Альтернативный сплайсинг при нейродегенеративных заболеваниях и перспективы терапевтических стратегий на основе РНК

Альтернативный сплайсинг, умный способ, которым клетка генерирует множество различных вариаций матричных РНК -; одноцепочечные РНК, участвующие в синтезе белка – ; и белки из одного и того же участка ДНК, играет важную роль в молекулярной биологии. Быстро развивающаяся область альтернативного сплайсинга представляет собой сложную тему, и научная литература по ней уже обширна.

Дэвид Ником, студент Высшей программы неврологии Калифорнийского университета в Риверсайде, и его консультант Сика Чжэн, доцент биомедицинских наук Медицинской школы UCR и директор Центра биологии и медицины РНК, написали обзор в Обзоры природы Неврология обсудить новые исследования и доказательства роли дефектов альтернативного сплайсинга в основных нейродегенеративных заболеваниях. Они также обобщают последние достижения в терапевтических стратегиях на основе РНК для лечения этих заболеваний.

По их мнению, тема альтернативного сплайсинга при нейродегенеративных заболеваниях особенно актуальна ввиду увеличения частоты нейродегенеративных заболеваний во всем мире и острой необходимости в новых подходах к их лечению и ведению. Они утверждают, что, поскольку аберрантная дисрегуляция сплайсинга обычно возникает при нейродегенеративных заболеваниях, перспективы использования РНК-терапии важны для понимания и хорошо подходят для обзора.

Их обзор, озаглавленный «Альтернативный сплайсинг при нейродегенеративных заболеваниях и перспективы РНК-терапии», направлен на предоставление исчерпывающих, всеобъемлющих знаний научной аудитории, заинтересованной в этой теме. Он синтезирует знания и открытия из десятилетий исследований, сделанных многими лабораториями по всему миру в отношении болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, болезни Гентингтона, БАС, лобной височной деменции и т. д. Работа поддерживается грантами Чжэну от Национальных институтов здравоохранения. В следующих вопросах и ответах Чжэн и Ником раскрывают ключевые аспекты обзора.

В: Что такое дисрегуляция альтернативного сплайсинга?

Как только ДНК гена транскрибируется в пре-мессенджерную РНК (РНК перед сплайсингом), только небольшая часть пре-мессенджерной РНК превращается в конечную информационную РНК или мРНК, транскрипт, кодирующий белок. Альтернативный сплайсинг представляет собой процесс, посредством которого клетка может выбирать, какие из этих кодирующих белок частей включать в результирующую РНК или белок. Альтернативная дисрегуляция сплайсинга – это когда этот процесс каким-то образом идет не так. Клетка решает включить неправильные части, кодирующие белок, или исключить некоторые правильные части. Это может вызвать всевозможные проблемы с полученным белком: он может быть короче, чем должен быть, что нарушит его нормальную функцию в клетке, или может привести к тому, что белок вообще не будет вырабатываться.

В: Какую роль играет альтернативный сплайсинг в молекулярной биологии?

Альтернативный сплайсинг значительно расширяет разнообразие белков, которые можно получить из одного гена. Это важно, потому что многоклеточные организмы производят так много разных типов клеток, которые составляют различные типы тканей их тела. Но каждая клетка имеет только один и тот же генетический код. Чтобы создать ослепительную сложность многоклеточной жизни, клетки зависят от альтернативного сплайсинга, который дает им гибкость для создания больших семейств сходных белков с различными функциями, специфичными для тканей и стадиями развития. Например, некоторые сети альтернативного сплайсинга активируются только во время эмбрионального развития и отключаются, когда организм созревает.

В: Вкратце, как это способствует молекулярной патологии широкого спектра нейродегенеративных заболеваний?

