Opkomende therapeutische benaderingen met kleine moleculen voor de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson op basis van gerichte microRNA's
Mar 02, 2023
De rol van microRNA's bij de progressie van neurodegeneratieve ziekten: MicroRNA's (miRNA's) zijn endogene, niet-coderende en korte RNA-nucleotiden die genexpressie reguleren door basenparing met het gerichte boodschapper-RNA (mRNA) in het 3'niet-vertaalde gebied (3'). UTR). MiRNA's spelen dus een fundamentele rol bij de remming of afbraak van messenger-RNA's (Gebert en MacRae, 2019). Twee ribonucleasen (RNase) III-enzymen regelen de biogenese van miRNA's; Drosha en Dicer. De eerste stap in de biogenese omvat de splitsing van primaire miRNA's (pri-miRNA's) in de celkern door Drosha, wat leidt tot de vorming van pre-miRNA's met een korte stamlus. Vervolgens worden deze pre-miRNA's naar het cytoplasma getransporteerd en verder verwerkt door Dicer, wat resulteert in volwassen miRNA's (O'Brien et al., 2018).
Klik hier voor cistanche tubulosa-capsules voor de ziekte van Alzheimer
Talrijke ziekten vertonen abnormale expressie van miRNA's, zoals borstkanker, leukemie, hepatocellulair carcinoom en cardiovasculaire en neurodegeneratieve ziekten. Van meer dan 2000 miRNA's is vastgesteld dat ze een sleutelrol spelen bij het differentiëren van neuronen, wat de betrokkenheid van miRNA's bij verschillende neuronale processen benadrukt. Uit de literatuur blijkt dat miRNA's betrokken zijn bij verschillende routes die direct betrokken zijn bij de progressie van neurodegeneratieve ziekten (Figuur 1A). -Synucleïne, een presynaptisch eiwit dat betrokken is bij neurologische aandoeningen, is een intrinsiek ongeordend eiwit. De aggregatie van -synucleïne om onoplosbare fibrillen en Lewy-lichaampjes te vormen, is een belangrijk pathologisch kenmerk voor de diagnose van neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer. De aggregatie van -synucleïne in menselijke neuroblastoomcellen wordt bevorderd door miR-16-1, wat wordt toegeschreven aan het vermogen van miR-16-1 om heat shock protein 70 te downreguleren. Onlangs is het vermogen van miR-153 om -synucleïne negatief te reguleren is aangetoond bij muizen met de ziekte van Parkinson (Cressatti et al., 2019).
Bovendien verbeterde de remming van miR-34b bij patiënten met de ziekte van Parkinson de expressie van -synucleïne in het menselijk brein. Tau, een microtubule-geassocieerd eiwit, komt tot expressie in de volwassen menselijke hersenen in zes isovormen. De abnormale hyperfosforylering en aggregatie van tau tot volgroeide fibrillen wordt waargenomen bij de ziekte van Alzheimer en bij andere neurologische aandoeningen, tauopathieën genaamd. Downregulatie van miR-212 en miR-132 werd gedetecteerd in neuraal afgeleide plasma-exosomen van patiënten met de ziekte van Alzheimer (Cha et al., 2019). Op basis van deze bevindingen wordt de beoordeling van de niveaus van miR212 en miR-132 in extracellulaire blaasjes beschouwd als een veelbelovend diagnostisch hulpmiddel voor de ziekte van Alzheimer. Talrijke rapporten hebben het verband aangetoond tussen neurodegeneratieve ziekten en disfunctie in mitochondriale dynamiek, zoals variatie in mitochondriëngrootte, veranderde vorm, splijting-fusie en mitochondriënbeweging). In deze context is gemeld dat miR-27a de expressie onderdrukt van PTEN-geïnduceerde vermoedelijke kinase 1, een mitochondriaal serine/threoninekinase, dat een sleutelrol speelt in mitofagie. MiR-27speelt dus een sleutelrol bij het beheersen van de autofagische klaring van beschadigde mitochondriën.
