PMC

Układ nerwowy przechodzi rozległe zmiany w patteringu, przebudowie i specyfikacji komórek podczas rozwoju. U dojrzałych ssaków składa się on z sieci komórek, które docierają do każdego organu i części ciała, aby przewodzić impulsy tam i z powrotem w celu kontrolowania istotnych fizjologicznych reakcji na wewnętrzne i zewnętrzne bodźce w odpowiednim czasie. Do realizacji swoich zadań układ nerwowy wykorzystuje dużą liczbę komórek o różnych właściwościach, które tworzą niezwykle złożone struktury, a jego rozwój i funkcjonowanie zależą od szeregu skomplikowanych mechanizmów regulacji genowej. MikroRNA (miRNA) zostały uznane za najnowszych kluczowych graczy w regulacji układu nerwowego. miRNA są klasą obfitych, około 22-nukleotydowych RNA endogennie wyrażanych w szerokim zakresie organizmów i w każdym typie komórek tych organizmów. Regulując ekspresję dużej liczby genów kodujących białka, miRNA kontrolują wiele ważnych procesów biologicznych (Ambros, 2004). Ten przegląd podsumowuje nasze obecne zrozumienie roli miRNA w układzie nerwowym ssaków.

miRNA: biogeneza i mechanizmy działania. MiRNA może być zlokalizowane w obrębie intronu lub eksonu genu gospodarza lub stanowić niezależną jednostkę transkrypcyjną (Rodriguez i in., 2004). Jest on początkowo transkrybowany jako część znacznie dłuższego pierwotnego transkryptu, zwykle przez polimerazę RNA II (Cullen, 2004). U ssaków transkrypt jest rozcinany przez RNazę zwaną Drosha, wraz z jej podjednostką regulatorową DGCR8, w celu uwolnienia około 65-nukleotydowego prekursora szpilki do włosów w jądrze. Niewielka liczba prekursorów może być również generowana w sposób niezależny od Drosha (Berezikov i in., 2007; Okamura i in., 2007; Ruby i in., 2007). Prekursor jest następnie eksportowany do cytoplazmy przez eksporterynę5 i jej kofaktor Ran związany z GTP. Po umieszczeniu w cytoplazmie prekursor jest dalej przetwarzany przez inną RNazę, Dicer, w celu wytworzenia około 22-parowego pośredniego dupleksu RNA. Związanie białka Argonaute z dupleksem i wynikające z tego rearanżacje strukturalne powodują zatrzymanie dojrzałego, jednoniciowego miRNA w kompleksie Argonaute: miRNA. Podobnie jak ekspresja mRNA, ekspresja miRNA może być regulowana transkrypcyjnie i posttranskrypcyjnie, a niektóre z przykładów zostaną omówione później.

Kompleks Argonaute:miRNA pośredniczy w bezpośrednich efektach biologicznych miRNA poprzez interferencję RNA i pokrewne mechanizmy (He i Hannon, 2004). Stwierdzono, że wiele białek oddziałuje z białkiem Argonaute, chociaż ich późniejsze funkcje nie zostały dokładnie ustalone. Cząsteczka miRNA wyraźnie zapewnia specyficzność procesu wyciszania RNA poprzez wiązanie się z sekwencją docelową, zwykle zlokalizowaną w 3′-nieulegających translacji regionach zwierzęcego mRNA. Komplementarność pomiędzy 5′-końcem miRNA, tzw. regionem seed, a docelowym mRNA wydaje się być nieproporcjonalnie krytyczna dla specyficzności wiązania, podczas gdy 3′-koniec miRNA w mniejszym stopniu przyczynia się do rozpoznania celu (Lewis i in., 2005). Ponieważ zwierzęce miRNA prawie nigdy nie jest idealnie dopasowane do swoich celów, a częściowa komplementarność jest wystarczająca dla funkcji miRNA, jedno miRNA może regulować ekspresję setek genów; z drugiej strony, mRNA może zawierać wiele miejsc docelowych dla miRNA (Lewis i in., 2005; Xie i in., 2005; Miranda i in., 2006). Interakcja pomiędzy miRNA a docelowym mRNA prowadzi przede wszystkim do zmniejszenia produkcji produktu docelowego genu (tj. białka), choć szczegółowy mechanizm pozostaje niejasny (Filipowicz i in., 2008). Białko Argonaute prawdopodobnie oddziałuje z maszynerią translacji w celu zahamowania syntezy białka, co może mieć miejsce na różnych etapach (np. na etapie inicjacji i elongacji) podczas translacji, być może w zależności od charakteru miRNA i docelowego transkryptu. MiRNA przypisuje się również inne sposoby działania. Na przykład, miRNA mogą hamować ekspresję genów w komórkach hodowanych w cyklu, ale wzmacniać ekspresję genów w komórkach zatrzymanych (Vasudevan i Steitz, 2007; Vasudevan i in., 2007). Chociaż ta ostatnia możliwość ma znaczące implikacje dla neuronów postmitotycznych, dotychczasowe wysiłki badawcze koncentrowały się na zrozumieniu represji genów w układach nerwowych, spowodowanej przez miRNA.

