Rola miRNA w ewolucji hominidów

Rola miRNA w ewolucji hominidów
MikroRNA jest jednoniciową cząsteczką RNA, pełniącą fundamentalną
rolę w regulacji ekspresji innych genów. W ostatnim czasie
przeprowadzono wieloośrodkowe badania nad wpływem różnic w
sekwencjach miRNA na rozwój układu nerwowego w rodzinie ssaków
naczelnych. Chociaż cząsteczki miRNA są silnie konserwatywne pośród
gatunków, naukowcy podjęli próbę odpowiedzi na pytanie o
istnienie związku pomiędzy charakterystycznymi mutacjami punktowymi w
sekwencjach miRNA oraz ich wpływ na różnice fenotypowe pomiędzy
człowiekiem i innymi przedstawicielami rodziny człowiekowatych. Wyniki
dają nowe spojrzenie na rolę miRNA w ewolucji i jego wpływie na proces
specjacji.
MikroRNA (miRNA) jest jednym z kluczowych post-traksrypcyjnych czynników
regulatorowych. Powstaje ono w wyniku wielu procesów mających miejsce na
poziomie molekularnym. Większość aktywności regulatorowej miRNA przypisuje
się jego współpracy z kompleksem RISC (ang. RNA-induced silencing complex),
który to kieruje nić miRNA do docelowego mRNA, tym samym inicjując represję
translacyjną poprzez zablokowanie translacji mRNA i jego degradację [1].
Represja genów jest w głównej mierze dokonywana na drodze częściowej
komplementacji miRNA z mRNA. W miRNA znajduje się region „seed” (2-8
pozycja w dojrzałym miRNA), który jest odpowiedzialny za dokładne połączenie
się z docelowym miejscem na nici mRNA [2].
Jak dotąd, najlepiej poznanym gatunkiem wśród rodziny hominidów jest człowiek,
u którego zdefiniowano blisko 2000 cząsteczek pre-miRNA (u szympansa opisano
tylko 600 pre-miRNA) [3]. Te różnice skłoniły naukowców do podjęcia badań,
które obejmują dogłębne poznanie funkcji miRNA różnych gatunków, różnic
pomiędzy przedstawicielami rodziny człowiekowatych oraz przypisanie miRNA
określonych funkcji.
Naukowcy scharakteryzowali sekwencje miRNA dzięki analizie
wyników wielokrotnego sekwencjonowania genomów 82 przedstawicieli
hominidów.
Okazało się, że w strukturze miRNA regiony „seed” i „mature” są w równym
stopniu ewolucyjnie konserwatywne.
Oznacza to, że obydwie wymienione domeny pełnią istotną rolę w funkcjach
regulatorowych miRNA. Fakt ten poddaje dyskusji teorię, iż za funkcje
regulatorowe miRNA odpowiedzialny jest tylko region „seed”. Stwierdzono także,
że czas powstania danego miRNA jest głównym wyznacznikiem stopnia
jego konserwatywności ewolucyjnej. Starsze miRNA jest nie tylko silniej
zachowane ewolucyjnie i w większym stopniu zaangażowane w rozwój chorób, ale
też częściej występuje w formie klastrów miRNA. Młodsze miRNA takich cech nie
wykazuje.
Zbadano wpływ mutacji punktowych w miRNA i jego udział w ewolucji
gatunków z rodziny człowiekowatych
Źródło: Flickr, Autor: C Watts, licencja: CC BY 2.0
Na podstawie otrzymanych wyników opublikowano katalog
charakterystycznych mutacji punktowych w miRNA dla człowieka,
szympansa, goryla i orangutana. Spośród przeanalizowanych 235 ludzkich
sekwencji zidentyfikowano 263 charakterystyczne ludzkie substytucje
nukleotydowe w sekwencjach miRNA: 179 w prekursorowym miRNA, 61 w
regionie „mature”, 23 w regionie „seed”. Katalog może stanowić doskonałą bazę
dla dalszych, bardziej szczegółowych badań.
Jednym z najistotniejszych punktów badania było przypisanie funkcji
poszczególnym ludzkim miRNA i określenie ich udziału w zmianach
ewolucyjnych. Na podstawie danych z Allen Brain Atlas i 100 Genomes database
naukowcy wyselekcjonowali cztery sekwencje miRNA: miR-503-3p (z
charakterystyczną dla człowieka pojedynczą substytucją nukleotydową w regionie
„seed”) oraz miR-299-3p, miR-508-3p i miR-541-3p z substytucjami
nukleotydowymi w regionie „mature”. Wszystkie wybrane miRNA ulegają
wysokiej ekspresji w mózgu, który charakteryzuje się najwyższym poziomem
miRNA o aktywności regulatorowej. Równolegle prowadzono analizy na
odpowiednikach miRNA u innych hominidów.
