Vloga tsRNA pri regulaciji celične smrti in razvoju bolezni

Uvod

tsRNA so majhni nekodirajoči fragmenti RNA, ki nastanejo s cepitvijo tRNA. tsRNA lahko najdemo tako v virusih, arhejah in bakterijah kot tudi v evkariontih, kar nakazuje, da imajo pomembno vlogo v različnih celičnih procesih. Količina tsRNA se v celici poveča ob celičnem stresu iz česar lahko sklepamo, da tsRNA omogoča hiter odziv celic na stresne situacije in je ključna pri ohranjanju ravnovesja v celicah. Ugotovili so, da tsRNA sodeluje pri utišanju genov, transkripciji in translaciji, epigenetskih procesih in celični smrti. Poznavanje vpliva tsRNA na programirano celično smrt in njeno vlogo v boleznih je ključno za odkrivanje potencialnih zdravil za raka ter kardiovaskularne in nevrodegenerativne bolezni.

Biosinteza tsRNA

tsRNA nastane s cepitvijo tRNA s specifičnimi endonukleazami na različnih mestih, odvisno od tkiva. tsRNA delimo v dve skupini: tiRNA in tRF. tiRNA so velike od 30 do 40 nukleotidov in nastanejo ob celičnem stresu z ribonukleazno cepitvijo zrele tRNA v antikodonski zanki. tRF so dolgi od 14 do 30 nukleotidov in nastanejo s cepitvijo koncev tRNA. Na sintezo tsRNA vplivajo modifikacije tRNA, ki lahko preprečijo delovanje ribonukleaz ali pa vplivajo na stabilnost tRNA. tRNA se lahko tudi sestavi nazaj iz dveh tsRNA. To se zgodi v bakterijah, če jedrni encim cepi tRNA na dve polovici. Polinukleotidna kinaza fosfataza sestavi tsRNA v tRNA/Hen 1 heteroteramer, cepitveno mesto pa se ojača z metilacijo.

Delovanje tsRNA

Odkrili so nov mehanizem utišanja genov, ki temelji na od Dicer-ja odvisnem tRF (količina tRF je manjša, če v celicah ni prisotnega encima Dicer). tsRNA se lahko veže na protein AGO2 in s parjenjem baz prepozna tarčno RNA. AGO2 cepi RNA in prepreči njeno translacijo. To se zgodi v jedru in ne vpliva na transkripcijo genov. Sintetična tsRNA bi lahko bila uporabna v terapiji za raka, saj lahko utiša več proto-onkogenih genov v rakavih celicah. Lahko bi jo uporabili tudi v zdravljenju osteoartritisa: interlevkin 1 beta spodbuja hondrocite, da proizvajajo tRF3003a, ki zavira ekspresijo gena JAK3 tako, da se veže na kompleks AGO2-GW182. Zmanjšana količina proteina JAK (tirozinska kinaza) povzroči nižjo ekspresijo provnetnega citokina interlevkina 6, s čimer bi lahko upočasnili napredovanje osteoartritisa. tsRNA lahko tudi upočasni iniciacijsko fazo translacije. Nekatere tsRNA lahko sprostijo iniciacijske faktorje z mRNA in tako inhibirajo translacijo. Prav tako lahko spodbujajo fosforilacijo iniciacijskih faktorjev kar povzroči oblikovanje stresnih granul in zastoj v translaciji. tsRNA se lahko povežejo tudi z ribosomalnimi podenotami na podoben način kot zrela tRNA. tRF lahko veže RNA-vezavne proteine, s čimer vpliva na stabilnost RNA. Tudi ta mehanizem bi lahko izrabili v zdravljenju raka – z uporabo tRF bi lahko inhibirali transkripcijo proto-onkogenov in s tem preprečili rast raka. Na interakcije med tsRNA in AGO proteini ali RNA-vezavnimi proteini vpliva več faktorjev: vrsta in izvor tsRNA, celično okolje in pogoji (v stresnih pogojih se tsRNA pogosteje vežejo z RNA-vezavnimi proteini in vplivajo na translacijo, medtem ko se v procesih utišanja genov tsRNA pogosteje vežejo z AGO proteini) ter lastnosti tarčne mRNA.

