MicroRNA

Haarnadelstruktur einer pri-microRNA.

microRNA (micros = griech. klein), abgekürzt miRNA oder miR, sind kurze, hoch konservierte, nicht kodierende RNA-Moleküle, die eine wichtige Rolle in dem komplexen Netzwerk der Genregulation, insbesondere beim Gen-Silencing (Stilllegen von Genen) spielen. MicroRNAs regulieren die Genexpression hochspezifisch auf post-transkriptionalem Level.^[1] microRNAs weisen im Allgemeinen eine Größe von 21-23 Nukleotiden (nt) auf.

Mechanismus der Genregulation

Die Genregulation erfolgt bei Tieren durch Bindung der microRNAs an die 3’ untranslatierte Region (3’-UTR) der mRNA von Zielgenen, welche je nach Komplementärität der Bindesequenz und der beteiligten Proteine entweder an der Translation gehemmt, oder durch Zerschneiden abgebaut werden.^[2] Partielle Komplementärität führt zur Translationshemmung, während perfekte Basenpaarung zur Degradation der Ziel-mRNA führt.

Geschichte

microRNAs wurden 1993 erstmals beschrieben^[3], der Name microRNA wurde jedoch erst 2001 geprägt^[4][5]. In dem Nematoden Caenorhabditis elegans codierte das Gen lin-4 überraschenderweise nicht für ein Protein, sondern für 2 kleine RNA-Moleküle mit einer Länge von ~60 und ~20nt. Das längere Molekül stellt nach heutigem Kenntnisstand die pre-microRNA dar. Bei dem Molekül mit ~20 Nukleotiden handelt es sich um die reife microRNA. Die kleinere RNA lin-4 reguliert das Gen lin-14, indem es sich durch Basenpaarung komplementär an die 3’-UTR der lin-14-mRNA bindet und die Translation der mRNA vermindert. Mit der Entdeckung einer weiteren miRNA (let-7) konnte gezeigt werden, dass es sich vermutlich nicht um ein seltenes Phänomen bei C. elegans handelt. Let-7 reguliert das Gen lin-41.^[6] Da es sich bei let-7 und lin-41 um evolutionär konservierte Gene handelte, wurde deutlich, dass der Mechanismus der microRNA-Regulation auch auf andere multizelluläre Organismen angewendet werden könnte.^[7] In den letzten Jahren sind die Erkenntnisse über microRNAs stetig gewachsen. Eine bekannte Datenbank miRBase zeigt einen Zuwachs von über 4000 Sequenzen in den letzten 2 Jahren. Auch verzeichnet die Datenbank Pubmed einen starken Anstieg der Veröffentlichungen zum Thema microRNAs.Die biologischen Funktionen der meisten microRNAs sind noch unbekannt. Nach computerbasierten Vorhersagen könnten etwa 20-30% der Gene im menschlichen Genom durch microRNAs reguliert sein.^[8][9] Es kann angenommen werden, dass mehrere hundert bis wenige tausend unterschiedliche microRNAs kodiert werden.^[10]

Biogenese

Die Transkription und Wirkung ist am Beispiel der Säugetiere beschrieben. Mit Abweichungen, z.B. bei den beteiligten Proteinkomponenten ist der Wirk-Mechanismus in den verschiedenen Spezies vergleichbar. Die Gene für die miRNAs befinden sich im Genom, sie werden von einer RNA-Polymerase II oder III transkribiert. Das entstandene Primärtranskript hat eine Länge von 500 bis 3000 Nukleotiden und trägt den üblichen Poly-A-Schwanz am 3'-Ende sowie ein 7-Methylguanosin-Cap am 5'-Ende. Das Primärtranskript heißt pri-miRNA und lagert sich zu einer Schleife zusammen. Die RNase III (Drosha) und das dsRNA-Bindeprotein DGCR8 (entspricht Pasha bei Drosophila) formen einen Mikroprozessor-Komplex, durch den im Kern einer Zelle die pri-miRNA zu einer ~70-80 Nukleotid großen precursor microRNA (pre-miRNA) prozessiert wird. Die pre-miRNA formt dabei eine charakteristische Haarnadelstruktur (hairpin).Die pre-miRNA wird durch Exportin-5 in Anwesenheit von Ran-GTP als Kofaktor über die Kernporen der Kernmembran aktiv in das Cytoplasma exportiert. Im Zytoplasma werden die pre-miRNAs durch das RNAse III Enzym Dicer in 17–24 nt lange ds-miRNAs geschnitten. Dicer interagiert mit dem ds-RNA-Bindeprotein TRBP (RDE-4 in C. elegans und Loquacious in Drosophila), wodurch die miRNA-Duplex entwunden und einzelsträngig wird. Dabei wird an dem Ende mit der geringeren thermodynamischen Stabilität begonnen. Abhängig davon bildet der miRNA-Strang mit dem 5’ Terminus an seinem Ende die reife miRNA, die auch guide RNA genannt wird. Der Gegenstrang wird in Annotation mit einem Stern markiert. Diese miRNA* kann möglicherweise in wenigen Fällen auch regulatorisch wirken. Die reife miRNA wird in einen Ribonukleoproteinkomplex aufgenommen (miRNP), der eine große Ähnlichkeit zum RISC-Komplex des RNAi-Pathways aufweist. Durch diesen miRISC Komplex kann die Aktivität der Zielgene durch zwei Methoden herunterreguliert werden.^[11] Dies ist abhängig vom Grad der Komplementarität zwischen der microRNA und der mRNA des Ziel-Gens, sowie von RNA-Bindeproteinen der Argonaut-Familie. Bei teilweiser Übereinstimmung der Bindesequenz wird die Translation durch Bindung gehemmt. Bei hoher Komplementarität wird die Ziel-mRNA zerschnitten (Wienholds und Plasterk 2005). Die Wirkmechanismen der microRNAs und der sogenannten small interfering RNAs (siRNAs) weisen deutliche Parallelen auf. siRNAs werden von der RNase III Dicer aus langen doppelsträngigen RNAs (dsRNAs) prozessiert und als 21-28nt lange einzelsträngige RNAs in den siRISC-Komplex aufgenommen. Dieser Komplex vermittelt die mRNA-Degradation.^[12] Einen Durchbruch in der Wissenschaft stellt die Entdeckung dar, dass auch künstlich induzierte doppelsträngige RNA in C. elegans zu einem effizienten und spezifischen Gen-Knockdown führt. Dieser Mechanismus wird als RNA Interferenz (RNAi) bezeichnet. Für die Entdeckung des Mechanismus der RNA-Interferenz erhielten die beiden US-Wissenschaftler Andrew Z. Fire und Craig C. Mello im Jahr 2006 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.^[13]

