PMC

Nisäkkäiden hermostossa tapahtuu kehityksen aikana laajoja muutoksia kuvioinnissa, uudelleenmuotoilussa ja solujen spesifikaatiossa. Kypsillä nisäkkäillä se koostuu soluverkoista, jotka ulottuvat jokaiseen elimeen ja ruumiinosaan välittääkseen impulsseja edestakaisin ohjatakseen keskeisiä fysiologisia vasteita sisäisiin ja ulkoisiin ärsykkeisiin oikea-aikaisesti. Tehtäviensä suorittamiseksi hermosto käyttää suurta määrää ominaisuuksiltaan erilaisia soluja, jotka muodostavat erittäin monimutkaisia rakenteita, ja on riippuvainen kehittyneistä geenien säätelymekanismeista kehityksensä ja toimintansa kannalta. mikroRNA:t (miRNA:t) on lisätty uusimmiksi keskeisiksi toimijoiksi hermoston säätelyssä. miRNA:t ovat luokka runsaslukuisia, noin 22 nukleotidin pituisia RNA:ita, jotka ilmentyvät sisäsyntyisinä useissa erilaisissa eliölajeissa ja elimistöjen kaikissa solutyypeissä. Säätämällä suuren määrän proteiineja koodaavien geenien ilmentymistä miRNA:t säätelevät monia tärkeitä biologisia prosesseja (Ambros, 2004). Tässä katsauksessa esitetään yhteenveto nykyisestä käsityksestämme miRNA:iden tehtävistä nisäkkäiden hermostossa.

miRNA:t: biogeneesi ja vaikutusmekanismit. MiRNA voi sijaita isäntägeenin intronissa tai eksonissa tai muodostaa itsenäisen transkription yksikön (Rodriguez ym., 2004). Se transkriboidaan aluksi osana paljon pidempää primaarista transkriptiota, yleensä RNA-polymeraasi II:n toimesta (Cullen, 2004). Nisäkkäillä transkriptiota pilkkoo RNaasi nimeltä Drosha yhdessä sen säätelevän alayksikön DGCR8 kanssa vapauttaen noin 65 nukleotidin hiusneulan esiasteen tumaan. Pieni määrä esiasteita voi syntyä myös Droshasta riippumattomalla tavalla (Berezikov et al., 2007; Okamura et al., 2007; Ruby et al., 2007). Tämän jälkeen esiaste viedään sytoplasmaan Exportin5:n ja sen GTP:hen sitoutuneen Ran-kofaktorin avulla. Sytoplasmassa esiaste prosessoidaan edelleen toisen RNaasin, Dicerin, toimesta, jolloin syntyy noin 22 emäsparin RNA-dupleksiväliaine. Argonaute-proteiinin sitoutuminen duplexiin ja sitä seuraavat rakenteelliset uudelleenjärjestelyt johtavat siihen, että kypsä, yksisäikeinen miRNA säilyy Argonaute: miRNA -kompleksissa. Kuten mRNA:n ilmentymistä, myös miRNA:n ilmentymistä voidaan säädellä transkriptiivisesti ja posttranskriptiivisesti, ja joitakin esimerkkejä käsitellään myöhemmin.

Argonaute:miRNA-kompleksi välittää miRNA:n suoria biologisia vaikutuksia RNA-interferenssin ja siihen liittyvien mekanismien kautta (He ja Hannon, 2004). Lukuisien proteiinien on raportoitu olevan vuorovaikutuksessa Argonaute-proteiinin kanssa, vaikka niiden myöhempiä funktioita ei ole varmuudella osoitettu. MiRNA-osa antaa selvästi spesifisyyttä RNA:n vaimentamisprosessiin sitoutumalla kohdesekvenssiinsä, joka sijaitsee yleensä eläimen mRNA:n 3′-kääntämättömillä alueilla. Komplementaarisuus miRNA:n 5′-pään, niin sanotun siemenalueen, ja kohde-mRNA:n välillä näyttää olevan suhteettoman kriittinen tekijä sitoutumispesifisyyden kannalta, kun taas miRNA:n 3′-pään osuus kohteen tunnistamisessa on vähäisempi (Lewis ym., 2005). Koska eläimen miRNA ei juuri koskaan sovi täydellisesti kohdekohteisiinsa ja osittainen komplementaarisuus todellakin riittää miRNA:n toiminnalle, yksi miRNA voi säädellä satojen geenien ilmentymistä; toisaalta mRNA voi sisältää useita miRNA:n kohdekohteita (Lewis ym., 2005; Xie ym., 2005; Miranda ym., 2006). MiRNA:n ja sen kohde-mRNA:n välinen vuorovaikutus johtaa periaatteessa kohdegeenin tuotteen (eli proteiinin) tuotannon vähenemiseen, vaikka yksityiskohtainen mekanismi on edelleen hämärän peitossa (Filipowicz ym., 2008). Argonaute-proteiini on todennäköisesti vuorovaikutuksessa translaatiokoneiston kanssa estääkseen proteiinisynteesin, mikä saattaa tapahtua translaation eri vaiheissa (esim. initiaatio- ja elongaatiovaiheissa), ehkä miRNA:n ja kohdetranskriptin luonteesta riippuen. mRNA:t, joiden translaatio estyy, osoittavat usein myös vähentynyttä kertymistä. MiRNA:ille on myös liitetty muita toimintatapoja. MiRNA:t voivat esimerkiksi tukahduttaa geeniekspressiota sykloivissa viljellyissä soluissa mutta lisätä geeniekspressiota pysähtyneissä soluissa (Vasudevan ja Steitz, 2007; Vasudevan ym., 2007). Vaikka jälkimmäisellä mahdollisuudella on merkittäviä vaikutuksia postmitoottisiin neuroneihin, tutkimusponnistelut ovat toistaiseksi keskittyneet ymmärtämään miRNA-välitteistä geenien tukahduttamista hermostossa.

