ARN antisentido

Los ARN antisentido son ARN monocatenarios que son complementarios al ARNm transcrito en la célula o al gen diana .  Los mecanismos de acción de los RNA antisentido son muy diversos, pueden tanto suprimir como activar la expresión del gen diana. Los ARN antisentido naturales se encuentran tanto en procariotas como en eucariotas [1] ; se refieren a ARN largos no codificantes como ARN de más de 200 nucleótidos [2] . Los ARN antisentido sintéticos han encontrado un uso generalizado entre los investigadores como una herramienta para la eliminación de genes . Los ARN antisentido también encuentran aplicaciones médicas [3] [1] [2] .

Historia del estudio

Los primeros ARN antisentido se descubrieron mientras se estudiaban proteínas funcionales . Por ejemplo, al estudiar la porina de la membrana externa de Escherichia coli , se demostró que algunos promotores de este gen pueden suprimir la expresión de otras porinas de la membrana , como la ompF. Resultó que una región de 300 nucleótidos de largo ubicada aguas arriba del promotor ompC está realmente involucrada en la supresión. Es un 70 % homólogo a la secuencia de la parte 5'-terminal del ARNm de ompF , y el transcrito que se lee (micF) puede unirse a él debido a la interacción complementaria. Resultó que en condiciones de estrés se expresa micF, que forma un dúplex con el ARNm de ompF, provocando su degradación [4] .

A diferencia de micF, que se descubrió por casualidad, la mayoría de los ARN antisentido se descubrieron durante una búsqueda específica en todo el genoma de pequeños ARN reguladores y análisis de transcriptomas . Sin embargo, la mayoría de los algoritmos de análisis consideran solo las regiones intergénicas, y los ARN antisentido leídos de la hebra de ADN opuesta a la plantilla (hebra codificante) en la región de la región codificante siguen sin tenerse en cuenta. Pueden usarse matrices de oligonucleótidos para detectar dichos ARN antisentido . Con el fin de minimizar el número de resultados falsos positivos, recientemente se han desarrollado activamente métodos para estudiar la transcripción específica de una de las cadenas de ARN no codificante que interactúa con la cromatina y el ARN de células individuales [1] .

La idea de utilizar ARN antisentido en medicina se propuso por primera vez en 1978, cuando Zamecnik y Stephenson obtuvieron oligonucleótidos antisentido complementarios al ARN del virus del sarcoma de Rous . Resultó que suprimieron la replicación viral y la síntesis de proteínas virales. Desde entonces, se han dedicado enormes esfuerzos al desarrollo de aplicaciones médicas del ARN antisentido. El primer fármaco de este tipo, fomivirsen, fue aprobado por la FDA en 1998. Estaba destinado al tratamiento de la retinitis por citomegalovirus en pacientes con SIDA . Sin embargo, en 2004 el fármaco se suspendió debido a la pérdida del mercado [5] .

Distribución y funciones

Los primeros ARN antisentido se encontraron en células bacterianas . Fueron codificados por plásmidos , los genomas de las propias bacterias y los bacteriófagos . Por ejemplo, un ARN antisentido conocido como ARN I se lee del plásmido ColE1 y juega un papel importante en la determinación del número de copias de los plásmidos y controla su replicación. Además, se requiere otro ARN antisentido (ARN II) para la replicación del plásmido ColE1. Se hibrida con el ADN y actúa como cebador para la replicación y luego es degradado por la RNasa H . Si el ARN II no se hibridiza con el ADN de ColE1, el número de copias de este plásmido disminuye. En el bacteriófago P22 , el ARN sar antisentido regula la transición del ciclo lisogénico al lítico controlando la expresión de la proteína Ant [6] . También se han encontrado ARN antisentido en plantas . El ARN antisentido vegetal más estudiado se lee del gen FLC . En Arabidopsis thaliana , este gen corresponde a un factor de transcripción que suprime la expresión de una serie de genes que estimulan la floración . En condiciones de frío, se expresa el ARN antisentido de este gen, conocido como COOLAIR. Reprime la expresión de FLC modificando la cromatina, lo que induce la floración [7] . En células de mamífero , un ejemplo típico de la acción de los ARN antisentido es la inactivación del cromosoma X. El RNA antisentido Xist atrae el complejo represor polycomb 2 ( PRC2 ) a uno de los cromosomas X , lo que provoca su heterocromatinización [8] .

