Бейлерли О.А.

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России

Азизова Ш.Т.

ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России (Сеченовский университет)

Коновалов Н.А.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Ахмедов А.Д.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Гареев И.Ф.

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России

Белогуров А.А.

ФГБУН «Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» РАН

Некодирующие РНК как терапевтические мишени при травме спинного мозга

Журнал: Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2020;84(4): 104‑110

Просмотров : 841

Загрузок : 30

Как цитировать

Бейлерли О.А., Азизова Ш.Т., Коновалов Н.А., Ахмедов А.Д., Гареев И.Ф., Белогуров А.А. Некодирующие РНК как терапевтические мишени при травме спинного мозга. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2020;84(4):104‑110.
Beylerli OA, Azizova ShT, Konovalov NA, Akhmedov AD, Gareev IF, Belogurov AA. Non-coding RNAs as therapeutic targets in spinal cord injury. Zhurnal Voprosy Neirokhirurgii Imeni N.N. Burdenko. 2020;84(4):104‑110. (In Russ., In Engl.).
https://doi.org/10.17116/neiro202084031104

Авторы:

Бейлерли О.А.

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России

Все авторы (6)

Список сокращений

ТСМ — травма спинного мозга

нкРНК — некодирующие РНК

длнРНК — длинные некодирующие РНК

СМ — спинной мозг

Повреждение спинного мозга (СМ) при травме часто приводит к значительному снижению качества жизни и инвалидизации. Это связано с нарушением и утратой моторных и сенсорных функций, нарушением функции систем жизнеобеспечения — дыхательной, сердечно-сосудистой, нарушением деятельности желудочно-кишечного тракта и мочевыведения, а также связано с развитием костно-мышечных деформаций [1, 2]. Частота травмы спинного мозга (ТСМ) в мире составляет 10,5 случаев на 100 тыс. человек в год, что соответствует примерно 750 тыс. случаев ежегодно. Средний возраст пострадавших составляет 39,8 года. Мужчины получают спинальную травму в 3,37 раза чаще женщин. Таким образом, в зоне риска оказывается самая активная группа населения, что обусловливает важность разработки новых подходов к диагностике и лечению этой патологии [2].

Существует 2 основных механизма повреждения СМ: первичное механическое и вторичное, включающее воспаление, ацидоз и апоптоз, образование глиального рубца, который действует как физический и молекулярный барьер для регенерации аксонов [3—5]. К вторичным повреждениям СМ относится астроглиоз, при котором резко увеличивается количество астроцитов в зоне повреждения нейронов при травме, инфекции, инсульте или нейродегенеративном заболевании. Однако астроглиоз играет важную роль в процессах регенерации, поскольку восстанавливает гомеостаз после повреждения СМ, облегчая восстановление гематоэнцефалического барьера и подавляя процесс воспаления [6, 7]. Благоприятный эффект астроглиоза обнаружен в ранней гипертрофической фазе повреждения СМ, тогда как поздняя гиперпластическая фаза приводит к образованию плотного рубца, который затрудняет регенерацию аксонов [8, 9]. Вместе с тем показано, что апоптозу подвержены не только нейроны, но и другие клетки СМ, такие как олигодендроциты и клетки микроглии [6]. Потеря олигодендроцитов в трактах белого вещества продолжается и спустя несколько недель после повреждения СМ и может способствовать прогрессирующей демиелинизации [10, 11].

Изменение экспрессии генов играет важную роль в патогенезе вторичного повреждения СМ. Однако мало известно о механизмах, которые регулируют изменение экспрессии этих генов. Около 70—80% человеческого генома активно транскрибируется в РНК, тогда как только 2% транскрибируется в белок-кодирующие микроРНК, и это указывает на то, что количество некодирующих РНК (нкРНК) намного выше, чем количество кодирующих белок генов. В зависимости от размера транскрипта нкРНК сгруппированы в два основных класса: малые и длинные. Малые нкРНК включают хорошо описанные микроРНК, малые интерферирующие РНК (миРНК) и PIWI-взаимодействующие РНК. Так, нкРНК являются хорошими кандидатами на роль регуляторов вторичного повреждения СМ, поскольку они могут регулировать группы генов посттрансляционным способом [11—13]. Некоторые формы микроРНК играют существенную роль в эмбриональном развитии нервной системы и являются важными медиаторами нейрональной пластичности [14, 15]. Доказано участие ряда микроРНК в развитии тяжелых неврологических заболеваний, таких как синдром Туретта [16]. Некоторые исследования направлены на определение роли микроРНК в процессах нейродегенерации [17, 18]. Следует отметить, что до 40% всех известных нкРНК специфически экспрессируются в головном мозге и других отделах центральной нервной системы [19]. Это открытие показало, что длинные некодирующие РНК (длнРНК) могут участвовать в патогенезе заболеваний нервной системы. В связи с этим идентификация экспрессированных нкРНК с использованием геномных подходов откроет путь к пониманию развития заболеваний, опосредованных длнРНК. Роль нкРНК в повреждении СМ остается недостаточно изученной, несмотря на то что обнаружена экспрессия большого количества нкРНК в СМ мышей.