W obecnej bazie danych miRNA znajduje się około 600 ludzkich genów miRNA, kodujących około 1000 potencjalnych miRNA (Griffiths-Jones i in., 2008). Wiele z nich jest ewolucyjnie konserwowanych u ssaków, a niektóre nawet u robaków i much. Geny miRNA są nazwane w kolejności ich odkrycia, np. miR-1, miR-2, itd., z uwzględnieniem zachowania gatunków, z wyjątkiem lin-4 i let-7, które są pierwszymi dwoma miRNA, jakie kiedykolwiek zidentyfikowano. Odkrycie miRNA zostało znacznie ułatwione przez masowe sekwencjonowanie oraz przewidywanie za pomocą programów komputerowych, a następnie potwierdzanie za pomocą czułych metod łańcuchowej reakcji polimerazy. Podejścia te mają jednak pewne zastrzeżenia. Niewielka liczba miRNA jest prawdopodobnie błędnie zanotowana i zamiast tego reprezentuje produkty degradacji niepowiązanych transkryptów (Berezikov i in., 2006a). Co więcej, ponieważ miRNA działa poprzez wiązanie się z docelowym mRNA, potencjalnie liczonym w setkach, funkcja miRNA zależy w dużej mierze od jego masy. Liczba kopii najbardziej obfitych miRNA może znacznie przekraczać 10 000 na komórkę lub neuron (Lim i in., 2003; Kye i in., 2007), ale możliwe jest, że niektóre bazowe miRNA są wyrażane na zbyt niskim poziomie, aby mogły być skuteczne wobec większości swoich potencjalnych celów. Z drugiej strony, nawet jeśli miRNA występuje rzadko w całkowitej próbce tkanki, może być funkcjonalne, jeśli jest wysoce ograniczone do subpopulacji komórek określonego typu lub etapu rozwoju, co może być istotne dla sytuacji w układzie nerwowym.

ekspresja miRNA w układzie nerwowym. Podobnie jak inne tkanki i komórki, układ nerwowy i neuronalne linie komórkowe również wyrażają miRNA, z których niektóre są wzbogacone lub unikalne w tkance i komórkach neuronalnych (np. miR-9, miR-124, miR-125, miR-128, i miR-129) (Lagos-Quintana i in., 2002; Dostie i in…, 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; Baskerville i Bartel, 2005; Berezikov et al., 2006b; Hohjoh i Fukushima, 2007a; Landgraf et al., 2007; Bak et al., 2008). Liczba genów miRNA, których ekspresję stwierdzono w układzie nerwowym wydaje się być większa niż w wielu innych narządach, być może częściowo odzwierciedlając fakt, że układ nerwowy zawiera wiele typów i podtypów komórek. W kierunku zrozumienia złożoności ekspresji miRNA, badania te ujawniły ponadto, że anatomicznie odrębne obszary dorosłego centralnego układu nerwowego (np. móżdżek, podwzgórze i hipokamp) wyrażają podobne miRNA, ale względne poziomy miRNA mogą się znacznie różnić w różnych regionach.