Clasificación

Los ARN antisentido se pueden clasificar de diferentes maneras. Algunos autores los subdividen en ARN antisentido que interactúan con ARN, con ADN y con proteínas [8] . También se pueden clasificar según el tipo de promotor del que parte su expresión: promotores independientes, promotores bidireccionales o promotores crípticos. La longitud también puede ser un factor de clasificación para los ARN antisentido. Si bien la mayoría de los ARN antisentido tienen más de 200 nucleótidos de longitud y, por lo tanto, son ARN no codificantes largos, algunos son sustancialmente más cortos. Debido a que la mayoría de los mecanismos de acción de los ARN antisentido son específicos de especie , también se pueden clasificar por especies. Sin embargo, la clasificación más común de los ARN antisentido se basa en cómo la transcripción de estos ARN se correlaciona con sus genes diana [1] .

Los ARN antisentido reguladores cis - se transcriben en el mismo locus que el ARNm diana, pero desde la hebra de ADN opuesta. Por esta razón, a menudo son casi completamente complementarios al gen diana. Si la acción de los ARN antisentido reguladores cis - está asociada con el ARNm, entonces solo un ARNm puede ser el objetivo de un ARN antisentido. La acción de dichos ARN antisentido sobre el ARNm se expresa bloqueando el acceso del ribosoma al ARNm o atrayendo a la RNasa , que destruye el ARNm [4] . Entrelos RNA antisentido reguladores en cis , también hay silenciadores y activadores epigenéticos . Pueden causar cambios epigenéticos en el locus desde el que se transcriben. Pueden atraer proteínas modificadoras de la cromatina al locus objetivo, lo que puede afectar la expresión no solo del gen objetivo, sino también de los genes vecinos [8] .

Los ARN antisentido transreguladores se transcriben a partir de loci distantes de los genes diana. A diferencia de los ARN reguladores cis , son débilmente complementarios al gen diana, pero pueden ser más largos quelos ARN reguladores cis . También pueden apuntar a múltiples loci. Debido a la complementariedad incompleta, los complejos deARN antisentido trans -reguladores con transcritos diana no son muy estables y, a menudo, se requieren chaperonas de ARN para el funcionamiento de dichos ARN . Debido a la complejidad de su acción, los ARN transreguladores casi nunca se consideran como posibles dianas farmacológicas [4] .

Mecanismos

Muchos ARN antisentido suprimen la transcripción de genes diana a través de mecanismos epigenéticos. Por ejemplo, pueden causar la metilación del ADN , que a menudo se asocia con enfermedades. Así, en la alfa talasemia , la expresión del gen de la hemoglobina α1 ( HBA1 ) es suprimida por el transcriptoma anormal del gen LUC71. Actúa como un ARN antisentido e induce la metilación del promotor HBA1. En la leucemia linfoblástica aguda y la leucemia mieloide aguda , el gen supresor de tumores p15INK4b está silenciado. Es causado por el ARN antisentido ANRIL que se lee desde el mismo locus que p15INK4b [8] . Los ARN antisentido también pueden provocar la metilación de las histonas , lo que puede conducir tanto a la represión como a la activación de los genes [9] . Por ejemplo, ANRIL no solo desencadena la metilación del ADN, sino que también reprime los genes vecinos CDKN2B y CDKN2A , reclutando para ellos PRC2, lo que introduce una marca epigenética represiva (H3K27me). Otro ejemplo es la inactivación del cromosoma X en mamíferos por ARN antisentido Xist [1] . Los cambios en la cromatina causados ​​por los ARN antisentido también pueden ser transreguladores . Por ejemplo, en los mamíferos, el ARN antisentido HOTAIR se lee del gen homeobox C (HOXC), pero recluta PRC2 para HOXD. HOTAIR se expresa activamente en células primarias de cáncer de mama [1] .

