ai livelli di mRNA di lin-4. Questo fenomeno è stato inizialmente pensato per essere esclusivo e specifico per C. elegans, fino al 2000 circa, quando sono stati scoperti in altre specie animali (7). Da allora, c'è stato un diluvio di articoli di ricerca che descrivono la scoperta e l'esistenza dei miRNA sia nelle piante che negli animali. Più di 25000 miRNA sono stati scoperti finora e per molti, il ruolo esatto che giocano nella biologia dell'organismo rimane ancora elusivo. 

PUBBLICITA'

miRNA esercitano i loro effetti reprimendo post-trascrizionalmente gli mRNA legandosi a siti complementari nel 3' UTR dell'mRNA che controllano. Una forte complementarità segnala l'mRNA per la degradazione, mentre una debole complementarità non causa alcun cambiamento nei livelli di mRNA, ma provoca l'inibizione della traduzione. Anche se il ruolo principale dei miRNA è nella repressione trascrizionale, essi agiscono anche come attivatori in rari casi (8)I miRNA svolgono un ruolo indispensabile nello sviluppo dell'organismo regolando i geni e i prodotti genici dallo stato embrionale allo sviluppo di organi e sistemi di organi. (9-11). Oltre al loro ruolo nel mantenimento dell'omeostasi cellulare, i miRNA sono stati anche implicati in varie malattie come il cancro (i miRNA agiscono sia come attivatori che come repressori di geni), i disturbi neurodegenerativi e le malattie cardiovascolari. Comprendere e chiarire il loro ruolo in varie malattie può portare alla scoperta di nuovi biomarcatori con concomitanti nuovi approcci terapeutici per la prevenzione delle malattie. I miRNA svolgono anche un ruolo critico nello sviluppo e nella patogenesi delle infezioni causate da microrganismi come batteri e virus, regolando i geni del sistema immunitario per montare una risposta efficace alla malattia. In caso di infezioni virali, gli interferoni di tipo I (IFN alfa e IFN beta) vengono rilasciati come citochine antivirali che a loro volta modulano il sistema immunitario per montare una risposta combattiva (12). La produzione di interferoni è strettamente regolata sia a livello di trascrizione che di traduzione e gioca un ruolo fondamentale nel determinare la risposta antivirale dell'ospite. Tuttavia, i virus si sono evoluti a sufficienza per ingannare le cellule dell'ospite a sopprimere questa risposta immunitaria, fornendo un vantaggio al virus per la sua replicazione e aggravando così i sintomi della malattia (12, 13). Lo stretto controllo dell'interazione tra la produzione di IFN da parte dell'ospite al momento dell'infezione virale e la sua soppressione da parte del virus infettante determina l'estensione e la durata della malattia causata dal suddetto virus in questione. Anche se il controllo trascrizionale della produzione di IFN e dei relativi geni stimolati da IFN (ISG) è ben stabilito (14)il meccanismo di controllo traslazionale è rimasto ancora sfuggente (15)

Il recente studio dei ricercatori della McGill University, in Canada, e della Università del Queens, Belfast fornisce una comprensione meccanicistica del controllo traslazionale di IFN che evidenzia il ruolo della proteina 4EHP nella soppressione della produzione di IFN-beta e il coinvolgimento del miRNA, miR-34a. La proteina 4EHP downregola la produzione di IFN modulando il silenziamento traslazionale indotto da miR-34a dell'mRNA Ifnb1. L'infezione con virus RNA e l'induzione di IFN beta aumentano i livelli di miR-34a miRNA, innescando un ciclo di regolazione a feedback negativo che reprime l'espressione di IFN beta attraverso 4EHP (16). Questo studio è di grande importanza sulla scia dell'attuale pandemia causata COVID-19 (un'infezione causata da un virus RNA) in quanto aiuterà a comprendere ulteriormente la malattia e porterà a nuovi modi per affrontare l'infezione modulando i livelli di miR-34a miRNA usando attivatori/inibitori di design e testandoli in studi clinici per i suoi effetti sulla risposta IFN. Ci sono stati rapporti di studi clinici che utilizzano la terapia IFN beta (17) e questo studio aiuterà a svelare i meccanismi molecolari evidenziando il ruolo del miRNA nella regolazione intrinseca del macchinario di traduzione dell'ospite per mantenere un ambiente omeostatico. 

