Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2006; 2006: (más artículos en esta revista)

Hipótesis: un papel para X Frágil retraso mental proteína en la mediación y el alivio de Micro RNA-guiado traslacional represión?

Hindawi Publishing Corporation
Plante Isabelle [1, 2], Patrick Provost [1, 2]

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Resumen

Micro RNA (los genes miARN) guiada por ARN mensajero (ARNm) traslacional represión que se cree que es mediada por efector que contienen los genes miARN ribonucleoprotein (miRNP) complejos de X frágil que alberga el retraso mental de proteína (FMRP). Estudios recientes documentan el ácido nucleico propiedades de chaperón FMRP y caracteriza su función e importancia en silenciamiento de ARN en células de mamífero. Proponemos un modelo en el que FMRP podría facilitar el montaje en los genes miARN objetivo mRNAs en un proceso que incluya el reconocimiento de las estructuras G cuarteto. Funcionamiento dentro de un duplex miRNP, FMRP también pueden mediar mRNA de orientación a través de un mecanismo de intercambio de capítulo, en el que la * de los genes miARN el dúplex es intercambiada por el ARNm. Por otra parte, FMRP puede contribuir a las actividades de socorro de los genes miARN guiada por la represión del mRNA a través de un intercambio invertir capítulo reacción, posiblemente iniciado por una señal celular, que sería liberar el ARNm para la traducción. La utilización subóptima de miRNAs puede, pues, cuenta para algunos de los defectos moleculares en pacientes con el síndrome de X frágil.

El guiado por Mirna ARN silenciar las máquinas y las enfermedades

MicroRNAs (miRNAs) son pequeños ~ 21 - a 24 nucleótidos (nt) RNAs que median ARN mensajero (ARNm) de traducción a través de la represión de reconocimiento específico en parte complementarias sitios de unión normalmente se encuentra en el 3 'nontranslated región (NTR). Ellos son generados por los sucesivos procesamiento de tallo-bucle estructurado miRNAs primaria (pri-miRNAs) y los genes miARN precursores (pre-miRNAs) de la ribonucleases (RNases) Drosha III [1] y Dicer [2 - 4], respectivamente, tal como fue revisado en esta cuestión de Ouellet et al [5]. Codificada por 1-5% del genoma en eucariotas, miRNAs pueden regular más del 30% de los genes en los seres humanos [6, 7]!

Inauguración de la complejidad del proceso, estudios recientes han identificado nuevos componentes de las proteínas participan en los genes miARN guiada por silenciamiento de ARN, como el síndrome de DiGeorge región crítica, 8 (DGCR8) [8 - 11], transactivating respuesta (TIE) RNA-proteína de unión (TRBP) [12 - 15], X frágil y retraso mental proteína (FMRP) [16, 17]. Curiosamente, estas proteínas accesorias, que son necesarios para el funcionamiento óptimo de la vía, están relacionados con enfermedades humanas específicas. Así pues, además de la nueva relación causal entre miRNAs defectuosos y las enfermedades humanas, tal como fue revisado en Ouellet et al [5] y Perron et al [18], algunos trastornos genéticos también pueden estar relacionados con el mal funcionamiento de los mecanismos implicados en la biogénesis y los genes miARN función.

DGCR8 fue identificado en Drosha immunoprecipitates que resultaron ser necesarios para la óptima pri-genes miARN procesamiento [10]. Ambas actuando en el microprocesador complejo [10], DGCR8 se ha propuesto para guiar Drosha sustrato en el reconocimiento [11]. Clínicamente, los pacientes con un monoallelic comunes que afectan a la supresión de genes DGCR8 mostrar fenotipos define como el síndrome de DiGeorge, con manifestaciones tales como cardiopatías congénitas, apariencia facial característica, inmunodeficiencia, problemas de comportamiento y [19, 20]. La posibilidad de que el síndrome de DiGeorge es causada por un perturbado Drosha función y / o pri-genes miARN tratamiento es atractivo, pero aún no se ha establecido.

En cuanto a TRBP, que fue identificado por el análisis proteómico de Dicer immunoprecipitates e informó a ayudar Dicer funcionar dentro de un pre-procesamiento de los genes miARN complejo [12, 13]. Inicialmente identificadas en 1991, TRBP se caracterizó como un factor celular que actúan en sinergia con la proteína viral Tat transactivation en el largo de la terminal de repetir el virus de inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1), dando lugar a la transcripción de genes virales [21]. TRBP puede desempeñar un doble papel en HIV-1 RNA patogénesis y silenciar, como se discutió recientemente [22].

