Nikola Szweda¹, Łukasz Łaczmański²

¹Katedra Chorób Wewnętrznych, Diabetologii i Nefrologii w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach
²Katedra i Klinika Endokrynologii, Diabetologii i Leczenia Izotopami, Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu

miRNA w cukrzycy typu 2

miRNA in type 2 diabetes

STRESZCZENIE

Cukrzyca to grupa chorób metabolicznych charakteryzująca się hiperglikemią, czyli podwyższonym stężeniem cukru we krwi, który wynika z defektu produkcji lub działania insuliny wydzielanej przez komórki β trzustki. Najczęstszą postacią cukrzycy jest cukrzyca typu 2, przejawiająca się zmniejszoną wrażliwością tkanek na insulinę. Na przestrzeni lat pogłębiono wiedzę na temat etiologii cukrzycy zarówno typu 1, jak i 2, dzięki czemu możliwe jest wdrożenie nowych technik leczenia oraz profilaktyki choroby. Niestety wciąż nie udało się wyodrębnić jednogenowego czynnika warunkującego powstanie tej choroby, więc uwaga naukowców coraz częściej skupia się na regulatorach ekspresji różnych białek metabolicznych, np. miRNA, które są jednym z ważnych czynników regulatorowych ekspresji. Pierwsze doniesienia o roli miRNA w metabolizmie organizmów zwierzęcych pochodzą z obserwacji mutantów miR-14 u muszki owocowej (Drosophila melanogaster). miRNA to jednoniciowe cząsteczki RNA o długości około 19–150 nukleotydów.

Jedna cząsteczka miRNA może pobudzać ekspresję kilku genów, hamować lub też jedne pobudzać, a inne hamować. MikroRNA regulują procesy sekrecji insuliny, różnicowanie się komórek β wysp trzustkowych, dodatkowo wpływają na metabolizm glukozy i lipidów.

Wszystkie te zagadnienia są potencjalnymi tematami dalszych badań. Rozwój wiedzy na temat miRNA i jej udziału w procesach chorobowych jest celem do obmyślenia strategii terapeutycznej, a tym samym wykorzystania w produkcji leków. Większość badań jest obecnie w początkowej fazie, jednak już wstępne wyniki są bardzo obiecujące.

Słowa kluczowe: cukrzyca, mikroRNA, leczenie, biologia molekularna

ABSTRACT

Diabetes mellitus is a group of metabolic diseases characterized by hyperglycemia, i.e. elevated blood sugar levels, which stems from a defect in production or action of insulin secreted by pancreatic beta cells. Type 2 diabetes, which involves reduced sensitivity of tissues to insulin, is the most common form of diabetes. Over the years knowledge concerning the etiology of both type 1 and type 2 diabetes was extended, which enabled implementation of new methods of treatment and prevention. Unfortunately, a monogenic factor conditioning the emergence of this disease still has not been isolated, hence scientists more often focus on regulators of expression of various metabolic proteins, e.g. miRNA, which are one of the more important factors regulating expression. First reports concerning the role of miRNA in metabolism in animal organisms come from observations of miR-14 mutants in fruit flies (Drosophila melanogaster). miRNA are single-stranded RNA molecules with a length of approx. 19–150 nucleotides.

A single miRNA molecule can excite expression of several genes, inhibit it, or excite some and inhibit others. MicroRNA regulates the process of insulin secretion, cellular differentiation of beta cells in pancreatic islets and additionally influence glucose and lipid metabolism. All these issues are potential subjects of further research. Expansion of knowledge concerning microRNA and its role in disease processes is a target for devising new therapeutic strategy, and therefore utilization in production of drugs. Most research is currently in its initial phase, but even preliminary results are highly promising.

Key words: diabetes, microRNA, treatment, molecular biology

Wstęp

„Cukrzyca jest chorobą przewlekłą, należąca do grupy chorób metabolicznych. Charakteryzuje się hiperglikemią wynikającą z defektu wydzielania i/lub działania insuliny” [1].

Cukrzyca typu 2 stanowi około 90% wszystkich przypadków zachorowań [2]. Jej główną przyczyną jest zmniejszona wrażliwość tkanek na insulinę połączona z występowaniem zaburzeń funkcji wydzielniczej komórek β trzustki. Jako choroba postępująca rozwija się w sposób utajony, jej pierwsze objawy są przeważnie niezauważalne, a rozpoznanie przez diabetologa może nastąpić nawet po kilku latach hiperglikemii [3]. Na rozwój cukrzycy typu 2 wpływają głównie czynniki środowiskowe, ale nie bez znaczenia są także genetyczne [4]. Faktem jest, że atakuje ona głównie osoby po 45. roku życia z nadwagą oraz problemami układu sercowo-naczyniowego [5].

