Måske har kreationisterne ret!? Nogle få, tilfældige mutationer i nogle få tusinde gener kan ikke forklare de enorme, fænotypiske forskelle, der er mellem så forskellige arter som mennesker og rundorme, medmindre … vi også læser mellem linjerne i livets bog, eller rettere: mellem generne i en organismes DNA (Figur 1).
Det er nemlig her, mellem de protein-kodende områder (exons), dvs. i de ikke-protein-kodende regioner (herunder introns), at vi oftest finder transkripter for non-protein-coding RNA (ncRNA), herunder gruppen af microRNA (miRNA)-molekyler. Det viser sig nemlig, at langt størstedelen af det humane genom transkriberes til RNA, hvorimod under 2 % af dette RNA translateres videre til proteiner. Hvor man tidligere afskrev ncDNA som ”junk-DNA” uden nogen vital funktion, så er der i dag evidens for, at især miRNAer spiller en nøglerolle i reguleringen af centrale, biologiske processer som cellevækst, vævsdifferentiering og apoptose, samt for evolutionen af fænotypisk diversitet. Faktisk repræsenterer miRNAerne et brud – måske endda et paradigmeskift – på molekylærbiologiens centrale dogme, som det blev defineret af Francis Crick i 1958:at den genomiske informationsstrøm er uni-direktionel: DNA → RNA → protein, idet vi nu ved, at en fraktion af transkriptomet regulerer sig selv (Figur 2) og i realiteten udgør et enormt, komplekst, regulatorisk netværk, som vi kun lige har set en flig af.
Men tilbage til spørgsmålet: Hvor vigtigt er ncDNA for evolutionen? Ser man på forholdet mellem en organismes ncDNA (som koder for ncRNA) og dens totale genomiske DNA (tgDNA), så tegner der sig et interessant mønster, idet ncRNA/tgDNA-forholdet stiger markant med stigende cellulær kompleksitet – fx fra prokaryot til eukaryot til vertebrat – og nærmer sig 1 for mennesket (Figur 3). Det tyder på, at ncRNA-molekyler indgår i genregulatoriske systemer, der er nødvendige for udvikling af komplekse, højere organismer (1;2). Evolutionsmæssigt synes det også mere ”økonomisk” at kunne regulere og fintune genekspression ved hjælp af små, hurtige miRNA-molekyler frem for ved hjælp af store, komplekse proteiner.
Hvad er så miRNA molekyler for nogen størrelser? Som navnet antyder, er de små: 18-25 nukleotider lange, enkeltstrengede RNA molekyler, som er udtrykt i mange, men ikke alle, eukaryote celler. Det første miRNA, lin-4 (med sekvensen UCCCUGAGACCUCAAGUGUGA) blev fundet i C. elegans i 1993 af Victor Ambros gruppe på Harvard (3). De fandt, at lin-4 var komplementært til lin-14 genet i dettes 3’-UTR (untranslated region), og ved baseparring mellem lin-4 og lin-14 bliver sidstnævnte gen ikke udtrykt, dvs. der er tale om post-transkriptionel gen ”silencing”.
Siden da har man fundet i hundredevis af miRNAer. De miRNAer, som man opdagede først , er evolutionært meget konserverede, dvs. den samme sekvens er bevaret mellem vidt forskellige organismer som orme og mennesker, hvilket indikerer, at det også er fundamentale, konserverede biologiske processer, der bliver reguleret af dem (4). Nu hvor de højt udtrykte og dybt konserverede miRNAer er identificeret, er man begyndt at finde mere specialiserede miRNAer, som ofte er lavere og sjældnere udtrykt, og som ikke er så evolutionært konserverede. Det tyder på, at der finder udvikling af nye miRNAer sted, og vi tror, at miRNAer er særdeles aktive medspillere i evolutionen.
Figur 4 viser miRNA biogenesen, som starter i cellekernen, hvor 100-1000+ nukleotider lange precursor-molekyler, pri-miRNA’er, bliver syntetiseret ved hjælp af RNA polymerase II ud fra genomisk DNA. De lange pri-miRNA bliver dernæst spaltet af Drosha, en RNAse III endonuklease, til kortere, typisk 70 nukleotider lange precursor miRNA’er (pre-miRNA) med en karakteristisk ”stem-loop” sekundær-struktur. Pre-miRNA forlader kernen gennem Exportin-5, og i cytoplasmaet klippes loop-regionen af Dicer, så en miRNA dupleks bliver tilbage. Den ene streng i dupleksen er det mature miRNA, som indgår i proteinkomplekset RISC (RNA induced silencing complex), mens den anden miR* (stjerne) streng formentlig bliver nedbrudt (5). I planter er der oftest næsten perfekt komplementaritet mellem en miRNA og dens target mRNA, hvilket fører til nedbrydning af mRNA strengen, mens der i animalske celler oftest kun er partiel komplementaritet mellem miRNA og 3’-UTR, hvilket medfører blokering af translation, men ikke nødvendigvis nedbrydning af mRNAet.