Los ARN antisentido pueden participar en la regulación de la expresión génica no solo en la etapa de inicio de la transcripción, sino también en su elongación y terminación. Por ejemplo, la transcripción bidireccional a veces ocurre en procariotas y eucariotas, cuando dos ARN polimerasas leen el mismo gen de cadenas opuestas. Eventualmente chocan, lo que lleva a la terminación prematura de la transcripción. Incluso si las polimerasas se mueven lentamente y es poco probable que colisionen, pueden detenerse, interrumpiendo prematuramente el alargamiento de la transcripción, lo que también conduce al silenciamiento del gen. Mediante este mecanismo, el gen IME4 es reprimido por el ARN antisentido de RME2. Los ARN antisentido también pueden interrumpir el empalme . Por ejemplo, la traducción del ARNm de ZEB2 requiere un IRES ubicado en uno de los intrones . Cuando se expresa el ARN antisentido de este gen, enmascara el sitio de corte y empalme, lo que evita que el IRES se elimine de la transcripción, lo que permite una traducción eficiente. Por último, el nivel de expresión de ARN antisentido puede influir en qué isoformas del transcrito sentido se sintetizarán [1] .

Los ARN antisentido pueden actuar postranscripcionalmente, es decir, afectar directamente la traducción del ARNm diana. Pueden bloquear el acceso de los ribosomas al ARNm o atraer al ARNm la RNasa H. A veces, sin embargo, los ARN antisentido tienen un efecto positivo en la traducción [1] .

Importancia médica

Como elementos reguladores que actúan de manera muy específica, los ARN antisentido pueden ser dianas farmacológicas prometedoras. Además, se necesitan muy pocas moléculas de ARN antisentido para lograr el efecto deseado , lo que las convierte en objetivos aún más convenientes. La idea de un aumento específico en la expresión de un gen objetivo debido a la supresión del ARN antisentido correspondiente se está desarrollando activamente. Debido al diseño de las drogas , es mucho más fácil crear un inhibidor que un activador. Sin embargo, en algunos casos es necesario aumentar la expresión de un gen diana, por ejemplo, un gen supresor de tumores. Esto se puede lograr suprimiendo el ARN antisentido correspondiente. Además, en los casos en los que se requiere la supresión del gen diana, el propio ARN antisentido puede actuar como agente terapéutico. Sin embargo, los ARN introducidos en la célula serán destruidos rápidamente por las ARNasas, por lo que es necesario protegerlos de la degradación. En la mayoría de los casos, esto se logra mediante modificaciones químicas, como la adición de fosforotioato . Sin embargo, la modificación con fosforotioato puede provocar inflamación . Además, los ARN antisentido pueden tener efectos secundarios muy graves. A pesar de la especificidad de los RNA antisentido endógenos, solo el 10-50% de los oligonucleótidos sintéticos actúan sobre el gen diana. Esto probablemente se deba al hecho de que la estructura espacial nativa de los ARN antisentido juega un papel importante en el reconocimiento de objetivos y la protección contra las ARNasas. La sustitución de un solo nucleótido puede cambiar en gran medida la estructura de la molécula y afectar su interacción con el objetivo. Finalmente, los ARN antisentido artificiales penetran muy mal en las células. Las neuronas y las células gliales absorben con éxito los oligonucleótidos desnudos, pero la entrega de ARN antisentido a otros tipos de células requiere el desarrollo de transportadores especiales, como vesículas lipídicas o virus especiales [2] .

El fármaco de ARN antisentido utilizado actualmente es mipomersen , aprobado por la FDA en 2013. Fue desarrollado para regular el nivel de colesterol que contiene lipoproteínas de baja densidad en la sangre de pacientes que padecen hipercolesterolemia familiar homocigótica [ , una rara enfermedad genética autosómica dominante [10] .

