Pequeños ARN de interferencia

El ARN de interferencia pequeño o ARN de interferencia corto (en inglés  , siRNA, small interfering RNA ) es una clase de ARN de doble cadena , de 20 a 25 nucleótidos de longitud . La interacción de pequeños ARN de interferencia con el ARN mensajero (ARNm) del gen objetivo conduce a la degradación de este último (en el proceso de interferencia de ARN ), lo que impide la traducción del ARNm de los ribosomas en la proteína que codifica . En última instancia, el efecto de los pequeños ARN de interferencia es idéntico al de la simple reducción de la expresión génica .

En la célula , el ARN de interferencia es una parte importante de los mecanismos de defensa antivirales y del mantenimiento de la estructura de la cromatina . Los mecanismos moleculares de estas interacciones están siendo investigados actualmente, en particular, se ha propuesto la hipótesis de la participación de pequeños ARN en la metilación del ADN dependiente de ARN [1] .

Historia

Los pequeños ARN de interferencia fueron descubiertos en 1999 por el grupo de David Bolcomb en el Reino Unido como un componente del sistema de silenciamiento génico postranscripcional en las plantas. El grupo publicó sus hallazgos en la revista Science [2] .

En 2001, el grupo de Thomas Tuschl demostró que los ARN de interferencia pequeños sintéticos pueden inducir interferencia de ARN en células de mamíferos. Los resultados correspondientes se publicaron en la revista Nature [3] . Este descubrimiento condujo a un creciente interés en el uso de la interferencia de ARN para la investigación biomédica y el desarrollo de fármacos.

Estructura

Los ARN de interferencia pequeños son ARN de doble cadena cortos (típicamente de 21 nucleótidos de largo) con dos salientes no apareados en los extremos 3'.

Cada una de las dos cadenas de ARN tiene un grupo fosfato en el extremo 5' y un grupo hidroxilo en el extremo 3'. Los ARN de interferencia cortos con esta estructura se forman como resultado de la actividad de la enzima Dicer , cuyos sustratos son ARN largos de doble cadena o ARN cortos que contienen horquillas [4] . Los pequeños ARN de interferencia se pueden introducir artificialmente en las células para eliminar un gen en particular. En este caso, la expresión de casi cualquier gen con una secuencia de nucleótidos conocida se puede cambiar a propósito. Esta propiedad hace que los ARN de interferencia cortos sean una herramienta conveniente para estudiar las funciones de los genes y estudiar los objetivos de los fármacos.

Inducción de interferencia de ARN

La supresión dirigida de la expresión génica mediante la transfección de ARN de interferencia exógeno en células está asociada con ciertas dificultades, ya que la eliminación de genes en este caso es temporal, especialmente en células que se dividen rápidamente. Una forma de superar estas dificultades es introducir en la célula un vector que asegure la expresión del ARN de interferencia pequeño correspondiente durante un período de tiempo más largo [5] . Dicho vector normalmente contiene un promotor U6 o H1 que permite la transcripción por la ARN polimerasa III , que transcribe pequeños ARN nucleares . Al promotor le sigue una secuencia corta de nucleótidos que codifican el ARN de interferencia pequeño (19-29 nucleótidos) y una secuencia complementaria a este, que están separados por 4-11 nucleótidos, que forman un bucle en la estructura secundaria del ARN de interferencia pequeño. En general, la transcripción correspondiente se parece a una horquilla como resultado del emparejamiento complementario de secuencias al principio y al final. Se plantea la hipótesis (aunque no se ha establecido de forma fiable) de que la enzima Dicer convierte dichas horquillas en ARN de interferencia cortos .

Activación de genes dependientes de ARN

El ARN de doble cadena puede aumentar la expresión génica mediante un mecanismo denominado activación génica dependiente de ARN ( ARNa  , activación génica inducida por ARN pequeño ). Se ha demostrado que los ARN de doble cadena complementarios a los promotores de los genes diana provocan la activación de los genes correspondientes. Se ha demostrado la activación dependiente de ARN tras la administración de ARN sintéticos de doble cadena en células humanas. No se sabe si existe un sistema similar en las células de otros organismos. [6]

Exclusión de efectos no específicos

Dado que la interferencia de ARN intersecta con muchas otras cadenas de reacciones, la introducción experimental de pequeños ARN de interferencia puede generar efectos no específicos. La aparición de ARN de doble cadena en células de mamíferos puede ser consecuencia de la infección por un virus y, por lo tanto, conduce al desencadenamiento de una respuesta inmunitaria. Además, dado que los microARN estructuralmente similares alteran la expresión génica al no coincidir con el ARNm objetivo, la introducción de pequeños ARN de interferencia puede causar un efecto secundario indeseable.