De flestes miRNAer kan inddeles i familier baseret på sekvenslighed, og visse familier, som fx miR-17-92 clusteren er opstået som følge af gen-duplikation (6). Den biologiske effekt på et mRNA kan derfor være redundant og additiv (når miRNA familiemedlemmerne ligner hinanden meget), men effekten kan også være differentieret og rettet mod mange forskellige mRNAer (når medlemmerne i miRNA-familien er meget forskellige og udtrykt til forskellig tid og sted) med en resulterende kooperativ fænotype (7). Da hvert miRNA kan have mange forskellige mRNA targets, og hver mRNA kan reguleres af mange forskellige miRNAer, bliver kompleksiteten af de regulatoriske netværk, hvori miRNAer indgår, enorm (Figur 5), og det anslås at mindst en tredjedel af samtlige humane gener er reguleret af miRNAer (8).
Da både perfekt og ufuldstændig binding af et miRNA til dets target-mRNA kan finde sted, og fordi sekundær-strukturen af miRNA-3’UTR komplekset også spiller en rolle for stabiliteten af bindingen, er det vanskeligt præcist at identificere, hvilke gener, miRNAerne kontrollerer. Faktisk er korrekt miRNA-target-forudsigelse en af de største bioinformatiske udfordringer, hvilket afspejles i, at man typisk opnår lige så mange forskellige resultater, som der er algoritmer, og det viser sig, at der kun er lille overlap mellem de forskellige metoder. Hvad der er de ”sande” mål for et miRNA kræver eksperimentel validering, fx i form af knock-in, knock-out og mutationsstudier, immunoprecipitering samt kvantitativ proteom analyse, men ingen af disse metoder er trivielle (9;10). Forskellene i target-forudsigelse er illustreret på Figur 6, hvor vi har sammenlignet resultatet for miR-21 for tre af de gængse miRNA-target-forudsigelsesalgoritmer, miRanda, PicTar og TargetScan. Disse kan alle tilgås fra miRBase (http://microrna.sanger.ac.uk/sequences), som er en miRNA-database ved the Welcome Trust Sanger Institute, der annoterer alle miRNA-sekvenser baseret på publicerede data (11).
På Bioinformatik-centret bruger vi ”machine learning” til at udvikle en metode til forudsigelse af miRNA-targets. Til træning af denne metode bruges data fra eksperimenter, hvor en miRNA for eksempel er inhiberet med en LNA ”antimir” (12)
Den seneste version 12.0 af miRBase fra september 2008 indeholder 8619 sekvenser, hvoraf de 695 er humane. Det anslås, at miRNA-sekvenser udgør ca. 1-4 % af alle gener, så hvis vi regner med 30.000 gener i det humane genom, kan vi forvente at finde op mod 1200 humane miRNAer. Dette tal stemmer meget godt overens med vores egne sekventeringsstudier ved hjælp af 454 og Illumina teknologi, hvor det ser ud til at vi er ved at nå mætning, hvad angår opdagelse af nye miRNAer.
De sekvenser, der er annoteret i miRBase er typisk 22 nukleotider lange, men nye sekventeringsdata tyder på, at både 5’ og især 3’ længdevarianter, såkaldte isomiRs, kan koeksistere i samme celle (13). Den biologiske betydning af disse isomiRs diskuteres stadig, men de spiller formentlig en rolle for subcellulær lokalisering og stabilitet af miRNA-molekylerne (14).
