Кольцевые РНК и старение

Через какое-то время после этого и у настоящих вирусов были найдены кольцевые РНК. А в 1991 году они были наконец обнаружены у высших эукариот. Сначала исследователи приняли кольцевые РНК за ошибочный продукт сплайсинга, и только через 20 лет в ходе развития современных технологий наконец-то стало ясно, что же это такое. Тогда же пришло понимание сложной роли, которую кольцевые РНК играют в живых организмах. Однако до сих пор все ещё остается немало вопросов и почти все научные работы на эту тему начинаются с традиционного утверждения, что «функции большинства кольцевых РНК остаются неизвестными» [2].

Мы знаем, что на формирование кольцевых РНК большое влияние оказывают нахождящиеся в интронах ретроэлементы Alu. (Рис. 2)

Элементы Alu во обособляющих РНК интронах «притягиваются» друг к другу благодаря комплементарной последовательности нуклеотидов, что облегчает образование из нее кольца. Влияние Alu на появление новой регуляторной РНК схоже с внедрением членами Организованной преступной группы (или заграничными структурами) своего человека в правление коммерческой компании для лучшего контроля всех внутренних процессов. Известный вирусолог и микробиолог из университета Цюриха Карин Мёллинг назвала кольцевые РНК «регуляторами регуляторов», поскольку они оказывают блокирующее действие на ещё один вид регуляторных РНК - микроРНК [3] (Рис. 3). Тут следует отметить, что и микроРНК формируются при самом активном участии ретротранспозонов Alu и L-1.

Помимо этого известно, что кроме элементов Alu, ещё один вид ретротранспозонов из группы SINE влияет на образование кольцевой РНК. Это так называемые характерные для млекопитающих элементы MIR (Mammalian-wide interspersed repeats). Ученые «выбивали» их из генов с помощью системы CRISPR-Cas9, что приводило к прекращению генерации кольцевых РНК [4].

Теперь немного поговорим о ретротранспозонах. Ретротранспозон Alu возник в геноме наших далеких предков около 100 млн. лет назад из-за делеции размером в 140 п.н. в гене 7SL-РНК [5]. Около 65 миллионов лет назад Alu после некоторых структурных изменений приобрел свою нынешнюю, характерную именно для генома приматов, структуру. После этого и по сей день он продолжает активно участвовать в эволюции человека, особенно в эволюции нашего мозга. Неслучайно кольцевые РНК, которые формируются с участием Alu, показывают свою наибольшую активность в головном мозге, выполняя там различные регуляторные функции [6]. Так, кольцевые РНК участвуют в пролиферации клеток-предшественников и дифференцировке нейронов, синаптогенезе, а также в формировании памяти [7]. Совсем недавно, в 2020 году ученые описали кольцевую РНК circZNF827, которая выступает ключевым фактором в регуляции нейрогенеза [8].

Регуляция альтернативного сплайсинга, который протекает в более, чем 90% наших генов [9] и отвечает за разнообразие белков нашего организма, также связана с элементами Alu. В 2016 году команда Шан выяснила, что вставка Alu в некодирующую РНК под названием 5S-OT регулирует альтернативный сплайсинг множества генов благодаря взаимодействию с фактором U2AF65. Причем эта регуляторная некодирующая РНК специфична именно для приматов [10]. Это ещё раз показывает роль альтернативного сплайсинга и ретроэлементов генома в создании уникальной сложности человеческого организма (Рис. 4).

(A) кольцевая РНК взаимодействуют с транскрипционным комплексом, чтобы контролировать транскрипцию родительского гена.
(B) биогенез кольцевой РНК конкурирует со сплайсингом линейной мРНК.
(C) кольцевая РНК действуют как губки микроРНК, чтобы облегчить экспрессию их родительских генов.
(D) кольцевые РНК служат ловушками мРНК для подавления экспрессии родительских генов.
(E) кольцевые РНК регулируют трансляцию родительских генов через взаимодействие с белками.
(F) кольцевая РНК регулируют посттрансляционную модификацию родительских генов путем кодирования белков.

Адаптировано из [11]

В совсем свежей работе, вышедшей в Science в феврале 2021 года, ученые описали один из ключевых генов, участвующих в регуляции сплайсинга, NOVA1. NOVA1 регулирует альтернативный сплайсинг в развивающейся нервной системе и в генах, ответственных за формирование синапсов нейронов. Измененный вариант NOVA1 несут в своем геноме наши вымершие собраться по человеческому виду: неандертальцы и денисовцы. Именно специфичная для человека нуклеотидная замена в NOVA1, которая закрепилась у современных людей после отделения от неандертальцев, имела ключевые последствия для эволюции нашего вида. Не в последнюю очередь из-за изменений в этом гене наш мозг приобрел свой современный человеческий вид и функции, отличные от таковых у неандертальцев и денисовцев. Один из ведущих авторов этого исследования - Элиссон Муотри. Вместе со своими коллегами он открыл соматический мозаицизм в клетках нервной системы, связанный с активностью ретротранспозонов. Такая организация процессов, протекающих в нашем мозге, открывает перед нами ещё один уровень сложности [12,13].