Future indagini e ricerche su questi e altri miRNA noti ed emergenti accoppiati con l'integrazione di questi risultati con dati genomici, trascrittomici e/o proteomici, non solo miglioreranno la nostra comprensione meccanicistica delle interazioni cellulari e della malattia, ma porterebbe anche a nuove terapie basate sui miRNA sfruttando i miRNA come actimir (utilizzando i miRNA come attivatori per la sostituzione dei miRNA che sono stati mutati o cancellati) e antagomir (utilizzando i miRNA come antagonisti dove c'è un'anormale upregulation del detto mRNA) per le malattie umane e animali prevalenti ed emergenti.  

*** 

Riferimenti  

  1. Clairea T, Lamarthée B, Anglicheau D. MicroRNA: piccole molecole, grandi effetti, Current Opinion in Organ Transplantation: Febbraio 2021 - Volume 26 - Numero 1 - p 10-16. DOI: https://doi.org/10.1097/MOT.0000000000000835  
  1. Ambros V. Le funzioni dei microRNA animali. Natura. 2004, 431 (7006): 350-5. DOI: https://doi.org/10.1038/nature02871  
  1. Bartel DP. MicroRNA: genomica, biogenesi, meccanismo e funzione. Cell. 2004, 116 (2): 281-97. DOI: https://10.1016/S0092-8674(04)00045-5  
  1. Jansson M D e Lund A H MicroRNA e cancro. Oncologia molecolare. 2012, 6 (6): 590-610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molonc.2012.09.006  
  1. Bhaskaran M, Mohan M. MicroRNA: storia, biogenesi e il loro ruolo in evoluzione nello sviluppo e nella malattia degli animali. Patologia veterinaria. 2014;51(4):759-774. DOI: https://doi.org/10.1177/0300985813502820 
  1. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Il gene eterocronico lin-4 di C. elegans codifica piccoli RNA con complementarietà antisenso a lin-14, Cell, Volume 75, Issue 5,1993, Pagine 843-854, ISSN 0092-8674. DOI: https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y 
  1. Pasquinelli A., Reinhart B., Slack F. et al. Conservazione della sequenza e dell'espressione temporale di let-7 RNA regolatore eterocrono. Natura 408, 86-89 (2000). DOI: https://doi.org/10.1038/35040556 
  1. Vasudevan S, Tong Y e Steitz JA. Passare dalla repressione all'attivazione: I microRNA possono up-regolare la traduzione. Scienza  21 dicembre 2007: Vol. 318, numero 5858, pp.1931-1934. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1149460 
  1. Bernstein E, Kim SY, Carmell MA, et al. Dicer è essenziale per lo sviluppo del mouse. Nat Genet. 2003; 35:215-217. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1253 
  1. Kloosterman WP, Plasterk RH. Le diverse funzioni dei micro-RNA nello sviluppo e nella malattia degli animali. Dev Cell. 2006; 11:441-450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2006.09.009 
  1. Wienholds E, Koudijs MJ, van Eeden FJM, et al. L'enzima Dicer1 che produce microRNA è essenziale per lo sviluppo del pesce zebra. Nat Genet. 2003; 35:217-218. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1251 
  1. Haller O, Kochs G e Weber F. Il circuito di risposta dell'interferone: Induzione e soppressione da virus patogeni. Virologia. Volume 344, Issue 1, 2006, Pagine 119-130, ISSN 0042-6822, DOI: https://doi.org/10.1016/j.virol.2005.09.024 
  1. McNab F, Mayer-Barber K, Sher A, Wack A, O'Garra A. Gli interferoni di tipo I nelle malattie infettive. Nat Rev Immunol. 2015 Feb;15(2):87-103. DOI: https://doi.org/10.1038/nri3787 
  1. Apostolou, E., e Thanos, D. (2008). L'infezione virale induce NF-kappa-B-dipendente associazioni intercromosomiche che mediano l'espressione monoallelica del gene IFN-b. Cell 134, 85-96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.05.052   
  1. Savan, R. (2014). Regolazione post-trascrizionale di interferoni e le loro vie di segnalazione. J. Interferon Cytokine Res. 34, 318-329. DOI: https://doi.org/10.1089/jir.2013.0117  
  1. Zhang X, Chapat C et al. controllo traslazionale mediato da microRNA dell'immunità antivirale dalla proteina cap-binding 4EHP. Molecular Cell 81, 1-14 2021. Pubblicato:12 febbraio 2021. DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.030
  1. SCIEU 2021. Interferone-β per il trattamento di COVID-19: Somministrazione sottocutanea più efficace. Scientifico europeo. Pubblicato il 12 febbraio 2021. Disponibile online su https://www.scientificeuropean.co.uk/interferon-β-for-treatment-of-covid-19-subcutaneous-administration-more-effective/ Accesso al 14 febbraio 2021.  

*** 

PUBBLICITA'