Mutaties in door PTEN geïnduceerd vermoedelijk kinase 1 worden beschouwd als een belangrijke bijdrager aan de autosomaal recessieve ziekte van Parkinson. In deze zin induceert miR-494 mitochondriale schade en door oxidatieve stress geïnduceerde neuronale schade door de expressie van eiwit 7 van de ziekte van Parkinson, een remmer van de aggregatie van -synucleïne, te verminderen (Catanesi et al., 2020). Bovendien vertoonde nieuwe miR-455- 3p beschermende activiteit tegen amyloïde-aggregatie door de expressie van mitochondriale splijtingseiwitten te beheersen en de mitochondriale dynamiek te reguleren (Kumar et al., 2019). In de afgelopen jaren heeft -secretase 1 (BACE1) steeds meer aandacht gekregen als een cruciaal therapeutisch doelwit voor de ziekte van Alzheimer. BACE-1, ook bekend als -site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1, is de belangrijkste secretase die betrokken is bij de productie van amyloïde peptiden in het menselijk brein. Daaropvolgende aggregatie en fibrillatie van deze peptiden om amyloïde plaques te vormen, zijn belangrijke diagnostische kenmerken van de ziekte van Alzheimer.
Bovendien hebben meerdere bewijslijnen de neurotoxiciteit van kleine oligomeren van amyloïde peptiden aangetoond. MiR-298 is onlangs geïdentificeerd als een repressor van BACE1 in het menselijke neuronale celkweekmodel, wat het therapeutisch potentieel van miR298 voor neurodegeneratieve ziekten onthult (Chopra et al., 2020). Bovendien wordt de expressie van BACE-1 rechtstreeks gereguleerd door miR15b, dat functioneert door zich te richten op BACE1-mRNA 3′-UTR (Gong et al., 2017). Deze bevindingen illustreren dat miRNA's belangrijke spelers zijn bij het beheersen van de functie van BACE-1 en zijn rol in de pathogenese van neurodegeneratieve ziekten.
De ontwikkeling van kleine moleculen voor neurodegeneratieve ziekten op basis van gerichte miRNA's:
Het richten op ziekteverwekkende miRNA's met kleine moleculen heeft zowel in vitro als in vivo veelbelovende resultaten opgeleverd. Er zijn dus aanzienlijke onderzoeksinspanningen gericht op de ontwikkeling van nieuwe strategieën voor de identificatie en het ontwerp van kleine moleculen met potentieel miRNA-bindend vermogen. De korte sequenties van miRNA's hebben echter de identificatie van krachtige bindmiddelen voor kleine moleculen belemmerd en de focus verlegd naar het richten van pre-miRNA's met langere sequenties. Inforna en Inforna 2.0 zijn tools die zijn ontwikkeld om kleine moleculen te identificeren die zich richten op gestructureerde RNA's. Deze benaderingen zijn gebaseerd op mijnbouwmotieven (secundaire structuren) van de RNA's op basis van hun sequenties.
