stringtranslate.com

Внеклеточная РНК

Внеклеточная РНК ( внРНК ) описывает виды РНК , присутствующие вне клеток, в которых они были транскрибированы. Переносимые внутри внеклеточных везикул , липопротеинов и белковых комплексов, внРНК защищены от вездесущих ферментов, разрушающих РНК . внРНК могут быть обнаружены в окружающей среде или, в многоклеточных организмах, в тканях или биологических жидкостях, таких как венозная кровь, слюна, грудное молоко, моча, сперма, менструальная кровь и вагинальная жидкость. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Хотя их биологическая функция до конца не изучена, было высказано предположение, что внРНК играют роль в различных биологических процессах, включая синтрофию , межклеточную коммуникацию и регуляцию клеток. [7] [8] В 2012 году Национальный институт здравоохранения США (NIH) опубликовал набор запросов на заявки (RFA) для исследования биологии внеклеточной РНК. [9] Финансируемая Общим фондом NIH , полученная программа была коллективно известна как Консорциум внеклеточной РНК-связи (ERCC). ERCC был продлен на вторую фазу в 2019 году. [10] [11]

Фон

Карикатурное изображение сред, в которых были обнаружены внеклеточные РНК.

Известно, что как прокариотические, так и эукариотические клетки высвобождают РНК, и это высвобождение может быть пассивным или активным. Механизм эндосомального сортировочного комплекса, необходимого для транспорта (ESCRT), ранее рассматривался как возможный механизм секреции РНК из клетки, но более поздние исследования, изучающие секрецию микроРНК в эмбриональных клетках почек человека и клетках почек Cercopithecus aethiops, идентифицировали нейтральную сфингомиелиназу 2 (nSMase2), фермент, участвующий в биосинтезе церамида, как регулятор уровней секреции микроРНК. [7] [8] ExRNAs часто обнаруживаются упакованными в везикулы, такие как экзосомы , эктосомы, простасомы , микровезикулы и апоптотические тельца. [12] [13] [14] [15] Хотя РНК могут выводиться из клетки без обертывающего контейнера, рибонуклеазы, присутствующие во внеклеточной среде, в конечном итоге разрушат молекулу.

Типы

Внеклеточную РНК не следует рассматривать как категорию, описывающую набор РНК с определенной биологической функцией или принадлежащую к определенному семейству РНК. Подобно термину « некодирующая РНК », «внеклеточная РНК» определяет группу из нескольких типов РНК , функции которых разнообразны, но которые, тем не менее, имеют общий атрибут, которым в случае exRNA является существование во внеклеточной среде. Следующие типы РНК были обнаружены вне клетки:

Хотя рибосомальная РНК ( рРНК ) распространена внутри клетки, она, по-видимому, не является распространенной exRNA. Попытки Валади и др. охарактеризовать экзосомальную РНК с использованием технологии Agilent Bioanalyzer показали мало или отсутствие следов 18S и 28S рРНК в экзосомах, секретируемых тучными клетками мышей MC/9, [16] и аналогичные выводы были сделаны Скогом и др. для рРНК в микровезикулах глиобастомы. [17]

Функция

Чтобы функционировать или даже выживать как полноразмерная РНК во внеклеточной среде, exRNA должна быть защищена от переваривания РНКазами. Это требование не применяется к прокариотической синтрофии, где переваренные нуклеотиды перерабатываются. [7] exRNA может быть защищена от РНКаз РНК-связывающими белками (RBP), как таковыми, так и внутри/в сочетании с липопротеиновыми частицами и внеклеточными везикулами . В частности, считается, что внеклеточные везикулы являются способом транспортировки РНК между клетками в процессе, который может быть общим или высокоспецифичным, например, из-за включения маркеров родительской клетки, которые могут распознаваться рецепторами на клетке-реципиенте. Биохимические данные подтверждают идею о том, что поглощение exRNA является обычным процессом, что предполагает новые пути межклеточной коммуникации. В результате присутствие, отсутствие и относительное обилие определенных exRNA может коррелировать с изменениями в клеточной сигнализации и может указывать на определенные болезненные состояния. [18]