Некоторые органы полагаются на альтернативный сплайсинг для создания клеточного разнообразия больше, чем другие. Мы точно не знаем, почему, но в мозгу происходит больше альтернативных сплайсингов, чем в любом другом органе тела. Ученые предполагают, что это может быть связано с уникальной сложностью мозга, быстрой эволюцией или необычайным разнообразием типов клеток, которые он содержит. Что мы действительно знаем, так это то, что существует множество специфичных для мозга событий альтернативного сплайсинга, которые постоянно идут не так, как надо при неврологических заболеваниях. К ним относятся нарушения развития нервной системы, такие как расстройство аутистического спектра, или нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера или БАС. Наиболее понятный пример, который у нас есть, связан с нарушением регуляции альтернативного сплайсинга при БАС. Ученые обнаружили, что эти ошибочные события сплайсинга приводят к производству аберрантных белков или сокращению нормальных белков, что в конечном итоге влияет на здоровье и функцию нейронов. Некоторые другие нейродегенеративные заболевания с нарушением регуляции альтернативного сплайсинга включают лобно-височную деменцию, болезнь Паркинсона, семейную дисавтономию, болезнь Гентингтона, спинальную мышечную атрофию и мышечную дистрофию Дюшенна.

В: Играет ли альтернативный сплайсинг роль в других заболеваниях?

Альтернативный сплайсинг был связан примерно с 15% генетических заболеваний и рака человека. Мутации в компонентах, регулирующих альтернативный сплайсинг, являются причиной многих заболеваний, как распространенных, так и редких. Миотоническая дистрофия, миелодиспластические синдромы (рак костного мозга), дегенеративные заболевания сетчатки, такие как пигментный ретинит, и прогерия (редкий синдром преждевременного старения) являются яркими примерами заболеваний, вызванных дефектами сплайсинга.

В: Вы завершаете обзор последними достижениями в терапевтических стратегиях на основе РНК, разработанных для воздействия на основные механизмы сплайсинга. Каковы некоторые из этих достижений?

Хорошим примером воздействия на основные механизмы сплайсинга для лечения заболеваний является заболевание, называемое спинальной мышечной атрофией, основным генетическим заболеванием детей и младенцев. Люди несут две почти идентичные копии гена мотонейрона выживания: СМН1 и СМН2 которые необходимы для выживания всех животных клеток. У пациентов со спинальной мышечной атрофией наблюдается потеря СМН1; СМН2 является единственным источником белка SMN у пациентов. Критическая разница между СМН1 и СМН2 представляет собой сплайсинг экзона 7, небольшого фрагмента кодирующей белок последовательности в гене SMN. В отличие от СМН1 экзон 7, СМН2 экзон 7 обычно не включен в большинство тканей. Транскрипт с пропущенным экзоном 7, полученный СМН2 продуцирует частично функциональный и нестабильный белок. Первое терапевтическое одобрение для СМА нацелено на СМН2 пре-мРНК и связывается с областью, к которой обращается аппарат сплайсинга для удаления экзона 7. В конечном итоге это приводит к блокированию удаления экзона 7 и способствует образованию функционального белка SMN. Способствуя сплайсингу экзона 7, этот препарат (Спинраза) увеличивал экспрессию SMN в клетке от СМН2 ген, компенсирующий потерю СМН1и предотвращение потери клеток в центральной нервной системе.

Эта история — хрестоматийный пример механизма сплайсинга, который можно использовать для лечения смертельной болезни у детей. Надежда состоит в том, чтобы понять многие другие механизмы сплайсинга и найти новые способы нацеливания на них для лечения других заболеваний.

Некоторые из последних достижений:

• Олигонуклеотиды, переключающие сплайсинг (например, Спинраза) при тауопатиях -; нейродегенеративные расстройства с аномальным отложением тау-белка; которые могут скорректировать баланс болезнетворных изоформ (вариантов тау-РНК) в головном мозге
• Сплайс-сплайсинговые олигонуклеотиды, нацеленные на амилоидные белки, которые могут уменьшать бляшки в головном мозге у мышей с болезнью Альцгеймера
• Транс-сплайсинг РНК, опосредованный сплайсосомами (SMaRT) – система перепрограммирования генов, предназначенная для исправления аберрантно сплайсированных мРНК путем замены всей кодирующей последовательности выше или ниже сайта сплайсинга.
• Подходы CRISPR, нацеленные на РНК, могут устранить дефекты сплайсинга без изменения генома пациента, как при традиционной генной терапии.