|
miRNA Blå Bog: |
|
|
1993: |
lin-4 opdages i C. elegans (Victor Ambros, Harvard) |
|
2001: |
miRNA familien defineres (Victor Ambros, nu Dartmouth) |
|
2002: |
kåret som ”Årets Molekyle” af Science |
|
2006: |
Nobelprisen i medicin går til Andrew Fire og Craig Mello for opdagelsen af RNAi (Victor Ambros får en medalje af Genetics Society of America) |
Pga. deres lille størrelse har miRNAer i mange år unddraget sig forskernes opmærksomhed, primært fordi de (miRNAerne, ikke forskerne) blev vasket ud under oprensning af det ”rigtige” RNA. Først da man begyndte at interessere sig for den korte (under 25 nukleotider lange) RNA fraktion, lykkedes det at isolere og klone miRNA. I dag foregår opdagelse af nye miRNA molekyler typisk ved anvendelse af ”næste-generations” sekventeringsmetoder, som fx 454 (fra Roche), Illumina (Solexa) og SOLiD (fra ABI) kombineret med bioinformatik til identificering af de bedste miRNA-kandidater baseret på bl.a. sekundær struktur og fri energi. På Bioinformatik-centret arbejder vi med analyse af ”næste-generations” sekvensdata, hvilket indebærer en del udfordringer, blandt andet på grund af sekventeringsfejl i de korte sekvenser, og vi udvikler metoder til at finde ud af, om en kort sekvens er en miRNA eller en anden slags ikke-kodende RNA.
Når først de interessante miRNAer er identificeret, følger de næste spørgsmål af sig selv:
Re 1) Spørgsmålet om lokalisering besvares bedst med in situ hybridiseringsstudier (ISH), der direkte kan visualisere specifikke miRNAer, hvis de er udtrykt i det pågældende væv (Figur 7) (15). Det har vist sig at miRNA-ekspressionen er yderst stadie- og vævsspecifik, hvilket understreger deres rolle i udviklings- og differentieringsprocesser.
Re 2) Kvantificering af miRNA-ekspression er nok det felt, der er i kraftigst vækst, og det er da også her, at man finder det største udbud af analyseværktøjer. Disse er typisk microarrays og RT-PCR i forskellige udformninger.
På Exiqon bruger vi specielle, LNA-forbedrede microarrays, der indeholder flere tusind prober til detektion af miRNA. LNA (locked Nucleic Acids, Figur 8) er strukturelle RNA-analoger, hvor ribose-ringen har fået tilføjet en ekstra methylen-bro, som låser molekylet og hermed stabiliserer dets binding til RNA og DNA. Konsekvensen bliver, at man får en mere specifik og følsomt måling. LNA-baserede prober er ideelle for design af korte, Tm-normaliserede prober til stringente miRNA-assays, som microarrays, RT-PCR, Northern blots og ISH.
RT-PCR anvendes ofte til validering af de miRNAer, som er identificeret ved den globale ekspressionsprofilering med microarrays. En væsentlig fordel ved RT-PCR metoden er, at den er meget følsom, idet man kan nøjes med at anvende helt ned til 10 pg RNA som udgangsmateriale, hvilket svarer til udbyttet fra en enkelt celle.
Re 3) Den funktionelle analyse af miRNAers biologiske rolle er nok den mest udfordrende, idet den kræver studier, hvor man først efterligner (miRmimmicks) eller hæmmer (antagomiRs) miRNAers fysiologiske rolle, og efterfølgende validerer de miRNA – samt deres potentielle targets – som man ønsker at undersøge.
Re 4) Et endnu relativt uudforsket område er studiet af, hvordan selve miRNA-ekspressionen reguleres, for udover regulering via transkriptionsfaktorer (16) er der nu evidens for endnu et lag af kompleksitet, eftersom andre ikke-kodende RNAer formentlig danner regulatoriske netværk inden for de regulatoriske miRNA netværk!
Re 5) Over halvdelen af alle miRNAer kodes i ”skrøbelige” kromosomale områder, der er associerede med forskellige former for cancer (17). Spørgsmålet er, om ændringerne i miRNA-ekspression blot er epifænomener eller en medvirkende årsag til sygdommen. Her tyder mere og mere på, at en række miRNAer, de såkaldte ”oncomiR”, spiller en direkte rolle i onkogenesen, eftersom de både kan fungere som tumor suppressor gener og som onkogener (18). Et tumor suppressor miRNA vil typisk blokere et ”ægte” onkogen; dvs. bliver det pågældende miRNA nedreguleret, mindskes den hæmmende effekt på onkogenet, som derved udtrykker sit onkoprotein (Figur 9A). Den omvendte situation gør sig gældende for et miRNA onkogen, som targeterer et ”ægte” tumor suppressor gen: opregulering af miRNAet fører til blokering af tumor suppressoren, med øget risiko for tumor-dannelse (Figur 9B). At miRNAer udgør en lovende ny klasse af diagnostiske biomarkører blev demonstreret i 2005 af Lu et al., som viste, at en molekylær signatur bestående af ca. 200 miRNAer var en tilsvarende mRNA-signatur baseret på over 20.000 gener overlegen, når det gjaldt om at klassificere svagt differentierede tumorer (19).