Inmunidad innata

La introducción de una cantidad significativa de pequeños ARN de interferencia puede causar efectos secundarios debido al hecho de que se activa la respuesta inmunitaria innata. Esto probablemente se deba a la activación de la proteína quinasa R, que es sensible a los pequeños ARN de interferencia, posiblemente también a la participación del gen RIG I ( gen I inducible por ácido retinoico ) .  También se ha descrito la inducción de citoquinas a través del receptor TLR 7 ( toll-like receptor 7 ) . Un método prometedor para reducir los efectos secundarios es convertir pequeños ARN de interferencia en miARN. Los microARN normalmente se sintetizan; por lo tanto, una concentración relativamente baja de pequeños ARN de interferencia formados puede conducir a un efecto de eliminación de genes comparable en fuerza. Esto debería minimizar los efectos secundarios.  

Efectos secundarios

El fracaso del objetivo es otra dificultad en el uso de pequeños ARN de interferencia como herramienta para lograr la eliminación de genes. Los genes con complementariedad incompleta son bloqueados por pequeños ARN de interferencia (es decir, de hecho, los pequeños ARN de interferencia actúan como miARN), lo que genera dificultades para interpretar los resultados de los experimentos y conlleva el riesgo de toxicidad. Sin embargo, esto se puede evitar mediante el diseño de controles apropiados y el diseño de algoritmos para la construcción de pequeños ARN de interferencia que den como resultado dichos ARN que no fallan en el objetivo. Luego, la expresión génica se puede analizar en todo el genoma, por ejemplo, utilizando la tecnología de micromatrices , para verificar fallas en el objetivo y ajustar aún más los algoritmos .  Un artículo de 2006 del laboratorio de la Dra. Khvorova examina fragmentos de 6 o 7 pares de bases que comienzan en la posición 2 en pequeños ARN de interferencia correspondientes a la región 3'UTR en genes donde falla el objetivo [7] .

Posibles aplicaciones en terapia y obstáculos para ello

Con la capacidad de desactivar esencialmente cualquier gen a voluntad, la interferencia de ARN basada en pequeños ARN de interferencia ha generado un enorme interés en la biología fundamental [8] y aplicada. El número de ensayos basados ​​en ARNi de amplio alcance para identificar genes importantes en vías bioquímicas crece constantemente. Dado que el desarrollo de enfermedades también está determinado por la actividad de los genes, se espera que, en algunos casos, desactivar un gen con un pequeño ARN de interferencia pueda tener un efecto terapéutico.

Sin embargo, la aplicación de ARN de interferencia basada en pequeños ARN de interferencia a animales, y en particular a humanos, enfrenta muchas dificultades. Los experimentos han demostrado que la eficacia de los pequeños ARN de interferencia es diferente para diferentes tipos de células: algunas células responden fácilmente a la acción de los pequeños ARN de interferencia y muestran una disminución en la expresión génica, mientras que en otras esto no se observa, a pesar de la transfección eficiente . Las razones de este fenómeno aún son poco conocidas.

Los resultados de la primera fase de ensayos de los dos primeros fármacos terapéuticos de ARN de interferencia (destinados al tratamiento de la degeneración macular ), publicados a finales de 2005, muestran que los fármacos basados ​​en pequeños ARN de interferencia son fácilmente tolerados por los pacientes y tienen propiedades farmacocinéticas aceptables. [9] .

Los ensayos clínicos preliminares de pequeños ARN de interferencia dirigidos al virus del Ébola indican que pueden ser efectivos para la profilaxis posterior a la exposición de la enfermedad. Este fármaco permitió la supervivencia de todo el grupo de primates experimentales que recibieron una dosis letal del virus del Ébola del Zaire [10] .

En 2021, el Instituto de Inmunología de la Agencia Federal Médica y Biológica de Rusia patentó el fármaco combinado MIR-19 basado en ARN de interferencia pequeño destinado a usarse en COVID-19 [11] .