Ekspresja miRNA podczas różnicowania neuronów i neurorozwoju została również zbadana. Pod wpływem kwasu all-trans-retinowego, komórki raka zarodkowego różnicują się w komórki podobne do neuronów. Wraz ze zmianami morfologicznymi, ekspresja miRNA, takich jak miR-9, miR-124 i miR-125 jest znacznie zwiększona w czasie, co sugeruje, że te miRNA mogą odgrywać rolę w różnicowaniu lub determinacji losu komórek, oprócz ich potencjalnych funkcji u dorosłych (Sempere i in., 2004; Smirnova i in., 2005; Hohjoh i Fukushima, 2007b). Uszkodzeniu ulega również wiele miRNA, które nie są specyficzne dla układu nerwowego. Na przykład, rodzina miRNA let-7 jest znacząco podwyższona, co prawdopodobnie ma bardziej ogólny wpływ na proces różnicowania i rozwoju. Podobne i głębokie zmiany w ekspresji miRNA obserwuje się, gdy embrionalne komórki macierzyste przechodzą neurogenezę i gliogenezę (Smirnova i in., 2005; Krichevsky i in., 2006). Ponadto wykazano, że miR-124 i miR-128 ulegają preferencyjnej ekspresji w neuronach, podczas gdy miR-23, miR-26 i miR-29 są ograniczone lub wzbogacone w astrocytach (Smirnova i in.., 2005). Profil ekspresji miRNA w rozwoju układu nerwowego u ssaków również został zbadany i ponownie obserwuje się czasowo regulowaną falę ekspresji miRNA (Krichevsky i in., 2003; Miska i in., 2004; Smirnova i in., 2005; Wheeler i in., 2006; Dogini i in., 2008). Wszystkie te wyniki sugerują, że profil ekspresji miRNA może służyć jako marker rozwoju neuronów i że specyficzne miRNA mogą przyczyniać się do procesu rozwoju.

miRNA zostały wyizolowane z polisomów w hodowanych neuronach, co jest zgodne z rolą miRNA w kontroli translacji (Kim i in., 2004; Nelson i in., 2004). Strategicznym aspektem regulacji genów w komórkach nerwowych jest to, że wiele mRNA jest skoncentrowanych w pobliżu specyficznych struktur, aby zapewnić lokalną, regulowaną aktywnością syntezę białek. Można przypuszczać, że niektóre miRNA również zachowują takie wzorce dystrybucji subkomórkowej. Rzeczywiście, odnotowano selektywne wzbogacanie lub zubożanie miRNA w dendrytach (Schratt i in., 2006; Kye i in., 2007). Wyniki te sugerują, że miRNA, podobnie jak sekwencyjnie specyficzne białka wiążące mRNA, mogą regulować ekspresję genów lokalnie, aby wpływać na plastyczność synaptyczną w komórkach nerwowych.