Экспрессия микроРНК при повреждении спинного мозга

N. Liu и соавт. провели эксперимент на крысах с черепно-мозговой травмой, чтобы определить экспрессию микроРНК во времени [15]. Авторы смогли определить, что СМ травмированной крысы содержит приблизительно 77% (269) микроРНК, идентифицированных у здоровой крысы (350), что позволяет предположить, что СМ является богатым источником экспрессии микроРНК. Экспрессия 97 из 269 микроРНК изменилась после повреждения СМ. Экспрессия 60 из 97 микроРНК обнаружена в умеренном, высоком и очень высоком количестве. Экспрессия остальных 37 микроРНК была на низком уровне. Поскольку декомпрессия СМ является основным вариантом хирургического лечения при травме, М. Ziu и соавт. провели исследование, чтобы проанализировать пространственную и временную экспрессию различных микроРНК и их связь с продолжительностью сдавления СМ [20]. Эти исследователи смогли доказать, что экспрессия некоторых микроРНК отличается в зависимости от времени сдавления. В частности, miR-107 экспрессируется в модели длительного сдавления, в то время как ее уровень не изменяется в модели короткого сдавления. Экспрессия miR-148 повышена через 3 и 6 ч после продолжительного повреждения при сдавлении и через 6 ч при коротком сдавлении. Кроме того показано, что miR-210 активируется через 3, 6 и 24 ч в модели длительного сдавления и только через 24 часа, если сдавление имеет короткую продолжительность.

МикроРНК, связанные с воспалением и апоптозом

V. Sahni и соавт. провели эксперимент на мышах с повреждением СМ, чтобы определить роль костных морфогенетических белков (BMPs; bone morphogenetic proteins) и их рецепторов в астроглиозе, вторичном к повреждению СМ [9]. Эти авторы смогли выявить значительное увеличение уровней BMP4 через 4, 7 и 15 дней после травмы. Они также обнаружили умеренное повышение уровня BMP7 через 4 дня после травмы, а также возврат к исходному уровню через 7 дней. Исследователи также показали увеличение транскрипции рецептора 1a BMP (BMPR1a) и белка GFAP (glial fibrillary acidic protein) через 4 и 7 дней после повреждения. Сигнальный путь BMP включает белки SMAD (similar to mothers against decapentaplegic), и показано, что эти белки контролируют посттранскрипционный процессинг miR-21 [17]. При изучении поведения этой микроРНК они смогли продемонстрировать, что передача сигналов BMPR1a ингибирует цитоплазматический процессинг miR-21 таким образом, что обработанный конечный продукт этой микроРНК обычно ингибируется при повреждении СМ. Впоследствии O. Bhalala и соавт. провели эксперимент на мышах с целью выяснения роли miR-21 в астроцитарном ответе после повреждения СМ [21]. Авторы продемонстрировали, что после травматического повреждения СМ сверхэкспрессия miR-21 в астроцитах ослабляет гипертрофический ответ. Помимо этого они обнаружили, что ингибирование функции miR-21 сопровождается увеличением плотности аксонов в месте поражения. Авторам удалось показать новый эффект miR-21 в регуляции астроцитарной гипертрофии и прогрессии глиального рубца после повреждения СМ. B. Izumi и соавт. сосредоточились на изучении экспрессии miR-223 и смогли выявить высокую экспрессию этой микроРНК через 12 ч после повреждения СМ [22]. В отношении апоптоза G. Liu и соавт. продемонстрировали значительное изменение экспрессии некоторых микроРНК у крыс с повреждением СМ; фактически они обнаружили увеличение экспрессии Let-7a и miR-16 и снижение уровней miR-15b через 10 дней после повреждения [23].