Nykyisessä miRNA-tietokannassa on noin 600 ihmisen miRNA-geeniä, jotka koodaavat noin 1000 potentiaalista miRNA:ta (Griffiths-Jones ym., 2008). Monet niistä ovat evolutiivisesti konservoituneita nisäkkäissä, jotkut jopa matoissa ja kärpäsissä. miRNA-geenit on nimetty lajikonservaatio huomioon ottaen niiden löytämisjärjestyksessä, kuten miR-1, miR-2 jne. lukuun ottamatta lin-4:ää ja let-7:ää, jotka ovat kaksi ensimmäistä koskaan tunnistettua miRNA:ta. miRNA:iden löytämistä ovat suuresti helpottaneet massiiviset sekvensointiponnistelut ja tietokoneohjelmien tekemät ennusteet, joita seuraa varmistus herkillä polymeraasiketjureaktiomenetelmillä. Näihin lähestymistapoihin liittyy kuitenkin varoituksia. Pieni osa miRNA:ista on todennäköisesti väärinannotoitu ja edustaa sen sijaan toisiinsa liittymättömien transkriptien hajoamistuotteita (Berezikov ym., 2006a). Lisäksi koska miRNA toimii sitoutumalla kohde-mRNA:han, joita on mahdollisesti satoja, miRNA:n toiminta riippuu ratkaisevasti sen massasta. Runsaimpien miRNA:iden kopioluku voi olla reilusti yli 10 000 solua tai hermosolua kohti (Lim ym., 2003; Kye ym., 2007), mutta on mahdollista, että tietyt tietokannan miRNA:t ilmentyvät liian alhaisella tasolla ollakseen tehokkaita useimpia sen muuten potentiaalisia kohteita vastaan. Toisaalta, vaikka miRNA:ta esiintyisi harvoin koko kudosnäytteessä, se voi silti olla toiminnallinen, jos se rajoittuu voimakkaasti tietyn solutyypin tai kehitysvaiheen solujen osapopulaatioon, mikä voi olla merkityksellistä hermoston tilanteen kannalta.

miRNA:n ilmentyminen hermostossa. Muiden kudosten ja solujen tavoin myös hermosto ja hermosolulinjat ilmentävät miRNA:ita, joista jotkin ovat rikastuneita tai ainutlaatuisia kudoksessa ja hermosoluissa (esim. miR-9, miR-124, miR-125, miR-128 ja miR-129) (Lagos-Quintana ym., 2002; Dostie ym, 2003; Babak et al., 2004; Barad et al., 2004; Kim et al., 2004; Liu et al., 2004; Nelson et al., 2004; Sempere et al., 2004; Sempere et al., 2004; Baskerville ja Bartel, 2005; Berezikov et al., 2006b; Hohjoh ja Fukushima, 2007a; Landgraf et al., 2007; Bak et al., 2008). Hermostossa ilmentyvien miRNA-geenien määrä näyttää olevan suurempi kuin monissa muissa elimissä, mikä ehkä osittain johtuu siitä, että hermosto sisältää monia solutyyppejä ja -alatyyppejä. MiRNA-ekspression monimutkaisuuden ymmärtämiseksi nämä tutkimukset ovat lisäksi paljastaneet, että aikuisen keskushermoston anatomisesti erilaiset alueet (esim. pikkuaivot, hypotalamus ja hippokampus) ilmentävät samankaltaisia miRNA:ita, mutta suhteelliset miRNA-tasot voivat vaihdella merkittävästi eri alueilla.

