УДК 577.2:616 -006
ОБЗОРЫ
РОЛЬ ДЛИННЫХ НЕКОДИРУЮЩИХ РНК В ПРОЦЕССЕ КАНЦЕРОГЕНЕЗА
© 2015 г. Н. А. Лисицын*, А. А. Чёрный, В. Л. Карпов, |С. Ф. Берестень
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук, Москва, 119991
Поступила в редакцию 27.10.2014 г. Принята к печати 22.01.2015 г.
В обзоре описаны изменения в содержании и функционировании длинных некодирующих РНК на различных этапах канцерогенеза. Рассмотрены также перспективы использования длинных некодирующих РНК для прогнозирования течения опухолевого процесса.
Ключевые слова: длинные некодирующие РНК, канцерогенез, клеточная пролиферация, клеточная миграция, метастазирование, ангиогенез, апоптоз.
A ROLE OF lncRNAs IN CARCINOGENESIS, by N. A. Lisitsyn*, A. A. Chernyi, V. L. Karpov, S. F. Beresten
(Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991, Russia; *e-mail: niklisitsyn@yahoo.com). This review describes changes in lncRNAs content and functioning at different stages of carcinogenesis, as well as application of lncRNAs for cancer prognosis.
Keywords: lncRNAs, carcinogenesis, cell proliferation, cell migration, metastasis, angiogenesis, apoptosis. DOI: 10.7868/S0026898415040102
Результаты массового глубокого секвенирова-ния транскриптомов показали, что основная часть генома любого живого организма транскрибируется. При этом большая часть транскриптов представлена длинными (более 200 н.) некодиру-ющими РНК (длинными нкРНК), существование которых было предсказано Джоном Матти-ком в 2001 г. [1]. Обнаружение длинных нкРНК в клетках про- и эукариот привело к революционным изменениям в молекулярной биологии: переформулированию ее центральной догмы, пересмотру гипотезы о "мусорной ДНК". Радикально изменились также представления о механизмах регуляции большинства внутриклеточных процессов, например, сигнальных путей, метаболизма и дифференцировки клеток, эмбриогенеза и органогенеза [2]. В настоящее время определены нуклео-тидные последовательности примерно 35000 генов, кодирующих длинные нкРНК, а также 10000 генов, кодирующих короткие (менее 200 н.) нкРНК. Таким образом, число генов нкРНК, составляющее по предварительным оценкам около 75000, т.е. ~75% генома, значительно превысило количество генов, кодирующих белки (21000 генов, или около 20% генома, кодирующие последовательности которых составляют 2% ДНК). Таким образом, каждый ген, кодирующий белок,
* Эл. почта: niklisitsyn@yahoo.com
содержит несколько генов длинных нкРНК, которые регулируют уровень транскрипции гена, уровень трансляции кодируемой мРНК или активность кодируемого белка [3—5].
В настоящее время проведена детальная аннотация около 15000 длинных нкРНК и определена функция примерно 100 транскриптов. Анализ полученной информации показывает, что основная часть интронов, энхансеров и повторов транскрибируется РНК-полимеразой II [6]. В большинстве случаев гены, кодирующие длинные нкРНК, содержат два экзона, при этом половина транскриптов неполиаденилирована. Длинные нкРНК-тран-скрипты можно разделить на несколько групп: 1) по считываемой цепи ДНК — смысловые- и антисмысловые РНК (численное соотношение которых в клетке составляет 1.5 : 1); 2) в зависимости от положения кодирующей последовательности относительно генов, кодирующих белки: интронные, межгенные РНК (НпсЯМА), энхансерные РНК и транскрипты 5'- и З'-некодирующих районов; 3) по природе кодирующих последовательностей — РНК в составе генов, кодирующих белки, РНК, кодируемые псевдогенами и повторами [7, 8].
Отличительными свойствами длинных нкРНК являются их низкая копийность и высокая тканевая специфичность (11% длинных нкРНК человека синтезируются в клетках только одного ти-
561
3
па). Вследствие высокой тканевой специфичности длинных нкРНК профилирование уровня их транскрипции во многих случаях позволяет определить тканевую принадлежность образца, диагностировать и прогнозировать ход развития ряда заболеваний [9]. Низкая копийность длинных нкРНК связана с тем, что около 80% некодирую-щих транскриптов локализуются в ядре, регулируя различные процессы in cis, т.е. на небольшом расстоянии от места синтеза РНК. Таким образом, быстрая деградация длинных нкРНК предотвращает их действие in trans [7]. Суммарная масса длинных нкРНК в среднем составляет лишь 11— 14% от массы всех РНК, при том что в покоящихся фибробластах человека массовые доли рРНК и мРНК достигают соответственно 45 и 44%, тогда как при активации клеток массовая доля рРНК возрастает до 80% [10].
Считается, что длинные нкРНК способны образовывать комплексы четырех типов: с белками, с различными классами РНК (мРНК, длинные и короткие нкРНК), с геномной ДНК с образованием дуплекса с одной из ее цепей или триплекса с нерасплетенной ДНК и с небольшими лиганда-ми [11]. Однако существование таких комплексов in vivo в большинстве случаев экспериментально не показано. Некоторые длинные нкРНК являются рибозимами, они способны, подобно белковым ферментам, катализировать разрыв и образование химических связей в отсутствие белков или же в составе белковых комплексов. Каталитическую функцию длинных нкРНК впервые обнаружили в процессе самосплайсинга интронов группы I тетрахимен. В качестве других примеров РНК-катализа можно привести синтез теломер, образование пептидных связей в составе рибосом и процессинг тРНК [2].