Vi har på Exiqon fokus på miRNA biomarkører til cancerdiagnostik, og bruger LNA-baserede analysemetoder som in situ hybridisering, microarrays og RT-PCR til at studere miRNAers betydning i bryst-, kolon-, lunge-, prostata-, og hudkræft. Vores studier tyder på, at miRNAer har stort potentiale inden for alle grene af cancerdiagnostikken:
Diagnostisk, til tidlig identifikation af kræft, dvs. inden tumoren har metastaseret, hvilket er altafgørende for kurativ behandling inden for så godt som alle cancerformer.
Prognostisk, til at separere lav- fra høj-risiko patienter, således, at kun de patienter, som er i høj-risiko gruppen bliver behandlet, mens man undgår overbehandling af lav-risiko patienter. Vi har netop lanceret et LNA-baseret in situ hybridiserings (ISH) produkt, der ved at bestemme miR-21 ekspressionen i biopsier fra tyktarmskræft kan identificere patienter med forhøjet risiko for tilbagefald.
Prediktivt, til at forudsige, hvilke patienter der vil – eller ikke vil – have glæde af en given behandling, altså et skridt nærmere skræddersyet eller individualiseret - medicinering.
Det skal nævnes, at miRNAer også kan spille en rolle i en lang række andre sygdomme, som neurologiske lidelser, herunder Fragile X syndromet (20), skizofreni (21), Alzheimers sygdom (22;23), og andre neurodegenerative sygdomme (24) (23;25), virusinfektioner (26), diabetes (27), inflammatoriske lidelser som psoriasis (28), og kardiovaskulære sygdomme (29).
Fra præcis diagnostik til terapi er der desværre et stykke vej, og selv om vi kan afdække mulige miRNA mål for intervention, så er der stadig store udfordringer der skal overvindes i forbindelse med genterapi i praksis, herunder kontrolleret ”delivery” af lægemidlet. Et godt eksempel på at det kan lade sig gøre at udvikle miRNA- baseret medicin er miR-122 knockdown i leveren (et projekt udført af det danske biotekfirma Santaris med støtte fra Højteknologifonden), hvor man ved indgift af en LNA-antimiR var i stand til både at sænke blod-kolesterol-niveauet og beskytte mod hepatitis C infektion (30).
Det står klart, at miRNA forskningen er inde i en rivende og meget lovende udvikling, og kan være med til at opfylde vores vision om morgendagens personlige medicinering ved hjælp af avanceret genterapi. Perspektiverne indenfor såvel diagnostik som behandling er enorme, og det er kun et spørgsmål om tid, før vi har fået afdækket de vigtigste sygdomsassocierede miRNAer, deres funktion, rolle som biomarkører og potentielle targets. Når det så er sagt, må vi ikke glemme alle ”de andre” ikke-protein-kodende RNA familier: Der er formentlig tale om titusindvis af ncRNA species, herunder snRNA (small nuclear RNA) (31), snoRNA (small nucleolar RNA) (32), og den store gruppe af piRNA (Piwi-interacting RNA ) (33) molekyler, der potentielt kan interagere både med hinanden og med mRNA i et enormt, kompliceret, netværk. For at analysere og i sidste ende forstå denne komplekse systembiologi har vi brug for Bioinformatik-centerets avancerede bioinformatiske værktøjer kombineret med sofistikerede eksperimentelle metoder.
|
Exiqon A/S og Bioinformatik-centret ved Københavns Universitet samarbejder om miRNA-analyse. Dette samarbejde er blandt andet støttet af Højteknologifonden. |
| Exiqon A/S er en førende leverandør af analyseprodukter baseret på LNATM til microRNA ekspressionsprofilering, herunder real-time PCR, microarrays, in situ hybridisering, knockdown og RNA/mRNA-isolering. Exiqon Life Sciences' kunder er typisk molekylærbiologer i de farmaceutiske, diagnostiske og agrotekniske brancher samt akademiske institutioner, som arbejder med biologisk grundforskning, forskning i sygdomme som f.eks. kræft, stofskiftesygdomme, neurologiske sygdomme og stamcelleforskning. Exiqon Diagnostics er en af de førende leverandører af cellebaseret diagnostik til valg af kræftbehandling og lancerede sin første nye molekylærprognostiske test baseret på miRNA i 2008. Exiqon Pharma Services samarbejder med medicinalindustrien om at målrette ny medicin til patientgrupper udvalgt på baggrund af miRNA-biomarkører. Læs mere på www.exiqon.com.
|