MiRNA-ekspressiota hermosolujen erilaistumisen ja hermokehityksen aikana on myös tutkittu. Kun niitä käsitellään all-trans-retinoiinihapolla, alkion karsinoomasolut erilaistuvat lopullisesti neuronin kaltaisiksi soluiksi. Morfologisten muutosten ohella miRNA:iden, kuten miR-9:n, miR-124:n ja miR-125:n, ilmentyminen indusoituu ajan myötä merkittävästi, mikä viittaa siihen, että näillä miRNA:illa voi olla rooli erilaistumisessa tai solujen kohtalon määrittelyssä sen lisäksi, että niillä on potentiaalisia toimintoja aikuisilla (Sempere ym., 2004; Smirnova ym., 2005; Hohjoh ja Fukushima, 2007b). Myös monet miRNA:t, jotka eivät ole spesifisiä hermostolle, vaikuttavat. Esimerkiksi let-7-perheen miRNA:t ovat näkyvästi ylössäätyneet, ja niillä on todennäköisesti yleisempi vaikutus erilaistumis- ja kehitysprosessiin. Samanlaisia ja syvällisiä muutoksia miRNA-ekspressiossa havaitaan, kun alkion kantasoluissa tapahtuu neurogeneesiä ja gliogeneesiä (Smirnova ym., 2005; Krichevsky ym., 2006). Lisäksi miR-124:n ja miR-128:n on osoitettu ilmentyvän ensisijaisesti neuroneissa, kun taas miR-23, miR-26 ja miR-29 rajoittuvat astrosyyteihin tai rikastuvat astrosyyteihin (Smirnova ym., ), 2005). miRNA:n ilmentymisprofiilia hermoston kehityksessä nisäkkäillä on myös tutkittu, ja jälleen on havaittu ajallisesti säädelty miRNA:n ilmentymisaalto (Krichevsky ym., 2003; Miska ym., 2004; Smirnova ym., 2005; Wheeler ym., 2006; Dogini ym., 2008). Kaikki nämä tulokset viittaavat siihen, että miRNA:n ilmentymisprofiili voi toimia hermosolujen kehityksen merkkiaineena ja että tietyt miRNA:t voivat vaikuttaa kehitysprosessiin.

miRNA:t on eristetty viljeltyjen hermosolujen polysomeista, mikä on yhdenmukaista miRNA:n roolin kanssa translaation kontrolloinnissa (Kim et al., 2004; Nelson et al., 2004). Hermosolujen geenisäätelyn strateginen puoli on se, että monet mRNA:t keskittyvät tiettyjen rakenteiden lähelle, jotta varmistetaan paikallinen, aktiivisuuden säätelemä proteiinisynteesi. On ajateltavissa, että myös jotkin miRNA:t noudattavat tällaisia subcellulaarisia jakautumismalleja. Itse asiassa on raportoitu miRNA:iden valikoivaa rikastumista tai köyhtymistä dendriiteissä (Schratt et al., 2006; Kye et al., 2007). Nämä tulokset viittaavat siihen, että miRNA:t, kuten sekvenssispesifiset mRNA:ta sitovat proteiinit, voisivat säädellä geeniekspressiota paikallisesti vaikuttaakseen synaptiseen plastisuuteen hermosoluissa.