Deze motieven worden vervolgens vergeleken met een database van bekende RNA-motief-kleine molecuul bindingspartners. Inforna rapporteert vervolgens het motief in de database, evenals het doel-RNA. Informa is recentelijk gebruikt bij de identificatie van verbinding 1 (Figuur 1B) als een remmer van -synucleïne-expressie (Zhang et al., 2020). Verbinding 1 richt zich op het -synucleïne-mRNA 5'UTR en verlaagt de niveaus van a-synucleïne door de hoeveelheid SNCA-mRNA die in polysomen wordt geladen te verminderen. Onlangs zijn RIBOTAC's (ribonuclease targeting chimaera's) geëvolueerd als een nieuwe klasse van kleine moleculen die zich kunnen richten op diverse RNA-klassen, waaronder miRNA's en mRNA's (Dey en Jaffrey, 2019). Het ontwerp van RIBOTAC's is gebaseerd op het koppelen van RNA-bindende moleculen aan een klein molecuul dat RNA L activeert, een latent ribonuclease, wat resulteert in de afbraak van het doel-RNA
Multitargeted gerichte liganden (MTDL's) voor neurodegeneratieve ziekten gericht op miRNA's:
MTDL's zijn liganden die zijn ontworpen om te interfereren met meerdere routes die betrokken zijn bij de progressie van neurologische aandoeningen vanwege hun veelzijdige functie. Het opmerkelijke succes van MTLD's bij de identificatie van kleine moleculen met in vitro en in vivo werkzaamheid in modellen van neurodegeneratieve ziekten heeft geresulteerd in voortdurende inspanningen voor de ontwikkeling van nieuwe hulpmiddelen voor het ontwerp van MTDL's. In deze context is onlangs een nieuwe strategie voor de identificatie van MTDL's voor neurodegeneratieve ziekten gerapporteerd, die is gebaseerd op de dubbele remming van acetylcholinesterase en de biogenese van miRNA's (Gabr en Brogi, 2020). Verbinding 2 (Figuur 1B), een dubbele remmer van acetylcholinesterase en biogenese van miR-15b, was efficiënter dan donepezil en anti-miR-15 bij het beschermen van SH-SY5Y-neuroblastoomcellen tegen door amyloïde-bèta geïnduceerde cytotoxiciteit .
Bovendien is dubbele remming van tau-oligomerisatie en biogenese van miRNA's die betrokken zijn bij de progressie van neurologische aandoeningen (bijv. miRNA-146a) gerapporteerd als een veelbelovende strategie voor het ontwerp van MTDL's (Gabr en Barbault, 2020). Het resultaat van deze aanpak leverde verbinding 3 op (Figuur 1B) die superieure neuroprotectieve activiteit vertoonde ten opzichte van miRNA146a antagomir en MK-886, een remmer van tau-aggregatie. Deze studies illustreren verder dat het ontwerp van MTDL's gericht op remming van de biogenese van miRNA's een preferentieel therapeutisch profiel heeft getoond in vergelijking met monogerichte therapieën. Daarom zal verdere screening van de uitkomst van deze benaderingen met behulp van in vivo modellen van neurodegeneratieve ziekten van cruciaal belang zijn voor toekomstige optimalisatie
Toekomstige richtingen:
De ontwikkeling van efficiënte strategieën om kleine moleculen te identificeren die selectief miRNA's kunnen binden, zal een opmerkelijk effect hebben op het vermogen om de expressie te beheersen van eiwitten die betrokken zijn bij neurodegeneratieve ziekten. Kleinmoleculaire remmers van Drosha en Dicer zijn uitgebreid bestudeerd als hulpmiddelen om de biogenese van miRNA's te remmen. Talrijke remmers van Dicer en Drosha vertonen echter een verzwakte miRNA-bindingsaffiniteit in de cellulaire omgeving, evenals het onvermogen om miRNA-rijping te blokkeren.
Deze resultaten worden toegeschreven aan de promiscue targeting van deze kleine moleculen en hun competitie met andere macromoleculen bij het binden van miRNA's. Daarom is het zeer wenselijk om nieuwe benaderingen voor de selectieve binding van miRNA's tot stand te brengen. Kinetic Target Guided Synthesis (KTGS) is een op fragmenten gebaseerde aanpak voor het ontdekken van geneesmiddelen waarbij een biologisch doelwit zijn bidentate liganden selecteert door ze samen te stellen uit een pool van kleine reactieve fragmenten.