Микро РНК, связанные с функциональным восстановлением и регенерацией

Регенерация — способность воспроизводить точные копии утраченных анатомических структур. Это явление, наблюдаемое у некоторых видов позвоночных, таких как саламандры, аксолотли и рыбки данио, утрачено млекопитающими. Молекулярные механизмы, с помощью которых осуществляется этот процесс, все еще не ясны [24]. Исследована роль микроРНК в регенерации СМ после его повреждения у некоторых из этих видов. T. Sehm и соавт. провели эксперимент на аксолотлях и определили роль miR-196 в регенерации хвоста после его ампутации [24]. Авторы показали значительное увеличение экспрессии miR-196 в первые 14 дней после ампутации, которое впоследствии не поддерживалось. Ингибирование miR-196 приводило к существенным дефектам регенерации. Полученные данные свидетельствуют о том, что эта микроРНК играет ключевую роль на ранних стадиях регенерации хвоста, ампутированного у аксолотлей. У этого же вида J. Díaz Quiroz и соавт. обнаружили, что miR-125b необходима для функционального восстановления повреждений СМ [25]. Авторы показали, что снижение уровня miR-125b у аксолотля до уровня, отмечаемого у крыс, ингибирует регенерацию за счет регуляции гена Sema4D, который вызывает образование глиального рубца. Также изучали роль miR-133b в функциональном восстановлении после повреждения СМ Y. Yu и соавт. [26]. Для этого они использовали модель повреждения СМ у рыбок данио и выявили положительную регуляцию miR-133b в нейронах. Ингибирование miR-133b привело к изменению моторного восстановления, а также к снижению регенерации аксонов при наблюдении за регенерацией в области среза СМ.

Потенциальные мишени микроРНК при повреждении спинного мозга

Воспаление, ацидоз и апоптоз

N. Liu и соавт. проанализировали роль микроРНК после повреждения СМ при исследовании потенциальных генов-мишеней [15]. Посредством статистического анализа они продемонстрировали, что эти мишени являются генами, которые кодируют компоненты, вовлеченные в различные физиологические процессы, такие как воспаление, ацидоз и апоптоз. Гены, ингибирующие воспалительный процесс, являются потенциальными мишенями для некоторых микроРНК. К ним относятся miR-221, miR-1, miR-206, miR-152, miR-122, miR-181a, miR-411, miR-99a, miR-34a, miR-30c, miR-384-5p, miR-30b-5p и miR-214. Ряд генов, ответственных за апоптоз, являются потенциальными мишенями для микроРНК, экспрессия которых понижена после повреждения СМ (miR-127, iR-181a, miR-411, miR-34a и miR-384-5p). Результаты исследований показывают, что аномальная экспрессия микроРНК после травматического повреждения СМ может способствовать генезу вторичных повреждений. Таким образом, эти микроРНК могут быть потенциальными мишенями для лечения травмы СМ. V. Sahni и соавт. отметили, что miR-21 отрицательно регулирует реактивную гипертрофию астроцитов при повреждении СМ [9]. Но авторы пока не смогли определить мишени miR-21, которые могут повлиять на увеличение размера астроцитов. В исследовании микроРНК, связанных с апоптозом, G. Liu и соавт. показали, что увеличение экспрессии Let-7a сопровождалось увеличением экспрессии RAS (семейство генов, а также белки, которые они кодируют — так называемые малые G-белки (малые ГТФазы)) и MYC (семейство генов, которые участвуют в контроле клеточной пролиферации, дифференцировки и канцерогенеза) через 10 дней после поражения; однако через 31 день экспрессия RAS и MYC вернулась к базовым уровням, несмотря на то, что уровень Let-7a оставался повышенным [23]. С одной стороны, увеличение экспрессии микроРНК связано с повышенной экспрессией Bcl-2. С другой стороны, показано, что физические упражнения после повреждения СМ поддерживают мышечную массу в парализованных конечностях, стимулируют анатомическую и биохимическую пластичность в СМ и приводят к повышению уровня нейротрофических факторов в мышцах и в СМ [27—32]. Эти данные послужили обоснованием для изучения влияния физических упражнений на экспрессию некоторых микроРНК [23]. В этой работе G. Liu и соавт. удалось показать, что физические упражнения в течение 5 дней после повреждения СМ сопровождались значительным увеличением экспрессии miR-21, известной своим антиапоптотическим эффектом, а также значительным снижением экспрессии miR-15b [23]. Повышенная экспрессия miR-21 приводила к снижению экспрессии РНК-мессенджера PTEN (phosphatase and tensin homolog) и PDC4 (programmed cell death protein 4). Известно, что ингибирование этих белков связано с уменьшением апоптоза в раковых клетках путем ингибирования протеинкиназ B [23].

