G. Sichel

microRNA
Cinzia Di Pietro
Dipartimento GF Ingrassia
Biologia, Genetica e Bioinformatica
G. Sichel
Università degli Studi di Catania
[email protected]
I MicroRNAs (miRNAs) sono dei piccoli RNAs non
codificanti (21 – 25 nucleotidi)
che regolano negativamente l’espressione genica a
livello post-trascrizionale.
Regolazione dell’espressione genica
miRNA
DIFFERENZE TRA TRASCRITTOMA E PROTEOMA
elettroforesi bidimensionale di proteine
Microarray di cDNA
Figure 7-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Riconoscono e si legano a sequenze localizzate nelle
regioni 3’ non tradotte (3’UTR) di specifici mRNAs ed
effettuano un meccanismo di “hetero-silencing”
degradando il messagero target o bloccando la
traduzione.
• Lo stesso miRNA può avere come bersaglio differenti
mRNAs;
• Differenti miRNAs possono avere come bersaglio lo
stesso mRNA.
WHAT IS A microRNA?
MicroRNAs (miRNAs) are endogenous ~22 nt long
RNAs that can play important regulatory roles
in animals and plants by targeting mRNAs for
cleavage or translational repression.
By this way they can influence the output
of many protein-coding genes.
[David P. Bartel, Cell, Vol. 116, 281–297, January 23, 2004]
La regolazione dell’espressione genica è alla
base della complessità cellulare
La complessità di un organismo non correla
necessariamente con il numero di geni
Create cellular complexity by differential genes expression
This form of combinatorial coding endows an organism with n genes to create, in
theory, 2n different cell-specific gene batteries.
This rationalization provides an easy explanation for the fact that the absolute
number of genes in a genome does not correlate with organismal complexity
Hobert (2004) TIBS
Hobert (2004) TIBS
La loro scoperta risale al 1993;
Il primo mi-RNA (lin-4) fu identificato in C.elegans.
Regola l’espressione di mRNAs coinvolti nello sviluppo
embrionale del nematode;
Successivamente furono ritrovati sia nelle piante che
negli animali
Oggi si ritiene che il numero complessivo di geni
codificanti per mi-RNA rappresenti circa lo 0.5-1% del
numero di geni codificanti per proteine
• Le sequenze nucleotidiche dei miRNA si sono conservate nel
corso dell’evoluzione;
• I loro geni possono essere localizzati sia in regioni intergeniche
che all’interno di geni di seconda classe (di solito in introni o in
esoni non tradotti;
• Molte volte troviamo cluster di geni;
•Vengono trascritti (RNA pol II) quindi in modo indipendente o
contemporaneamente al gene che li ospita;
•Subiscono un processo di maturazione sia nucleare che
citoplasmatico.
miRNA GENOMICS: INTERGENIC; INTRONIC; EXONIC AND…
Zhao Y and Srivastava D, 2007
microRNA BIOGENESIS
Il processo di maturazione dei miRNA è estremamente complesso
TRASCRIZIONE
Pri-miRNA
MATURAZIONE NUCLEARE
Pre-miRNA
TRASPORTO NEL CITOPLASMA
MATURAZIONE CITOPLASMATICA
miRNA maturo
Generalmente i geni codificanti per miRNA sono trascritti
nel nucleo dalla RNA-polimerasi II che dà vita a lunghi
trascritti, i pri-miRNA, che presentano il cap e la
poliadenilazione.
Questi ultimi vengono processati da un’RNasi III, Drosha,e
dal suo cofattore, Pasha. Si ottengono così trascritti di circa
70 nucleotidi, detti pre-miRNA
Successivamente le proteine RAN-GTP ed exportin 5
trasportano i pre-miRNA dal nucleo al citoplasma.
Un’altra RNasi III, Dicer, li processa per generare molecole
di RNA duplex di circa 22 nucleotidi.
Queste molecole vengono caricate nel complesso
miRISC(miRNA-associated multiprotein RNA-induced
silencing complex).
I miRNA maturi a singolo filamento vengono poi mantenuti
all’interno del complesso.
I miRNA possono avere due modi diversi d’agire a seconda
della complementarietà che vi è tra il miRNA e il suo target.
Complementarità perfetta: degradazione dell’mRNA.