miRNA Function: Lessons from the Studies of the Global Loss of miRNAs. Warunkowy knockout Dicer, genu wymaganego do biogenezy miRNA, był szeroko wykorzystywany do badania zbiorowej roli miRNA w specyficznych tkankach i typach komórek u myszy. Utrata Dicer w dojrzałych komórkach Purkinjego powoduje szybkie rozprzestrzenianie się miRNA bez natychmiastowego wpływu na fizjologię lub funkcję komórki (Schaefer i in., 2007). Niemniej jednak, w końcu dochodzi do śmierci komórek, co prowadzi do postępującej degeneracji móżdżku i rozwoju ataksji, co odzwierciedla zaburzenia neurodegeneracyjne u ludzi. Ablacja Dicer w postmitotycznych neuronach dopaminergicznych śródmózgowia również prowadzi do stopniowej utraty neuronów in vitro i in vivo, a zmutowane myszy mają znacznie obniżoną sprawność ruchową, przypominającą pacjentów z chorobą Parkinsona (Kim i in., 2007). Homozygotyczny nokaut Dicer, rozpoczynający się w dniu embrionalnym 15.5, w korze i hipokampie myszy powoduje zmiany w morfologii dendrytów, apoptozę, mikrocefalię, ataksję i śmierć do 3 tygodni po urodzeniu (Davis i in., 2008). Myszy z utratą Dicer w striatalnych neuronach dopaminoceptywnych również wykazują fenotypy behawioralne i neuroanatomiczne, chociaż, w przeciwieństwie do neuronów będących celem innych badań, uszkodzone neurony przeżywają przez cały okres życia zwierząt, który wynosi około 10 tygodni (Cuellar i in., 2008). Dicer jest ponadto wymagany do różnicowania węchowego w zarodku, utrzymania progenitorów węchowych i różnicowania prekursorów węchowych, natomiast jest zbędny do prawidłowego funkcjonowania dojrzałych neuronów u myszy (Choi i in., 2008). U podstaw tych fenotypów może leżeć fakt, że deplecja miRNA prowadzi do bardzo stopniowej utraty ważnych białek i/lub akumulacji pewnych białek do poziomu, który ostatecznie jest toksyczny dla komórek. Nie ma pewności, czy niektóre z obserwowanych fenotypów wynikają z utraty przez Dicer funkcji niezależnych od miRNA, ponieważ Dicer przetwarza również inne małe RNA, takie jak małe interferujące RNA. Haploinsufficiency DGCR8, innego genu zaangażowanego w przetwarzanie miRNA, skutkuje obniżoną ekspresją miRNA oraz deficytami neuronalnymi i behawioralnymi u myszy (Stark et al., 2008). Ogólnie rzecz biorąc, można przedstawić bardzo mocne argumenty przemawiające za ważnymi funkcjami miRNA w różnicowaniu i przetrwaniu neuronów, co jest zgodne z wszechobecną ekspresją miRNA i ich funkcjami w innych tkankach.

miRNA Function: Lessons from the Studies of Individual miRNAs. Funkcje poszczególnych miRNA w rozwijających się neuronach zostały zbadane. W tym samym badaniu, które wykazało połączone role miRNA w utrzymaniu neuronów dopaminergicznych śródmózgowia (Kim i in., 2007), stwierdzono, że miR-133b hamuje różnicowanie tych neuronów z embrionalnych komórek macierzystych i kultur śródmózgowia. Autorzy zidentyfikowali cel miR-133b jako czynnik transkrypcyjny Pitx3, który normalnie aktywuje ekspresję genów w neuronach dopaminergicznych. Choi i wsp. (2008) wykazali, że miR-200 jest niezbędny do różnicowania węchowych komórek progenitorowych, a jego funkcja może zależeć od jego zdolności do ukierunkowania na szlaki sygnalizacyjne Notch i transformującego czynnika wzrostu-β oraz Foxg1. Innym, być może najlepiej zbadanym przykładem jest miR-124, obfite i charakterystyczne miRNA w neuronach. Ekspresja miR-124 jest niska w embrionalnych komórkach macierzystych i komórkach prekursorowych neuronów, ale gwałtownie wzrasta w neuronach. Wczesna nadekspresja miR-124 wraz z innym obficie występującym miRNA, miR-9, przesuwa różnicowanie prekursorów w kierunku neuronów, co sugeruje, że miR-124 i miR-9 stymulują różnicowanie neuronów (Krichevsky i in., 2006). W oddzielnym badaniu nadekspresja miR-124 promuje, podczas gdy hamowanie funkcji miR-124 opóźnia wzrost neurytów (Yu i in., 2008). miR-124 może nadawać komórkom właściwości neuronalne, ponieważ nadekspresja miR-124 w komórkach HeLa obniża regulację wielu genów, których ekspresja jest nieobecna w neuronach (Lim i in., 2005), podczas gdy blokowanie aktywności miR-124 w dojrzałych neuronach zwiększa poziom nieneuronalnych mRNA (Conaco i in., 2006). miR-124 realizuje swoje funkcje poprzez co najmniej trzy mechanizmy. Po pierwsze, hamuje ekspresję fosfatazy 1 o małej C-końcowej domenie, składnika represora transkrypcyjnego RE1 (Visvanathan i in., 2007). W tkankach nieneuronalnych represor RE1 wyłącza transkrypcję wielu genów neuronalnych, w tym miR-124 (Conaco i in., 2006), który jest nowym przykładem krytycznych czynników transkrypcyjnych regulujących ekspresję zarówno mRNA, jak i miRNA. W wyniku wzrostu miR-124 w neuronach, indukowana jest transkrypcja wielu genów specyficznych dla neuronów. Po drugie, miR-124 blokuje ekspresję białka wiążącego szlaki polipirymidynowe 1, globalnego represora specyficznej dla neuronów alternatywnej inkluzji eksonów w komórkach nieneuronalnych (Makeyev i in., 2007). Tak więc, miR-124 zarządza dwoma głównymi regulatorami, wpływając na ekspresję szerokiego spektrum genów. Po trzecie, miR-124 bezpośrednio celuje w wiele genów zaangażowanych w regulację cytoszkieletu, co może wyjaśniać jego funkcję w promowaniu wzrostu neurytów (Yu i in., 2008). miR-124 prawdopodobnie ma również wiele innych bezpośrednich celów.