Несмотря на ограниченное понимание биологии exRNA, текущие исследования показали, что роль exRNA многогранна. [18] [19] [20] [21] [22] Внеклеточные miRNA способны нацеливаться на мРНК в клетке-реципиенте через пути РНК-интерференции . [8] [23] Эксперименты in vitro показали, что перенос специфических exRNA в клетки-реципиенты подавляет экспрессию белка и предотвращает рост раковых клеток. [24] Помимо того, что мРНК регулируются exRNA, мРНК могут действовать как exRNA для переноса генетической информации между клетками. Было показано, что матричная РНК, содержащаяся в микровезикулах, секретируемых глиобластомными клетками, генерирует функциональный белок в клетках-реципиентах (микрососудистый эндотелий человеческого мозга) in vitro . В другом исследовании внеклеточных мРНК мРНК, транспортируемые микровезикулами из эндотелиальных клеток-предшественников (EPC) в микрососудистые и макрососудистые эндотелиальные клетки человека, запускали ангиогенез как в условиях in vitro , так и in vivo . [12] [25] В работе Хантера и соавторов использовалось программное обеспечение Ingenuity Pathway Analysis (IPA), которое связывало exRNA, обнаруженные в микровезикулах крови человека, с путями, участвующими в дифференциации клеток крови, метаболизме и иммунной функции. [26] Эти экспериментальные и биоинформатические анализы подтверждают гипотезу о том, что exRNA играют роль во многих биологических процессах.

Обнаружение

Было разработано или адаптировано несколько методов для обнаружения, характеристики и количественной оценки exRNA из биологических образцов. ОТ-ПЦР , микрочипы cDNA и секвенирование РНК являются распространенными методами анализа РНК. Применение этих методов для изучения exRNA в основном отличается от экспериментов с клеточной РНК на этапах выделения и/или экстракции РНК.

ОТ-ПЦР

Для известных нуклеотидных последовательностей exRNA ОТ-ПЦР может быть применена для обнаружения их присутствия в образце, а также для количественной оценки их распространенности. Это делается посредством первой обратной транскрипции последовательности РНК в кДНК. Затем кДНК служит шаблоном для амплификации ПЦР. Основными преимуществами использования ОТ-ПЦР являются ее количественная точность в динамическом диапазоне и повышенная чувствительность по сравнению с такими методами, как анализы защиты от РНКазы и гибридизация дот-блоттинга. Недостатком ОТ-ПЦР является необходимость дорогостоящих расходных материалов, а также необходимость надежного экспериментального дизайна и глубокого понимания методов нормализации для получения точных результатов и выводов. [27]

Микрофлюидика

Микрофлюидные платформы, такие как Agilent Bioanalyzer, полезны для оценки качества образцов exRNA. С Agilent Bioanalyzer, технология «лаборатория на чипе» , которая использует образец изолированной РНК, измеряет длину и количество РНК в образце, а результаты эксперимента могут быть представлены в виде цифрового электрофорезного гелевого изображения или электрофореграммы . Поскольку с помощью этой технологии можно обнаружить широкий спектр РНК, это эффективный метод для более общего определения того, какие типы РНК присутствуют в образцах exRNA, с помощью характеристики размера. [ необходима цитата ]

микрочипы кДНК

Микрочипы позволяют проводить более масштабную характеристику и количественную оценку exRNA. Микрочипы, используемые для исследований РНК, сначала генерируют различные олигонуклеотиды cDNA (зонды), которые прикрепляются к чипу микрочипа. Затем образец РНК можно добавить к чипу, и РНК с последовательностью, комплементарной зонду cDNA, свяжутся и сгенерируют флуоресцентный сигнал, который можно количественно оценить. Микрочипы РНК использовались в исследованиях exRNA для генерации профилей miRNA жидкостей организма. [18] [28]