Функциональное восстановление и регенерация

T. Sehm и соавт. изучали потенциальные цели miR-196 в отношении регенерации хвоста у аксолотля [24]. Авторы доказали, что эта микроРНК действует непосредственно на ген Pax7, подавляя уровни экспрессируемого белка, тем самым влияя на деление клеток во время регенерации и продуцируя фенотип малого хвоста. Механизм, с помощью которого этот белок продуцировал указанный фенотип, осуществлялся через петлю обратной связи с белками BMP4 и Msx1 (Msh homeobox 1), необходимыми для контроля пролиферации клеток в СМ. J. Díaz Quiroz и соавт., после определения miR-125 как важного фактора в создании среды, которая является условием регенерации, проверили эффект повышения уровня miR-125b у крыс после повреждения СМ [25]. Для этого они вводили синтетический вариант miR-125b в место поражения через 7 дней после травмы и показали снижение уровня Sema4D и образование глиальных рубцов, а также положительное влияние на функцио-нальное восстановление (улучшение передвижения у некоторых животных). В своем исследовании роли miR-133b в функциональном восстановлении после повреждения СМ Y. Yu и соавт. выявили, что эта микроРНК важна для регенерации СМ у взрослых рыбок данио, которая происходит путем снижения уровня белка RhoA (RAS homolog gene family, member A) малой ГТФазы (гуанозинтрифосфата) [26]. Изучены закономерности активации этого белка после повреждения СМ и его роль в апоптозе клеток центральной нервной системы [33]. Оба белка, происходящие из миелина, и фактор некроза опухоли непосредственно активируют Rho. Инактивация Rho C3-05 (RAS homolog gene family, member C3-05 антагонист RhoA) после повреждения СМ блокирует повышение уровня белка p75NTR (p75 neurotrophin receptor) и ингибирует апоптоз. Инактивация Rho C3-05 предотвращает апоптоз и стимулирует регенерацию. Способ, которым miR-133b вызывает это уменьшение, заключается в ее непосредственном взаимодействии с РНК-посредником RhoA. Это важный вывод, поскольку показано, что инактивация этой ГТФазы приводит к восстановлению координации между передними и задними конечностями у мышей [34].

Функциональная роль длнРНК при повреждении спинного мозга

В последнее время открываются новые характеристики дифференциально экспрессированных длнРНК при ТСМ. В частности, модуляция глиальной активации и апоптоза нейронов с помощью длнРНК стала областью интенсивного исследования.

Глиальная активация

Глия может быть активирована в течение 1 дня (активация микроглии) и сохраняться в течение месяцев или даже лет (астроглиоз) после повреждения СМ [35—37]. В модели острой контузионной ТСМ у крыс обнаружено, что уровень белка MALAT1 (metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1) значительно повышен в поврежденной области СМ [38]. MALAT1 активирует miR-199b и, следовательно, способствует выработке провоспалительных цитокинов. Ингибирование спинального MALAT1 приводило к уменьшению экспрессии микроглиального маркера Iba-1 и провоспалительных цитокинов в эпицентре контузии и к улучшению локомоторной функции задней конечности. Однако роль MALAT1 в поляризации микроглии в этом исследовании не изучалась. В другом отчете установлено, что экспрессия нкРНК lncSCIR1 постоянно снижается на 1-, 4- и 7-й день после умеренной контузионной ТСМ [39]. Количество lncSCIR1 обратно пропорционально коррелировало с экспрессией костного морфогенетического белка 7 (Bmp7) и адреномедуллина (Adm), которые способствуют формированию астроглиоза в СМ [40, 41]. Ингибирование lncSCIR1 приводило к стимулированию миграции и пролиферации культивируемых астроцитов [39]. Однако большинство функциональных исследований выполнено in vitro. Тем не менее эти исследования предоставили предварительные доказательства того, что длнРНК могут участвовать в глиогенезе после ТСМ.