W powstawaniu cukrzycy typu 2 biorą udział trzy podstawowe mechanizmy. Pierwszym z nich jest postępujące zaburzenie wydzielania insuliny przez komórki β trzustki. Kolejno wymienia się insulinooporność oraz wzmożoną produkcję glukozy w wątrobie [6].

Znaczące jest to, że ten typ cukrzycy występuje coraz częściej wśród dzieci i młodzieży. Na przestrzeni lat pogłębiono wiedzę na temat etiologii cukrzycy zarówno typu 1, jak i 2, dzięki czemu możliwe jest wdrożenie nowych technik leczenia oraz profilaktyki choroby [7, 8].

Ponieważ nie udało się wyodrębnić jednogenowego czynnika warunkującego powstanie tej choroby, uwaga naukowców coraz częściej skupia się na regulatorach ekspresji różnych białek metabolicznych, np. miRNA, które są jednym z ważnych czynników regulatorowych ekspresji. Pierwsze doniesienia o roli miRNA w metabolizmie organizmów zwierzęcych pochodzą z obserwacji mutantów miR-14 u Drosophila melanogaster. Charakteryzowały się powiększonymi kroplami lipidów w ciele tłuszczowym, które są jednym z ważniejszych miejsc gromadzenia tłuszczu u owadów z tego gatunku [9].

Do miRNA zalicza się grupę jednoniciowych, niekodujących, endogennych cząsteczek, o długości 19–150 nukleotydów. Główną funkcją miRNA jest potranskrypcyjna regulacja ekspresji różnych genów, która jest możliwa dzięki komplementarności sekwencji miRNA oraz mRNA [10, 11]. W wielu badaniach naukowych udowodniono, że miRNA odgrywają bardzo ważną rolę w organizmie, uczestnicząc w bardzo wielu procesach biologicznych, m.in. w onkogenezie, angiogenezie, apoptozie, podziałach komórkowych i różnicowaniu się komórek [12]. Jedna cząsteczka miRNA może pobudzać ekspresję kilku genów, hamować lub też jedne pobudzać, a inne hamować [13, 14]. Ponadto dość łagodne efekty obniżenia aktywności składników szlaku biogenezy miRNA sugerują, iż cząsteczki te charakteryzują się dość dużą stabilnością i długim czasem życia w komórce, co ogranicza możliwość zastosowania takiej strategii w krótkoterminowej terapeutycznej modulacji poziomu miRNA [15].

W wielu przeprowadzonych już badaniach naukowych sugeruje się, że miRNA mogą służyć jako czynniki diagnostyczne i prognostyczne w licznych schorzeniach, w tym diabetologicznych, w których zaburzona ekspresja konkretnych miRNA może być dowodem na patogenezę choroby lub też samą chorobę. Najświeższe badania informują o tym, że również izoformy miRNA krążące w surowicy mogą dobrze charakteryzować poszczególne zaburzenia diabetologiczne. Biorąc pod uwagę dostępność materiału do badań, procedury diagnostyczne, a także skrócenie czasu ich wykonania, potencjalnie może mieć to bardzo duże znaczenie we wczesnym wykrywaniu tego typu cukrzycy oraz w poznaniu jej mechanizmów pod względem molekularnym.

MikroRNA regulują procesy sekrecji insuliny, różnicowanie się komórek β wysp trzustkowych, dodatkowo wpływają na metabolizm glukozy i lipidów.

Wszystkie te zagadnienia są potencjalnymi tematami dalszych badań. Od wielu lat naukowcy poszukują zarówno genetycznych, jak i środowiskowych przyczyn występowania tego schorzenia.

Celem poniższej pracy jest ukazanie znaczenia mikroRNA w cukrzycy typu 2.

