Funkcionalna raznolikost dolgih nekodirajočih RNA: Kako lokalizacija v celici in okolje določata vlogo nekodirajočih molekul

Uvod

Dolge nekodirajoče RNA so zelo dinamična in raznolika skupina nekodirajočih RNA, ki jih povezuje skupna dolžina, ki mora presegati 200 nukleotidov, in pomanjkanje bralnih okvirjev. Po funkciji in strukturi so lnc RNA zelo raznolika skupina molekul, zato jih težko opišemo z enostavnimi definicijami ali jih razdelimo v klasične skupine. Kljub pomanjkanju tradicionalnega zapisa informacij, pa najdemo lncRNA v vsakem kompartmentu v celici in človeški genom jih kodira več deset tisoč.

Prve študije so pokazale, da lncRNA lahko delujejo kot ogrodja za različne moleukle in da lahko združujejo proteine in nukleinske kisline v uporabne komplekse kot nekakšni posredovalci. Lahko delujejo tudi kot vodniki za encime, ki spreminjajo organizacijo kromatina. Ker so prve študije temeljile na statičnih metodah, so spregledali dinamičnost teh molekul in prilagodljivost njihove funkcije okolju, v katerem se nahajajo. Večino so indentificirali iz transkriptomov, zato njihova dejanska funkcija v organizmu še ni natančno znana ali pa je pomanjkljivo opredeljena.

Današnje novejše dinamične metode so omogočile indentifikacijo prilagodljivih in specifično odzivnih mehanizmov, kako lncRNA sprožijo močno specializiran in omejen regulatorni odziv. To omogoča dobro podlago za razvoj močno specializiranih in usmerjenih zdravil z minimalnimi stranskimi učinki v prihodnosti.

Funkcijska raznolikost in prilagodljivost

Funkcijo lncRNA ne definira le sekvenca nukleotidov. Njihova funkcija je odvisna od številnih posttranslacijskih sprememb in celičnega okolja, v katerem se nahajajo. Svojo funkcijo lahko prilagajajo okolju, glede na to kakšni so pogoji v nekem celičnem kompartmentu, in doseže različne regulatorne učinke. Tako lahko ima en transkript lncRNA več različnih učinkov, glede na to, v kakšnem okolju in pogojih se nahaja.

Primer molekule, katere funkcija je odvisna od pogojev, je NEAT1 ali »nuclear-enriched abundant transcript 1«, ki omogoča nastanek paraspekljev (»paraspeckles«) pod fiziološkimi pogoji. To so dinamični nukleoproteinski kompleksi, ki uravnavajo izražanje genov. Zadržujejo določene mRNA v jedru in tako preprečijo njihovo translacijo. Tako NEAT1 uravnava nihanja v izražanju genov ob fizioloških pogojih. Ko pa so celice dlje časa izpostavljene stresu ali patološkim stanjem, pa se vloga NEAT1 precej spremeni. Povečana raven NEAT1 vodi v povečano število paraspekljev in tako v rezistenco na kemoterapijo in poveča sposobnost delitve tumorskim celicam.

Primer molekule, katere funkcija se prilagodi glede na tip celic, pa je onkogena HOTAIR lncRNA. Prepiše se iz gena HOXC in različno asociira s proteini pri raku na dojkah in raku na jetrih. Pri raku na dojkah se s svojo 5' domeno veže na protein PRC2 in skupaj tvorita kompleks. Ta kompleks omogoči modifikacijo histona H3K27me3, kar vodi v utišanje metastaznih supresorskih genov. Na drugi strani pa se pri raku na jetrih vzpostavi drugačna struktura HOTAIR lncRNA in tako njen 3' konec interagira s histonskim encimom LSD1 in skupaj omogočita demetilacijo H3K4. To sproži akticacijo genov povezanih z epitelijsko-mezenhimskim prehodom.