Expession

MicroRNAs haben sehr unterschiedliche Expressionsmuster und werden in der Entwicklung und in physiologischen Prozessen unterschiedlich reguliert.^[14] Die Expression ist meist gewebespezifisch zusammen mit nahegelegen Genen organisiert. MicroRNAs können innerhalb von Exons oder Introns Protein kodierender Gene, oder in nicht-kodierenden Regionen lokalisiert sein. Manche microRNAs besitzen eigene Promotoren. Wenige microRNAs liegen in einem Cluster vor und werden gemeinsam transkribiert.

Aktuelle Forschung

Die Untersuchung der microRNA ist ein neues und sehr aktuelles Thema in der Molekular- und Zellbiologie. In den vergangenen Jahren wurde festgestellt, dass die miRNAs als bedeutende Regulatoren der Genübersetzung (Translation) nach der Genüberschreibung (Transkription) fungieren ^[15]. Dies geschieht über die spezifische Anhaftung an bestimmte Boten-RNS-Moleküle (engl. messenger RNA oder mRNA), deren Übersetzung in Proteine somit erschwert, völlig verhindert oder auch erleichtert wird ^[16], ^[17].

In Säugetierzellen konnten bislang über 800 unterschiedliche miRNAs nachgewiesen werden. Der Vergleich von Wirbellosen- und Wirbeltierzellen zeigt, dass die Struktur einiger dieser Moleküle hochgradig konserviert ist, was auf eine wichtige gemeinsame evolutionäre Funktion in sehr unterschiedlichen Spezies schließen lässt ^[18].

Experimentelle und informatische Studien legen den Schluss nahe, dass jede miRNA einige Boten-RNA-Moleküle regulieren kann, und dass 20–30 % aller menschlichen Gene von miRNAs mitgesteuert werden ^[19],^[20].

Die Art und Anzahl im Zellkern hergestellter miRNA-Moleküle zeigt oft eine enge Korrelation mit dem Entwicklungsstand der Zelle (Zellteilung, Differenzierung in bestimmte Zelltypen, Apoptose [programmierter Zelltod bei Genfehlern]). So belegen aktuelle Studien die kritische Funktion von miRNAs bei frühen Entwicklungsprozessen, zum Beispiel Neurogenese ^[21], Myogenese (Muskelbildung) ^[22], Kardiogenese (Herzbildung,^[23]) und Hämatopoese (Blutbildung)^[24].

Weiterhin wurde vorgeschlagen, dass miRNAs sehr wichtig für die Unterdrückung von zellulären Transformationen wie Tumorbildung sind, da eine fehlerhafte Bildung von miRNA-Molekülen in Zellen diese unerwünschten Prozesse verstärkt ^[25].

Neure Forschungen zeigen, dass bestimmte miRNAs für die Aufrechterhaltung der Pluripotenz („Alles-Können“) und der Selbsterneuerung von embryonalen Stammzellen wichtig sind. microRNAs könnten daher in Zukunft nützliche molekularbiologische Werkzeuge für die Manipulation von Stammzellen darstellen ^[26].

1. ↑ He, L. und G. J. Hannon: MicroRNAs: small RNAs with a big role in gene regulation. Nat Rev Genet 2004;5(7):522-31 PMID: 15211354
2. ↑ Wienholds, E. und R. H. Plasterk: MicroRNA function in animal development. FEBS Lett 2005;579(26):5911-22 PMID: 16111679
3. ↑ Lee et al.: The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 1993;75(5):843-54 PMID 8252621
4. ↑ Ruvkun: Molecular biology. Glimpses of a tiny RNA world. Science. 2001;294(5543):797-9. PMID 11679654
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7. ↑ Wienholds, E. und R. H. Plasterk: MicroRNA function in animal development. FEBS Lett 2005;579(26):5911-22 PMID: 16111679
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10. ↑ Wienholds, E. und R. H. Plasterk: MicroRNA function in animal development. FEBS Lett 2005;579(26):5911-22 PMID: 16111679
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Einzelnachweise

Siehe auch

• Kleine RNA
• Antisense-RNA
• RNA-Interferenz

Weblinks

• microRNA-Datenbank
• bio.com: Role Of MicroRNA Identified In Breast Cancer (engl.)