Complementarità imperfetta: blocco della traduzione.
Il ruolo biologico dei miRNA è associato al ruolo dei loro mRNA target
Fraction of
miRNA target
Ligands
9.1% (3/33)
Cell-surface
receptors
31.2% (122/391)
Intracellular central
signaling proteins
18.8% (15/80)
Nuclear proteins
50.0% (19/38)
Cui Q. er al, 2006 modified
MAIN FUNCTIONS OF miRNAs
• Cell proliferazion;
• Cell death;
• Fat Metabolism
In Flies
(Brennecke et al., 2003; Xu et al., 2003)
• Neuronal patterning
In Nematodes
(Johnston and Hobert, 2003)
• Modulation of Hematopoietic
Lineage differentiation
In Mammals
(Chen et al., 2004)
• Control of Leaf and Flower
Development
In plants
(Palatnik et al., 2003)
microRNA FUNCTIONS: SOME EXAMPLES
miR-125b CONTROLS PROLIFERATION OF DIFFERENTIATED CELLS;
miR-181 IS INVOLVED IN THE DIFFERENTIATION OF
MAMMALIAN HAEMATOPOIETIC CELLS TOWARDS THE B-CELL
LINEAGE;
miR-375 IS INVOLVED IN MAMMALIAN PANCREATIC ISLET-CELL
DEVELOPMENT AND IN THE REGULATION OF INSULIN SECRETION;
miR-143 IS INVOLVED IN MAMMALIAN ADIPOCYTE DIFFERENTIATION;
miR-1 PARTICIPATES IN MAMMALIAN HEART DEVELOPMENT
Dal ruolo biologico al coinvolgimento in patologie
Correlation analysis between DNA copy number alteration and miRNA expression.
Zhang L et al. PNAS 2006;103:9136-9141
Correlation analysis between DNA copy number alteration and miRNA expression. (A–C) Expression of mature miRNA transcripts (by
TaqMan miRNA assay) and DNA copy number of loci containing the specific miRNA (by aCGH) in 16 ovarian cancer cell lines. (A) Higher
magnification of mir-15a and mir-15b maps. Each spot represents a cell line. Expression levels of mature miRNA transcripts are
presented in the upper lane as a heat map in 16 cell lines. DNA status is presented in the lower lane (red, DNA copy number loss;
green, DNA copy number gain). Cell lines are ranked based on DNA status (leftmost, amplified; middle, normal; rightmost, deleted
gene copy). (B) miRNA genes (n = 57) showing concordance between DNA copy number alterations and miRNA transcript expression.
(C) miRNA genes (n = 21) showing no concordance. (D) Comparison of miRNA aCGH data from the present tumor set with expression
data of 28 miRNAs overexpressed in a different breast cancer set, as reported by Iorio et al. (50). miRNA genes with normal DNA copy
number are marked in gray; gains are marked in green, and losses in red. miRNA transcript overexpression (relative to normal breast)
is marked in pink; underexpression (relative to normal breast) is in blue (50).
©2006 by National Academy of Sciences
microRNAs CAN FUNCTION AS TS AND OG
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I miRNA sono presenti in diversi fluidi biologici.
La loro espressione correla con specifici fenotipi patologici.
Possono essere utilizzati come biomarcatori non invasivi di patologie.
Possono essere utilizzati a scopo terapeutico.
The MicroRNA Spectrum in 12 Body Fluids,
Clinical Chemistry (2010)
Jessica A. Weber,1 David H. Baxter,1 Shile Zhang,1 David Y. Huang.
Possono essere liberati da una cellula dopo lisi
Possono essere secreti mediante:
Microvescicole (> 100 nm)
Esosomi (<100 nm)
DIAGNOSI
Analizzando il loro profilo di espressione nel siero di pazienti
e paragonandolo con controlli sono stati trovati
miRNA up o down regolati specificatamente in determinate patologie.
Possibilità di utilizzarli come marcatori precoci, non invasivi di patologie
oppure
come marcatori di risposta a determinate terapie farmacologiche.
TERAPIA
Possibilità di inserire in particolari vettori e veicolarli in cellule bersaglio:
miRNA sintetici (nel caso di miRNA specificatamente down-regolati)
Antogomir (nel caso di miRNA specificatamente up-regolati)
Tecniche di laboratorio