Нейрональный апоптоз

Гибель нейронов является наиболее очевидным следствием повреждения спинного мозга, особенно в острой фазе. Поэтому молекулы-модуляторы апоптоза нейронов постоянно привлекают внимание исследователей. XIST (X-inactive specific transcript) идентифицировали как одну из активных длнРНК с наибольшими кратными изменениями количества молекул в модели контузионной ТСМ у мышей [42]. Ингибирование XIST оказывало значительное нейропротекторное воздействие путем активации белка (PI3K)/AKT в поврежденном СМ. Ингибирование XIST приводило к повышению экспрессии miR-494, которая затем ингибировала делецию PTEN. Снижение уровня PTEN активирует путь PI3K/AKT и защищает нейроны от апоптоза.

Возможные варианты терапии

Роль микроРНК в повреждении СМ нуждается в дальнейшем изучении, однако появляется все больше свидетельств того, что микроРНК представляют новый класс терапевтических мишеней [43—45]. МикроРНК в центральной нервной системе снижают уровень белка посредством посттранскрипционной регуляции [16, 46]. Таким образом, ингибирование микроРНК, связанной с конкретным заболеванием, может устранить блокировку экспрессии нужного белка. Напротив, введение миметика микроРНК может стимулировать популяцию эндогенной микроРНК, которая подавляет нужный ген [47]. Некоторые модифицированные РНК могут быть использованы в качестве предварительно обработанных микроРНК или в качестве олигонуклеотидов против микроРНК [48]. Олигонуклеотиды против микроРНК являются комплементарными нуклеотидами с обратной цепью. Их стабильность и специфика улучшены химическими модификациями. Показано, что олигонуклеотиды с 2’-O-метил-модификацией являются эффективными ингибиторами нескольких клеточных линий и культивируемых нейронов [49—51]. МикроРНК имитируют небольшие, как правило, двухцепочечные, химически модифицированные олигонуклеотиды, которые можно использовать для подавления специфических белков-мишеней. Двухцепочечная структура необходима для эффективного объединения с RISC (RNA-induced silencing complex). Одна из цепей представляет собой зрелую микроРНК, а комплементарная цепочка образует комплекс с последовательностью зрелой микроРНК [51]. Хотя эти имитаторы часто используются в исследованиях сельскохозяйственных культур, пока нет данных, доказывающих их эффективность [52]. По-прежнему существует много проблем для использования микроРНК в качестве терапевтических мишеней, а именно сложное введение, возможные воздействия на другие генетические системы и обеспечение их безопасности. Однако стратегия манипулирования микроРНК in vivo для регуляции патологических процессов становится возможным терапевтическим подходом. Лучшее понимание их биосинтеза и функции, несомненно, будет способствовать развитию терапии с помощью микроРНК.

Заключение

Травма спинного мозга является причиной инвалидности работоспособного населения и до настоящего времени остается серьезной клинической проблемой, для решения которой требуются интенсивные исследования. Начаты исследования некодирующих РНК при этой патологии, которые показали их важность в контроле воспаления, ацидоза, апоптоза, пролиферации и регенерации. Необходимо продолжить изучение некодирующих РНК при поражении спинного мозга, а также выявление генов-мишеней и механизмов передачи сигналов, участвующих в их неврологических эффектах. Благодаря взаимодействию с сетью кодирующих генов, некодирующие РНК участвуют в различных клеточных и тканевых изменениях на всех стадиях травмы спинного мозга. Таким образом, дерегуляция некодирующих РНК представляет новое измерение в воздействии на молекулярные механизмы при травмах спинного мозга. При этом конечной целью является разработка эффективных и безопасных терапевтических и диагностических стратегий для пациентов с повреждением спинного мозга.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — О.Б., Н.К.

Сбор и обработка материала — Ш.А., А.А., А.Б.

Анализ данных — Ш.А., А.А., А.Б.

Написание текста — И.Г.

Редактирование — О.Б., Н.К.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail