bélyegkép|400px|Pre-miRNS a Pri-miRNS helyett a mechanizmus első pontjában. A mikro-RNS hatása mRNS-re bélyegkép|400px|miRNS-hurkok, az érett miRNS-ek pirossal A mikro-RNS (miRNS) kis, egyszálú nemkódoló RNS 21–23 nukleotiddal. Növényekben, állatokban, amőbákban és egyes vírusokban találhatók, és az RNS-csendesítésben és a poszttranszlációs génexpresszió-szabályzásban fontosak. A miRNS-ek a megfelelő mRNS-ek komplementer szakaszaihoz kötnek, majd ezeket az alábbi folyamatok egyikével csendesítik: felbontás két részre, destabilizáció a poli(A)-farok rövidítésével vagy fehérjékké való transzláció csökkentése. Állati sejtekben a miRNS-ek elsősorban az mRNS destabilizációjával hatnak.
A miRNS-ek a kis interferáló RNS-ekhez (siRNS) hasonlítanak az RNS-interferencia (RNSi) útjában, azonban a miRNS-ek önmagukra visszahajló rövid hajtűket alkotó RNS-transzkriptum-részekből származnak, míg a siRNS-ek hosszabb kétszálú RNS-részekből. A humán genom több mint 1900 miRNS-t kódolhat, de csak mintegy 500 humán miRNS jelent bona fide miRNS-t a kézzel kezelt MirGeneDB miRNS-gén-adatbázisban.
Számos emlőssejttípusban sok miRNS található: ezek a humán és más emlősgének mintegy 60%-át célozzák. Sok miRNS evolúciósan állandósult, vagyis fontos biológiai funkcióik lehetnek. Például 90 miRNS-család legalább az emlősök és a halak közös őséig visszamenőleg állandósult, és ezeknek fontos funkcióik vannak, melyeket ezek egy vagy több tagjának eltávolításával végzett egérkísérletek mutattak ki.
Történet Az első miRNS-t 1993-ban fedezték fel. Azonban csak 2000-ben ismerték el önálló biológiaiszabályzó-osztályként. a miRNS-kutatás számos eltérő miRNS-csoportot mutatott ki eltérő sejttípusokban és szövetekben, valamint számos szerepet a miRNS-eknek a növényi és állati fejlődésben és sok más biológiai folyamatban. A nem megfelelő miRNS-expresszió számos betegségben megjelenik. Vizsgálnak miRNS-alapú terápiákat.
Az első miRNS-t 1993-ban fedezte fel Victor Ambros, Lee és Feinbaum. Azonban további vizsgálatához Gary Ruvkun, Wightman és Ha munkája kellett. E csoportok egymás után közöltek tanulmányokat a lin-4 génről, mely a Caenorhabditis elegans-lárva fejlődését irányítja a lin-14 gén repressziójával. Miután Lee et al. izolálták a lin-4 miRNS-t, észrevették, hogy nem fehérjekódoló mRNS-t kódol, hanem rövid nem kódoló RNS-t, melyek egyike a lin-14-mRNS 3'-transzlálatlanrégiójának több szakaszával részben komplementer. Feltételezésük szerint a lin-4 a lin-14 mRNS LIN-14 fehérjévé való transzlációját gátolta, és úgy gondolták, hogy a lin-4 csak gyűrűsférgekre jellemző.
2000-ben fedezték fel a második kis RNS-t, a let-7-RNS-t, mely a lin-41-et represszálja a C. elegans későbbi fejlődési átmenetéhez. Ezt sok fajban állandósultnak találták, ahhoz a feltételezéshez vezetve, hogy a let-7-RNS és más „kis temporális RNS-ek” számos állat – beleértve az embert – fejlődésének időzítését szabályozhatják.
2001-ben a lin-4 és let-7 RNS-ekről kiderítették, hogy egy, a C. elegans, a Drosophila és az ember sejtjeiben jelenlévő nagy kis-RNS-osztály tagja. Ennek sok RNS-e hasonlított a lin-4 és let-7-RNS-ekre, eltekintve a fejlődésidőzítés szabályzásának nem megfelelő expressziós mintával. Ez alapján feltételezték, hogy a legtöbb más szabályzó utakban vesz részt. Ekkor kezdték el a kis szabályzó RNS-eket mikro-RNS-nek nevezni.
Az első miRNS-deregulációval összefüggő humán betegség a B-sejtes krónikus limfocitás leukémia volt. E betegségben a miRNS-ek egyszerre működnek tumorszupresszorként és onkogénként.
Nevezéktan A szabványos nevezéktanban a kísérletileg igazolt miRNS-ek nevüket közlés előtt kapják. A „miR” prefixumot kötőjel, majd szám követi, ez utóbbi gyakran a megnevezés sorrenjét jelenti. Például a miR-124 korábban kapta nevét, és korábban fedezték fel a miR-456-nál. A nagybetűs „miR-” érett miRNS-t jelent, a nagybetű nélküli „mir-” pre- és pri-miRNS-t. A miRNS-kódoló gének ugyane 3 betűs prefixumot kapják génnevezéktanuknak megfelelően – példák miRNS-gén-nevekre a mir-1 C. elegans és Drosophila esetén, Mir1 Rattus norvegicus esetén és MIR25 emberben.
Az egy-két nukleotid kivételével teljesen eltérő szekvenciák további kisbetűt kapnak. Például a miR-124a a miR-124b közeli rokona. Például: : 5’-aacauucaACgcugucggugAgu-3’ : 5’-aacauucaUUgcugucggugGgu-3’ A pre-, pri-miRNS-ek és az azonos érett miRNS-hez vezető különböző helyű gének további kötőjelet és számot kapnak. Például a hsa-mir-194-1 és hsa-mir-194-2 azonos érett miRNS-t (hsa-miR-194) hoz létre, de eltérő genombeli helyről származnak.
A faj hárombetűs prefixummal van jelölve – például a hsa-miR-124 humán, az oar-miR-123 bárány-miRNS. További prefixumok például a vírusokat jelölő v vagy a Drosophilát jelölő d.
Ha két érett miRNS azonos pre-miRNS ellentétes karjairól származik és nagyjából ugyanannyi van belőlük, -3p vagy -5p utótagot kapnak (korábban s (szenz) vagy as (antiszenz) utótaggal is jelölték). Azonban a hajtű egyik karjáról származó miRNS általában sokkal nagyobb mennyiségben van jelen, mint a másikról származó, ez esetben a nevet követő csillag a kisebb mennyiségben a másik karról keletkező miRNS-t jelenti. Például a miR-124 és a miR-124* azonos pre-miRNS hajtűvel rendelkeznek, de sokkal több a miR-124.
Célpontok A növényi miRNS-ek közel tökéletesen párosodnak mRNS célpontjaikkal, a génrepressziót a célpont bontásával elérve. Ezzel szemben az állati miRNS-ek cél-mRNS-üket csupán 6–8 nukleotiddal (magrégió) ismerik fel a kezdetükön, ami kevés a cél-mRNS-bontás elindításához. A kombinációszabályzás fontos az állatok miRNS-szabályzásában. Egy adott miRNS több száz mRNS-célponttal rendelkezhet, és egy célpontot több miRNS szabályozhatja.
Adott miRNS által célzott egyedi mRNS-ek átlagos száma becsléstől függően eltér, de több megközelítés szerint az emlős-miRNS-ek számos egyedi célponttal rendelkezhetnek. Például a gerincesekben állandósult miRNS-eknek átlagosan mintegy 400 állandó célpontjuk van. Ugyanígy kísérletek szerint egy miRNS több száz egyedi mRNS stabilitását csökkentheti. Más kísérletek szerint egy miRNS több száz fehérje termelését represszálhatja, de gyakran ez enyhe – kevesebb mint 2-szeres.
Szintézis bélyegkép|400px A miRNS-gének akár 40%-a más gének intronjaiban vagy akár exonjaiban lehet. Ezek gyakran szenz elrendezésben vannak, így szabályzásuk a gazdagénekével együtt történik.
A DNS-templáttal nem ér véget a miRNS-érés: a humán miRNS-ek 6%-a helyspecifikus RNS-szerkesztést mutat (izomiR) a DNS által kódolttól eltérő termékek létrehozásához. Ez a genom által kódolthoz képest növeli a miRNS-hatás diverzitását. Transzkripció A miRNS-géneket általában az RNS-polimeráz II (Pol II) írja át. Gyakran köt a szekvenciához közeli promotert, mely a pre-miRNS hajtűhurka. Az így létrejött átirat 5'-végén speciálisan módosult nukleotid jön létre, poli(A)-farkat kap, és leválik. Az állati miRNS-ek kezdetben egy mintegy 80 nukleotidos RNS-törzskörben keletkeznek, mely egy néhány száz nukleotidos miRNS-prekurzor, a pri-miRNS része. Ha egy törzskörprekurzor van a 3'-UTR-ben, az átirat pri-miRNS és mRNS is lehet. Az RNS-polimeráz III (Pol III) néhány miRNS-t átír, különösen a korai Alu-szekvenciákkal rendelkező, a transzfer- és az emlős-szélesszórtismétlődés (MWIR) promotereket.
Magi feldolgozás bélyegkép|jobbra|Humán Drosha fehérje röntgenkrisztallográfia-képe két DGCR8-cal (zöld) alkotott komplexben. A Drosha két ribonukleáz III-domént (kék, narancs), egy kétszálú-RNS-kötő domént (sárga) és egy összekötő domént (szürke) tartalmaz két cinkkel. Egy pri-miRNS 1–6 miRNS-prekurzort tartalmazhat. Ezek mintegy 70 nukleotidból állnak, és a hatékony feldolgozáshoz szükséges szekvenciák veszik körül.