miRNA:n toiminta: Oppia tutkimuksista, jotka koskevat miRNA:iden globaalia häviämistä. MiRNA:n biogeneesiin tarvittavan Dicer-geenin ehdollisia tyrmäyksiä on käytetty laajasti tutkimaan miRNA:iden kollektiivisia rooleja hiirten tietyissä kudoksissa ja solutyypeissä. Dicerin menettämistä kypsissä Purkinje-soluissa seuraa miRNA:iden nopea leviäminen ilman välitöntä vaikutusta solun fysiologiaan tai toimintaan (Schaefer ym., 2007). Solukuolema kuitenkin tapahtuu lopulta, mikä johtaa etenevään pikkuaivojen rappeutumiseen ja ataksian kehittymiseen, mikä heijastaa ihmisten neurodegeneratiivisia häiriöitä. Dicer-ablaatio postmitoottisissa keskiaivojen dopaminergisissä neuroneissa johtaa myös neuronien asteittaiseen häviämiseen in vitro ja in vivo, ja mutanttihiirillä on selvästi heikentynyt liikkuminen, mikä muistuttaa Parkinsonin tautia sairastavia potilaita (Kim ym., 2007). Dicerin homotsygoottinen tyrmäys alkion 15,5. päivästä alkaen hiirten aivokuoressa ja hippokampuksessa johtaa muutoksiin dendriittien morfologiassa, apoptoosiin, mikrokefaliaan, ataksiaan ja kuolemaan kolmeen viikkoon syntymän jälkeen (Davis ym., 2008). Hiirillä, joilla on Dicer-menetys striatumin dopaminoseptiivisissä neuroneissa, esiintyy myös käyttäytymis- ja neuroanatomisia fenotyyppejä, vaikkakin, toisin kuin muissa tutkimuksissa kohteena olleissa neuroneissa, vaurioituneet neuronit säilyvät hengissä eläinten eliniän ajan, joka on noin 10 viikkoa (Cuellar et al., 2008). Diceriä tarvitaan lisäksi hajuaistin erilaistumiseen alkiossa, hajuaistin esiasteiden ylläpitoon ja hajuaistin esiasteiden erilaistumiseen, kun taas se ei ole välttämätön kypsien hermosolujen asianmukaisen toiminnan kannalta hiirissä (Choi ym., 2008). Näiden fenotyyppien perimmäinen syy voi olla se, että miRNA:n köyhtyminen johtaa tärkeiden proteiinien hyvin asteittaiseen häviämiseen ja/tai tiettyjen proteiinien kertymiseen tasolle, joka on lopulta myrkyllistä soluille. On edelleen epävarmaa, johtuvatko jotkin havaituista fenotyypeistä Dicerin miRNA:sta riippumattomien toimintojen menetyksestä, koska Dicer käsittelee myös muita pieniä RNA:ita, kuten pieniä häiritseviä RNA:ita. Toisen miRNA:n prosessointiin osallistuvan geenin DGCR8:n kaploinsuffisienssi johtaa vähentyneeseen miRNA-ekspressioon ja hermosto- ja käyttäytymishäiriöihin myös hiirillä (Stark ym., 2008). Kaiken kaikkiaan voidaan esittää erittäin vahvat perusteet miRNA:iden tärkeille toiminnoille hermosolujen erilaistumisessa ja eloonjäämisessä, mikä on yhdenmukaista miRNA:iden ubiikkisen ilmentymisen ja niiden toimintojen kanssa muissa kudoksissa.

miRNA:n toiminta: Lessons from the Studies of Individual miRNAs. Yksittäisten miRNA:iden toimintoja kehittyvissä neuroneissa on tutkittu. Samassa tutkimuksessa, jossa osoitettiin miRNA:iden yhdistetyt roolit keskiaivojen dopaminergisten neuronien ylläpidossa (Kim ym., 2007), havaittiin miR-133b:n tukahduttavan näiden neuronien erilaistumista alkion kantasoluista ja keskiaivoviljelmistä. Kirjoittajat tunnistivat miR-133b:n kohteeksi transkriptiotekijä Pitx3:n, joka normaalisti aktivoi geeniekspressiota dopaminergisissä neuroneissa. Choi ym. (2008) osoittivat, että miR-200 on olennainen hajuaistin esisolujen erilaistumiselle ja että sen toiminta voi riippua sen kyvystä kohdistaa vaikutuksensa Notch- ja transformoivaan kasvutekijä-β-signalointireitteihin ja Foxg1:een. Toinen ehkä parhaiten tutkittu esimerkki on miR-124, joka on hermosoluissa runsaasti esiintyvä ja tunnusomainen miRNA. miR-124:n ilmentyminen on vähäistä alkion kantasoluissa ja hermosolujen esiastesoluissa, mutta se lisääntyy dramaattisesti hermosoluissa. MiR-124:n varhainen yliekspressio yhdessä toisen runsaan miRNA:n, miR-9:n, kanssa siirtää esiasteiden erilaistumista neuroneiksi, mikä viittaa siihen, että miR-124 ja miR-9 stimuloivat neuronien erilaistumista (Krichevsky ym., 2006). Erillisessä tutkimuksessa miR-124:n yliekspressio edistää, kun taas miR-124:n toiminnan estäminen viivästyttää neuriittien uloskasvua (Yu ym., 2008). miR-124 saattaa antaa soluille neuronaalisia ominaisuuksia, koska miR-124:n yliekspressio HeLa-soluissa alentaa monien sellaisten geenien säätelyä, joiden ilmentymistä ei tapahdu neuroneissa (Lim et al., 2005), kun taas miR-124:n aktiivisuuden estäminen kypsissä neuroneissa lisää ei-neuronaalisten mRNA:iden tasoja (Conaco ym., 2006). miR-124 toteuttaa tehtävänsä ainakin kolmella mekanismilla. Ensinnäkin se estää pienen C-terminaalisen domeenin fosfataasi 1:n ilmentymistä, joka on osa RE1-silensoivaa transkription repressoria (Visvanathan ym., 2007). Muissa kuin neuronaalisissa kudoksissa RE1-silencing-transkription repressori sulkee monien neuronaalisten geenien transkriptiota, mukaan lukien miR-124 (Conaco et al., 2006), joka on nouseva esimerkki kriittisistä transkriptiotekijöistä, jotka säätelevät sekä mRNA:iden että miRNA:iden ilmentymistä. Neuroneissa lisääntyneen miR-124:n seurauksena monien neuronispesifisten geenien transkriptio indusoituu. Toiseksi miR-124 estää polypyrimidiinikatkoja sitovan proteiini 1:n ilmentymisen, joka on globaali hermosoluspesifisen, vaihtoehtoisen eksonin sisällyttämisen repressori ei-neuronaalisissa soluissa (Makeyev et al., 2007). Näin ollen miR-124 hallitsee kahta päällikköregulaattoria vaikuttaakseen monenlaisten geenien ilmentymiseen. Kolmanneksi miR-124 kohdistuu suoraan moniin sytoskelettisäätelyyn osallistuviin geeneihin, mikä saattaa selittää sen toiminnan neuriittien uloskasvun edistämisessä (Yu ym., 2008). miR-124:llä on luultavasti monia muitakin suoria kohteita.