Dos grupos independientes al mismo tiempo informó de una posible relación entre la Drosophila FMRP ortholog (dFMR1) y el ARN de interferencia (RNAi). dFMR1 se encontró asociado con el efector ARN inducida por silenciar complejo (RISC), así como miRNAs en células Drosophila S2 [16, 17]. En células de mamíferos, FMRP se informó a ser parte de un ribonucleoprotein (RNP) con complejos Argonaute 2 (Ago2) y miRNAs [23]. Estos hallazgos sugieren un posible vínculo entre la pérdida de FMRP en función de los genes miARN guiado silenciamiento del ARN y el síndrome de X frágil.

FMRP como un regulador de la traducción

En los seres humanos, el FMR1 (retraso mental frágil 1) gen, que se extiende por ~ 38 kb en la región q27.3 situado en la punta del cromosoma X brazo largo, codifica un mRNA de 3,9 kb ~ compone de un 0,2 kb ~ 5 ' NTR, un 1,9 kb codificación región, y un 1,8 kb 3'NTR [24]. La pérdida del gen FMR1 producto FMRP es el factor etiológico del síndrome de X frágil, la causa más frecuente de retraso mental heredado [25, 26]. Afecta aproximadamente 1 de cada 4000 varones, que se desarrollarán en casi todos los casos de moderada a grave retraso mental (CI ≤ 50), y aproximadamente 1 de cada 7000 mujeres, que en general una leve discapacidad mental [24].

FMRP se ha detectado en prácticamente todos los tejidos en los seres humanos y roedores, con altos niveles en el cerebro, los testículos, esófago, pulmón, riñón y [27]. La capacidad de FMRP de obligar a RNA, que fue sugerido por la presencia de K-homología (KH) dominios y un cuadro de RGG encontrados en varias ARN-proteínas de unión, fue confirmado experimentalmente [28, 29]. FMRP se asocia con la traducción de polyribosomes en las células neuronales [30, 31] y los actos, en los niveles más altos, como un regulador negativo de la traducción in vitro e in vivo [32 - 34].

Los estudios experimentales han documentado la participación de FMRP en la traducción de control. Cuando preincubated con mRNAs, FMRP conduce a la inhibición de la traducción de inhibición in vitro tanto en el conejo reticulocitos lisado sistema e in vivo después de la microinyección en ovocitos de Xenopus [32, 33]. En Drosophila, la proteína dFMR1 se informó a down-regulación de la expresión de la proteína futsch [35]. Expresión de los altos niveles de FMRP resultados en la represión de genes reportero transfectadas cultivadas en células de mamífero [34]. FMRP Aunque se ha demostrado que interactúan con mRNAs y para inhibir la traducción, su función exacta y la función no están claros.

Más recientemente, utilizando la proteína recombinante, Gabus et al [36] han demostrado que la FMRP de ácido nucleico posee propiedades chaperón, arrojar nueva luz sobre el mecanismo principal por el cual FMRP puede regular la expresión génica. Observaron que FMRP podría Anneal o transferencia de ADN de TIE capítulos que son perfectamente complementarios in vitro. El examen de estas actividades en un martillo ribozyme modelo de sistema, los autores observaron que FMRP mayor ribozyme división de un sustrato de ARN. El KH motivos y RGG caja se encontraron a ser importante para la óptima actividad chaperón [36]. Estos hallazgos sugieren que la FMRP podrá regular la traducción al actuar sobre el estado estructural de mRNAs.

¿Son estos ácidos nucleicos chaperón de propiedades compatibles con FMRP, y la correspondiente a un determinado contexto celular o proceso de reglamentación, tales como los genes miARN guiada por silenciamiento de ARN?

Un papel para FMRP a Mirna guiada por silenciamiento de ARN?

En Drosophila S2 células, ARNm-cleaving complejos RNP se han encontrado para contener dFMR1 [16, 17], así como un único capítulo siRNA [37, 38]. Grupos independientes han demostrado que el objetivo división dirigida por un solo hundidos (ss) siRNAs se apoya en los extractos de células HeLa [39, 40], a partir de la cual un ser humano que contengan RISC ss siRNAs se caracterizó [40]. En células de mamíferos, FMRP se informó a ser parte de una que contiene los genes miARN-RNP (miRNP) complejos que contienen Ago2 [23]. De este modo, aunque los mamíferos y de moscas de ARN-silenciamiento mecanismos difieren sustancialmente, es posible que comparten dos características en común: un complejo RNP ssRNA que contiene una especie y un miembro de la familia X frágil de las proteínas.