Vloga tsRNA pri reguliranju celične smrti

Apoptoza

tsRNA, predvsem tiRNA, igrajo pomembno vlogo pri uravnavanju apoptoze. Ob celičnem stresu encim angiogenin cepi tRNA, kar vodi v kopičenje tiRNA. Ti fragmenti se lahko vežejo na sproščeni citokrom c iz mitohondrijev ter preprečijo njegovo vezavo na apoptotski proteazni aktivacijski faktor 1 (APAF1). S tem zavirajo tvorbo apoptotskega kompleksa, preprečijo aktivacijo kaspaz ter tako zavirajo celično smrt. Na ta način tsRNA pomembno prispevajo k preživetju celic v stresnih pogojih.

Piroptoza

Piroptoza je oblika programirane celične smrti, ki se sproži v odgovor na okužbe ali poškodbe in je povezana z močnim vnetjem. Eden izmed fragmentov tsRNA, imenovan tRF3-Thr-AGT, vpliva na potek piroptoze pri akutnem pankreatitisu. Pri tej bolezni je raven tega fragmenta zmanjšana. Ko pa se raven tRF3-Thr-AGT umetno poveča, ta fragment zmanjša količino Z-DNA-vezavnega proteina 1 (ZBP1), ki sicer spodbuja vnetje. S tem se prepreči aktivacija inflamasoma NLRP3, zmanjša se aktivnost kaspaze-1, sprosti se manj vnetnih molekul in posledično pride do manjše piroptotske smrti celic.

Feroptoza

Feroptoza je oblika programirane celične smrti, odvisna od železa, ki povzroča lipidno peroksidacijo. Regulacija vključuje tako negativne (glutation peroksidaza 4) kot pozitivne regulatorje (NADPH), ki omejijo ali povečajo produkcijo reaktivnih kisikovih zvrsti. Vse več raziskav kaže, da pri tem sodelujejo tudi tsRNA, ki lahko spodbujajo ali zavirajo feroptozo. Primer tsRNA, ki spodbuja feroptozo, je tsRNA-5008a v srčnem tkivu. Po drugi strani tiRNA-Lys-CTT-003 zavira feroptozo in ima zato zaščitno vlogo pri poškodbi ledvic, povzročeni s cisplatinom. Vse te ugotovitve kažejo, da tsRNA pomembno prispevajo k uravnavanju feroptoze, saj imajo vlogo tako pri zdravju kot tudi pri napredovanju bolezni in zato predstavljajo potencialne terapevtske tarče.

Avtofagija

Avtofagija je glavni celični proces za razgradnjo in recikliranje znotrajceličnih komponent v lizosomih. Nekatere tsRNA, kot je tRNA-Cys-GCA, je pri gliomih znižana in regulira avtofagijo prek vezave na protoonkogen. Čeprav ima avtofagija zaščitno vlogo, lahko njena pretirana aktivnost poslabša nekatere bolezni, kot je travmatska poškodba možganov (TBI). Pri TBI fragment tRF zavira avtofagijo tako, da se veže na protein Rnf6, kar zmanjša poškodbo tkiva. Poleg tega se tsRNA lahko prenašajo v zunajceličnih veziklih. Primer je tsRNA-5006c, ki se prek veziklov prenese v celice aortne zaklopke in preko različnih signalnih poti modulira avtofagijo.

Vloga tsRNA pri razvoju in zatiranju raka

Raziskovalci so odkrili, da imajo tsRNA več bioloških funkcij pri diagnozi in nadaljnjem razvoju raka. Kot prvo, tsRNA lahko služijo kot biomarkerji. Zaradi svoje stabilnosti v telesnih tekočinah (npr. krvi, plazmi) in specifičnih sprememb v izražanju pri raku omogočajo zgodnje odkrivanje bolezni, prognozo in spremljanje učinkovitosti zdravljenja. Ugotovljeno je bilo, da tsRNA sodelujejo v ključnih tumorskih procesih (maligna proliferacija, metastaze, angiogeneza, metabolično reprogramiranje), zato so njihove ravni povezane s kliničnim stanjem bolnikov.

tsRNA, predvsem tRF, imajo pomembno vlogo ne le pri zgodnjem odkrivanju raka, temveč tudi pri njegovem razvoju in napredovanju. Nekateri tRF zavirajo rast in širjenje rakavih celic s tem, da tvorijo kompleks za utišanje RNA (RISC) skupaj proteinom argonaute 2 (AGO2), s katerim zavirajo tumorske signalne poti. Drugi tRF delujejo tako, da neposredno ciljajo onkogene in tako zavirajo rast tumorjev. Prav tako lahko tRF tekmujejo za vezavo na RNA-vezavne proteine (RBP), kar zmanjša stabilnost mRNA onkogenov in zavira širjenje rakavih celic. Nasprotno pa nekateri tRF spodbujajo rast tumorjev tako, da prek interakcije z AGO2 zmanjšujejo izražanje tumor supresorskih genov, kar poveča invazivnost rakavih celic. Prav tako lahko s podobnim mehanizmom zmanjšujejo izražanje drugih genov, ki zavirajo širjenje tumorjev, in tako prispevajo k razvoju bolezni. Poleg tega lahko s sodelovanjem s proteini, kot so HSPB1 (protein toplotnega šoka) preko sprememb v histonskih modifikacijah povečajo izražanje transkripcijskih faktorjev, kar spodbuja proliferacijo in razvoj tumorjev. Zaradi podobnosti z miRNA in zaradi naštetih mehanizmov predstavljajo tsRNA obetavne tarče za razvoj novih pristopov k zdravljenju raka.

Vloga tsRNA v nevrodegenerativnih boleznih

Pri nevrodegenterativnih boleznih pride do poškodb nevronov in razpada nevronskih mrež, pri čemer je nenormalna ekspresija nekaterih proteinov, kot so Tau, amiloid-ß, TDP-4, eden glavnih dejavnikov za začetek nevrodegenerativnih bolezni. Študije so pokazale, da tsRNA niso le naključni razpadni produkti, ampak imajo pomembno vlogo pri razvoju in napredovanju bolezni. Pri bolnikih s Parkinsonovo boleznijo so opazili posebne vzorce izražanja tsRNA v možgansko-hrbtenjačni tekočini, prefrontalni skorji in krvnem serumu, ki se razlikujejo od vzorcev izražanja zdravih oseb. V raziskavi, kjer so primerjali miške odporne in neodporne na senescenco, so ugotovili, da se več tRF-jev povezanih s formacijo sinaps izraža drugače. Ugotovili so tudi, da tDR deluje z inhibitorjem encima CaMKII in tako vpliva na vezavo encima na NMDAR receptorje in na regulacijo procesa LTP (long-term potentation), ki je v možganih ključen za učenje in spomin. Druga oblika tDR, se veže na mRNA za protein RPSA (ribosomal protein SA), in tako spodbuja sintezo nevrotoksičnega amiloid-ß peptida. Odkrili so tudi dve molekuli tiRNA, ki naj bi upočasnili razvoj bolezni ALS (amiotrofična lateralna skleroza). Molekuli tvorita g-kvadruplekse, ki se vežejo na protein YB-1, ki sodeluje pri organizaciji RNA, transkripciji in stabilizaciji mRNA. Posledično se zmanjša translacija, kar pomaga pri zaščiti nevronov.