W dojrzałych neuronach, regulowana przez miRNA lokalna synteza białek w synapsach jest atrakcyjnym modelem dla ustanowienia plastyczności synaptycznej. W neuronach hipokampa szczura miR-134 jest skoncentrowany w przedziale synaptodendrytycznym (Schratt i in., 2006). Nadekspresja miR-134 znacząco zmniejsza objętość spinek dendrytycznych, co przybliża siłę synaptyczną, podczas gdy zahamowanie funkcji miR-134 zwiększa objętość spinek. W dendrytach, miR-134 zapobiega translacji kinazy białkowej 1 zawierającej domenę lim (Limk1), regulatora dynamiki filamentów aktynowych. Nadekspresja Limk1 przeciwdziała wpływowi miR-134 na morfologię spinek, wskazując, że hamowanie ekspresji Limk1 jest główną ścieżką, poprzez którą miR-134 ogranicza rozmiar spinek dendrytycznych. Funkcjonalna interakcja pomiędzy Limk1 i miR-134 może być regulowana przez aktywność neuronów, ponieważ jest ona łagodzona przez czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego uwalniany podczas stymulacji synaptycznej poprzez jeszcze nieokreślone mechanizmy. Wynika z tego, że jeśli asocjacja miRNA, podobnie jak białek wiążących specyficzne dla RNA, z docelowym mRNA lub mRNA jest kontrolowana przez bodziec, to bodziec ten może modulować interakcję między miRNA a mRNA(ami) w celu szybkiej i skoordynowanej regulacji ekspresji genów. Chociaż miR-134 jest jak dotąd jedynym miRNA ssaków, którego funkcję zlokalizowano w neuronach, odkrycie, że białka zaangażowane w biogenezę i funkcję miRNA są obecne w gęstościach postsynaptycznych, aksonach i stożkach wzrostu sugeruje, że specyficzne funkcje dodatkowych miRNA mogą być zidentyfikowane w tych miejscach (Lugli i in., 2005; Hengst i Jaffrey, 2007). Wskazując na rolę miRNA w kontrolowaniu uwalniania neuroprzekaźników, stwierdzono, że miR-130a i miR-206 hamują syntezę neuroprzekaźnika substancji P w ludzkich mezenchymalnych komórkach macierzystych pochodzących z komórek neuronalnych, podczas gdy interleukina-1α zmniejsza ekspresję miRNA, łagodząc w ten sposób hamowanie (Greco i Rameshwar, 2007).

