Vloga mikroRNA pri upadu proteostaze in agregaciji beljakovin

Prosim kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza več informacij

Povzetek:Staranje lahko definiramo kot progresivno slabšanje delovanja celic, tkiv in organizma skozi čas. Spremembe v homeostazi beljakovin, znane tudi kot proteostaza, so značilnost staranja, ki vodijo do neravnovesij proteomov in agregacije beljakovin, pojavov, ki se pojavljajo tudi pri boleznih, povezanih s staranjem. Med različnimi regulatorji proteostaze so poročali, da imajo mikroRNA (miRNA) pomembno vlogo pri post-transkripcijskem nadzoru genov, ki sodelujejo pri vzdrževanju proteostaze med življenjsko dobo v več tkivih organizma. V tem pregledu združujemo nedavno objavljena poročila, ki prikazujejo, kako miRNA uravnavajo temeljne procese, povezane s proteostazo, pomembne za staranje tkiva, s poudarkom na dveh najbolj raziskanih tkivih, možganskem tkivu in skeletnih mišicah. Raziskujemo tudi nastajajočo perspektivo o vlogi regulacijskih mrež miRNA pri agregaciji beljakovin, povezanih s starostjo, ki je znana značilnost staranja in s starostjo povezanih bolezni, da pojasnimo potencialne kandidate miRNA za diagnostične in terapevtske cilje proti staranju.

Za več informacij kliknite tukaj

Ključne besede:miRNA; staranje tkiva sesalcev; s starostjo povezano združevanje beljakovin; proteostazna mreža

1. Uvod

Do leta 2050 bo 22 odstotkov svetovnega prebivalstva starejšega od 60 let, kar bo povzročilo povečanje incidence s starostjo povezanih bolezni ter vplivalo na dolgoživost in dobro počutje starejših [1]. Spremembe v proteostazi so značilne za s starostjo povezane nevrodegenerativne bolezni, kot sta Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen, pa tudi za normalno staranje [2-4]. Zmanjšanje proteostaze je sestavljeno iz postopnih neravnovesij v procesih sinteze, zvijanja in razgradnje beljakovin skozi čas, kar vodi do povečanega napačnega zlaganja beljakovin in proteotoksičnega stresa, ki na koncu zmanjša dolgoživost organizma [2,5-8].

Cistanche lahko upočasni staranje

Proizvodnja napačno zvitih proteinov ima za posledico agregacijo proteinov in aktivacijo s proteostazo povezanih poti stresnega odziva, ki so skupaj znane kot proteostazna mreža (PN) in vključujejo odziv toplotnega šoka (HSR), nezvit proteinski odziv v endoplazmatskem retikulumu ( ER) (UPREN) in v mitohondrijih (UPRmt), ubikvitin-proteasomskem sistemu (UPS) in avtofagijsko-lizosomski poti (ALP). Aktivacija PN je potrebna za ponovno zvijanje in/ali razgradnjo beljakovinskih agregatov, kar zmanjša raven stresa in prepreči celično smrt [9-12]. Agregacijo beljakovin med normalnim staranjem so proučevali tudi na več modelih organizmov, in sicer v ledvicah in trebušni slinavki Rattus norvegicus [13,14], v srcu, kostnem mozgu in vranici Mus musculus [15,16] ter v človeška skorja [17,18]. Vendar osnovni mehanizmi tega pojava do danes ostajajo nejasni.

MikroRNA (miRNA) so razred majhnih, nekodirajočih RNA, dolgih od 21 do 23 nukleotidov, ki uravnavajo izražanje genov po transkripciji z usmerjanjem in preprečevanjem prevajanja specifičnih messenger RNA (mRNA). Uravnavajo množico celičnih procesov, in sicer celično rast in diferenciacijo, razvoj organizma, fiziološko delovanje in celično homeostazo [19-21]. Pravzaprav približno 2500 miRNA, o katerih poročajo pri ljudeh, uravnava približno 60 odstotkov genov, ki kodirajo beljakovine, medtem ko vsaka miRNA v povprečju uravnava 200 ciljnih genov prek komplementarnih ciljnih mest [22]. V zadnjem desetletju je bilo dokazano, da prekomerna ekspresija miRNA in/ali knockdown poskusi neposredno spremenijo življenjsko dobo pri C.elegans, D.melanogaster in M.musculus [23-26]. Predvsem so študije pri stoletnikih zagotovile več znanja o tem, kako dinamični so človeški profili miRNA med staranjem [27, 28]. Na primer, povečano biogenezo miRNA opazimo pri stoletnikih v primerjavi z osemdesetletniki [29]. Novejše študije so pokazale, da miRNA uravnavajo procese, povezane s starostjo, in nekateri dokazi povezujejo miRNA z agregacijo beljakovin v tkivih sesalcev, in sicer v možganih in skeletnih mišicah [30,31].

Kljub temu je izražanje miRNA lahko tkivno ali celično specifično, hkrati pa so miRNA lahko necelično avtonomne in delujejo kot posredniki v različnih tkivih [32]. S starostjo povezane spremembe, ki vplivajo na specifične družine miRNA, se lahko razlikujejo glede na tip celice in tkiva, zaradi česar so te analize zahtevne zaradi kompleksnosti in medsebojne povezanosti mrež miRNA v enem samem organizmu [19, 26]. Poleg tega so bile krožeče miRNA (c-miRNA) in njihovi avtobusi (tj. zunajcelični vezikli) nedavno opaženi kot označevalci zdravega fiziološkega staranja z miR-19a-3p in miR-19 Ugotovljeno je bilo, da je b-3p povečan pri starajočih se posameznikih, vendar zmanjšan pri zdravih stoletnikih, s čimer dodaja še eno plast zapletenosti regulacijskemu omrežju miRNA[27,28]. Zaradi tega so pretekle študije zagotovile kompilacijo miRNA, povezanih s posebnimi znaki staranja v različnih modelnih organizmih, da bi zagotovili boljšo predstavitev miRNA, ki so povezane s staranjem v več tkivih [33]. Ta pregled se osredotoča na nedavno objavljena poročila o regulaciji miRNA genskih tarč, vključenih v procese, povezane s proteostazo, ki so pomembni za staranje tkiva, s posebnim poudarkom na staranju tkiva sesalcev.