секвенирование РНК

Появление массового параллельного секвенирования (секвенирования следующего поколения) привело к изменениям в секвенировании ДНК, что позволило проводить высокопроизводительный анализ многих геномных свойств. Среди этих методов, полученных из секвенирования ДНК, — секвенирование РНК. Главным преимуществом секвенирования РНК перед другими методами обнаружения и количественной оценки exRNA является его высокая производительность. В отличие от микрочипов, секвенирование РНК не ограничено такими факторами, как генерация олигонуклеотидов и количество зондов, которые можно добавить на чип. Непрямое секвенирование РНК образцов exRNA включает в себя создание библиотеки кДНК из exRNA с последующей амплификацией ПЦР и секвенированием. В 2009 году компания Helicos Biosciences опубликовала метод прямого секвенирования молекул РНК, названный Direct RNA sequencing (DRS™). [29] Независимо от платформы секвенирования РНК, на различных этапах эксперимента существуют присущие ему смещения, но были предложены методы исправления этих смещений с многообещающими результатами. [30] [31]

Клиническое значение

Поскольку все больше данных подтверждают функцию exRNAs как межклеточных коммуникаторов, исследовательские усилия направлены на изучение возможности использования exRNAs в диагностике, прогнозировании и терапии заболеваний. [1] [32]

Биомаркеры

Потенциал внеклеточных РНК в качестве биомаркеров значителен не только из-за их роли в межклеточной сигнализации, но и из-за разработок в области секвенирования следующего поколения, которые обеспечивают высокопроизводительное профилирование. [33] [34] Простейшей формой биомаркера exRNA является наличие (или отсутствие) определенной внеклеточной РНК. Эти биологические сигнатуры были обнаружены в исследованиях exRNA рака, диабета, артрита и заболеваний, связанных с прионами. [1] [18] [35] Недавно биоинформатический анализ внеклеточных везикул, извлеченных из Trypanosoma cruzi , в котором SNP были извлечены из транскриптомных данных, [36] предположил, что exRNA могут быть биомаркерами забытых заболеваний, таких как болезнь Шагаса .