Kypsissä neuroneissa miRNA:n säätelemä paikallinen proteiinisynteesi synapseissa on houkutteleva malli synapsiplastisuuden perustamiseen. Rotan hippokampuksen neuroneissa miR-134 on keskittynyt synaptodendriittiseen osastoon (Schratt ym., 2006). MiR-134:n yliekspressio vähentää merkittävästi dendriittisten selkärankojen tilavuutta, joka vastaa synaptista voimakkuutta, kun taas miR-134:n toiminnan estäminen lisää selkärangan tilavuutta. Dendriiteissä miR-134 estää aktiinifilamentin dynamiikkaa säätelevän lim-domeenia sisältävän proteiinikinaasi 1:n (Limk1) translaation. Limk1:n yliekspressio kumoaa miR-134:n vaikutukset selkärangan morfologiaan, mikä osoittaa, että Limk1:n ilmentymisen estäminen on tärkeä reitti, jonka kautta miR-134 hillitsee dendriittisten selkärankojen kokoa. Limk1:n ja miR-134:n välistä toiminnallista vuorovaikutusta voidaan säädellä neuronaalisella toiminnalla, koska sitä lievittää synaptisen stimulaation yhteydessä vapautuva aivoista peräisin oleva neurotrofinen tekijä vielä määrittelemättömien mekanismien kautta. Tästä seuraa, että jos miRNA:n, kuten RNA-spesifisten sitoutumisproteiinien, assosioitumista kohde-mRNA:n tai -mRNA:iden kanssa ohjataan ärsykkeellä, ärsyke voi moduloida miRNA:n ja mRNA:n (mRNA:iden) välistä vuorovaikutusta geeniekspression sääntelemiseksi nopeasti ja koordinoidusti. Vaikka miR-134 on toistaiseksi ainoa nisäkkäiden miRNA, jolla on osoitettu olevan paikallinen tehtävä neuroneissa, havainto siitä, että miRNA:n biogeneesiin ja toimintaan osallistuvia proteiineja on postsynaptisissa tiheyksissä, aksoneissa ja kasvukartioissa, viittaa siihen, että tällaisissa paikoissa voidaan tunnistaa muiden miRNA:iden spesifisiä toimintoja (Lugli et al., 2005; Hengst ja Jaffrey, 2007). MiRNA:iden roolista neurotransmitterien vapautumisen säätelyssä on raportoitu, että miR-130a ja miR-206 estävät neurotransmitterin substance P:n synteesiä ihmisen mesenkymaalisista kantasoluista peräisin olevissa hermosoluissa, kun taas interleukiini-1α vähentää miRNA:iden ilmentymistä, mikä lievittää estoa (Greco ja Rameshwar, 2007).