2. Biogeneza in tarčna vezava miRNA

RNA polimeraza II prepisuje miRNA in proizvaja primarne transkripte miRNA (predhodne miRNA), ki jih nato obdela Drosha/DGC8, encimski mikroprocesorski kompleks RNaze III, da proizvede ~70-100 nukleotidne (nt) predhodne miRNA miRNA (pred -miRNA) [21,34]. Te pre-miRNA se izvažajo iz jedra v citoplazmo preko Exportina-5, od RanGTP odvisnega, vezavnega in jedrskega transportnega proteina, ki je odvisen od dvojne verige RNA, nato pa jih razcepi encim RNase II Dicer, pri čemer nastane {{ 13}}nt dvoverižnih zrelih dupleksov miRNA [35,36]. MiRNA lahko izvira s 5' strani pre. miRNA, imenovana "5p" veriga, ali s 3'-konca, ki je znana kot "3p" veriga [37] V preteklosti so poročali, da se postopek izbire verige začne z eno od dupleksiranih verig miRNA, znano kot miR ali vodilna veriga, ki je bila izbrana in naložena v protein Argonaute za tvorbo miRNA-induciranega utišalnega kompleksa (miRISC), medtem ko je bila druga veriga, tradicionalno označena kot potniška veriga ali miR', izvržena iz kompleksa in degradirana [37]. ]. Kljub temu je v nekaterih primerih mogoče katero koli verigo izbrati in naložiti v Argonaute proteine ​​za uravnavanje izražanja genov, kot je to v primeru miR-34, kjer miR-34b-5p in miR{ {27}}b-3p so pri ljudeh prisotni v približno enakih koncentracijah, kar omogoča ciljanje na različne mRNA [37-39]. Pojav, imenovan "preklapljanje krakov miRNA", je, kjer je prednostna izbira 3' ali 5' krakov miRNA za izbiro verige lahko odvisna od vrste tkiva ali razvojne stopnje življenja, medtem ko je deregulacija tega proces je povezan z boleznijo [37-39]miRISC lahko cilja na specifične mRNA preko komplementarnosti zaporedja med začetno sekvenco naložene vodilne verige miRNA (2-7 nukleotidi) in v večini primerov 3 neprevedene regije (3 'UTR) ciljnih mRNA [32,34]. V nekaterih primerih se lahko 3'-konci miRNA podvržejo prednostni komplementarni vezavi na motive v 5'UTR regijah ciljnih mRNA [40,41]. Preklop krakov lahko povzroči kopičenje zrelih miRNA s spremenjenimi semenskimi sekvencami, kar drastično spremeni ciljanje mRNA [42]. Med staranjem pride do splošnega premika v izražanju 3 in 5' zrelih krakov miRNA s povečanjem 5 'zrelo izražanje in upadajoče izražanje 3' s časom, zlasti za miR-6786 v vzorcih človeške plazme [42]. Hkrati je bil miR-4423 identificiran z najbolj zmanjšanim 5' ekspresijskim razmerjem, in sicer v materinem mleku, srcu, testisih, matičnih celicah in krvnih celicah, kar pomeni, da s starostjo povezane razlike v 3' do Razmerja izražanja 5'zrele miRNA so lahko odvisna od tkiva [42]

V dobi sekvenciranja naslednje generacije se je izkazalo, da lahko en sam lokus miRNA proizvede več različnih izooblik miRNA ali izomiR, ki so različice zaporedja miRNA, ki imajo spremenjene 3' in/ali 5' konce zaradi nukleotida. dodajanje, črtanje ali zamenjava [43]. Biogeneza izomiR je lahko odvisna od predloge, kar ima za posledico premik 5' ali 3' nukleotidov, ali pa ni odvisna od predloge, kar vodi do post-transkripcijskega urejanja in repa RNA [44]. IsomiR je mogoče razvrstiti kot 3', 5', polimorfne in mešane, odvisno od variacije zaporedja in sprememb v dolžini [4]. Spremembe zaporedja po dozorevanju, kot je obrezovanje (odstranitev nukleotidov prek eksoribonukleaz na 3'-koncu) in rep (dodajanje nukleotidov s terminalnimi nukleotidil transferazami na 3'-koncu), povzročijo nastanek 3'-isomiR (znanih tudi kot 3'-isomiR). -prirezani in 3'-isomiR-tailed)[43-45]Poročali so tudi, da 5' isomiR v veliki meri nastanejo z nenatančnim cepitvijo zaporedij miRNA preko Drosha in/ali Dicerja[43]. Polimorfni izomiR-ji vsebujejo spremembe znotraj zrelega zaporedja in so nespremenjene po dolžini, medtem ko mešani izomiR-ji vsebujejo spremembe v dolžini in zaporedju [46,47]. Predvsem se je izkazalo, da je nastajanje izomiR pri sesalcih specifično za celice in tkiva in so bili uporabljeni kot biomarkerji raka ter vpleteni v Alzheimerjevo bolezen [48,49].

Obstaja zelo malo študij, ki v celoti pojasnjujejo vlogo izomiR v kontekstu staranja. Nedavno je bilo ugotovljeno, da je isomiR-19a-3p znatno povečan pri nezdravih stoletnikih v primerjavi z zdravimi stoletniki, kar kaže, da se ta isomiR lahko uporablja kot potencialni označevalec zdravega staranja [28]. Poleg tega je sekvenciranje izomiR z metforminom (zdravljenje s podaljšanjem življenjske dobe) endotelijskih celic človeške popkovnične vene (HUVEC) med replikativnim staranjem razkrilo, da so nekanonična zaporedja predstavljala skoraj 40 odstotkov skupnega skupka miRNA, pri čemer je zdravljenje z metforminom bistveno spremenilo relativno številčnost 133 izomiR, ki so bili identificirani kot različice 73 posameznih miRNA [50]. Zanimivo je, da je bilo ugotovljeno, da so ciljni geni teh miRNA in izomiR del poti fosfatidilinozitol-3-kinaze (PI3K)-Akt in tarča signalne poti rapamicina (mTOR) pri sesalcih [50]. Predvsem je bila večina izomiR-jev, na katere vpliva zdravljenje z metforminom, opredeljenih kot 3'isomiR-ji; vendar je bilo približno 5 odstotkov identificiranih kot 5' izomiR, za katere se je izkazalo, da premikajo semensko sekvenco in dajejo večje število ciljnih genov, ki niso bili pogosti v ciljih miRNA v tej študiji [50]. Še enkrat se zdi, da so izomiR učinkoviti označevalci za ocenjevanje zdravega staranja in podaljšanja življenjske dobe. Kljub temu je treba nadalje raziskati biološke posledice dinamičnih sprememb izomiR s staranjem in staranjem.

Študije so poročale, da je za utišanje genske ekspresije potrebno vsaj ujemanje šestih baznih parov miRNA z mRNA, zaradi te komplementarne vezave s ciljno mRNA pa imajo lahko posamezne miRNA več ciljnih mRNA (približno 100 mRNA) in lahko istočasno ciljajo na različna mesta 3-UTR iste mRNA, medtem ko lahko različne miRNA ciljajo tudi na isto mRNA, kar povečuje kompleksnost regulativnih rezultatov za isto mRNA [32]. To pomeni, da vsak tip celice in tkiva predstavlja zelo zapletene vzorce miRNA in disregulacija ene ali več komponent v omrežjih miRNA lahko povzroči neravnovesje homeostaze, skrajšano življenjsko dobo in bolezen [5152]. Pravzaprav je pri stoletnikih povečana regulacija izražanja miRNA, in sicer miR-16, miR-18a in miR-21, medtem ko je izražanje mRNA RNA polimeraze Ⅱ, Drosha, Exportin{{ 10}} in Dicer so prav tako vsi regulirani navzgor v primerjavi z osemdesetletniki [29].

3. Ciljno usmerjena razgradnja miRNA in njena vloga v temeljnih celičnih procesih

V nasprotju z biogenezo miRNA se vloga razpada/razgradnje miRNA - zlasti ciljno usmerjene razgradnje miRNA (TDMD) - v zdravju in bolezni šele začenja pojasnjevati. TDMD se pojavi, ko je ciljna RNA sposobna inducirati razgradnjo/razpad svoje sorodne miRNA, namesto da izzove ciljno represijo, kar omogoča modulacijo različnih celičnih procesov. TDMD se pojavi, ko pride do obsežne komplementarne vezave na 3'-regiji miRNA, kar spodbudi konformacijsko spremembo, ki spodbudi 3'-konec, da se sprosti iz veznega žepa domene Ago PAZ [53-55]Naknadna izpostavljenost 3'-konec omogoča encimsko razgradnjo miRNA [54]. Ta proces lahko spremljajo tudi post-transkripcijske modifikacije zaporedja miRNA, kot sta rep (s terminalnimi nukleotidil transferazami) in obrezovanje (s 3'-to{{9). }}'eksonukleaze), kar ima za posledico proizvodnjo izomiR[56,57]. Tarče TDMD so prav tako sposobne ujeti Ago2 v določeno konformacijo, ki omogoča izpostavitev 3' konca miRNA za rep in obrezovanje, medtem ko se nenehno veže na Ago2 [54,55]. Zanimivo je, da je možno izmeriti stopnje razpadanja miRNA v celicah sesalcev s kombiniranimi metodologijami, kot je označevanje "pulse-chase" na osnovi presnovne RNA 4sU z visoko zmogljivim sekvenciranjem RNA, pri čemer se je pokazalo, da sta obrezovanje in rep v fibroblastih dinamična skozi čas [ 57] Te metodologije se lahko izkažejo za uporabne v prihodnjih študijah, ki ocenjujejo razpad miRNA med fiziološkim staranjem.

Nekaj ​​študij je raziskalo endogeni TDMD in njegovo delovanje pri sesalcih ter identificiralo ključne ciljne gene, ki so vključeni v ta pojav. Na primer, Serpinel, ki kodira zaviralec serin-treonin proteaze, deluje na tarčo TDMD za nadzor razgradnje miR-30b-5p in miR-30c-5p pri miših fibroblastov, kar spodbuja ponovni vstop mirujočih fibroblastov v celični cikel[58]. Zanimivo je, da lahko vsi družinski člani miR-30 (miR-30a -30b,-30c,-30d in-30e) za interakcijo s Serpinelom; vendar le miR-30b in miR-30c kažeta razširjeno 3'-končno komplementarnost (znano tudi kot 3C seznanjanje) s Serpinelovim zapisom, kar dokazuje, da je to 3C seznanjanje temeljno za TDMD [58]. Skupaj ima interakcija Serpinel.miR-30b/c ključno regulativno vlogo pri fenotipih celic sesalcev, tako da olajša ponovni vstop mirujočih celic v celični cikel. Poročali so, da še en primer endogene tarče TDMD, gen za beljakovine, povezane z nevronsko regeneracijo (Nrep), usmerja razgradnjo miR-29b s 3' obrezovanjem, ki nadzoruje splošno motorično koordinacijo in motorično učenje pri miših [59]. Običajno Nrep omejuje izražanje miR-29b samo na cerebelarne Purkinjejeve nevrone, medtem ko je motnja mesta miR-29 v Prep razširila izražanje miR-29b na zrnato plast malih možganov, kar vodi do nenormalnega motorično učenje in koordinacija pri miših [59]. Natančneje, kodiranje mesta miR-29 v Nrep v nevralnih matičnih celicah je povzročilo odsotnost izooblik miR-29, proizvedenih s 3' obrezovanjem ali repom [59]. Zanimivo je, da se je izkazalo tudi, da ima mesto Prep miR-29 visoko podobnost zaporedja z nekodirajočo RNA libro pri cebricah, ki uravnava anksiozno in raziskovalno vedenje pri cebricah [59]. Skupaj je TDMD prek endogenih tarč bistvenega pomena za vzdrževanje pravilnih možganskih funkcij in vedenja sesalcev ter za nadzor celičnih fenotipov.

4. Ekspresijski profili miRNA so dinamični in so tkivno specifični skozi celotno staranje

Med staranjem tkiva pride do progresivnega upada številčnosti miRNA, o čemer so prvič poročali zaradi s starostjo povezanih zmanjšanj biogeneze miRNA, do katerih pride zaradi znižane regulacije Dicerja [60]. Pokazalo se je, da biogeneza miRNA izboljšuje toleranco na stres in dolgo življenjsko dobo pri C. elegans in v maščobnem tkivu pri miših, medtem ko so bile specifične miRNA povezane z odpornostjo na stres in staranjem [23,60]. Pred kratkim je bilo ugotovljeno, da geni miRNA-biogeneze so dejansko močno tarča miRNA, ki so vključene v procese, povezane s staranjem, in sicer miRNA -71, za katero se je pokazalo, da uravnava globalno izražanje miRNA in vodi do povečane variabilnosti izražanja mRNA s starostjo [19]. Ti rezultati so v skladu s prejšnjimi dokazi, ki so uveljavili miR-71 kot eno najbolj raziskanih miRNA v kontekstu staranja in dolge življenjske dobe, pri čemer je bilo njeno izražanje bistveno povečano v zgodnji do srednji odrasli dobi [24, 25]. Zanimivo je, da so nedavno poročali tudi o miR-71, ki stimulira od ubikvitina odvisen promet beljakovin, zlasti v črevesju, kar podaljšuje življenjsko dobo C. elegans, medtem ko je njegovo zaviranje vplivalo na proteostazo organizma [61]. Zlasti vonjave po hrani, ki jih zaznava C. elegans prek vohalnih nevronov AWC z migetalkami 1), spodbujajo celično neavtonomno regulacijo od ubikvitina odvisne razgradnje beljakovin prek sistema ubikvitin-proteasom (UPS) in prek razgradnje beljakovin, povezane z endoplazmatskim retikulumom (ER). (ERAD) in 2) poveča odpornost črevesja na toplotni stres [61]. Avtorji so pokazali, da miR-71 specifično zavira protein Toll-receptor-domain (TIR-1) v vohalnih nevronih "C" (AWC) amfidnih kril, medtem ko miR-71 in/ali TIR{ {29}}Izločeni črvi kažejo disfunkcijo UPS in ERAD, s čimer se odpravi vpliv vira hrane na ta odziv [61]. Ena pomembna točka, ki se pojavi, je, da so regulacijske mreže miRNA zelo zapletene v več modelih organizmov in zdi se, da so profili ekspresije miRNA tkivno specifični in hkrati medsebojno povezani z različnimi tkivi.

Večina študij, ki so raziskovale vlogo miRNA pri normalnem staranju tkiva sesalcev, se je osredotočila na poskuse z uporabo vzorcev predvsem iz možganskega in skeletnega mišičnega tkiva, morda zaradi nagnjenosti teh tkiv k razvoju s starostjo povezanih bolezni [62] Ena zelo raziskana miRNA pri staranju in s starostjo povezanih boleznih je miR-34. Pokazalo se je, da je ta miRNA regulirana navzgor pri staranju C. elegans [63], medtem ko njena prekomerna ekspresija podaljša življenjsko dobo pri Drosophili in zmanjša nagnjenost k starostni nevrodegeneraciji [64] Vendar pa so v nasprotju z drugimi organizmi člani miR{{7} } igrajo škodljivo vlogo pri staranju možganov sesalcev, kjer je bila regulacija miR-34c ugotovljena v mišjem hipokampusu tako pri normalnem staranju kot modelih AD in je povezana s kognitivnim upadom [65]. Poleg tega s starostjo povezana povečana regulacija miR-29a in miR-29b v mišjih možganih vodi do disregulacije mikroglije in povečanja nevrovnetja, kar je tudi značilnost staranja možganov [66]. Podobno sta med procesom staranja mišična degeneracija in regeneracija neuravnotežena, kar vodi v izgubo mišične homeostaze. Poleg tega so bile miRNA, in sicer miR-29, povezane s sarkopenijo, s starostjo povezano izgubo mišične funkcije, in pokazalo se je, da modulirajo apoptozo, staranje in signalizacijo inzulinu podobnega rastnega faktorja (IGF-1). v starajočih se mišičnih celicah [67]. Tako se miRNA lahko uporabljajo kot biomarkerji staranja v več kot enem tkivu in za specifične fenotipe, povezane s starostjo, kot je sarkopenija.

Nedavno je skupina študij raziskovala vlogo miR-206 med staranjem in homeostazo žil (in sicer srčne mišice) in skeletnih mišic [68-74]. Povečano izražanje miR-206 je bilo povezano s staranjem ožilja, zlasti pri posameznikih z aritmijami [74], dokazano pa je tudi, da zavira proliferacijo gladkih mišičnih celic žil in spodbuja aterosklerozo [72,73]. Te študije poudarjajo pomen raziskovanja regulacije miRNA v enem specifičnem tkivu sesalcev, da bi lahko našli nove terapevtske cilje za specifične, s starostjo povezane patologije.

Ob upoštevanju vseh teh nedavnih ugotovitev je očitno, da regulacijske mreže miRNA do neke mere posredujejo pri staranju in dolgoživosti. Vendar pa je bistveno razjasniti vloge miRNA za vsak model organizma zaradi kompleksne narave regulacijskih mrež miRNA in množice potencialnih tarč, ki jih lahko ima vsaka miRNA. V naslednjih razdelkih podrobneje poudarjamo vpliv s starostjo povezane proteostaze miRNA, ki vključuje procese razgradnje in očistka beljakovin, povzete na sliki 1, in se poglobimo v njihov potencialni vpliv na razširjeno agregacijo beljakovin med staranjem sesalcev.

5. Vloga regulacije miRNA pri s starostjo povezanim avtofagnim upadanjem možganov in skeletnih mišic

Znanstvena poročila, ki so opisana kot glavni modulatorji več s proteostazo povezanih poti razgradnje med staranjem tkiva sesalcev, so se osredotočila na regulacijske mreže miRNA, ki vključujejo pot avtofagije-lizosoma (ALP), s posebnim poudarkom na tarči kompleksa rapamicina (mTOR) pri sesalcih, predvsem v možganih in mišicah [24,75]. Inukai in sodelavci (2012) so izvedli eno prvih študij z uporabo globokega sekvenciranja Solexa, da bi ugotovili povezavo med diferencialno ekspresijo miRNA med staranjem možganov in signalizacijo mTOR [24].cistanche แอ ม เว ย์V tej študiji se je večina različno izraženih miRNA zmanjšala v relativni številčnosti pri 24-25-mesečnih miših v primerjavi z 5-mesečnimi mišmi, pri čemer je analiza KEGGenrichment pokazala, da so miRNA, in sicer miR-5620 isomiR in miR-341 isomiR, sodelujeta pri signalizaciji mTOR/proteinske kinaze B(Akt)/Forkhead box razreda O (FOXO) [24].

Ena vrsta avtofagije, imenovana makrofagija, vključuje razgradnjo in recikliranje citoplazemskih komponent, vključno s celičnimi ostanki in napačno zvitimi proteini, ki so zapakirani v vezikle z dvojno membrano, imenovane avtofagosomi, ki so spojeni z lizosomi, da jih razgradijo lizosomske hidrolaze [ 75]. Proteinske agregate lahko zajamejo avtofagosomi in razgradijo, staranje pa lahko spremeni avtofagni očistek zaradi napak v tvorbi avtofagosomov, neuspele fuzije avtofagosomov in lizosomov in zakisljevanja lizosomov [76]. S starostjo povezana avtofagna disfunkcija lahko povzroči tudi razvoj s starostjo povezanih bolezni, in sicer sarkopenije in nevrodegenerativnih bolezni. Za obsežen pregled glejte [75]. Med staranjem skeletnih mišic se je pokazalo, da se avtofagna aktivnost zmanjša pri starejših bolnikih s sarkopenijo in v mišjem mišičnem tkivu, kjer ravni beljakovin LC3, markerja avtofagosomov in avtolizosomov, in E1-podobnega encima ATG7 s starostjo upadajo [ 62]. Pred kratkim je bilo potrjeno, da je miR-34a ključni akter pri avtofagični aktivnosti pri staranju možganov, pri čemer njena regulacija povzroči pomanjkljivo avtofagijo in nenormalno mitohondrijsko dinamiko v modelih staranja podgan, ki jih povzroča d-galaktoza [77]. V tej isti študiji je bila avtofagna disfunkcija spremenjena z dajanjem zaviralca miR-34celicam SH-SY5Y, ki jih povzroča d-galaktoza, kar je povzročilo povečano izražanje proteinov, povezanih z avtofagijo, in sicer LC3, Beclin 1, ATG7 in razgradnja P62[7] Skupaj je lahko miRNA-34a učinkovita terapevtska tarča za ublažitev in/ali obrnitev s starostjo povezanega avtofagnega upada v možganih sesalcev.

Z mišicami obogatene miRNA, znane kot mio-miRNA, kot sta miR-1 in miR-206, lahko uravnavajo tarče prek poti PI3K/AKT/mTOR/FOXO, ki nadzoruje celični cikel, proliferacijo in procesi diferenciacije v miocitih [68-71]. Nedavno se je pokazalo, da imajo bolniki na hemodializi, ki so redno trenirali fizično odpornost, nižje ravni miR-206, kar je povzročilo večjo miogenezo in manj srčnih kalcifikacij, kar je znak staranja ožilja [69]. Avtorji so zaključili, da po rednem usposabljanju znižanje miR-206 morda stimulira miogenezo prek vezave insulinu podobnega rastnega faktorja 1 (IGF1) in aktivacije poti PI3K/AKT/mTOR [70]. Podobno je bilo ugotovljeno, da je v človeški skeletni mišici26 miRNA regulirana s starostjo, vadbo ali kombinacijo obojega, pri čemer je devet od teh miRNA, in sicer miR-99a-5p, miR{{18 }}b-5p, miR-100-5p, miR-199a in miR-196b-5p imajo potrjena ciljna zaporedja znotraj 3'UTR ciljnih genov, vključenih v signalno pot Akt/mTOR, kot so mTOR, Akt, regulatorno povezani protein kompleksa MTOR 1 (RPTOR) in IGF1[71].

Predvsem je bilo ugotovljeno, da je miR-378 ključen za mišično homeostazo z vzdrževanjem avtofagije z neposrednim ciljanjem na od fosfoinozitida odvisno protein kinazo 1 (PDK1), spodbujanjem signalizacije Akt-mTORCl in zmanjšanjem apoptoze miocitov prek ciljanja na kaspazo 9 [69]. Izločene MiR-378-miši so pokazale oslabljeno avtofagijo in kopičenje okvarjenih mitohondrijev, medtem ko je prekomerna ekspresija miR-378 zmanjšala fosforilacijo unc-51-podobne avtofagije aktivirajoče kinaze 1 (ULK1), kar je posledično spodbudilo tvorba avtofagosomov, rezultat, ki je bil potrjen s povečano ekspresijo LC3 in puncta v celični liniji C2C12myotube [69]. Ta študija je pomembna, ker potrjuje, da ima miR-378 koristno vlogo pri spodbujanju avtofagije in identificira njegovi dve neposredni tarči: (1) PDK1, ki aktivira Akt in mTORCl za spodbujanje avtofagije v skeletnih mišicah in (2) kaspazo9, ki zavira apoptozo miocitov. Kljub temu je še vedno veliko vidikov regulacije avtofagije miRNA, ki jih je treba raziskati v kontekstu staranja tkiv, zlasti pri vrstah sesalcev.

V kontekstu agregacije beljakovin, povezane s starostjo, se je izkazalo, da miR-1 uravnava delovanje mišic in izboljšuje faringealno črpanje kot odziv na proteotoksični stres skozi čas, hkrati pa zavira agregacijo proteina poliglutamina 35(polyQ35) v C.elegans [30]. ]. Podenota v-ATPaze, vha-13, je bila identificirana kot neposredna tarča miR-1, ki uravnava lizosomsko biogenezo in delovanje [30]. Zato je treba miR-1 preučiti kot domnevno terapevtsko strategijo za boj proti mišično specifični agregaciji beljakovin in izboljšanje mišične gibljivosti skozi celotno življenjsko dobo. Prej je bilo dokazano, da povišane ravni miR-1 spodbujajo avtofagijo in tako zmanjšujejo kopičenje beljakovinskih agregatov v C. elegans in celicah sesalcev [78] Predvsem v mišjih kortikalnih nevronih in celicah HeLa miR-1 aktivira avtofagija z usmerjanjem Tre-2/Bub2/CDC16(TBC) Rab GTPaze aktivirajočega proteina (TBC1D15) kot odgovor na kopičenje mutantnih agregatov huntingtina[78]. Pokazalo se je, da TBC1D15 blokira avtofagijo z inaktivacijo Rab7, ki uravnava fuzijo avtofagosomov in lizosomov. Še enkrat se zdi, da je miR-1 učinkovit kandidat za terapevtike proti staranju, ki ciljajo na procese, povezane z avtofagijo.

6. miRNA posredujejo sistem ubikvitin-proteosom pri staranju možganov in mišični atrofiji

Sistem ubikvitin-proteasom (UPS) je proces celične proteolitske razgradnje, ki ga sestavlja proteasom 26S kot osrednja komponenta, ki obsega dve regulatorni komponenti 19S in eno jedro 20S [79]. Proteasomska aktivnost se zmanjša med normalnim staranjem in nevrodegeneracijo [80]. V zadnjem letu sta dve študiji opisali prispevek regulacije miRNA k spremembam, povezanim z UPS, med staranjem v kontekstu nebolezni [81-83]. Ugotovljeno je bilo na primer, da ima miR-127-5p zmanjšano izražanje v možganih starih miši C57BL/6], ki so bile podvržene ishemiji, povzročeni z LPS, in prvič so identificirali regulacijsko podenoto 3 (Psmd3) 26S proteasoma, ki ni ATPaza. kot enega od njegovih ciljev [82]. Ta študija je pomembna, ker avtorji niso le zagotovili miRNome možganov z zrelim sekvenciranjem miRNA, temveč so identificirali tudi novo miRNA v možganih, miR-127, ki je povezana s celično apoptozo in proteasomsko aktivnostjo med staranjem in ishemijo. Poleg tega se je pokazalo, da je pri zdravih nosilcih polimorfizma apolipoproteina E(ApoE c4), povezanega z očistkom A in povečanim tveganjem za razvoj AD, miR-153-3p povečan, kar vodi do blokade eritroidnega jedrnega faktorja{{ 23}}proteasomsko delovanje, posredovano s povezanim faktorjem-2(Nrf2), in kopičenje eritrocitov A v plazmi [81] Poleg tega komponente, povezane s proteasomom, kot je plazemski Kelchu podoben ECH-povezan protein 1 (Keapl) in eritrocitne histonske deacetilaze 6 (HDAC6), so bile povečane tudi pri nosilcih Apoes4 v primerjavi z ne-nosilci [81]. Polimorfizem ApoE a4, skupaj s komponentami, povezanimi s proteoasomi, in miR-153-3p, se lahko uporablja kot označevalci plazme ali krvnega obtoka za ocenjevanje ranljivosti za kopičenje A in s tem povezano proteasomsko disfunkcijo med staranjem možganov, in hkrati za ocenjevanje nagnjenosti k razvoju patološke s starostjo povezane nevrodegeneracije in agregacije beljakovin, s čimer zagotavlja neinvazivno merilo za nosilce.

Za mišično atrofijo je značilna nenormalna razgradnja beljakovin po poti UPS [83].koliko cistanche vzetiV skeletnih mišicah sta mišični prstanec 1 (MuRF1) in mišična atrofija F-box (MAFbx)/atrogin-1 ubikvitinske ligaze E3, za katere se domneva, da sodelujejo pri vseprisotnosti substratov za razgradnjo s proteasomom 26S, pri čemer povečanje teh komponent UPS spodbuja atrofijo mišic [83]. Med mišično atrofijo pride do čezmerne ekspresije MuRFI in MAFbx/atrogina-1, medtem ko inhibicija teh komponent upočasni izgubo mišic [84,85].bioflavonoidiVeč študij je poudarilo vlogo miRNA pri uravnavanju izražanja MuRFl in MAFbx/atrogin-1. Pokazalo se je na primer, da miR-23a zavira translacijsko aktivacijo MuRFl in MAFbx/atrogina-1, kar preprečuje mišično atrofijo v mišjem modelu mišične atrofije, ki jo povzroča deksametazon [86].kaj je cistanchePoleg tega je bilo ugotovljeno, da povečana ekspresija miR-1, specifičnega za mišice, zmanjša ravni HSP70, zmanjša fosforilacijo AKT in vodi do aktivacije FOXO3, kar na koncu povzroči povečano regulacijo izražanja MuRFl in MAFbx/atrogin-1 med z deksametazonom povzročeno mišično atrofijo pri miših [87]. Zlasti po indukciji z deksametazonom miR-1 uravnava defosforilacijo in kasnejšo aktivacijo FoxO3a prek signalizacije HSP70/Akt, ki neposredno ali posredno zavira beljakovine, ki preprečujejo atrofijo mišic [87] V zadnjem času je inhibicija MuRF1 in MAFbx/ dokazano je, da transkripcija atrogina-1 izboljša izgubo mišic v skeletnih mišicah (natančneje mišicah gastrocnemius) 40-tednov starih miši, nagnjenih k pospešenemu staranju 8 (SAMP8), v primerjavi s staranjem primerljive starosti -pospešeno odporne miši (SAMR1) po stimulaciji z epigalokatehin-3-galatom (EGCG), katehinsko komponento v zelenem čaju, za katero je znano, da izboljšuje izgubo mišic [88]. Pokazalo se je, da EGCG zavira miostatin in poveča miR-486-5p, ki neposredno zavira fosfatazo in homolog tenzina (PTEN), s čimer poveča fosforilacijo Akt in povzroči zaviranje aktivnega FoxOla ter zaviranje MuRFl in MAFbx/atrogina{{ 25}} transkripcijo v skeletnih mišicah 40-tednov starih miši SAMP8 kot tudi v mioblastnih celicah C2C12 s poznim prehodom [88]. Ta študija je odkrila edinstveno intervencijo za izgubo mišic z uporabo komponente EGCC zelenega čaja za spreminjanje regulacije miRNA v procesu ubikvitin-proteasom in signalizaciji PI3K/Akt/FOXO v skeletnih mišicah. Pravzaprav te ugotovitve dokazujejo, da aktivacija UPS, povezana z miRNA, spodbuja atrofijo mišic predvsem prek ciljanja MuRFI in MAFbx/atrogin-1 v skeletnih mišicah.

7. miRNA kot UPR in regulatorji agregacije proteinov

V stresnih pogojih se napačno zvite beljakovine kopičijo v lumnu ER in izzovejo UPRER za razgradnjo teh beljakovin po treh ključnih poteh, in sicer ER kinaze, podobne proteinski kinazi (PERK), encima-1 alfa, ki zahteva inozitol (IRE-1o)/X-box vezavni protein-1 (XBP-1) in poti aktiviranja transkripcijskega faktorja 6 (ATF6)[890]. Aktivnost UPRFR se zmanjša med stresnimi pogoji ER pri staranju, medtem ko prekomerna ekspresija XBP-1 lahko poveča odpornost na stres ER in dolgoživost [89,90]. Na splošno je očitno, da ima UPRER funkcionalno vlogo pri staranju in življenjski dobi.

Poročali so, da miRNA bodisi neposredno modulirajo odziv na ER stres ali, nasprotno, podvržene regulaciji preko ER stresa [91]. Pravzaprav lahko senzorji stresa ER, in sicer PERK, neposredno uravnavajo ekspresijo miRNA, ki usklajuje pro- in anti-apoptotično signalizacijo pri stresu ER [92]. Na primer, miR-30c-2-3p prek signalizacije, ki jo posreduje PERK, vodi do zmanjšanja mRNA XBP-1, kar posledično spodbuja celično smrt v fibroblastih NIH-3T3 [92 ]Med ER stresom zmanjšana regulacija družine miR-106b-25 prek aktivacije PERK omogoča aktivacijo genov družine proapoptotičnega B-celičnega limfoma 2 (BCL-2), kot je npr. Bim, s čimer izzove apoptozo, ki jo povzroči ER-stres v celičnih linijah [93]. Znižana regulacija družine miR106b-25 in apoptoza, povzročena s stresom ER, je bila ugotovljena tudi v mišjem modelu ALS (mutant SOD1 G93A), ki povezuje to družino miRNA in njene tarče z nevrodegeneracijo pri ALS[93]. Nedavno so v kortikalnih in hipokampalnih nevronih miši po stimulaciji z napredovalo glikacijo končnih produktov govejega serumskega albumina (AGE-BSA) za induciranje ER stresa miR-24,-27b,{{ Ugotovljeno je bilo, da so 30}},-224,-290,-351 in -488 znižane, medtem ko je mRNA tarč UPR (Prk, Irela, Chop in Puma) so bile regulirane navzgor, kar kaže, da so te miRNA verjetni regulatorji UPR. [94] Z uporabo algoritmov za napovedovanje tarče miRNA so avtorji ugotovili, da je PERK tarča miR-24 in miR-488, Irelo pa miR{{ 40}},-124,-290,-351 in -488, Chop avtorja miR-224 in Puma avtorja miR-24,{{ 47}}b in -351 [94]. Po izpostavljenosti sladkorjem napredna glikacija proteinov povzroči interakcije med naprednimi končnimi produkti glikacije (AGE) in RAGE (receptorjem AGE), ki spodbuja kopičenje nenormalnih toksičnih proteinov, kasnejši celični oksidativni stres in ER stres [94]. Poleg tega so nekatere od teh miRNA našli tudi v študijah profiliranja izražanja pri nevrodegeneraciji, in sicer miR-27b, -124 in -488 [95], kar kaže, da so te miRNA lahko primerne označevalci staranja v obeh kontekstih. Kljub temu je treba neposredno vzročno zvezo med agregacijo beljakovin in disregulacijo miRNA še ugotoviti v kontekstu zdravega staranja in s starostjo povezane patološke nevrodegeneracije.

8. Beljakovine, ki vežejo miRNA, prav tako uravnavajo življenjsko dobo prek komponent mreže proteostaze

Številna poročila so pokazala, da proteini, ki vežejo miRNA, uravnavajo staranje s komponentami mreže proteostaze. Pri C. elegans je bilo na primer dokazano, da Argonaute, Dicer, Drosha in DGCR8/Pasha nadzorujejo staranje in dolgoživost [19,24,25]. Dokazano je, da Argonaute-1 (alg-1) spodbuja dolgoživost, Argonaute-2(alg-2) pa skrajša življenjsko dobo, kjer številni različno izraženi geni v mutantnem alg{{10 }} in alg-2 C elegans sta del signalne poti insulina/IGF-1 (IS) z regulacijo prek DAF. 16/FOXO [96]. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da je zlasti pri mutantih alg-1 faktor toplotnega šoka 1 (hsf1), transkripcijski faktor, ki je del stresnega odziva na toplotni šok, znižan [96]. Huntingtinove agregacijske celične kulture in mišji modeli ter post mortem vzorci bolnikov s Huntingtonovo boleznijo so prav tako pokazali, da se Argonaute-2(AGO2), osrednja komponenta RISC, ponovno lokalizira in kopiči v stresnih granulah ki se nahajajo v striatnih nevronih, ki izražajo mutirane Huntingtinove (mHTT) agregate, s čimer ovirajo pozno avtofagosomsko in lizosomsko fuzijo in hkrati vodijo do globalnega povečanja izražanja miRNA [31]. Vendar pa zaradi ponovne lokalizacije AGO2 in tvorbo kompleksov AGO2-miRNA v stresnih granulah, so avtorji ugotovili, da je celotna aktivnost miRNA, zlasti utišanje ciljev, ovirana v nevronih, ki izražajo mHTT [31]. V tem primeru je bilo dokazano, da beljakovinski agregati motijo ​​​​avtofagni očistek, ki spodbuja kopičenje AGO2 in spremembe v ravneh in aktivnosti miRNA, kar lahko povzroči poškodbo nevronov. Ti rezultati predstavljajo novo perspektivo, povzeto na sliki 2, ki poudarja vlogo s starostjo povezane agregacije beljakovin pri avtofagični disfunkciji, biogenezi miRNA in aktivnosti miRNA med staranjem sesalcev (slika 2).

preživetje nevronov z zmanjšanjem ranljivosti posebej za stres ER, ki ga povzroči tapsigargin, kar kaže, da je biogeneza miRNA prek Dicerja nevroprotektivna proti stresu ER. Znižanje regulacije Dicerja med staranjem lahko ogrozi biogenezo miRNA in vodi do akumuliranega ER stresa in nevrodegeneracije dopaminskih nevronov [9]. Inovativne tehnike sekvenciranja, kot sta s fotoaktivacijo ribonukleozidov okrepljeno zamreževanje in imunoprecipitacijsko (PAR-CLIP) sekvenciranje, so odkrile alternativne funkcije Dicerja v človeških celicah kot tudi v C.elegans, pri čemer se je pokazalo, da je Dicer vpleten v razgradnjo več strukturnih RNA, ki jih prej ni bilo mogoče zaznati z drugimi metodologijami [9]

Poleg tega lahko Drosha razcepi lasne strukture, ki so vgrajene v mRNA, jih destabilizira in tako neposredno nadzoruje izražanje mRNA. Pokazalo se je, da Drosha cepi mRNA za dejavnike diferenciacije, ki so temeljni za nevrogenezo [10]. Poleg tega naj bi se po virusni okužbi Drosha izvozila v citoplazmo, da bi cepila virusno genomsko RNA, da bi zatrla replikacijo virusa [101,102]. Do fosforilacije in jedrskega izvoza Drosha pride tudi po toplotnem šoku in oksidativnem stresu, kar poslabša biogenezo miRNA, ki jo posreduje Drosha [103]. Druga inovativna tehnika sekvenciranja, imenovana imunoprecipitacija in sekvenciranje s formaldehidnim zamreževanjem (fCLIP-seq), je odkrila, da Drosha cepi nekanonske substrate, ki izvirajo iz ne-miRNA loi, v kratke lasnice, pri čemer generirajo majhne RNA [104] Protokoli, ki uporabljajo PAR-CLIP in fCLIP lahko identificirati potencialne interakcije med beljakovinami, ki vežejo miRNA, in strukturnimi RNA v vzorcih tkiv in v kontekstu s starostjo povezanih bolezni [104]. Rezultati teh študij skupaj zagotavljajo nove raziskovalne poti za ciljanje komponent biogeneze miRNA za spremembo izražanja miRNA in morda novih ciljev mRNA, da bi povečali učinkovitost mreže proteostaze pri čiščenju toksičnih beljakovin in zmanjšali agregacijo beljakovin, povezano s starostjo.

9. Sklepi

Glavni cilj tega pregleda je bil zagotoviti podporne dokaze, ki temeljijo na nedavnih študijah, za vznemirljivo novo možnost, da lahko miRNA in do neke mere proteini, ki vežejo miRNA, neposredno uravnavajo proteostazo, ki je pomembna za podaljšanje življenjske dobe organizma, in lahko uporabiti tudi kot označevalce zdravega staranja tkiva za primerjavo z boleznimi, povezanimi s staranjem. Predvsem se zdi, da so ciljni geni miRNA v poteh razgradnje, povezanih s proteostazo, kot sta sistema UPS in ALP, zelo tkivno specifični v možganih in skeletnih mišicah sesalcev med staranjem v različnih modelih organizmov. Poleg tega je vloga regulacije miRNA pri s starostjo povezani disfunkciji mehanizmov razgradnje beljakovin in očistka postala še bolj očitna v nedavnih študijah možganov sesalcev in tkiv skeletnih mišic.kupi cistancheNa podlagi ugotovitev, ki dokazujejo regulacijo proteostaze, posredovane z miRNA med staranjem sesalcev, teoretiziramo, da bi morale prihodnje študije raziskati neposredno vzročno zvezo med agregacijo beljakovin in disregulacijo miRNA v kontekstu zdravega staranja in s starostjo povezane patološke nevrodegeneracije in atrofije mišic, ki so predstavljeni na sliki 2. Ker obstaja nekaj prekrivajočih se profilov miRNA, ki so spremenjeni v normalnem in patološkem kontekstu staranja, bi lahko bil potencial za modulacijo miRNA, zlasti povečanje ravni miRNA, ki ciljajo na očistek beljakovin in gene, povezane z avtofagijo, pomemben za prihodnost terapevtske strategije proti staranju.

Avtorski prispevki: konceptualizacija, SF,VM, ARS in MAS; pisanje—priprava izvirnega osnutka, SF; pisanje—pregled in urejanje, SF, VM., MF, AR, GM, ARS in MAS vizualizacija, SF in VM; viri, GM, A.RS.in MAS;nadzor, A.RS.in M.ASS, pridobitev financiranja, GM, ARS in MASSVsi avtorji so prebrali in se strinjali z objavljeno različico rokopisa.

Financiranje: To raziskavo sta financirala PORTUGALSKA FUNDACIJA ZA ZNANOST IN TEHNOLOGIJO (FCT) in FEDER (FUNDO EUROPEU DE DESENVOLVIMENTO REGIONAL) v okviru COMPETE2020, OPERATIVNEGA PROGRAMA ZA KONKURENČNOST IN INTERNACIONALNOST (POCI) (GenomePT: POCI-0145- FEDER-022184;MODROST: POCI-0145-FEDER-029843); MEDICIS(CENTRO-01-0246-FEDER-000018);in projekt "Piloto para an elaboration de uma estrategia e uma rede regional para a medicine personalized/precisao"Grant(CENTRO-08-5864-FSE{{9} }).

Raziskovalno enoto iBiMED podpira FCT (UID/BIM/04501/2020). SF in MF sta neposredno podprta z donacijami FCT (SFRH/BD/148323/2019 in SFRH/BD/131736/2017). A.RS.je podprt s posamezno pogodbo o pomožnih raziskavah CEEC (CEECIND/00284/2018).

Ta članek je izvleček iz Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 3232. https://doi.org/10.3390/ijms23063232 https://www.mdpi.com/journal/ijms