Véase también

• miARN

Notas

1. ↑ Galitsky V. A. Hipótesis sobre el mecanismo de iniciación de la metilación del ADN de novo y exclusión alélica por pequeños ARN  (ruso)  // Tsitol. - 2008. - T. 50 (4) . - S. 277-286 .
2. ↑ Hamilton A., Baulcombe D. Una especie de ARN antisentido pequeño en el silenciamiento génico postranscripcional en plantas  //  Science: journal. - 1999. - vol. 286 , núm. 5441 . - Pág. 950-952 . -doi : 10.1126 / ciencia.286.5441.950 . —PMID 10542148 .
3. ↑ Elbashir S., Harborth J., Lendeckel W., Yalcin A., Weber K., Tuschl T. Los dúplex de ARN de 21 nucleótidos median la interferencia de ARN en células de mamífero cultivadas  //  Nature: journal. - 2001. - vol. 411 , núm. 6836 . - P. 494-498 . -doi : 10.1038/ 35078107 . — PMID 11373684 .
4. ↑ Bernstein E., Caudy A., Hammond S., Hannon G. Rol de una ribonucleasa bidentada en el paso de iniciación de la interferencia de ARN  //  Nature: revista. - 2001. - vol. 409 , núm. 6818 . - Pág. 363-366 . -doi : 10.1038/ 35053110 . —PMID 11201747 .
5. ↑ Miyagishi M., Taira K. Desarrollo y aplicación del vector de expresión de siRNA  // Suplemento de investigación de ácidos  nucleicos : diario. - 2002. - vol. 2 . - pág. 113-114 . — PMID 12903131 .
6. ↑ Li LC Activación génica mediada por ARN pequeño // ARN y la regulación de la expresión génica: una capa oculta de  complejidad . – Prensa Académica Caister, 2008.
7. ↑ Birmingham A., Anderson E., Reynolds A., Ilsley-Tyree D., Leake D., Fedorov Y., Baskerville S., Maksimova E., Robinson K., Karpilow J., Marshall W., Khvorova A. Las coincidencias de semillas de 3 'UTR, pero no la identidad general, están asociadas con objetivos fuera de RNAi  // Nat Methods  : journal  . - 2006. - vol. 3 , núm. 3 . - pág. 199-204 . -doi : 10.1038/ nmeth854 . — PMID 16489337 .
8. ↑ Alekseev OM, Richardson RT, Alekseev O., O'Rand MG Análisis de perfiles de expresión génica en células HeLa en respuesta a la sobreexpresión o agotamiento de NASP mediado por ARNip  //  Biología reproductiva y endocrinología: revista. - 2009. - Vol. 7 . — Pág. 45 . -doi : 10.1186/ 1477-7827-7-45 . —PMID 19439102 .
9. ↑ Tansey B. El tratamiento de la degeneración macular interfiere con los mensajes de ARN , San Francisco Chronicle (11 de agosto de 2006). Archivado desde el original el 6 de marzo de 2009. Consultado el 13 de julio de 2022.
10. ↑ Protección posterior a la exposición de primates no humanos contra un desafío letal del virus del Ébola con interferencia de ARN: un estudio de prueba de concepto Prof Thomas W Geisbert PhD, Amy CH Lee MSc, Marjorie Robbins PhD, Joan B Geisbert, Anna N Honko PhD, Vandana DOI: 10.1016/S0140-6736(10)60357-1
11. ↑ FMBA patentó un aerosol nasal para COVID-19 Copia de archivo fechada el 24 de junio de 2021 en Wayback Machine // Artículo fechado el 11 de abril de 2021 " RBC ". M. Kotlyar, A. Batmanova.

Literatura

• Shen, W., Wang, Q., Shen, Y., Gao, X., Li, L., Yan, Y., ... y Cheng, Y. (2018). La catequina del té verde promueve dramáticamente el ARNi mediado por polímeros de bajo peso molecular . Ciencia central de la ACS, 4(10), 1326-1333. PMC 6202644 doi : 10.1021/acentosci.8b00363
• Charbe, NB, Amnerkar, ND, Ramesh, B., Tambuwala, MM, Bakshi, HA, Aljabali, AA, ... y Zacconi, FC (2020). Pequeño ARN de interferencia para el tratamiento del cáncer: superación de obstáculos en la entrega. Acta Pharmaceutica Sínica B. PMC 7714980 doi : 10.1016/j.apsb.2020.10.005
• Zhang, M. y Huang, Y. (2022). Modificación y entrega de siRNA para el desarrollo de fármacos . Tendencias en Medicina Molecular. doi : 10.1016/j.molmed.2022.08.003

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