Циркулирующие микроРНК

Первая микроРНК, названная lin-4, была открыта четверть века назад учёными из Гарвардского университета у нематоды С. еlegance [1]. Учёные обнаружили, что ген lin-4 кодировал не белок, а две небольшие РНК – предшественник длиной в 61 нуклеотид и саму микроРНК, в 22 нуклеотида, которая и подавляла экспрессию нематодного гена lin-14, не давая ей нормально развиться. Долгое время считалось, что микроРНК – это такая эволюционная экзотика, свойство генома нематоды, пока спустя семь лет, в 2000 году не была открыта вторая молекула микроРНК, let-7 [2]. Она подавляла экспрессию сразу нескольких генов и затем была описана у ряда живых организмов, в том числе и у человека. И после этого «плотину прорвало» – открытия микроРНК стали следовать одно за другим.

Сегодня известно, что каждая микроРНК может контролировать множество (до нескольких сотен) генов, при этом один конкретный ген может являться мишенью для нескольких микроРНК. Как же действует эта малая молекула? микроРНК заставлют ген «замолчать» несколькими способами. Во-первых, они подавляют экспрессию генов путём взаимодействия с матричной РНК (мРНК). микроРНК присоединяются к мРНК, что приводит к блокированию процесса трансляции (т.е. синтеза белка) и деградации мРНК. Второй вариант выключения гена – транскрипционный, когда микроРНК в составе полибелкового комплекса вызывают эпигинетические модификации генома – метилирование ДНК и деацетилирование и метилирование гистонов.

Кроме этого, описан ещё один вариант подавления синтеза белка микроРНК, путём их взаимодействия с белками-репрессорами, блокирующими трансляцию [3]. Но, одновременно с этим обнаружилось, что в отдельных случаях, а именно при остановке клеточного цикла, микроРНК могут не репрессировать, а активировать процесс трансляции. Этот феномен был описан в 2007 году в журнале Science [4]. Но это явление настолько редкое и не характерное, что в большинстве научных статей о нём даже не упоминают.

Около 10 лет назад было впервые описано, что секретированные одним типом клеток микроРНК могут переноситься в другие типы клеток. Это послужило поводом предположить, что кроме клеточной микроРНК, в организме присутствует и внеклеточная, т.н. циркулирующая микроРНК (circulating miRNA, c-miPHK), которая и была затем обнаружена в плазме крови и других биологических жидкостях. Как предполагается сегодня, появление c-miPHK в крови может быть результатом как секреции их клетками, так и гибели самих клеток при апоптозе и некрозе.

Довольно быстро выяснилось, что микроРНК устойчивы к эндогенным рибонуклеазам (уничтожителям РНК) и обладают высокой стабильностью в сыворотке и плазме крови. А их количество может быть измерено с высокой чувствительностью и специфичностью несколькими способами, наиболее распространённые из которых – метод ПЦР в режиме реального времени и гибридизация с флюоресцентными зондами. И это позволило эффективно анализировать уровни циркулирующие микроРНК, выделяя из биологических жидкостей, и использовать их в качестве биомаркера при различных патологиях.

Для диагностики каких патологий можно использовать анализ микроРНК? В первую очередь, это конечно же основные возрастные болезни – сердечно-сосудистые, нейродегенеративные и онкологические. Так, проведённые многочисленные исследования показали тесную связь между уровнями микроРНК и сердечно-сосудистыми заболеваниями (CCЗ) – микроРНК играют важную роль в развитии и патогенезе ССЗ. Что даёт возможность использовать их в качестве диагностического маркера на самых ранних стадиях. Сегодня уже известно несколько микроРНК, подходящих для этой цели.

Ещё в 2009 году в одном из первых исследований было показано, что miRNA -208 специфично продуцируется в клетках сердца и её концентрации в плазме крови являются точным индикатором миокардиального повреждения [5].  Позже учёные смогли идентифицировать ещё две микроРНК, miR-423-5p и miRNA-499, которые показали хорошую эффективность при диагностике сердечной недостаточности и острого инфаркта миокарда [6,7].

В течение 10-летнего периода, в ходе большого исследования в рамках Nord-Trøndelag Health Study, норвежскими учёными был выявлен ряд циркулирующих микроРНК (miR-106a-5p, miR-424-5p, let-7g-5p, miR-144-3p и miR-660-5p,), уровни которых могут предсказывать будущий острый инфаркт миокарда у пока ещё здоровых людей [8]. Причём, эта же работа показала, что у мужчин и женщин есть свои специфические микроРНК (miR-424-5p и miR-26a-5p  соответственно), связанные с риском инфаркта миокарда.