Рак

Главной областью исследований, представляющей интерес для exRNA, была ее роль в раке. В таблице ниже (адаптированной из Kosaka et al. [23] ) перечислены несколько типов рака, в которых, как было показано, exRNA связаны:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Chen X, Ba Y, Ma L, Cai X, Yin Y, Wang K, Guo J, Zhang Y, Chen J, Guo X, Li Q, Li X, Wang W, Zhang Y, Wang J, Jiang X, Xiang Y, Xu C, Zheng P, Zhang J, Li R, Zhang H, Shang X, Gong T, Ning G, Wang J, Zen K, Zhang J, Zhang CY (октябрь 2008 г.). «Характеристика микроРНК в сыворотке: новый класс биомаркеров для диагностики рака и других заболеваний». Cell Research . 18 (10): 997–1006. doi : 10.1038/cr.2008.282 . PMID  18766170.
  2. ^ Michael, A; Bajracharya, SD; Yuen, PS; Zhou, H; Star, RA; Illei, GG; Alevizos, I (январь 2010 г.). «Экзосомы из человеческой слюны как источник биомаркеров микроРНК». Oral Diseases . 16 (1): 34–8. doi :10.1111/j.1601-0825.2009.01604.x. PMC 2844919 . PMID  19627513. 
  3. ^ Kosaka, N; Izumi, H; Sekine, K; Ochiya, T (1 марта 2010 г.). "микроРНК как новый иммунорегуляторный агент в грудном молоке". Silence . 1 (1): 7. doi : 10.1186/1758-907X-1-7 . PMC 2847997 . PMID  20226005. 
  4. ^ Menke, TB; Warnecke, JM (июнь 2004 г.). «Улучшенные условия для выделения и количественной оценки РНК в образцах мочи». Annals of the New York Academy of Sciences . 1022 (1): 185–9. Bibcode : 2004NYASA1022..185M. doi : 10.1196/annals.1318.028. PMID  15251958. S2CID  25965962.
  5. ^ Зубаков Д., Боерсма А. В., Чой И., ван Куйк П. Ф., Вимер Е. А., Кайзер М. (май 2010 г.). «Маркеры микроРНК для судебно-медицинской идентификации биологических жидкостей, полученные с помощью скрининга с использованием микрочипов и количественного подтверждения методом ОТ-ПЦР». Международный журнал юридической медицины . 124 (3): 217–26. doi :10.1007/s00414-009-0402-3. PMC 2855015. PMID  20145944. 
  6. ^ Hanson, EK; Lubenow, H; Ballantyne, J (15 апреля 2009 г.). «Идентификация судебно-медицинских жидкостей организма с использованием панели дифференциально экспрессируемых микроРНК». Аналитическая биохимия . 387 (2): 303–14. doi :10.1016/j.ab.2009.01.037. PMID  19454234.
  7. ^ abc Demain, AL; Burg, RW; Hendlin, D (март 1965). «Выделение и деградация рибонуклеиновой кислоты Bacillus Subtilis». Журнал бактериологии . 89 (3): 640–6. doi :10.1128/JB.89.3.640-646.1965. PMC 277514. PMID  14273638 . 
  8. ^ abc Iguchi, H; Kosaka, N; Ochiya, T (сентябрь 2010 г.). «Секреторные микроРНК как универсальный инструмент коммуникации». Communicative & Integrative Biology . 3 (5): 478–81. doi :10.4161/cib.3.5.12693. PMC 2974086 . PMID  21057646. 
  9. ^ NIH, США. "NIH Common Fund RFA for exRNA Communication" . Получено 7 ноября 2012 г. .
  10. ^ NIH, USA. "ERCC2 Projects". Архивировано из оригинала 22 мая 2021 г. Получено 26 сентября 2019 г.
  11. ^ Такер, Аянна (19 августа 2019 г.). «Исследования клеточных «пакетов» получают $900 тыс. федерального финансирования». Newsroom . Johns Hopkins Medicine . Получено 26 сентября 2019 г. .
  12. ^ ab Deregibus MC, Cantaluppi V, Calogero R, Lo Iacono M, Tetta C, Biancone L, Bruno S, Bussolati B, Camussi G (1 октября 2007 г.). «Микровезикулы, полученные из эндотелиальных клеток-предшественников, активируют ангиогенную программу в эндотелиальных клетках путем горизонтального переноса мРНК». Blood . 110 (7): 2440–8. doi : 10.1182/blood-2007-03-078709 . PMID  17536014.
