Die Entdeckung, dass der Großteil des menschlichen Genoms in RNA umgeschrieben wird, die keine Proteine kodiert, hat unser Verständnis der Genregulation grundlegend verändert. Nichtkodierende RNAs (ncRNAs) stellen eine vielfältige und häufig vorkommende Klasse regulatorischer Moleküle dar, die die Genexpression auf mehreren Ebenen steuern, von der Chromatin-Remodellierung und -Transkription bis hin zur mRNA-Stabilität und -Translation. Ihre Fehlregulation trägt zu einem breiten Spektrum von Krankheiten bei, darunter Krebs, neurologische Störungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
MicroRNAs
MicroRNAs (miRNAs) sind kleine ncRNAs mit etwa 22 Nukleotiden, die die Genexpression posttranskriptionell regulieren, indem sie an komplementäre Sequenzen in den drei untranslatierten Regionen (UTRs) der Ziel-Messenger-RNAs binden. miRNA-Gene werden von der RNA-Polymerase II als primäre miRNAs (pri-miRNAs) transkribiert, die Haarnadelstrukturen enthalten, die im Kern durch den Mikroprozessorkomplex (Drosha und DGCR8) gespalten werden, um Vorläufer-miRNAs (prä-miRNAs) mit etwa 70 Nukleotiden freizusetzen. Prä-miRNAs werden von Exportin-5 in das Zytoplasma exportiert und von Dicer, einer RNase III-Endonuklease, weiterverarbeitet, um reife miRNA-Duplexe zu erzeugen. Ein Strang des Duplex wird in den RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC) geladen, wo er Argonaute (AGO)-Proteine durch teilweise Sequenzkomplementarität, hauptsächlich innerhalb der Samenregion (Nukleotide 2–8), zu Ziel-mRNAs führt. Die miRNA-Bindung unterdrückt typischerweise die Translation und fördert die Deadenylierung und den Abbau der mRNA. Eine einzelne miRNA kann Hunderte von Ziel-mRNAs regulieren, und es wurden über 2.600 reife menschliche miRNAs identifiziert, die zusammen etwa 60 % der proteinkodierenden Gene regulieren. miRNAs sind an praktisch allen biologischen Prozessen beteiligt, einschließlich Zellproliferation, Differenzierung, Apoptose und Immunantworten, und die Profilierung der miRNA-Expression hat diagnostischen und prognostischen Wert bei Krebs.
Lange nichtkodierende RNAs
Lange nichtkodierende RNAs (lncRNAs) sind als Transkripte definiert, die länger als 200 Nukleotide sind und denen das Potenzial zur Proteinkodierung fehlt, obwohl einige kleine offene Leserahmen enthalten oder funktionelle Mikropeptide produzieren. Das menschliche Genom enthält etwa 20.000 lncRNA-Gene, von denen viele zelltypspezifisch und entwicklungsreguliert exprimiert werden. LncRNAs regulieren die Genexpression über verschiedene Mechanismen. Im Zellkern vermittelt Xist (X-inaktives spezifisches Transkript) die Inaktivierung des X-Chromosoms bei Frauen, indem es das zukünftige inaktive HOTAIR, eine lncRNA aus dem HOXC-Locus, rekrutiert PRC2 an bestimmte genomische Stellen, um HOXD-Gene in trans zum Schweigen zu bringen. LncRNAs können auch als molekulare Gerüste fungieren und mehrere Proteine zu Ribonukleoproteinkomplexen zusammenbringen. als Lockvögel, sequestrierende Transkriptionsfaktoren oder miRNAs; und als Enhancer-assoziierte RNAs (eRNAs), die das Enhancer-Promotor-Looping und die Transkriptionsaktivierung fördern. MALAT1 (metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1) ist eine stark exprimierte nukleare lncRNA, die das alternative Spleißen durch Modulation der Serin/Arginin-reichen Spleißfaktor-Phosphorylierung reguliert und mit Metastasierung bei mehreren Krebsarten assoziiert ist.
Zirkuläre RNAs
Zirkuläre RNAs (circRNAs) sind eine Klasse kovalent geschlossener RNA-Moleküle, die durch Rückspleißen erzeugt werden, wobei sich eine stromabwärts gelegene 5-Spleißstelle mit einer stromaufwärts liegenden 3-Spleißstelle verbindet und so ein zirkuläres Transkript ohne freie Enden erzeugt. CircRNAs sind resistent gegen exonukleolytischen Abbau und im Vergleich zu linearen RNAs äußerst stabil. Die meisten circRNAs werden in geringen Mengen exprimiert, einige reichern sich jedoch in großer Menge an, insbesondere im Gehirn, und ihre Expression bleibt häufig speziesübergreifend erhalten. Die am besten charakterisierte Funktion von circRNAs ist die als miRNA-Schwämme: Indem sie mehrere Bindungsstellen für spezifische miRNAs enthalten, binden circRNAs miRNAs und verhindern, dass sie ihre Ziel-mRNAs unterdrücken. CDR1as (Cerebellar Degeneration-Related Protein 1 Antisense), auch ciRS-7 genannt, enthält über 60 konservierte Bindungsstellen für miR-7 und ist für die normale Gehirnentwicklung bei Zebrafischen und Mäusen unerlässlich. CircRNAs können auch die Transkription regulieren, indem sie mit der RNA-Polymerase II interagieren, das Spleißen modulieren, indem sie mit dem linearen Spleißen konkurrieren, und einige können translatiert werden, um Proteine oder Peptide auf cap-unabhängige Weise zu produzieren. Eine CircRNA-Dysregulation ist mit Krebs, neurologischen Störungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Alterung verbunden.