¿Cómo miRNAs y ss siRNAs son utilizados por el efector RNP complejos para el reconocimiento y la orientación de mRNAs regulables sigue siendo poco conocido. Sin embargo, en lugar de ser el resultado de una hibridación de reacción pasiva, formación de un genes miARN: mRNA o ss siRNA: mRNA transición compleja es más probable que sea facilitada por un componente de la miRNP o siRNP complejos. Capaz de promover el ARN plegables y la hibridación, FMRP representa la más interesante y valiosa de proteínas candidatos.

FMRP Mirna facilita el montaje en objetivo mRNA

Verificamos esta posibilidad y demostraron que FMRP humano puede actuar como un aceptor de genes miARN proteína Dicer y para facilitar el montaje de miRNAs específicos en las secuencias de ARN (véanse los cuadros 1 y 2] [41]. En estos ensayos, FMRP mostrado una preferencia por el montaje imperfecto emparejado los genes miARN: mRNA dúplex, que es la situación más frecuente encontrado en mamíferos. Los genes miARN ensamblador propiedad de FMRP se derogó debido a la supresión de su ARN vinculante KH dominios [41]. De acuerdo con estos resultados, reportero de silenciamiento génico ensayos apoya la participación de FMRP en un ss siRNA que contienen RNP (siRNP) efector complejo y se puso de manifiesto su exigencia para la óptima RNAi cultivadas en células de mamífero [41]. Estos datos sugieren que el FMRP pueden funcionar como el ensamblador en los genes miARN silenciamiento del ARN.

FMRP pueden intercambiar genes miARN * / mRNA capítulos

Recientemente, electroforesis en gel de nativos dio a conocer los diferentes complejos que contienen RNP siRNA duplex en Drosophila [37, 38], llevando a los autores a proponer una asamblea siRNP régimen compatible con la conversión de doble hundidos (DS) siRNP en siRNP ss. mRNA división actividad sólo puede ser correlacionado con el complejo este último [37]. siRNA ARNm inducida por división y guiada por los genes miARN traslacional represión puede ser mediado por diferentes RNP complejos y difieren mecánica. Si ss siRNPs inducir mRNA división, ¿qué pasa con los complejos que median la inhibición de la traducción? ¿SsRNA que contienen o dsRNA, como los genes miARN duplex? De hecho, duplex RNA-que contienen RNPs puede ser más que los precursores de ssRNA que contienen RNPs. Pueden ser funcionalmente importante en el silenciamiento del ARN. Ya sea que están involucrados en los genes miARN guiada por la represión de traducción no se ha abordado hasta el momento.

Sin embargo, esto requeriría de la resolución "en tres vertientes" enigma, que plantea la orientación de un ssRNA de dsRNA especies. En ese contexto, la formación de un determinado los genes miARN: mRNA transición compleja de los genes miARN uno: los genes miARN * dúplex y su objetivo parece ARN como obligatoria. Curiosamente, FMRP humano puede hacer eso! Hemos observado que FMRP puede aceptar y utilizar los genes miARN: los genes miARN * duplexes, generado a Dicer tratamiento de pre-miRNAs, para favorecer los genes miARN: mRNA complejo a través de una formación de los genes miARN * / mRNA capítulo intercambio de reacción [41], como se ilustra en la Figura 1. En conjunto, estas observaciones sugieren que la FMRP podría facilitar la orientación de mRNA actuando (i) como un ensamblador en los genes miARN ssRNA que contienen RNPs, y (ii) como los genes miARN * / mRNA capítulo intercambiador en duplex RNA-que contienen complejos RNP efector.

Es FMRP que participan en el alivio del mRNA represión?

Reversibilidad es una diferencia fundamental entre siRNP mediada por mRNA división o miRNP guiada traslacional represión. Si mRNA integridad estructural y funcional se conserva, silenciado mRNAs podría ser traducido de nuevo, mientras que degradadas mRNAs no podía. En Drosophila, el RISC media división de los ARNm objetivo, y es de suponer que regenerada, lo que permite repetidos ciclos de inactivación del mRNA y de amplificación del fenómeno [43]. En contraste con la situación más frecuente en las moscas y plantas, mamíferos mRNAs son principalmente y en primer lugar sometido a miRNP inducida por la represión de traducción antes de su traslado a focos específicos frente al citoplasma, denominado transformación (P-órganos) [44, 45] o GW182 que contienen organismos (GW-órganos) [46], donde se produce la degradación del ARNm. Esta secuencia de eventos se apoya en un estudio reciente que revela que mRNAs que contienen los genes miARN parcial sitios complementarios son finalmente dirigidos por la degradación in vivo, como, por ejemplo, la lin-41 mRNA: dejar que los genes miARN-7 tándem [47].