Para obtener más detalles, consulte la literatura hasta el artículo Terapia de ARN ).

Notas

1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Pelechano V. , Steinmetz LM Regulación génica por transcripción antisentido.  (Inglés)  // Nature Reviews. genética. - 2013. - Diciembre ( vol. 14 , no. 12 ). - Pág. 880-893 . doi : 10.1038 / nrg3594 . — PMID 24217315 .
2. ↑ 1 2 3 Wahlestedt C. Apuntando al ARN largo no codificante para regular positivamente la expresión génica terapéuticamente.  (Inglés)  // Nature Reviews. descubrimiento de medicamento. - 2013. - junio ( vol. 12 , no. 6 ). - P. 433-446 . -doi : 10.1038/ nrd4018 . — PMID 23722346 .
3. ↑ Weiss B. , Davidkova G. , Zhou LW Terapia génica de ARN antisentido para estudiar y modular procesos biológicos.  (Inglés)  // Ciencias de la vida celular y molecular: CMLS. - 1999. - Marzo ( vol. 55 , no. 3 ). - P. 334-358 . -doi : 10.1007 / s000180050296 . —PMID 10228554 .
4. ↑ 1 2 3 Saberi F. , Kamali M. , Najafi A. , Yazdanparast A. , Moghaddam MM ARN antisentido naturales como elementos reguladores de ARNm en bacterias: una revisión de la función y las aplicaciones.  (Inglés)  // Cartas de biología celular y molecular. - 2016. - Vol. 21 . - Pág. 6-6 . -doi : 10.1186 / s11658-016-0007-z . — PMID 28536609 .
5. ↑ Kole R. , Krainer AR , Altman S. Terapia de ARN: más allá de la interferencia de ARN y los oligonucleótidos antisentido.  (Inglés)  // Nature Reviews. descubrimiento de medicamento. - 2012. - 20 de enero ( vol. 11 , no. 2 ). - P. 125-140 . -doi : 10.1038/ nrd3625 . —PMID 22262036 .
6. ↑ Simons RW Control de ARN antisentido natural: una breve revisión.  (Inglés)  // Gen. - 1988. - 10 de diciembre ( vol. 72 , no. 1-2 ). - Pág. 35-44 . —PMID 2468573 .
7. ↑ Ietswaart R. , Wu Z. , Dean C. Control del tiempo de floración: otra ventana a la conexión entre el ARN antisentido y la cromatina.  (Inglés)  // Tendencias en Genética : TIG. - 2012. - Septiembre ( vol. 28 , no. 9 ). - Pág. 445-453 . -doi : 10.1016 / j.tig.2012.06.002 . —PMID 22785023 .
8. ↑ 1 2 3 4 Magistri M. , Faghihi MA , St Laurent G 3rd. , Wahlestedt C. Regulación de la estructura de la cromatina por ARN largos no codificantes: enfoque en las transcripciones antisentido naturales.  (Inglés)  // Tendencias en Genética : TIG. - 2012. - Agosto ( vol. 28 , no. 8 ). - P. 389-396 . -doi : 10.1016 / j.tig.2012.03.013 . — PMID 22541732 .
9. ↑ Whetstine, Johnathan R. Metilación de histonas // Manual de  señalización celular . - Segundo. - Pág. 2389-2397. — ISBN 978-0-12-374148-6 . -doi : 10.1016/ b978-0-12-374145-5.00287-4 .
10. ↑ Wong E. , Goldberg T. Mipomersen (kynamro): un nuevo inhibidor de oligonucleótidos antisentido para el tratamiento de la hipercolesterolemia familiar homocigótica.  (inglés)  // P & T: una revista revisada por pares para la gestión de formularios. - 2014. - febrero ( vol. 39 , no. 2 ). - pág. 119-122 . —PMID 24669178 .