Способность к формированию дуплексов как фактор внутриклеточного распределения микроРНК

Введение. Регуляция содержания зрелых микроРНК (миРНК) в различных компартментах клетки – ядре (N) и цитоплазме (C) – позволяет контролировать возможность их участия в процессах РНК-опосредованной интерференции. Различные по структуре миРНК, процессинг которых осуществляется с разных предшественников (пре-миРНК), могут образовывать дуплексы между молекулами при наличии в них комплементарных последовательностей. Формирование таких дуплексов может рассматриваться как один из механизмов регуляции активности миРНК в отношении их таргетных матричных РНК (мРНК). Цель исследования – анализ распределения различных миРНК между ядром и цитоплазмой в зависимости от энергии образования дуплексов. Материалы и методы. Материалом для исследований послужили данные о содержании различных миРНК в ядре и цитоплазме в клетках 2 линий различного происхождения: 5-8F назофарингеальной карциномы (nasopharyngeal carcinoma, NPC) человека и постмитотических нейронов коры головного мозга серой крысы. Последовательности миРНК, используемые для анализа, были взяты из базы данных miRBase, версия 22. Биоинформатический анализ последовательностей миРНК для выявления молекул, способных образовывать дуплексы миРНК, и определения минимальной свободной энергии (minimum free energy, MFE) их формирования проводили c помощью программ RegRNA, версия 2.0, и RNAup. Результаты. Впервые проведен сравнительный анализ внутриклеточного распределения (соотношение N/C) различных миРНК в зависимости от энергии образования дуплексов. Результаты биоинформатического анализа данных секвенирования миРНК в клетках линии 5-8F NPC показали, что миРНК, способные образовывать высокоэнергетические, т. е. более стабильные, дуплексы, накапливаются в цитоплазме, в то время как низкоэнергетические дуплексы в клетках данной линии накапливаются в ядре (имеют большее значение N/C). Также показано отсутствие зависимости распределения N/C от ряда коротких мотивов, предположительно ассоциированных с ядерной локализацией для миРНК, способных образовывать высокоэнергетические дуплексы. Заключение. Выявленное обогащение пула цитоплазматических миРНК молекулами, способными образовывать более энергетически стабильные дуплексы, может представлять дополнительный механизм регуляции активности миРНК в отношении их таргетных мРНК (за счет секвестирования миРНК в цитоплазме в составе дуплексов, препятствующих взаимодействию миРНК с мРНК).

1. Катохин А.В., Кузнецова Т.Н., Омельянчук Н.А. МиРНК – новые регуляторы активности генов у эукариот. Вестник ВОГиС 2006;10(2):241–72.

2. Jeffriesa C.D., Fried H.M., Perkins D.O. Nuclear and cytoplasmic localization of neural stem cell microRNAs. RNA 2011;17(4):657–86. DOI: 10.1261/rna.2006511. PMID: 21363885.

3. Liang H., Zhang J., Zen K. et al. Nuclear microRNAs and their unconventional role in regulating non-coding RNAs. Protein Cell 2013;4(5):325–30. DOI: 10.1007/s13238-013-3001-5. PMID: 23584808.

4. Park C.W., Zeng Y., Zhang X. et al. Mature microRNAs identified in highly purified nuclei from HCT116 colon cancer cells. RNA Biol 2010;7(5):606–14. PMID: 20864815.

5. Villarroya-Beltri C., Gutiérrez-Vázquez C., Sánchez-Cabo F. et al. Sumoylated hnRNPA2B1 controls the sorting of miRNAs into exosomes through binding to specific motifs. Nature Communications 2013;4(2980):1–10. DOI: 10.1038/ncomms3980. PMID: 24356509.

6. Lai E.C., Wiel C., Rubin G.M. Complementary miRNA pairs suggest a regulatory role for miRNA: miRNA duplexes. RNA 2004;10(2):171–5. PMID: 14730015.

7. Liao J.-Y., Ma L.-M., Guo Y.-H. et al. Deep sequencing of human nuclear and cytoplasmic small RNAs reveals an unexpectedly complex subcellular distribution of miRNAs and tRNA 39 trailers. PLoS One 2010;5(5):1–14. DOI: 10.1371/journal.pone.0010563. PMID: 20498841.

8. Khudayberdiev S.A., Zampa F., Rajman M., Schratt G. A comprehensive characterization of the nuclear microRNA repertoire of post-mitotic neurons. Front Mol Neurosci 2013;6(43):1–19. DOI: 10.3389/fnmol.2013.00043. PMID: 24324399.

9. Huang H.Y., Chien C.H., Jen K.H., Huang H.D. RegRNA: an integrated web server for identifying regulatory RNA motifs and elements. Nucl Aci Res 2006;34. DOI: 10.1093/nar/gkl333. PMID: 16845041.

10. Gu X., Mooers B.H., Thomas L.M. et al. Structures and energetics of four adjacent G·U pairs that stabilize an RNA helix. J Phys Chem B 2015;119(42):13252–61. DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b06970. PMID: 26425937.

11. Mathews D.H., Disney M.D., Childs J.L. et al. Incorporating chemical modification constraints into a dynamic programming algorithm for prediction of RNA secondary structure. Proc Natl Acad Sci USA 2004;101(19):7287–92. DOI: 10.1073/pnas.0401799101. PMID: 15123812.

12. Chen P.S., Su J.L., Cha S.T. et al. miR-107 promotes tumor progression by targeting the let-7 microRNA in mice and humans. J Clin Invest 2011;121(9): 3442–55. DOI: 10.1172/JCI45390. PMID: 21841313.

13. Wong J.J., Ritchie W., Gao D. et al. Identification of nuclear-enriched miRNAs during mouse granulopoiesis. J Hematol Oncol 2014;7(42):1–15. DOI: 10.1186/1756-8722-7-42. PMID: 24886830.

14. Кушлинский Н.Е., Фридман М.В., Брага Э.А. Молекулярные механизмы и микроРНК в патогенезе остеосаркомы. Биохимия 2016;81(4):448–64.

15. Shu J., Xia Z., Li L. et al. Dose-dependent differential mRNA target selection and regulation by let-7a-7f and miR-17–92 cluster microRNAs. RNA Biol 2012;9(10):1275–87. DOI: 10.4161/rna.21998. PMID: 22995834.

16. Pitchiaya S., Heinicke L.A., Park J.I. et al. Resolving subcellular miRNA trafficking and turnover at single-molecule resolution. Cell Report 2017;19:630–42. DOI: 10.1016/j.celrep.2017.03.075. PMID: 28423324.

17. Korla K., Arrigo P., Mitra C.K. Promotors, toll like receptors and microRNAs: A strange association. Indian J Biochem Biophys 2013;50(3):169–76. PMID: 23898479.

18. Hwang H.W., Wentzel E.A., Mendell J.T. A hexanucleotide element directs microRNA nuclear import. Science 2007;315(5808):97–100. DOI: 10.1126/science.1136235. PMID: 17204650.

19. Wang B., Bao L. Axonal microRNAs: localization, function and regulatory mechanism during axon development. J Mol Cell Biol 2017;9(2):82–90. DOI: 10.1093/jmcb/mjw050. PMID: 27932485.