In KTGS versnelt het biologische doelwit de vorming van covalente bindingen tussen bouwstenen met complementaire reactieve functionele groepen via een verbeterde resonantietijd. Na dissociatie van het doelwit kunnen KTGS-hits in de media worden gedetecteerd door middel van vloeistofchromatografie-massaspectrometrie. Een mogelijke route voor de identificatie van selectieve bindmiddelen van miRNA's zou zijn om KTGS te gebruiken om bindmiddelen voor kleine moleculen van doelwit-miRNA te identificeren.
Referenties
Catanesi M, D'Angelo M, Tupone MG, Benedetti E, Giordano A, Castelli V, Cimini A (2020) Ontregeling van microRNA's en mitochondriale disfunctie bij neurodegeneratieve ziekten. Int J Mol Sci 21:5986.
Cha DJ, Mengel D, Mustapic M, Liu W, Selkoe DJ, Kapogiannis D, Galasko D, Rissman RA, Bennett DA, Walsh DM (2019) miR-212 en miR-132 worden gedownreguleerd in neuraal afgeleide plasma-exosomen van Alzheimerpatiënten. Front Neurosci 13:1208.
Chopra N, Wang R, Maloney B, Nho K, Beck JS, Pourshafie N, Niculescu A, Saykin AJ, Rinaldi C, Counts SE, Lahiri DK (2020) MicroRNA-298 verlaagt de niveaus van menselijk amyloïde-voorlopereiwit ( APP), -site APP-conversie-enzym 1 (BACE1) en specifieke tau-eiwitdelen.
Mol Psychiatrie doi:10.1038/s41380-019- 0610-2.
Cha D, Mengel D, Mustapic M, Liu W, Selkoe D, Kapogiannis D, Galasko D, Rissman R, Gong G, An F, Wang Y, Bian M, Yu LJ, Wei C (2017) miR-15 b onderdrukt BACE1-expressie bij de sporadische ziekte van Alzheimer. Oncotarget 8:91551-91557.
Cressatti M, Song W, Turk AZ, Garabed LR, Benchaya JA, Galindez C, Liberman A, Schipper HM (2019) Glial HMOX1-expressie bevordert centrale en perifere -synucleïne-ontregeling en pathogeniteit bij Parkinson-muizen. Glia 67:1730-1744.
Dey SK, Jaffrey SR (2019) RIBOTAC's: doelwit-RNA voor kleine moleculen voor afbraak. Cell Chem Biol 26:1047-1049.
Kumar S, Reddy AP, Yin X, Reddy PH (2019) Nieuw microRNA-455-3p en het beschermende effect ervan tegen abnormale APP-verwerking en bèta-amyloïde-toxiciteit bij de ziekte van Alzheimer. Biochem Biophys Acta Mol Basis Dis 1865:2428-2440.
O'Brien J, Hayder H, Zayed Y, Peng C (2018) Overzicht van microRNA-biogenese, werkingsmechanismen en circulatie. Front Endocrinol 9:402.
Gabr MT, Barbault F (2020) Eerste dubbele binder van microRNA146a en monomeer tau: een nieuwe benadering voor multitargeted therapieën voor neurodegeneratieve ziekten. Chemische gemeenschap 56:9695-9698.
Gabr MT, Brogi S (2020) Op microRNA gebaseerde multitarget-benadering voor de ziekte van Alzheimer: ontdekking van de eersteklas dubbele remmer van acetylcholinesterase en micro-RNA-15b-biogenese. J Med Chem 63:9695- 9704.
Gebert LFR, MacRae IJ (2019) Regulatie van microRNA-functie bij dieren. Nat Rev Mol Cell Biol 20:21-37.
Zhang P, Park HJ, Zhang J, Junn E, Andrews RJ, Velagapudi SP, Abegg D, Vishnu K, Costales MG, Childs-Disney JL, Adibekian A, Moss WN, Mouradian MM, Disney MD (2020) Vertaling van het intrinsieke wanordelijk eiwit a-synucleïne wordt geremd door een klein molecuul dat zich op zijn structuur richt
voor meer informatie:ali.ma@wecistanche.com