Na ekspresję i funkcję neuronalnych miRNA wpływają wskazówki zewnętrzne, w tym środki farmakologiczne. W modelu hodowli neurosfer pochodzących z kory mózgowej myszy płodowej, służącym do badania wpływu etanolu na rozwój mózgu płodowego, wykazano, że duża dawka etanolu hamuje ekspresję miR-21, miR-335, miR-9 i miR-153, ale mniejsza dawka etanolu indukuje miR-335 (Sathyan i in., 2007). Reaktywne formy tlenu zmieniają ekspresję miRNA w hodowlach komórek ludzkiego mózgu (Lukiw i Pogue, 2007), co może mieć związek z chorobą Alzheimera (Lukiw, 2007). Jako przykład leków psychoterapeutycznych skierowanych na miRNA, lit i walproinian, dwa ważne stabilizatory nastroju, wpływają na długoterminową ekspresję let-7b, let-7c, miR-128a, miR-24a, miR-30c, miR-34a, miR-221 i miR-144 w hipokampie szczura (Zhou et al., 2008). Funkcje tych miRNA wymagają lepszego zdefiniowania. MiRNA mogą częściowo pośredniczyć we wpływie etanolu, reaktywnych form tlenu lub stabilizatorów nastroju na ekspresję genów, i/lub mogą oznaczać zmiany adaptacyjne w komórkach mózgu. Na podstawie zmienionych miRNA można wnioskować i badać zmiany ekspresji ich genów docelowych, aby rzucić światło na mechanizmy działania różnych środków i terapii. W jednym z takich badań wykazano, że długotrwała stymulacja hiperosmolarna zwiększa poziom miR-7b w podwzgórzu, a celem miR-7b jest Fos, krytyczny czynnik transkrypcyjny, który pośredniczy w odpowiedzi na wiele środków neurofarmakologicznych (Lee i in., 2006). Transkrypcja miR-132 jest pozytywnie kontrolowana przez białko wiążące element odpowiedzi cAMP, które, podobnie jak Fos, odpowiada na szeroki zakres bodźców i aktywności neuronalnych (Vo i in., 2005; Wayman i in., 2008). miR-132 obniża regulację p250GAP, członka rodziny Rac/Rho białek aktywujących GTPazy, które ograniczają wzrost neurytów. Zależna od aktywności białek wiążących element odpowiedzi cAMP produkcja miR-132 powoduje hamowanie p250GAP i wzrost neurytów, przyczyniając się w ten sposób do plastyczności dendrytycznej. Drugim celem miR-132 jest białko wiążące metylowe CpG 2, ogólny represor transkrypcji (Klein i in., 2007). Ponadto, miR-132 i inny specyficzny dla mózgu miRNA, miR-129, są kontrolowane przez światło i zegar okołodobowy, a z kolei modulują proces rytmu okołodobowego w jądrze nadskrzyżowaniowym in vivo (Cheng i in., 2007).

Z szybko rosnącej liczby dowodów wynika, że miRNA regulują ekspresję genów zaangażowanych w różnorodne procesy, aby wpływać na wiele etapów i aspektów dojrzewania i działania układu nerwowego ssaków. Przyszłe badania wyjaśnią, jak miRNA działają, w porozumieniu z czynnikami transkrypcyjnymi, białkami wiążącymi mRNA i innymi białkami regulacyjnymi, aby precyzyjnie dostroić ekspresję genów w odpowiedzi na wewnętrzne i zewnętrzne bodźce w czasie i przestrzeni.

miRNA Association with Neurological Diseases in Humans. Aberrant miRNA expression and function has been implicated in cancer and other disorders in the nervous system. miRNAs are differentially expressed in glioblastoma and neuroblastoma (Chan et al., 2005; Ciafre et al., 2005; Laneve et al., 2007; Lukiw et al., 2009; Silber et al., 2008). Na przykład, glejak ma podwyższony poziom miR-21, miR-221 i miR-222, ale obniżony poziom miR-7, miR-124 i miR-137. miR-21 jest podejrzewanym onkogenem często nadeksprymowanym w nowotworach. Potencjalnymi celami miR-221 i miR-222 są p27 i p57, inhibitory progresji cyklu komórkowego (Gillies i Lorimer, 2007; Medina i in., 2008), podczas gdy obniżony poziom miR-7 może zwiększać ekspresję receptora naskórkowego czynnika wzrostu i szlaku Akt (Kefas i in., 2008) i Fos (Lee i in., 2006).