Biogeneza miRNA

Powstawanie miRNA jest kilkuetapowe (ryc. 1). Pierwszy z nich to transkrypcja, prowadząca do utworzenia transkryptu pierwotnego miRNA (pri-miRNA, primary miRNA). Następnie następuje obróbka posttranskrypcyjna pri-miRNA, przez co powstaje pre-miRNA. Procesy te zachodzą w jądrze komórkowym, by kolejno pre-miRNA zostało przeniesione do cytoplazmy. W dalszej kolejności w jej obrębie poddawane jest procesom prowadzącym do powstania dojrzałej, funkcjonalnej cząsteczki miRNA o długości około 20 nt [16]. Pierwotne transkrypty (pri-miRNA) tworzą połączone ze sobą struktury szpilek do włosów, na końcu 5’, charakterystyczne jest to, że zawierają one wiele pętli macierzystych oraz mogą mieć długość kilku tysięcy par zasad [17, 18]. Dwuniciowe struktury pri-miRNA są rozpoznawane przez białko jądrowe DGCR8 (Di George syndrome critical region gene 8), które jest związane z rybonukleazą Drosha (enzymem należącym do grupy RNaz III). Razem tworzą kompleks mikroprocesorowy, który bierze udział w obróbce pierwotnych transkryptów miRNA w jądrze komórkowym. W kompleksie tym DGCR8 przyłącza się do jednoniciowych końców pri-miRNA i orientuje katalityczną domenę rybonukleazy w taki sposób, aby ta mogła przecinać transkrypty i uwalniać struktury szpilek do włosów pre-miRNA o długości około 60–100 nukleotydów [19, 20]. W takiej postaci są one przenoszone do cytoplazmy przez transferazy: eksportyny 5 (Exp-5) [21–23]. W cytoplazmie obróbka pre-miRNA przez enzym Dicer (w wyniku jego aktywności w cytoplazmie powstają dwuniciowe dupleksy miRNA-miRNA) prowadzi do utworzenia dwuniciowej cząsteczki o długości około 20 nukleotydów [19, 23]. Kompleks biorący udział w wyciszaniu ekspresji genów to RISC (microRNA induced silencing complex), który zbudowany jest z białek i RNA. Jednoniciowe miRNA łączą się z kompleksem białkowym RISC, który zawiera m.in. Dicer. Powstaje aktywny kompleks RISC zawierający jednoniciowe antysensowne RNA [24]. Wyciszanie genów może odbywać się albo poprzez degradację określonego mRNA, albo w wyniku zahamowania translacji transkryptu. Cząsteczki miRNA są przyłączane do regionu 3’ nieulegającego translacji (3’UTR lub 5’UTR) docelowego mRNA [25, 26].

Rycina 1. Szlak biogenezy miRNA [zmodyfikowano 25]

Mimo ogromnego postępu w biologii molekularnej procesy związane z blokowaniem translacji nie zostały dokładnie poznane.

miRNA w cukrzycy typu 2

Z cukrzycą typu 2 związane są mikroRNA-375, mikroRNA-75, mikroRNA-29 i mikroRNA-122 [27, 28]. W pracach badawczych, głównie nad fizjologią ssaków, wykryto rolę miR-375, która kontroluje zależną od glukozy sekrecję insuliny przez regulację genu miotrofiny. Hamowanie tego konkretnego miRNA skutkuje zwiększeniem wydzielania insuliny. Ta cząsteczka jest w związku z tym brana pod uwagę jako cel dla rozwoju nowych strategii leczenia cukrzycy [28–30].

Zestawienie wszystkich mikroRNA w cukrzycy typu 2 oraz geny, których ekspresję regulują, przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. MikroRNA biorące udział w rozwoju cukrzycy typu 2 wraz z genami, których ekspresję regulują

Inne prace badawcze dostarczyły informacji o grupach miRNA w surowicy, które ulegają deregulacji w cukrzycy typu 2. Zostały oznaczone za pomocą metody łańcuchowej reakcji polimerazy w czasie rzeczywistym (real-time PCR; qPCR, quantitative polymerase chain reaction) i są nimi: miR-9, miR-29a, miR-30d, miR-34a, miR-124a, miR-146a i miR-375 [37].

Podsumowanie

Rozwój wiedzy na temat mikroRNA i jej udziału w procesach chorobowych jest celem do obmyślenia strategii terapeutycznej, a tym samym wykorzystania w produkcji leków. Większość badań jest obecnie w początkowej fazie, jednak już wstępne wyniki są bardzo obiecujące. Pokazują one opracowany profil izoform miRNA w surowicy oraz wytypowanie konkretnych izoform miRNA charakterystycznych dla chorych z cukrzycą typu 2. Dzięki dalszym badaniom będzie można lepiej zrozumieć podstawy molekularne rozwoju tej choroby cywilizacyjnej. Może to mieć przełożenie na zapobieganie rozwojowi cukrzycy typu 2. W niniejszej pracy zostały uwzględnione niektóre profile izoform miRNA występujące w surowicy chorych na cukrzycę typu 2.

Głównym założeniem zastosowania mikroRNA w leczeniu jest uzyskanie wpływu na kontrolę ekspresji białek. Istnieje wiele doniesień wskazujących na możliwość pośredniej modyfikacji ekspresji białek zaangażowanych w patogenezę różnych chorób. Uwzględnione w tej pracy badania naukowe potwierdzają fakt, że rodzina tych mikrocząsteczek ma wpływ na receptory, transkrypcje i sekrecje insuliny. Należy również pamiętać, że insulinooporność jest jednym z najważniejszych i najistotniejszych czynników rozwoju cukrzycy typu 2. Reasumując, istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że znaczenie mikroRNA w przewidywaniu rozwoju cukrzycy typu 2 znacząco wzrośnie.

Oświadczenie o konflikcie interesów

Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.

PIŚMIENNICTWO