Механизмы регуляции функционирования эу-кариотических клеток длинными нкРНК изучены пока недостаточно. Выделяют три основных механизма [7, 12]. Первый осуществляется длинными нкРНК-гидами (guide), направляющими модификацию и структурирование хроматина в домены, петли, суперспирали и хромосомы. Этот способ регуляции реализуется при эпигенетически наследуемой инактивации Х-хромосомы, происходящей после каждого деления женских соматических или половых клеток [7], а также при структурировании интерфазного хроматина транскриптами ретропозонов [13]. Второй механизм основан на связывании длинных нкРНК с белками (в основном факторами транскрипции и ферментами), осуществляющими метилирование и деметилиро-вание ДНК и гистонов при регуляции уровня транскрипции. При этом длинные нкРНК организуют и поддерживают структуру комплекса подобно "арматуре" (scaffold). К этому классу также относятся РНК, которые образуются при транскрипции энхансеров (эРНК) и необходимы для про-
странственного сближения энхансера с генным промотором, осуществляемого многокомпонентным комплексом Mediator [2]. Наконец, третий механизм негативной регуляции активности белков и коротких нкРНК состоит в том, что длинные ядерные или цитоплазматические нкРНК выступают в качестве "приманки" (decoy). Такой механизм реализуется, например, при подавлении транскрипции мРНК, индуцируемых глюко-кортикоидами, вследствие связывания рецептора глюкокортикоидов с длинной нкРНК GAS5. Этот механизм является, по-видимому, основным при функционировании длинных нкРНК в цитоплазме клетки. Обнаружены также РНК, активирующие функционирование ядерных или цитоплаз-матических белков в результате конформацион-ной перестройки.
Исследования последних лет показали, что длинные нкРНК играют важную роль в регуляции большинства внутриядерных процессов [2, 7], включая: 1) синтез ДНК, регуляцию ее перестроек и защиту генома от чужеродных нуклеиновых кислот; 2) регуляцию клеточного деления, роста [14] и апоптоза [15]; 3) регуляцию транскрипции, процессинга, сплайсинга и трансляции мРНК. Наиболее подробно изучена роль длинных нкРНК в регуляции химической и пространственной структур хроматина, изменения в которых происходят в процессе клеточной дифференцировки и восстанавливаются сразу после репликации или репарации ДНК [16—22]. Кроме того, заметные изменения структуры хроматина происходят при ряде патологических процессов, таких как канцерогенез, инфекционные и воспалительные заболевания, регенерация тканей [23].
Таким образом, длинные нкРНК, по-видимому, можно рассматривать как искомые ключевые регуляторы большинства внутриклеточных процессов. Изучение их функционирования в норме и при патологии в настоящее время является центральной задачей молекулярной биологии. Результаты таких исследований могут заметно повлиять на развитие медицины и поспособствовать появлению новых методов диагностики заболеваний, прогнозирования их течения и терапии. В данном обзоре описаны изменения в содержании и функционировании длинных нкРНК на различных этапах канцерогенеза, а также рассмотрены перспективы их использования для прогнозирования опухолевого процесса.
РОЛЬ ДЛИННЫХ нкРНК В КЛЕТОЧНОЙ ПРОЛИФЕРАЦИИ
Одна из наиболее изученных РНК, участвующих в регуляции клеточной пролиферации, — длинная нкРНК MALAT1, прогностический маркер метастазирования опухолей легкого и опухолей других типов [24]. Нокаут гена, кодирующего
MALAT1, в культуре клеток опухолей желудка приводит к ингибированию их пролиферации [25]; аналогичный эффект наблюдается при инактивации взаимодействующего с MALAT1 фактора транскрипции SF2. Как и многие другие длинные нкРНК, MALAT1 является полифункциональной РНК, которая регулирует пространственное размещение в ядре целого ряда факторов транскрипции, участвующих в регуляции пролиферации и миграции клеток. В активных участках хроматина эта РНК также образует комплексы с пре-мРНК, в состав которых входят факторы сплайсинга [26]. Повышение уровня MALAT1 в опухолевых клетках обусловлено активацией транскрипции кодирующего ее гена комплексом длинной нкРНК JMJD1A с ферментом, деметилирующим остатки лизина гистона H3 в составе промотора. Ингиби-рование синтеза JMJD1A терапевтическим препаратом DMOG (диметилоксалилглицин) подавляет пролиферацию и инвазивность опухолевых клеток. Показано, что увеличение содержания транскрипта JMJD1A в клетках нейробластомы и некоторых других опухолей обусловлено амплификацией протоонкогена, кодирующего фактор транскрипции N-MYC [24].
В последнее время идентифицировали еще несколько РНК-регуляторов клеточной пролиферации. Так, повышение уровня РНК GHET1 активирует пролиферацию клеток опухолей желудка in vitro и in vivo, тогда как нокдаун GHET1 ингибирует
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.