Vloga tsRNA pri srčno žilnih obolenjih

Raziskave so potrdile, da so tsRNA vključene v razvoju številnih srčno-žilnih bolezni, kot so: ateroskleroza, srčna hipertrofija, srčno popuščanje, atrijska fibrilacija… Srčna ishemija se pojavi zaradi zmanjšanja pretoka krvi v koronarnih arterijah in pomeni, da srčna mišica ne dobiva dovolj krvi. Ko se kri ponovno vrne v srčno tkivo, nastane reperfuzijska poškodba, ki vpliva na metabolizem celice, disfunkcijo mitohondrijev in spremembe v citoskeletu, kar lahko vodi v celično smrt. Odkrili so, da molekula HC83, ki je tRF, pozitivno vpliva na funkcijo celic srčne mišice. HC83 se veže na dolgo nekodirajočo molekulo RNA, MIAT (angl. Myocardial Infarction Associated Transcript), ki zavira translacijo gena VEGFA (ang. Vascular Endothelial Growth Factor A) z vezavo na mRNA. S tem se upočasni proces obnove žil in poškodbe srca so večje. HC83 zmanjša izražanje MIAT, posledično se izraža VEGFA, kar poveča obnovo žil, zmanjšuje poškodbe tkiva in zmanjšuje smrt srčnih celic. Pri srčni hipertrofiji pride do zadebelitev ali hipertrofije vlaken in zmanjša se pretok krvi v srce. Vpliv tsRNA so opazovali v celicah, kjer so z izoproterenolom povzročili hipertrofijo. V tistih celicah je bilo izražanje tRF1 in tRF2 povišano, prav tako pa je bilo povišano izražanje markerjev hipertrofije. Dodaten test je potrdil da se je tRF1 vezal na 3' UTR regijo gena za protein Timp3, ki ima pomembno vlogo pri omejevanju rasti srčnih celic. V tem primeru tRF pripomore k prekomerni rasti celic. Pri hipertrofiji povzročeni z angiotenzinom II so opazili več tsRNA molekul, ki so imele zmanjšano ekspresijo, najučinkovitejša pri ublažitvi hipertrofije, pa naj bi bila tRF-21-NB8PLML3E. Raziskovalci še nimajo dovolj dokazov, da bi potrdili točno določen gen kot tarčo tRF-21-NB8PLML3E, predvidevajo pa, da sodeluje pri procesiranju ribosomov, s čimer se zmanjša nepravilna sinteza proteinov, ki bi spodbujali hipertrofijo. V primeru srčnega popuščanja so raziskovali vpliv tRF-Tyr-GTA-010 in tRF-Tyr-GTA-011. Ti dve molekuli ščitita srčne celice, saj ciljata gene povezane z transportom kalcijevih ionov, regulirata adrenergične in sfingolipidne signalne poti. tsRNA sodelujejo pri uravnavanju atrijske fibrilacije. Na primer, tsRNA-5008a spodbuja nastanek atrijske fibrilacije. Njena raven se poviša po indukciji z angiotenzinom II, kar dodatno pospeši razvoj bolezni. Deluje tako, da se s pomočjo proteina AGO2 veže na gen SLC7A11, ki je povezan s procesom feroptoze. Znižanje izražanja tsRNA-5008a zmanjša feroptozo, kar posledično zavira razvoj atrijske fibrilacije in vivo in in vitro.

Zaključek

tsRNA so šele v zadnjem času dobile vlogo pomembne regulatorne molekule, ki ima vpliv na razvoj številnih bolezni. Zaradi njihovega specifičnega izražanja pri posamezni bolezni, so obetavni biomarkerji in potencialne terapevtske tarče. Kljub velikemu napredku v zadnjem času pa ostajajo mehanizmi njihovega delovanja in regulacije precej neraziskani, kar nam odpira prostor za nadaljnje raziskave.

Viri

1.) Guo J, Chen X, Ren J, Wang Y, Wang K, Yang S. The Role of tRNA-Derived Small RNAs (tsRNAs) in Regulating Cell Death of Cardiovascular Diseases. Biology. 2025;14: 218. doi:10.3390/biology14020218

2.) Di Fazio, A.; Schlackow, M.; Pong, S. K.; Alagia, A.; Gullerova, M. Dicer Dependent tRNA Derived Small RNAs Promote Nascent RNA Silencing. Nucleic Acids Research 2022, 50 (3), 1734–1752. https://doi.org/10.1093/nar/gkac022.

3.)Chen, Q.; Zhang, X.; Shi, J.; Yan, M.; Zhou, T. Origins and Evolving Functionalities of tRNA-Derived Small RNAs. Trends in Biochemical Sciences 2021, 46 (10), 790–804. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2021.05.001.

4.) Zhou M, He X, Zhang J, Mei C, Zhong B, Ou C. tRNA-derived small RNAs in human cancers: roles, mechanisms, and clinical application. Mol Cancer. 2024;23: 76. doi:10.1186/s12943-024-01992-2

5.) Wang K, Liu C-Y, Fang B, Li B, Li Y-H, Xia Q-Q, et al. The function and therapeutic potential of transfer RNA-derived small RNAs in cardiovascular diseases: A review. Pharmacological Research. 2024;206: 107279. doi:10.1016/j.phrs.2024.107279