Neuraalisten miRNA:iden ilmentymiseen ja toimintaan vaikuttavat ulkoiset vihjeet, mukaan lukien farmakologiset aineet. Hiiren sikiöaikaisesta aivokuoresta peräisin olevassa neurosfääriviljelymallissa, jolla tutkitaan, miten etanoli vaikuttaa sikiön aivojen kehitykseen, korkean etanoliannoksen osoitetaan tukahduttavan miR-21:n, miR-335:n, miR-9:n ja miR-153:n ilmentymistä, mutta pienempi etanoliannos indusoi miR-335:n ilmentymistä (Sathyan ym., 2007). Reaktiiviset happilajit muuttavat miRNA:n ilmentymistä ihmisen aivosoluviljelmissä (Lukiw ja Pogue, 2007), millä voi olla merkitystä Alzheimerin taudin kannalta (Lukiw, 2007). Esimerkkinä miRNA:han kohdistuvista psykoterapeuttisista lääkkeistä voidaan mainita, että litium ja valproaatti, kaksi tärkeää mielialaa vakauttavaa lääkettä, vaikuttavat let-7b:n, let-7c:n, miR-128a:n, miR-24a:n, miR-30c:n, miR-34a:n, miR-221:n ja miR-144:n pitkäaikaiseen ilmentymiseen rotan hippokampuksessa (Zhou ym., 2008). Näiden miRNA:iden toiminnot on määriteltävä paremmin. MiRNA:t saattavat osittain välittää etanolin, reaktiivisten happilajien tai mielialan vakauttajien vaikutuksia geeniekspressioon ja/tai ne saattavat merkitä aivosolujen adaptiivisia muutoksia. Muuttuneista miRNA:ista voidaan päätellä ja testata niiden kohdegeenien ilmentymismuutoksia, jotta voidaan valottaa eri aineiden ja hoitojen vaikutusmekanismeja. Eräässä tällaisessa tutkimuksessa pitkäaikaisen hyperosmolaarisen stimulaation osoitetaan lisäävän miR-7b-tasoja hypotalamuksessa, ja miR-7b:n kohdegeeniksi tunnistetaan Fos, kriittinen transkriptiotekijä, joka välittää vasteita monille neurofarmakologisille aineille (Lee ym., 2006). MiR-132:n transkriptiota ohjaa positiivisesti cAMP-vaste-elementtiä sitova proteiini, joka Fos:n tavoin reagoi monenlaisiin ärsykkeisiin ja neuraalisiin toimintoihin (Vo et al., 2005; Wayman et al., 2008). miR-132 alentaa p250GAP:n, joka on GTPaaseja aktivoivien proteiinien Rac/Rho-perheeseen kuuluva jäsen, joka rajoittaa neuriinien uloskasvua. Aktiivisuudesta johtuva cAMP-vaste-elementtiä sitova proteiini, joka on riippuvainen miR-132:n tuotannosta, johtaa p250GAP:n estoon ja neuriitin uloskasvuun, mikä edistää dendriittistä plastisuutta. Toinen miR-132:n kohde on metyyli-CpG-sitova proteiini 2, joka on yleinen transkription repressori (Klein ym., 2007). Lisäksi miR-132:ta ja toista aivospesifistä miRNA:ta, miR-129:ää, ohjaavat valo ja vuorokausikello, ja ne puolestaan muokkaavat vuorokausiaikaprosessia suprachiasmaattisessa ytimessä in vivo (Cheng ym., 2007).

Nopeasti kasvavasta todistusaineistosta käy selväksi, että miRNA:t säätelevät moninaisiin prosesseihin osallistuvien geenien ilmentymistä vaikuttaakseen moniin vaiheisiin ja näkökohtiin nisäkkäiden hermoston kypsymisessä ja toiminnassa. Tulevissa tutkimuksissa selvitetään, miten miRNA:t toimivat yhdessä transkriptiotekijöiden, mRNA:ta sitovien proteiinien ja muiden säätelyproteiinien kanssa geenien ilmentymisen hienosäätämiseksi vastauksena sisäisiin ja ulkoisiin ärsykkeisiin ajallisesti ja alueellisesti.

miRNA:n assosiaatio ihmisen neurologisiin sairauksiin. Poikkeava miRNA:n ilmentyminen ja toiminta on yhdistetty syöpään ja muihin hermoston sairauksiin. miRNA:t ilmentyvät eri tavoin glioblastoomassa ja neuroblastoomassa (Chan ym., 2005; Ciafre ym., 2005; Laneve ym., 2007; Lukiw ym., 2009; Silber ym., 2008). Esimerkiksi glioblastoomassa on kohonnut miR-21:n, miR-221:n ja miR-222:n taso, mutta vähentynyt miR-7:n, miR-124:n ja miR-137:n taso. miR-21 on epäilty onkogeeni, jota yliekspressoidaan usein syövissä. MiR-221:n ja miR-222:n mahdollisia kohteita ovat solusyklin etenemisen estäjät p27 ja p57 (Gillies ja Lorimer, 2007; Medina ym., 2008), kun taas vähentynyt miR-7 saattaa säädellä epidermisen kasvutekijäreseptorin ilmentymistä ja Akt-reittiä (Kefas ym., 2008), 2008) ja Fos:ia (Lee ym., 2006).