А что же наши кольцевые РНК? Одна из них, circ-UBR5, также активно участвует в регуляции альтернативного сплайсинга в нервной системе, связываясь в клеточном ядре с тем самым, только что описанным командой Муотри, NOVA1 [14].

Но и это ещё не все! Известно, что из одного миллиона копий элементов Alu в геноме человека две трети расположены в интронах. На протяжении эволюции некоторые из этих интронных Alu накапливали мутации, которые "заставляли" механизм сплайсинга выбирать их в качестве внутренних экзонов. Таким образом происходил так называемый процесс экзонизации – появления новых экзонов. Как показали исследования, большинство произошедшиех от Alu экзонов подвергается альтернативному сплайсингу. Это значительно обогащает протеом человека новыми изоформами белков [15].

Поговорим немного о роли кольцевых РНК в возраст-зависимых заболеваниях. Очень часто мы не можем говорить о каких-то конкретных механизмах старения, в которых задействованы кольцевые РНК - все же эта область еще не очень исследована. Но кое-что мы все же знаем. Например известно, что кольцевая РНК cANRIL участвует в репрессии локуса INK4A/ARF. А это, в свою очередь, ведет к повышенному риску атеросклероза [16].

Не обошли кольцевые РНК вниманием и болезнь Альцгеймера - одно из самых распространенных неврологических заболеваний пожилого возраста. Таких РНК довольно много в нервных клетках мозга [17], где они участвуют в процессах регуляции синаптических функций и нейропластичности [18]. Что касается участи кольцевых РНК в патогенезе болезни Альцгейма, Люкив и его коллеги показали, что повышенное содержание miR-7 в клетках мозга больных из-за дефицита ciRS-7 подавляет несколько релевантных для болезни Альцгеймера мРНК-мишеней и их экспрессию, включая белок конъюгазы убиквитин (UBE2A). UBE2A является центральным эффектором в цикле убиквитинирования, который способствует удалению амилоидных пептидов при помощи фагоцитоза. Он истощается в головном мозге при спорадической болезни Альцгеймера и способствует образованию амилоидных бляшек [19].

Упомянем об еще одном примечательном факте, связанном с ретроэлементами и кольцевой РНК. Если первоначально ретроэлементы поспособствовали появлению нового вида РНК в форме кольца, то теперь получилось так, что эти РНК «отдали» ретроэлементам своеобразный долг. Как выяснили испанские ученые, кольцевые РНК выступают основой для формирования нового, недавно обнаруженного класса ретротранспозонов, названного учеными ретрозимами [20] (Рис. 5).

В заключение хочется сказать, что хорошая новость заключается в том, что с кольцевыми РНК можно работать. Например, их можно "глушить", когда надо уменьшить их активность. Так, в одной из недавних работ трансплантация нейральных стволовых клеток с "заглушенной" кольцевой РНК circHIPK2 приводила к значительному смягчению последствий инсульта на животной модели этой патологии [21].

Или наоборот, можно повышать их активность, "нацеливая" на мишени. В журнале Science приведен один из таких примеров: "Здесь, подражая характеристикам кольцевой РНК, мы разработали искусственную кольцевую одноцепочечную молекулу ДНК, содержащую непрерывные, множественные комплементарные сайты miR-9 микроРНК, которые являются стабильными и устойчивыми к деградации". Результаты показали, что такая ДНК эффективно высвобождает множественные гены-супрессоры опухолей и активируе их экспрессию, поглощая онкогенную miR-9. Это, в свою очередь ведет к подавлению роста опухоли, что, мы надеемся, скоро можно будет использовать в противоопухолевой терапии [22].

Что касается диагностики, то недавние исследования показали способность кольцевых РНК переноситься в экзосомах, где они защищены и еще более устойчивы к деградации. Это дает возможность использовать экзосомные кольцевые РНК в качестве биомаркеров при различных патологиях [23], например, сердечно-сосудистых или неврологических.

Как кольцевые РНК связаны со старением и всеми без исключения возрастными патологиями? Почему они играют ключевую роль в развитии онко- и нейродегенеративных патологий? Как митохондрии связаны с кольцевыми РНК? Могут ли кольцевые РНК кодировать белок и регулировать транскрипцию родительских генов? Почему в 2018 году возрастные изменения в функциях кольцевых РНК было предложено считать ещё одним признаком старения? Все это очень важные и интересные вопросы, ответы на которые вы скоро сможете прочесть в нашей книге.