Подробный систематический обзор известных на сегодня микроРНК, потенциальных биомаркеров сердечно-сосудистых болезней, был сделан в 2018 году российскими кардиологами [9].

Также выяснилось, что кроме инфаркта миокарда и сердечной недостаточности, анализ циркулирующих микроРНК в крови может помочь в ранней диагностике инсульта, а также предсказать прогностический результат у пациентов. Что особенно важно для известного тяжёлыми последствиями гемморагического инсульта, для которого, по утверждениям врачей, кроме микроРНК, сегодня не существует установленных биомаркеров для текущего анализа крови при диагностике инсульта [10]

В 2018 году был опубликован большой систематический обзор, в который было включено восемь исследований, включающих 572 больных и 431 здоровый участник в контрольной группе.  Согласно этого обзора, на сегодня известно как минимум 22 микроРНК, дифференциальная экспрессия которых была зарегистрирована в самом раннем периоде после острого ишемического инсульта [11].

Но, пожалуй, наиболее эффективно микроРНК зарекомендовали себя в качестве биомаркеров в ранней диагностике онкологических заболеваний. Так, в 2014-17 годах было проведено несколько масштабных исследований, систематических обзоров и метаанализов, показавших, что профили экспрессии циркулирующих микроРНК, особенно с использованием их комбинации, имеют большую потенциальную диагностическую ценность для точного и раннего обнаружения опухоли молочной железы [12,13,14].

В других работах также были установлены многочисленные, специфичные для других видов онкологии, циркулирующие микроРНК, которые могут помочь более эффективно выявлять болезнь на ранних стадиях [15,16 ]. В целом, анализ на микроРНК может использоваться для диагностики практически всех видов этой патологии.

Но и это ещё не всё. Выяснилось, что микроРНК также могут быть эффективно задействованы при диагностике основных возрастных нейродегенеративных патологий, прогресс в лечении которых сегодня наблюдается слабо.

Так, в 2015 году был проведён метаанализ 8 исследований, в которых принимало участие 459 пациентов с нейродегенерацией и 340 здоровых людей в контрольной группе, для исследования диагностических показателей циркулирующих микроРНК. Метаанализ подтвердил, что микроРНК могут быть потенциальными биомаркерами в клиническом диагнозе нейродегенеративных болезней, и их диагностическая точность будет лучше с использованием анализа нескольких микроРНК [17]. 

В 2018 году было опубликовано исследование американских неврологов, в котором были изучены уровни специфических микроРНК в ликворе людей, носителей генетической мутации, связанной с болезнью Хантингтона. В итоге им удалось обнаружить 6 микроРНК (miR-520f-3p, miR-135b-3p, miR-4317, miR-3928-5p, miR-8082, miR-140-5p), уровни которых начинали показывать рост за 20 лет до ожидаемого появления первых симптомов болезни. Что, по словам учёных, увеличивает шансы сделать лечение эффективным и отложить начало заболевания [18].

В других исследованиях были найдены специфичные микроРНК (miR-455-3p , miR-501-3p, miR-26a-5p, miR-181c-3p, miR-126-5p, miR-22-3p, miR-148b-5p, miR-106b-3p, miR-6119-5p, miR-1246, miR-660-5p)) позволяющие точнее и на ранних этапах диагностировать ещё одну тяжёлую нейропатологию – болезнь Альцгеймера [19,20,21 ].

Также исследования показали, что микроРНК имеют потенциал использования не только при диагностике, но и в качестве терапевтических мишеней при лечении болезней [22, 23]. И это не удивительно. По современным оценкам, экспрессия около 60 % человеческих генов напрямую связана с действием микроРНК, и функции большинства из них пока остаются не установленными [24].

МикроРНК показали себя очень чувствительными биомаркерами, позволяющими выявить заболевание на самых дальних подступах, когда ещё никаких симптомов и патологических изменений не видно. Что делает их уникальным инструментом в борьбе за здоровое долголетие. И хотя по отношению к микроРНК ещё можно встретить определение «тёмная материя биологии», уже то, что известно сейчас, показывает большие перспективы изучения этих малых молекул.