Lukuiset Dicer knockout -tutkimukset ovat paljastaneet hiirillä samanlaisia fenotyyppejä kuin ihmisen neurodegeneratiivisissa sairauksissa (ks. edellä), mikä viittaa siihen, että globaalien ja/tai spesifisten miRNA:iden häviäminen voi vaikuttaa sairauksiin. Ihmisillä on tunnistettu yhden nukleotidin polymorfismi miR-189:n sitoutumiskohdassa mRNA:n 3′-käänteistymättömällä alueella, joka koodaa vahvaa Touretten oireyhtymää aiheuttavaa SLIT- ja Trk-like 1 -geeniä (Abelson ym., 2005). Nukleotidimuutos tehostaa miRNA-välitteistä geenin repressiota reportterimäärityksen mukaan. miR-133b:n ilmentyminen on puutteellista Parkinsonin tautia sairastavien potilaiden keskiaivoissa, vaikka miR-133b:n häviämisen ja Parkinsonin taudin välinen syy-yhteys on vielä selvittämättä (Kim ym., 2007). Useiden miRNA:iden on havaittu ilmentyvän eri tavoin skitsofreniapotilaiden prefrontaalisessa aivokuoressa (Perkins ym., 2007) tai Alzheimerin tautia sairastavien potilaiden aivoissa (Lukiw, 2007; Lukiw ym., 2008). Esimerkiksi miR-146a on koholla Alzheimerin tautia sairastavien potilaiden aivosoluissa, kun taas sen oletetun kohteen, komplementtitekijä H:n, ilmentyminen on alentunut. MiR-146a:n transkriptiota stimuloi ydintekijä-κB (Taganov ym., 2006; Lukiw ym., 2008), mikä on yhdenmukainen sen kanssa, että tulehdus- ja muut stressivasteet osallistuvat Alzheimerin taudin patogeneesiin. Alzheimerin tauti korreloi lisäksi aivojen miR-29- ja miR-107-kadon kanssa, jotka normaalisti tukahduttavat β-sekretaasin ilmentymistä (Hebert ym., 2008; Wang ym., 2008). Huntingtonin tautia sairastavilla potilailla on raportoitu miRNA:iden muuttunutta ilmentymistä, mukaan lukien vähentynyt miR-132 (Johnson ym., 2008). Kun miRNA:n ilmentymisen ja neurologisten sairauksien välinen korrelaatio on todettu, pelottava tehtävä on selvittää miRNA:iden osuus näihin eri sairauksiin.

Terapeuttinen interventio, joka perustuu miRNA:iden tuntemukseemme. Koska miRNA:t ilmentyvät eri tavoin eri sairauksissa, on houkuttelevaa yliekspressoida miRNA:ita tai estää miRNA:n toimintaa tällaisten vaivojen hoitamiseksi. Vaikka kaikki tulokset ovat vielä alustavia, on osoitettu, että miR-21:n toiminnan estäminen indusoi apoptoosia glioblastoomasoluissa ja herkistää solut sytotoksiselle kasvainhoidolle hiirissä (Chan ym., 2005; Corsten ym., 2007). MiR-221:n ja miR-222:n yliekspressio glioblastoomasoluissa edistää ennenaikaista solusykliin pääsyä, mikä johtaa solukuolemaan (Medina ym., 2008). Samoin miR-7:n yliekspressio vähentää primaaristen glioblastoomalinjojen elinkelpoisuutta ja invasiivisuutta in vitro (Kefas ym., 2008). Nämä tutkimukset osoittavat, että erilaisella miRNA-ekspressiolla on toiminnallisia seurauksia ja että miRNA:t voivat toimia lääkehoidon kohteina. Esimerkiksi kolesterolikonjugoituja miRNA:ita tai niiden estäjiä tai niiden virus-ekspressiovektoreita voidaan tuoda aivoihin kohdennetulla injektiolla miRNA:n toiminnan muuttamiseksi. Toisaalta voidaan kehittää lääkkeitä, jotka säätelevät miRNA:n ilmentymistä, tai kun miRNA:iden myötävirran efektorit paljastuvat, myös niistä tulee lääkekohteita.