  13. ^ Wolfers, J; Lozier, A; Raposo, G; Regnault, A; Théry, C ; Masurier, C; Flament, C; Pouzieux, S; Faure, F; Tursz, T; Angevin, E; Amigorena, S; Zitvogel, L (март 2001 г.). «Экзосомы, полученные из опухолей, являются источником общих антигенов отторжения опухолей для перекрестного примирования CTL». Nature Medicine . 7 (3): 297–303. doi :10.1038/85438. PMID  11231627. S2CID  24091247.
  14. ^ Babiker, AA; Nilsson, B; Ronquist, G; Carlsson, L; Ekdahl, KN (1 февраля 2005 г.). «Передача функционального простасомального CD59 из клеток метастатического рака простаты защищает клетки от атаки комплемента». The Prostate . 62 (2): 105–14. doi :10.1002/pros.20102. PMID  15389819. S2CID  21127892.
  15. ^ Holmgren, L; Szeles, A; Rajnavölgyi, E; Folkman, J; Klein, G; Ernberg, I; Falk, KI (1 июня 1999 г.). «Горизонтальный перенос ДНК путем поглощения апоптотических телец». Blood . 93 (11): 3956–63. doi :10.1182/blood.V93.11.3956. PMID  10339505.
  16. ^ Валади, Х.; Экстрём, К.; Боссиос, А.; Сьёстранд, М.; Ли, Дж. Дж.; Лётвалл, Дж. О. (июнь 2007 г.). «Передача мРНК и микроРНК, опосредованная экзосомами, — новый механизм генетического обмена между клетками». Nature Cell Biology . 9 (6): 654–9. doi :10.1038/ncb1596. PMID  17486113. S2CID  8599814.
  17. ^ Noerholm, M; Balaj, L; Limperg, T; Salehi, A; Zhu, LD; Hochberg, FH; Breakefield, XO; Carter, BS; Skog, J (17 января 2012 г.). "Картины экспрессии РНК в сывороточных микровезикулах у пациентов с мультиформной глиобластомой и контрольной группой". BMC Cancer . 12 : 22. doi : 10.1186/1471-2407-12-22 . PMC 3329625 . PMID  22251860. 
  18. ^ abcd Беллингхэм, SA; Коулман, BM; Хилл, AF (ноябрь 2012 г.). «Глубокое секвенирование малых РНК выявляет отчетливую сигнатуру miRNA, высвобождаемую в экзосомах из нейрональных клеток, инфицированных прионами». Nucleic Acids Research . 40 (21): 10937–49. doi :10.1093/nar/gks832. PMC 3505968. PMID  22965126. 
  19. ^ Игучи, Х.; Косака, Н.; Очия, Т. (июнь 2010 г.). «Универсальные применения микроРНК в разработке противораковых препаратов: от терапевтических средств до биомаркеров». Current Drug Discovery Technologies . 7 (2): 95–105. doi :10.2174/157016310793180648. PMID  20836759.
  20. ^ Беллингхэм, SA; Го, BB; Коулман, BM; Хилл, AF (2012). «Экзосомы: транспортные средства для передачи токсичных белков, связанных с нейродегенеративными заболеваниями?». Frontiers in Physiology . 3 : 124. doi : 10.3389/fphys.2012.00124 . PMC 3342525. PMID  22563321 . 
  21. ^ Coleman, BM; Hanssen, E; Lawson, VA; Hill, AF (октябрь 2012 г.). «Клетки, инфицированные прионами, регулируют высвобождение экзосом с различными ультраструктурными особенностями». FASEB Journal . 26 (10): 4160–73. doi : 10.1096/fj.11-202077 . PMID  22767229. S2CID  364768.
  22. ^ Hessvik, NP; Phuyal, S; Brech, A; Sandvig, K; Llorente, A (ноябрь 2012 г.). «Профилирование микроРНК в экзосомах, высвобождаемых из клеток рака простаты PC-3». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1819 (11–12): 1154–63. doi :10.1016/j.bbagrm.2012.08.016. PMID  22982408.
  23. ^ ab Kosaka, N; Iguchi, H; Ochiya, T (октябрь 2010 г.). «Циркулирующая микроРНК в жидкости организма: новый потенциальный биомаркер для диагностики и прогнозирования рака». Cancer Science . 101 (10): 2087–92. doi : 10.1111/j.1349-7006.2010.01650.x . PMC 11159200 . PMID  20624164. 
  24. ^ Kosaka, N; Iguchi, H; Yoshioka, Y; Takeshita, F; Matsuki, Y; Ochiya, T (4 июня 2010 г.). «Секретные механизмы и межклеточный перенос микроРНК в живых клетках». Журнал биологической химии . 285 (23): 17442–52. doi : 10.1074/jbc.M110.107821 . PMC 2878508. PMID  20353945. 