Liczne badania nad nokautem Dicer ujawniły fenotypy u myszy podobne do tych wykazywanych w ludzkich chorobach neurodegeneracyjnych (patrz wyżej), sugerując, że utrata globalnych i/lub specyficznych miRNA może przyczyniać się do tych chorób. U ludzi zidentyfikowano polimorfizm pojedynczego nukleotydu w miejscu wiązania miR-189 w 3′-nieulegającym translacji regionie mRNA kodującym silny gen kandydujący do zespołu Tourette’a, SLIT i Trk-like 1 (Abelson i in., 2005). Zmiana nukleotydowa zwiększa represję genu wywołaną przez miRNA, zgodnie z testem reporterowym. Ekspresja miR-133b jest upośledzona w śródmózgowiu pacjentów z chorobą Parkinsona, chociaż związek przyczynowy między utratą miR-133b a chorobą Parkinsona czeka na ustalenie (Kim i in., 2007). Wiele miRNA wykazuje odmienną ekspresję w korze przedczołowej pacjentów ze schizofrenią (Perkins i in., 2007) lub w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera (Lukiw, 2007; Lukiw i in., 2008). Na przykład, miR-146a jest podwyższony w komórkach mózgu pacjentów z chorobą Alzheimera, podczas gdy ekspresja jego przypuszczalnego celu, czynnika dopełniacza H, jest obniżona. Transkrypcja miR-146a jest stymulowana przez czynnik jądrowy-κB (Taganov i in., 2006; Lukiw i in., 2008), co jest zgodne z udziałem reakcji zapalnych i innych reakcji stresowych w patogenezie choroby Alzheimera. Choroba Alzheimera jest ponadto skorelowana z utratą mózgowych miR-29 i miR-107, które normalnie hamują ekspresję β-sekretazy (Hebert i in., 2008; Wang i in., 2008). Wreszcie, zmieniona ekspresja miRNA, w tym zmniejszona ekspresja miR-132, jest opisywana u pacjentów z chorobą Huntingtona (Johnson i in., 2008). Po ustaleniu korelacji między ekspresją miRNA a zaburzeniami neurologicznymi, trudnym zadaniem jest wyjaśnienie udziału miRNA w tych różnych chorobach.

Interwencja terapeutyczna oparta na naszej wiedzy o miRNA. Ze względu na zróżnicowaną ekspresję miRNA w różnych chorobach, kusząca jest nadekspresja miRNA lub hamowanie funkcji miRNA w celu leczenia tych dolegliwości. Chociaż wszelkie wyniki są jeszcze wstępne, wykazano, że hamowanie funkcji miR-21 indukuje apoptozę w komórkach glejaka i uwrażliwia te komórki na cytotoksyczną terapię nowotworów u myszy (Chan i in., 2005; Corsten i in., 2007). Nadekspresja miR-221 i miR-222 w komórkach glejaka promuje przedwczesne wejście w cykl komórkowy, co prowadzi do śmierci komórek (Medina i in., 2008). Podobnie, nadekspresja miR-7 zmniejsza żywotność i inwazyjność pierwotnych linii glejaka in vitro (Kefas et al., 2008). Badania te pokazują, że zróżnicowana ekspresja miRNA ma konsekwencje funkcjonalne i że miRNA mogą służyć jako cele dla interwencji farmakologicznej. Na przykład, miRNA sprzężone z cholesterolem lub ich inhibitory, lub ich wirusowe wektory ekspresyjne, mogą być wprowadzone przez ukierunkowane wstrzyknięcie do mózgu w celu zmiany funkcji miRNA. Z drugiej strony, można opracować leki, które regulują ekspresję miRNA, lub gdy ujawnione zostaną czynniki efektorowe miRNA, staną się one również celem leków.