Piwi-interagierende RNAs
Piwi-interagierende RNAs (piRNAs) sind kleine ncRNAs mit 24–31 Nukleotiden, die hauptsächlich in Keimzellen exprimiert werden und bei der Transposon-Stummschaltung und der Genomintegrität eine Rolle spielen. piRNAs assoziieren mit PIWI-Proteinen, einer Unterklasse der Argonaut-Proteine, und leiten sie durch Basenpaarung zu komplementären Transposon-Transkripten, was zur Stilllegung der Transkription durch DNA-Methylierung und Histonmodifikationen oder zur posttranskriptionellen Spaltung führt. Der piRNA-Weg ist für die Aufrechterhaltung der Integrität des Keimbahngenoms durch die Unterdrückung der Transposonaktivität von wesentlicher Bedeutung, und seine Störung führt in Tiermodellen zu Sterilität und Keimzelltumoren. piRNAs werden aus langen einzelsträngigen RNA-Vorläufern erzeugt, die von piRNA-Clustern transkribiert, von der Endonuklease Zucchini verarbeitet und in PIWI-Proteine geladen werden. Bei der Maus wirken drei PIWI-Proteine (MIWI, MILI, MIWI2) in verschiedenen Stadien der Spermatogenese. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass piRNAs und PIWI-Proteine auch in somatischen Geweben, einschließlich Krebszellen, funktionieren könnten, wo ihre Expression mit einer schlechten Prognose bei mehreren Krebsarten korreliert.
Kleine interferierende RNAs
Small Interfering RNAs (siRNAs) sind doppelsträngige RNAs mit 20–25 Nukleotiden, die RNA-Interferenz (RNAi) vermitteln, einen konservierten Gen-Silencing-Mechanismus, der durch exogene doppelsträngige RNA, wie virale RNA oder experimentell eingeführte Konstrukte, ausgelöst wird. Synthetische siRNAs werden häufig als Forschungsinstrumente zur Unterdrückung der Genexpression eingesetzt und werden als Therapeutika entwickelt. Im RNAi-Weg wird lange doppelsträngige RNA von Dicer in siRNAs gespalten, die in RISC geladen werden. Im Gegensatz zu miRNAs weisen siRNAs typischerweise eine perfekte Komplementarität zu ihrem Ziel auf, was zu einer Argonaut-vermittelten endonukleolytischen Spaltung der Ziel-mRNA führt. Endogene siRNAs, die aus Transposons, repetitiven Elementen oder konvergenter Transkription hergestellt werden, regulieren in einigen Organismen die Transposon-Stummschaltung und können bei Pflanzen und Wirbellosen bei der antiviralen Abwehr wirken.
NcRNAs in Krankheiten und Therapeutika
Die Fehlregulation von ncRNAs wird mit vielen Erkrankungen des Menschen in Verbindung gebracht. Bei Krebs können miRNAs als Onkogene (oncomiRs, wie z. B. miR-21, miR-155) oder Tumorsuppressoren (wie die let-7-Familie, miR-34) fungieren, und miRNA-Expressionssignaturen werden zur Tumorklassifizierung und -prognose verwendet. LncRNAs einschließlich PCA3 werden als diagnostische Biomarker verwendet, wobei PCA3 im Urin zur Erkennung von Prostatakrebs gemessen wird. Therapeutische Strategien, die auf ncRNAs abzielen, befinden sich in der aktiven Entwicklung. Antisense-Oligonukleotide (ASOs), die auf lncRNAs oder pri-miRNAs abzielen, können deren Funktion hemmen, während miRNA-Mimetika die Tumorsuppressor-miRNA-Expression wiederherstellen. Das erste RNAi-basierte Therapeutikum, Patisiran (eine siRNA, die auf Transthyretin abzielt), wurde 2018 für die Behandlung der hereditären Transthyretin-vermittelten Amyloidose zugelassen. Mehrere auf miRNA abzielende Therapien, darunter Miravirsen (ein Anti-miR-122 gegen Hepatitis C), haben klinische Studien durchlaufen. CRISPR-basierte Ansätze werden untersucht, um ncRNA-Gene zu bearbeiten oder ihre Expression zu modulieren, und manipulierte circRNAs erweisen sich als vielversprechende Vektoren für die anhaltende Expression therapeutischer Proteine.