P-¿órganos creados en virtud de representar la singularidad y el destino final de los genes miARN-reprimidos mRNAs celulares? ¿Pueden estos mRNAs ser impedido de llegar a su destino final? ¿Hay un determinado carácter estructural o funcional punto de no retorno, por delante de mRNAs que podría ser redirigido hacia el mecanismo de traducción? La mayoría de interesante, puede escapar de mRNAs y regreso "seguro" de la categoría P-organismos y ser usado de nuevo para la síntesis de proteínas? En estos casos, la participación de una proteína tener la capacidad de lanzadera entre compartimientos celulares que cabe esperar.

miRNPs pueden percibirse como traslacional "cerraduras" y contribuir a preservar mRNA integridad estructural y funcional hasta que necesita ser traducido de nuevo. El alivio de los genes miARN guiada por la represión translacional puede, pues, representan un posttranscriptional control de la expresión de genes relevantes para las situaciones en que las proteínas específicas deben ser expresadas en cuestión de minutos en determinadas circunstancias, tales como las condiciones de estrés celular. El mecanismo exacto y la duración de los genes miARN inducida por la represión de un determinado mRNA siguen sin estar claros en este punto. Además, la información solicitada no está disponible actualmente en cuanto a cuánto tiempo el ARNm se pueden almacenar cuando complejos con miRNPs. Sin embargo, si la represión de los genes miARN mRNAs puede ser relevado, es probable participación de un planteamiento coordinado y regulado el desmontaje de los genes miARN: mRNA complejos, un proceso probablemente ejecutado por un componente de miRNPs, como FMRP.

FMRP puede actuar como un interruptor molecular en Mirna guiada por silenciamiento de ARN

¿Cómo pueden los genes miARN represión ser relevado? Se podrán ser presentadas a la desestabilización de miRNP vinculante para los reprimidos ARNm, inducida por desconocidos señales celulares o los factores, lo que la disociación de los genes miARN: complejo ARNm (véase la figura 2]. Si las diferencias en el capítulo complementariedad de los complejos puede contribuir o basta para producir esta reacción hacia atrás requiere una investigación más a fondo.

Otra posibilidad es que el filamento del RNA intercambio de propiedades FMRP podrán participar a aliviar la represión de los genes miARN, en una reacción posible participación de los genes miARN *, cuyo destino y la función siguen siendo obscur. Un estudio reciente realizado por Matranga et al [48] mostró que el siRNA de pasajeros de la línea duplex es exfoliados de Ago2 en Drosophila embrión lisados. Sin embargo, los autores mostraron que los pasajeros de la línea división no es importante para la incorporación de miRNAs que se derivan de duplexes coincidentes [48]. Estas observaciones plantean la siguiente pregunta: ¿miRNAs * desempeñan un papel importante en el silenciamiento de ARN?

La posibilidad de que los genes miARN * podría ser utilizado por FMRP como un recambio de ARN para el ARNm para ser relevado de los genes miARN la represión, como se ilustra en la Figura 2, es plausible y atractiva. Caracterizado como un chaperón [36], FMRP podría obligar a una o más moléculas de ácido nucleico y promover la formación de la estructura más estable, sobre la cual la continuación de su unión es que ya no sean necesarias para mantenerlo [36, 49, 50]. Los resultados de nuestro estudio anterior [41] sugieren que los genes miARN: mRNA complejo es más estable que los genes miARN: los genes miARN * dúplex. Se postula que el desconocido señales celulares o los factores que pueden ayudar a FMRP en la ejecución de un capítulo de intercambio inverso de la reducción de la termodinámica umbral requerido. Los genes miARN * puede facilitar aún más este proceso al proporcionar una adecuada secuencia específica de ARN plantilla. La reacción sería liberar el ARNm para la traducción y conducir a la reconstitución de un duplex miRNP, teóricamente disponibles para posteriores rondas de mRNA reglamento.

Un papel para FMRP DEPHOSPHORYLATION en ARN silenciar?

FMRP pueden funcionar como un dispositivo moleculares que regulan la traducción del mRNA de los genes miARN óptima que permite el montaje o desmontaje en respuesta a determinadas señales celulares o factores. Postraduccional modificaciones, como fosforilación / dephosphorylation eventos, podrá regular FMRP en función de silenciamiento del ARN, lo que permite, por ejemplo, para cambiar entre el progreso (en) e invertir (frente a) los modos de intercambio filamento del RNA. Drosophila FMR1 es fosforilados por la caseína quinasa II a serina 406 (Ser406), el cual es altamente conservadas X frágil entre los miembros de la familia de varias especies [51]. Estos residuos se encuentra muy cerca de la caja y RGG corresponde a Ser499 [52] o Ser500 [51] (dependiendo de la numeración de aminoácidos) en humanos FMRP, que también fue encontrado para ser fosforilados in vivo. Fosforilación upregulated dFMR1 oligomerización, mejorando así el ARN vinculante propiedades de la proteína [51]. En contraste con la Drosophila ortholog, el estado de fosforilación de mamíferos FMRP no haya influido en su asociación con determinados mRNAs in vivo [52]. Los autores, sin embargo, encontró que unphosphorylated FMRP se asocia con la traducción de polyribosomes activamente, mientras que una fracción de fosforilados FMRP se asocia con aparentemente estancado polyribosomes [52]. Estos datos sugieren que la liberación de FMRP inducida traslacional represión que puede conllevar un dephosphorylation señal [52].

FMRP puede ser un factor determinante de Mirna: mRNA especificidad

La presencia y la importancia de FMRP en el efector miRNP complejos puede explicar la razón por la FMRP se encuentra asociada con varios cientos de diferentes mRNAs [53]. Será interesante ver qué proporción de estos mRNAs obligado por FMRP [53, 54] es validada experimentalmente y fisiológicamente relevantes genes miARN objetivos. Utilizando un enfoque bioinformáticas, John et al [42] observó un fuerte enriquecimiento de los objetivos previsto en mRNAs asociados con FMRP en los mamíferos. FMRP pueden ser el factor determinante de los genes miARN: mRNA especificidad. Esto es coherente con la hipótesis de que miRNAs actuar como secuencia específica de los adaptadores en la interacción de RNPs con translationally regulado mRNAs [42]. Esta interacción puede ser dictada, por una parte, por la secuencia de nucleótidos de los genes miARN y, por otro lado, por la presencia de estructuras G cuarteto [55] y / o besar a motivos complejos [56] en el ARNm. Por lo tanto, puede que no sea una coincidencia que el gen FMR1 es altamente conservadas entre los vertebrados [27], donde mRNAs son fundamentalmente sometido a miRNP traducción inducida por la represión.

Una base molecular del síndrome de X frágil?

Las propiedades bioquímicas de FMRP lo convierten en un candidato para un papel en la mediación y el alivio de los genes miARN guiada traslacional represión. Se postula que la ausencia de FMRP expresión puede dar lugar a resultados óptimos en los genes miARN asamblea, y / o el desmontaje de sus objetivos naturales ARNm, que conduzca a un perturbado perfil de expresión de proteínas (véase la figura 3]. Esto puede esperar dada la exigencia de FMRP eficiente para los pequeños ARN guiado por la regulación de genes [41].

El FMRP paralog X frágil relacionados con la proteína 1 (FXR1P) exhibieron los genes miARN recocido y el capítulo de intercambio de propiedades similares a FMRP [41]. Estos datos sugieren una función conservada de X frágil en proteínas y ARN silenciar abierta la posibilidad de que FXR1P en parte o complemento para compensar la ausencia o la pérdida de FMRP expresión (véase la figura 2].

El próximo desafío será el de determinar la capacidad de FMRP para reunirse e intercambiar genes miARN capítulos en un contexto celular. De hecho, varias otras cuestiones deben abordarse con el fin de validar la propuesta de hipótesis. Por ejemplo, estas son propiedades de FMRP conservado dentro de miRNPs en vivo? ¿Cuáles son las proteínas celulares y / o la prestación de asistencia cofactores FMRP función en vivo? FMRP es capaz de aliviar los genes miARN guiada mRNA represión? En caso afirmativo, ¿cuál es la mecánica de este proceso, es decir, la secuencia de acontecimientos, la naturaleza de los elementos que intervienen y / o señal (s) requiere? ¿Cuándo y dónde la célula a hacer estos eventos tienen lugar? Elucidación de la función exacta y la función del FMRP en los genes miARN guiada por la regulación de genes podrá celebrar clave para determinar la base molecular de la síndrome X frágil y el establecimiento de un nexo causal entre la disfunción de la ARN-silenciamiento y un mecanismo genético humano enfermedad.

Damos las gracias a Edward Khandjian de aliento y apoyo, Gilles Chabot para diseño gráfico, y los miembros de la Provost laboratorio para estimular las discusiones. P. Provost es un investigador de Nueva los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR). Este trabajo fue apoyado por Grant NDG-70190 de CIHR-Instituto de Genética y / o CIHR-Instituto de Neurociencias, Salud Mental y Adicción y Grant EOP-64706 de Health Canada / CIHR. P. Provost es el autor para la correspondencia.