Sztuczne miRNA lub krótkie RNA szpilkowe zostały również zaprojektowane i wykorzystane do tłumienia ekspresji genów poprzez interferencję RNA w modelach chorób. W takich przypadkach, miRNA funkcjonują jako małe interferujące RNA, aby celować w geny wirusowe lub endogenne geny, o których wiadomo, że powodują choroby. W jednym z badań, pojedyncze śródczaszkowe podanie zakodowanego w lentiwirusie krótkiego RNA szpilkowego chroni myszy przed śmiertelnym zapaleniem mózgu wywołanym przez wirusa japońskiego zapalenia mózgu (Kumar et al., 2006). W innym badaniu, śródmózgowe wstrzyknięcie rekombinowanych wirusów adeno-asocjacyjnych wyrażających krótkie RNA szpilkowe przeciwko zmutowanej ataksynie-1, białku odpowiedzialnemu za ataksję móżdżkową typu 1, poprawiło koordynację ruchową, przywróciło morfologię móżdżku i zmniejszyło inkluzje jądrowe ataksyny-1 w modelu choroby u myszy (Xia i in., 2004). Trzecie badanie dotyczy choroby Huntingtona (McBride i in., 2008), która jest wywoływana przez dominująco zmutowane białko huntingtyny. Sztuczne miRNA skierowane przeciwko temu białku są kodowane przez rekombinowane wirusy adeno-asocjacyjne i dostarczane poprzez iniekcję do prążkowia myszy wyrażających zmutowane ludzkie białko huntingtyny. MiRNA są w stanie zmniejszyć ekspresję zmutowanej huntingtyny bez wywoływania widocznej toksyczności w mózgu myszy.

Perspektywy na przyszłość. Nie ma wątpliwości, że kolekcja zatwierdzonych celów i funkcji miRNA będzie się powiększać w szybkim tempie w najbliższej przyszłości. Aby pogłębić nasze zrozumienie złożonych ról miRNA w regulacji układu nerwowego, bardzo korzystne będzie zajęcie się kilkoma poniższymi kwestiami. Po pierwsze, czy możliwe jest udoskonalenie rozdzielczości ekspresji miRNA w celu uwzględnienia wielu różnych typów i podtypów komórek w rozwijającym się i dojrzałym układzie nerwowym? Ponadto, czy subkomórkowa lokalizacja miRNA jest dynamiczna i czy funkcja miRNA jest regulowana przestrzennie w komórce nerwowej? Po drugie, należy przyjąć perspektywę systemową lub globalną, aby ocenić jak zmiany w ekspresji miRNA prowadzą do zmian w ekspresji białek i ostatecznie do zmian w fenotypach. Jeden miRNA ma prawdopodobnie wiele celów. Chociaż opublikowane raporty badają, dla każdego miRNA, zazwyczaj tylko jeden z jego celów, którego aktywność jest zgodna z ogólną funkcją miRNA, jest wysoce prawdopodobne, że miRNA może regulować geny, które zarówno pozytywnie jak i negatywnie kontrolują dany proces in vivo. Działania miRNA są również zintegrowane z działaniami innych cząsteczek regulacyjnych (np. czynników transkrypcyjnych). Po trzecie, podejścia genetyczne (np. warunkowy knockout poszczególnych miRNA) dadzą nam bardziej ostateczne odpowiedzi na temat funkcji miRNA w układzie nerwowym ssaków. Analizy genetyczne u robaków, much i zeberek znacznie poszerzyły naszą wiedzę na temat miRNA i w istocie przepowiedziały lub potwierdziły wiele odkryć w systemie ssaków. Wreszcie, związki przyczynowe między miRNA a zaburzeniami neurologicznymi muszą zostać ustalone, a takie informacje powinny zostać wykorzystane do opracowania nowych strategii terapeutycznych.