A kétszálú RNS-szerkezetet (dsRNS) a pri-miRNS-ek hajtűiben a DiGeorge-szindróma, 8. fontos régió (DGCR8, gerinctelenekben Pasha) veszi körül, mely nevét a DiGeorge-szindrómával való kapcsolatáról kapta. Ez az RNS-vágó Drosha enzimmel asszociál mikroprocesszor-komplexet alkotva. E komplexben a DGCR8 a katalitikus RNáz III-domént hajtűk pri-miRNS-ekről való leválasztására használja mintegy 11 nukleotiddal a hajtűalap előtt (egy helikális dsRNS-fordulattal a törzsön belül). A termék kétnukleotidos többlettel rendelkezik a 3'-végen, 3'-hidroxil- és 5'-foszfátcsoportjai vannak. Gyakran ezt pre-miRNS-nek nevezik. Ismertek a pre-miRNS utáni fontos szekvenciamotívumok.
Az intronokból közvetlenül a mikroprocesszor-komplex megkerülésével leválasztott pre-miRNS-ek a mirtronok. Ismertek mirtronok a Drosophilában, a C. elegansban és emlősökben.
A pre-miRNS-ek 16%-át módosíthatja a magi RNS-szerkesztés. A leggyakoribb az RNS-re ható adenozin-deaminázok (ADAR) általi módosítás, melyek az adenozint inozinná (A→I) alakítják. Az RNS-szerkesztés leállíthatja a magi folyamatot (például a pri-miR-142-ben a Tudor-SN ribonukleáz általi bomláshoz vezet) és a későbbi folyamatokat, például a citoplazmatikus miRNS-feldolgozást és a célspecificitást (például a miR-376 magrégiójának változtatásával a központi idegrendszerben).
Magi kivitel bélyegkép|jobbra|A humán exportin-5 (piros), a Ran-GTP (sárga) és egy pre-miRNS (zöld) komplexe. Látható a kétnukleotidos többletet felismerő elem (narancs). Forrás: A pre-miRNS-hajtűk a magból a nukleocitoplazmatikus szállító exportin-5-öt tartalmazó folyamatban távoznak. E fehérje a karioferinek családjának tagja, és felismeri a Drosha által megmaradt kétnukleotidos többletet a per-miRNS-hajtű 3'-végén. Az exportin-5-mediált transzport energiafüggő, a Ran fehérjéhez kötött guanozin-trifoszfátot használ. Citoplazmatikus feldolgozás A citoplazmában a pre-miRNS hajtűt a Dicer RNáz III bontja. Ez az endoribonukleáz a hajtű 5'- és 3'-végeivel kölcsönhat, és elvágja a 3'- és 5'-karokat összekötő kapcsolatokat, mintegy 22 nukleotid hosszú nem tökéletes miRNS:miRNS* duplexet adva. A teljes hajtűhossz és a körméret befolyásolják a Dicer hatékonyságát. Hogy a miRNS:miRNS* pár nem tökéletes, befolyásolja az elválást is. Egyes G-gazdag pre-miRNS-ek G-kvadruplex szerkezetet is alkothatnak a törzskörszerkezet miatt – például a humán pre-miRNS 92b a Dicer-mediált bontásnak ellenálló G-kvadruplexet alkot a citoplazmában. Bár a duplex bármely szála funkcionális miRNS-ként működhet, csak egy szál kerül az RNS-indukált csendesítőkomplexbe, ahol a miRNS és mRNS célja kölcsönhatnak.
Míg a legtöbb miRNS a sejtben van, a keringő vagy extracelluláris miRNS-ek sejten kívül is megtalálhatók, beleértve számos biológiai folyadékot és sejtkultúraközeget.
Szintézise növényekben A miRNS-szintézis növényekben főleg a magi feldolgozásban és kivitelben tér el az állatokétól. Nem két eltérő enzim bontja a miRNS-eket egyszer a magban és egyszer azon kívül, hanem mindkét bontást a Dicer-like1 (DL1) enzim végzi. Ez csak a növényi sejtek magjában expresszálódik, így feltehetően mindkét reakció a magban történik. A növényi miRNS:miRNS* duplexek magból való kivitele előtt a 3'-végeket az RNS-metiltranszferáz Hua-erősítő 1 (HEN1) metilálja. Ezt az exportin-5-homológ Hasty (HST) szállítja a magból a citoplazmába, ahol kettéválnak, az érett miRNS a RISC-be kerül.
RNS-indukált csendesítőkomplex
Az érett miRNS aktív RNS-indukált csendesítőkomplex (RISC) része, ahol a Dicer és sok kapcsolódó fehérje van. A RISC-et nevezik mikro-RNS-ribonukleoprotein-komplexnek (miRNP) is. A miRNS-sel rendelkező RISC-et nevezik miRISC-nek is.
A pre-miRNS Dicer általi feldolgozása feltehetően a duplex kibontásával együtt történik. Általában egy szál van a miRISC-ben, melyet termodinamikai instabilitás és a másik szálnál gyengébb 5'-végi bázispárosodás alapján választ ki. A törzskör helye is befolyásolhatja a szálválasztást. A másik, kisebb koncentrációja miatt „utasszálnak” nevezett szálat *-gal jelölik, és általában bomlik. Egyes esetekben a duplex mindkét tagja életképes, és eltérő mRNS-eket célzó miRNS.
bélyegkép|jobbra|AGO2 (szürke) komplexe miRNS-sel (világoskék) és cél-mRNS-ével (sötétkék)