  25. ^ Skog J, Würdinger T, van Rijn S, Meijer DH, Gainche L, Sena-Esteves M, Curry WT, Carter BS, Krichevsky AM, Breakefield XO (декабрь 2008 г.). «Микровезикулы глиобластомы транспортируют РНК и белки, способствующие росту опухоли и предоставляющие диагностические биомаркеры». Nature Cell Biology . 10 (12): 1470–6. doi :10.1038/ncb1800. PMC 3423894 . PMID  19011622. 
  26. ^ Хантер, MP; Исмаил, N; Чжан, X; Агуда, BD; Ли, EJ; Ю, L; Сяо, T; Шефер, J; Ли, ML; Шмиттген, TD; Нана-Синкам, SP; Джарджура, D; Марш, CB (2008). "Обнаружение экспрессии микроРНК в микровезикулах периферической крови человека". PLOS ONE . 3 (11): e3694. Bibcode : 2008PLoSO...3.3694H. doi : 10.1371/journal.pone.0003694 . PMC 2577891. PMID  19002258 . 
  27. ^ Вонг, ML; Медрано, JF (июль 2005 г.). «ПЦР в реальном времени для количественного определения мРНК». BioTechniques . 39 (1): 75–85. doi : 10.2144/05391rv01 . PMID  16060372.
  28. ^ Турчинович, А; Вайц, Л; Лангхайнц, А; Бурвинкель, Б (1 сентября 2011 г.). «Характеристика внеклеточной циркулирующей микроРНК». Nucleic Acids Research . 39 (16): 7223–33. doi :10.1093/nar/gkr254. PMC 3167594. PMID  21609964 . 
  29. ^ Ozsolak, F; Platt, AR; Jones, DR; Reifenberger, JG; Sass, LE; McInerney, P; Thompson, JF; Bowers, J; Jarosz, M; Milos, PM (8 октября 2009 г.). "Прямое секвенирование РНК". Nature . 461 (7265): 814–8. Bibcode :2009Natur.461..814O. doi :10.1038/nature08390. PMID  19776739. S2CID  4426760.
  30. ^ Диллис М.А., Рау А., Обер Дж., Эннеке-Антье С., Жанмуген М., Слуга Н., Кейме С., Маро Г., Кастель Д., Эстель Дж., Гернек Г., Ягла Б., Жуно Л., Лалоэ Д., Ле Галл С., Шеффер Б, Ле Кром С, Гедж М, Жафрезик Ф (17 сентября 2012 г.). «Комплексная оценка методов нормализации для анализа данных высокопроизводительного секвенирования РНК Illumina». Брифинги по биоинформатике . 14 (6): 671–683. дои : 10.1093/нагрудник/bbs046 . ПМИД  22988256.
  31. ^ Ван, З.; Герштейн, М.; Снайдер, М. (январь 2009 г.). «РНК-Seq: революционный инструмент для транскриптомики». Nature Reviews Genetics . 10 (1): 57–63. doi :10.1038/nrg2484. PMC 2949280. PMID  19015660 . 
  32. ^ Thind A, Wilson C (2016). «Экзосомальные микроРНК как биомаркеры рака и терапевтические мишени». J Extracell Vesicles . 5 : 31292. doi : 10.3402/jev.v5.31292. PMC 4954869. PMID  27440105 . 
  33. ^ Cloonan, N; Xu, Q; Faulkner, GJ; Taylor, DF; Tang, DT; Kolle, G; Grimmond, SM (1 октября 2009 г.). «RNA-MATE: стратегия рекурсивного картирования для высокопроизводительных данных РНК-секвенирования». Bioinformatics . 25 (19): 2615–6. doi :10.1093/bioinformatics/btp459. PMC 2752615 . PMID  19648138. 
  34. ^ Majewski, J; Pastinen, T (февраль 2011). «Изучение вариаций eQTL с помощью РНК-секвенирования: от SNP к фенотипам». Trends in Genetics . 27 (2): 72–9. doi :10.1016/j.tig.2010.10.006. PMID  21122937.
  35. ^ Мурата, К; Ёситоми, Х; Танида, С; Ишикава, М; Нишитани, К; Ито, Х; Накамура, Т (2010). «МикроРНК плазмы и синовиальной жидкости как потенциальные биомаркеры ревматоидного артрита и остеоартрита». Arthritis Research & Therapy . 12 (3): R86. doi : 10.1186/ar3013 . PMC 2911870. PMID  20470394 . 
  36. ^ Гаур, Паллави; Чатурведи, Ануп (24.11.2016). «Изучение однонуклеотидных полиморфизмов во внеклеточном везикулярном транскриптоме Trypanosoma cruzi: шаг к ранней диагностике забытой болезни Шагаса». PeerJ . 4:e2693: e2693. doi : 10.7717/peerj.2693 . PMC 5126619 . PMID  27904804. 

Внешние ссылки