Eksperci posłużyli się techniką RT-qPCR w celu zaobserwowania poziomu
ekspresji poszczególnych miRNA w mózgu, łożysku i jądrach. Wśród
najistotniejszych spostrzeżeń można wymienić:
1. Obecność miR-299-3p we wszystkich wymienionych tkankach zarówno u
człowieka jak i innych przedstawicieli człowiekowatych.
2. Namnożenie w mózgach człowieka i innych hominidów sekwencji miR-541-3p.
3. Wykrycie miRNA-508-3p tylko w ludzkim mózgu i jego obecność w jądrach u
wszystkich badanych przedstawicieli.
4. Obecność miR-503-3p tylko w ludzkim łożysku i tkance jąder makaka.
Powyższe różnice w ekspresji udowadniają, iż niektóre miRNA mogą pełnić
kluczową rolę w układzie nerwowym człowieka. Wyraźnie odbiega to od funkcji
odpowiedników miRNA u innych przedstawicieli człowiekowatych.
Kolejny etap badań polegał na transfekcji komórek HeLa ludzkimi i nieludzkimi
pre-miRNA. Celem tych działań było wyjaśnienie czy mutacje charakterystyczne
dla miRNA człowieka wpływają na poziom i wydajność ekspresji tych miRNA.
Okazało się, że substytucje nukleotydowe regulują znacząco poziom ekspresji
miRNA i nie zawsze go zwiększają.
Cząsteczki miRNA, które zawierały mutacje w regionie „mature”
charakteryzowały
się
różnym
stopniem
ekspresji
wśród
przedstawicieli hominidów. W przeciwieństwie do nich, miR-503-3p, który jako
jedyny zawierał mutację punktową w regionie „seed”, wykazywał podobny poziom
ekspresji u wszystkich przedstawicieli. Naukowcy tłumaczą te znaczące różnice
możliwym wpływem mutacji punktowych w regionie „mature” na zmianę struktury
drugorzędowej miRNA. Zmienia to powinowactwo miRNA do białek
uczestniczących w obróbce miRNA lub też powoduje destabilizację pre-miRNA w
transporcie do cytoplazmy.
Naukowcy zaobserwowali także istotne różnice w liczbie genów, które
poddawane są regulacji przez miRNA.
W tym celu posłużono się techniką nadekspresji miRNA, podczas której komórki
neuroblastoma SH-SY5Y były pojedynczo transfekowane ludzkim miRNA i jego
odpowiednikiem u innych hominidów. Wykazano, że miR-299-3p i miR-541-3p
zmieniają i regulują ekspresję dużej liczby genów (tj. od 1000 do 2000), podczas
gdy cząsteczki miR-503-3p i miR-508-3p są w stanie regulować najwyżej 275
geny. Różnice w tej zdolności upatruje się w odmiennych chromosomalnych
lokalizacjach genów, z których dane miRNA pochodzą, np. pierwsze dwie
cząsteczki miRNA znajdują się na dużym klasterze chromosomu 14, którego geny
ulegają ekspresji przeważnie w mózgu dorosłego człowieka.
Wyniki prac jednoznacznie wskazują na odmienność funkcji miRNA u człowieka i
pozostałych przedstawicieli. Ludzki wariant miR-503-3p uczestniczy w szlakach
sygnalizacyjnych odgrywających rolę w karcynogenezie, podczas gdy wariant nie
należący do człowieka jest zaangażowany w funkcje metaboliczne [3].
Nie ulega wątpliwości, że wyniki przedstawionej pracy mają
ogromne znaczenie dla dalszej interpretacji roli miRNA w ewolucji.
Ponadto, poddają dyskusji, czy poznane do tej pory funkcje i budowę
miRNA można uznać za pewne i niepodważalne. Udowodniono bowiem, że
zarówno region „mature” jak i „seed” uczestniczą w funkcjach
regulatorowych genów, a mutacje punktowe w sekwencjach miRNA typowe
dla człowieka mają ważny wpływ na rozwój gatunkowy. Zmiany
molekularne mogły zmodyfikować podstawowe funkcje miRNA w
tworzeniu fenotypu, co z kolei doprowadziło do powstania fenotypu
ludzkiego. Badania te są kolejnym studium nad miRNA i odkrywaniem
jego roli w ewolucji.
inż. Adrianna Grzelak, biotechnolog
Piśmiennictwo:
1. Zhang Y. et. al. Progress in microRNA delivery, Journal of Controlled Release,
2013; 172, 3: 962-974
2. Lewis BP et al. Prediction of mammalian microRNA targets. Cell, 2003; 115:
787–98
3. Gallego A. et al. Functional Implications of Human Specific Changes in Great
Ape microRNAs, PloS ONE 2016; 11(4): 1-20
Data publikacji: 08.08.2016r.