Strukturna prilagodljivost

Funkcionalna raznolikost lncRNA je tesno povezana s strukturo. Podobno kot druge RNA tudi lncRNA tvorijo sekundarne in terciarne strukturne motive, kot so lasnične zanke, interne zanke, izbokline, psevdovozli, koaksialno zlaganje in G-kvadrupleksi. Vsak motiv omogoča specifične interakcije z drugimi molekulami. Pomembna lastnost lncRNA je strukturna dinamika, tj. sposobnost prehajanja med različnimi konformacijami glede na celični kontekst. Takšna fleksibilnost omogoča multivalentno vezavo različnih molekul na eno lncRNA, kar omogoča kompleksno regulacijo celičnih procesov. Zaradi lokalne fleksibilnosti in globalne organiziranosti je za preučevanje dinamične strukture lncRNA potrebno uporabiti več metod hkrati (npr. NMR, krio-EM, CLIP-seq). Obstajajo tudi računalniški pristopi za napoved strukture lncRNA, ki pa zahtevajo eksperimentalno validacijo.

V primeru lasničnih zank in izboklin se izpostavijo enoverižni deli, ki predstavljajo vezavna mesta za proteine z RRM- ali KH- domenami. Psevodozli in koaksialno zlaganje stabilizirajo strukturo in povezujejo oddaljene dele lncRNA, kar prispeva k nastanku funkcionalnih domen. G-kvadrupleksi ustvarijo planarno organizirane stukture, ki sodelujejo pri vezavi proteinov in regulaciji transkripcije.

Primer strukturne organizacije je lncRNA NEAT1, ki vsebuje veliko strukturiranih regij z veliko lasničnih zank, preko katerih vežejo proteine NONO in SFPQ. To omogoči fazno separacijo in tvorbo parapeg, ki regulirajo izražanje genov. lncRNA HOTAIR ponazarja koncept multivalentne vezave, saj ima na 5' koncu lasnične zanke, ki jih prepozna kompleks PRC2, ki metilira histone, medtem ko 3' konec interagira s kompleksom LSD1/CoREST, ki sodeluje pri demetilaciji.

Struktura je odvisna tudi od subcelične lokalizacije lncRNA in celičnega okolja. Čeprav posamezni strukturni motivi ni strogo vezani na določeno lokacijo, celični kontekst vpliva na stabilnost posameznih konformacij in s tem na funkcijo molekule. Na primer, nukleolarna lncRNA SLERT sodeluje pri regulaciji transkripcije ribosomskih genov preko interkacije z RNA helikazo. lncRNA RMRP vsebuje motiv interne zanke, ki omogoča vezavo proteinov, kot je HuR, ki regulira transport v citoplazmo. Nadajnji prenos v mitohondrij je dodatno odvisen od vezave proteinov, kot je GRSF1, ki prepozna motive bogate z gvanini.

Uporabnost in omejitve

Prav razumevanje raznolikosti in dinamičnosti lncRNA omogoča odkrivanje novih terpevtskih pristopov. Z uporabo dolgih nedoriajočijh RNA se lahko doseže kontekstno specifično delovanje pri minimalnih stranskih učinkih. Raziskujejo se različni pristopi, vključno z uporabo lncRNA, ki sodeluje pri tumorskih procesih, hipoksiji ali presnovnem reporgramiranju. V razvoju so tudi lncRNA stikala, regulirajo izražanje genov glede na celične pogoje.

Poleg izjemne uporabnosti danih molekul, obstaja več pomembnih omejitev. Strukture lncRNA celotne dolžine so slabo poznane, saj se pogosto analizira zgolj krajše fragmente. Poleg tega je omejeno razumevanje kinetike prehajanja med različnimi konformacijami in dinamike interakcij z RNA-vezavnimi proteini. Eksperimentalni pristopi pa lahko dodatno izkrivijo rezultate, saj se lncRNA v namen poskusa pogosto prekomerno izražajo v primerjavi s fiziološkim stanjem, zato je ključno preverjati funkcijo lncRNA v relevantnih pogojih.

Zaključek

lncRNA so dinamične regulatorne molekule, ki se odzivajo na spremembe celičnega okolja (hipoksija, pH, stres), delujejo različno odvisno od celičnega kompartmenta, imajo dinamično strukturo ter zelo veliko funkcij: od epigenetske regulacije do organziacije jedrnih struktur. Torej niso zgolj statični del celice, zato njihovo poznavanje nam odpira vrata v svet novih, specifičnih terpaij na osnovi RNA.