Teknisiä miRNA:ita tai lyhyitä hiusneula-RNA:ita on myös suunniteltu ja käytetty geenien ilmentymisen tukahduttamiseen RNA-interferenssin avulla sairausmalleissa. Tällöin miRNA:t toimivat pieninä häiritsevinä RNA:ina, jotka kohdistuvat virusgeeneihin tai endogeenisiin geeneihin, joiden tiedetään aiheuttavan sairauksia. Eräässä tutkimuksessa lentiviraalilla koodattujen lyhyiden hiusneula-RNA:iden kerta-annos kallonsisäisesti suojaa hiiriä japanilaisen enkefaliittiviruksen aiheuttamalta tappavalta enkefaliitilta (Kumar ym., 2006). Toisessa tutkimuksessa rekombinanttisten adeno-assosioituneiden virusten, jotka ilmentävät lyhyitä hiusneula-RNA:ita mutanttista ataksiini-1:tä vastaan, joka on spinocerebellar ataxia type 1 -taudin aiheuttajaproteiini, injektio pikkuaivojen sisään paransi motorista koordinaatiota, palautti pikkuaivojen morfologian ja vähensi ydinsisäisiä ataksiini-1:n sulkeumia hiiren tautimallissa (Xia et al., 2004). Kolmas tutkimus kohdistuu Huntingtonin tautiin (McBride ym., 2008), jonka aiheuttaa dominantisti mutatoitunut huntingtiniproteiini. Proteiinia vastustavia keinotekoisia miRNA:ita koodataan rekombinanttisilla adeno-assosioituneilla viruksilla, ja ne viedään injektiona hiirten striatumiin, joka ilmentää mutanttista ihmisen huntingtiniproteiinia. MiRNA:t pystyvät vähentämään mutanttisen huntingtinin ilmentymistä aiheuttamatta ilmeistä toksisuutta hiiren aivoissa.

Tulevaisuuden näkymät. Ei ole epäilystäkään siitä, että validoitujen miRNA-kohteiden ja -toimintojen kokoelma laajenee lähitulevaisuudessa reippaaseen tahtiin. Jotta voisimme syventää ymmärrystämme miRNA:iden monimutkaisista rooleista hermoston säätelyssä, useiden seuraavien kysymysten käsitteleminen on erittäin hyödyllistä. Ensinnäkin, onko mahdollista tarkentaa miRNA:n ilmentymisen resoluutiota, jotta voidaan ottaa huomioon monet erilaiset solutyypit ja solujen alatyypit kehittyvässä ja kypsässä hermostossa? Lisäksi, onko miRNA:iden subcellulaarinen lokalisaatio dynaaminen ja onko miRNA:n toiminta spatiaalisesti säädeltyä hermosolussa? Toiseksi olisi otettava käyttöön systeemi- tai kokonaisnäkemys sen arvioimiseksi, miten muutokset miRNA:n ilmentymisessä johtavat muutoksiin proteiinien ilmentymisessä ja lopulta muutoksiin fenotyypeissä. Yhdellä miRNA:lla on todennäköisesti monia kohteita. Vaikka julkaistuissa raporteissa on tutkittu jokaisen miRNA:n osalta tyypillisesti vain yhtä sen kohdetta, jonka aktiivisuus on sopusoinnussa miRNA:n kokonaistoiminnan kanssa, on erittäin todennäköistä, että miRNA voi säädellä geenejä, jotka kontrolloivat mitä tahansa tiettyä prosessia in vivo sekä positiivisesti että negatiivisesti. MiRNA:iden toiminta integroituu myös muiden säätelymolekyylien (esim. transkriptiotekijöiden) toimintaan. Kolmanneksi geneettiset lähestymistavat (esim. yksittäisten miRNA:iden ehdollinen knockout) antavat meille lopullisempia vastauksia miRNA:iden tehtävistä nisäkkäiden hermostossa. Matoilla, kärpäsillä ja seeprakaloilla tehdyt genetiikka-analyysit ovat edistäneet huomattavasti tietämystämme miRNA:ista, ja ne ovatkin ennakoineet tai vahvistaneet monia nisäkkäiden järjestelmässä tehtyjä havaintoja. Lopuksi on selvitettävä miRNA:iden ja neurologisten häiriöiden väliset syy-yhteydet, ja tällaisia tietoja olisi käytettävä uusien hoitostrategioiden suunnitteluun.