Circular RNAs — a modern perspective on the molecular mechanisms of neurologic diseases in humans and prospects for therapeutic agents

Full Text

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время установлено, что недавно открытые кольцевые РНК (кольцРНК) выполняют важнейшие функции как на молекулярном уровне, так и в патогенезе различных заболеваний человека [5, 170, 232]. КольцРНК осуществляют специфическую регуляцию продукции кольцРНК нейронов [241], по-видимому, это связано с тем, что многие кольцРНК экспрессируются исключительно в специфических клетках мозга и в определенных областях мозга в более высокой концентрации по отношению к другим тканям [66, 197]. КольцРНК преимущественно концентрируются в нейронах, где они локализованы в цитоплазме, но многие из них накапливаются и в синапсах. Возможно, именно по этой причине они сосредоточены в мозжечке, имеющем особые области с плотными нейрональными шипами, синапсами и нейронами [56, 240]. КольцРНК, прежде всего, способствуют развитию нейронов, так как во время дифференцировки нейронов количество кольцРНК увеличивается, изменяя свою экспрессию во времени и пространстве [150]. Эти факты свидетельствуют о том, что кольцРНК имеют решающее значение для нейропроводящей функции и необходимы в различных нервных тканях и процессах их развития (рис. 1).

 

Рис. 1. Основные формы неврологических расстройств, вызывающих деменцию

 

Существенно, что они по-разному экспрессируются на разных этапах синаптогенеза и во многих случаях не коррелируют со своими линейными изоформами мРНК, выделяя сингулярные и специфические функции событий кольцеобразования [34, 55, 59, 99]. Руководствуясь этими данными, можно полагать, что кольцРНК должны играть особую роль в нервном старении и нейродегенерации. Действительно, при исследовании разных организмов установлено, что во время старения мозга кольцРНК резко повышают уровень своей экспрессии по сравнению с генами хозяина [12, 62, 96, 217, 242]. Вероятно, это связано с устойчивостью к своей деградации, благоприятствующей концентрации кольцРНК в таких высокодифференцированных тканях, как, например, головной мозг, заполненный постмитотическими клетками [82]. Необходимо отметить, что сбой в бэксплайсинге во время старения центральной нервной системы (ЦНС) может вызвать дополнительный биогенез кольцРНК в нервной системе [32, 63]. В многочисленных работах отмечается прогрессирующее увеличение количества кольцРНК в мозге от эбрионального состояния до старения [218], а также связь их количества с возрастными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП) и лобно-височная деменция (ЛВД) [120]. Еще более важно то, что кольцРНК способны пересекать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и в изобилии обнаруживаются во внеклеточных микровезикулах и экзосомах периферической крови [136, 237]. Эти две особенности в сочетании с чрезвычайной стабильностью кольцРНК к действию экзонуклеаз [167], обилием их в стареющих нервных тканях, а также их селективным присутствием в типичных клетках мозга делают кольцРНК надежным маркером нейродегенеративных заболеваний (рис. 2) [256].

 

Рис. 2. Молекулярные механизмы действия кольцевых РНК при неврологических заболеваниях центральной нервной системы

 

Настоящая работа направлена на обобщение и анализ последних данных о кольцРНК относительно их фундаментальной роли в неврологических заболеваниях человека с учетом их потенциала в качестве биомаркеров и терапевтических мишеней.

КОЛЬЦЕВЫЕ РНК И НЕВРОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЦНС, СОПРОВОЖДАЕМЫЕ ДЕМЕНЦИЕЙ

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративная патология, развивающаяся преимущественно у людей пожилого и старческого возраста и составляющая 60–80 % всех патологий ЦНС, которые сопровождаются деменцией. Как известно, наблюдаемое в последние годы неуклонное старение населения в развитых странах мира приводит к увеличению частоты возникновения БА. В настоящее время это заболевание занимает 6-е место в мире по причине смертности. По разным данным, к этому времени БА уже диагностирована у 14–26 млн человек, причем ежегодно выявляется 4,6 млн новых случаев деменции. В России от этого заболевания страдают 1,4 млн человек. По прогнозам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) распространенность деменции в развитых странах с 2001 по 2040 г. увеличится на 100 %, а в странах Юго-Восточной Азии (Индия, Китай, Малазия) — более чем на 300 %. В связи с увеличением доли пожилых людей современное общество вынуждено все больше средств тратить на дорогостоящее лечение пациентов с БА.

В настоящее время принято считать, что патогенез БА связан с поражением гиппокампа и других областей головного мозга, ответственных за формирование памяти [15, 116, 214]. Основным гистологическим признаком БА является накопление в головном мозге больных сенильных бляшек и нейрофибриллярных клубков. Формирование нейрофибриллярных клубков в основном связано с внутриклеточным накоплением в нейронах гиперфосфорилированного тау-белка (англ. τ-peptide), в то время как сенильные бляшки являются внеклеточными отложениями агрегатов различных бета-амилоидных пептидов (англ. β-amyloid — Aβ). β-Амилоид образуется при протеолитическом расщеплении трансмембранного белка — предшественника амилоида (англ. amyloid precursor protein — APP). В норме APP расщепляется ферментом α-секретазой с образованием растворимого α-APP, который выводится из мозга, и пептида, состоящего из 83 аминокислот, который остается в мембране. В последующем мембранный пептид под действием второго фермента — γ-секретазы, локализованной внутри трансмембранной зоны, расщепляется на два небольших пептида — p7 и p3, которые не являются «амилоидогенными». При генетически детерминированных формах БА показано, что при этом заболевании нарушается процесс расщепления APP [213]. В результате на первом этапе расщеплению подвергается внеклеточная часть APP при помощи β-секретазы, вследствие чего образуются растворимый β-APP, а также остающийся в мембране пептид, состоящий из 91 аминокислотных остатков, который под действием γ-секретазы преобразуется в патологический β-амилоид (Aβ42), накапливающийся в мозге.

Поэтому на сегодняшний день главенствующей теорией возникновения БА является «амилоидная гипотеза», согласно которой повышенная продукция пептида Aβ42 приводит к потере синаптических связей нейронов в гиппокампе, коре и субкортикальных областях головного мозга [15].

С другой стороны, «тау-гипотеза» патогенеза БА предполагает, что нарушения в метаболизме тау-белка, ассоциированного с микротрубочками, приводят к его накоплению и агрегации, в результате чего нарушается транспорт метаболитов в аксонах, приводящих к нейродегенеративным изменениям в ЦНС [23, 49]. Кроме того, в другом механизме «кальциевой гипотезы» утверждается, что первопричиной развития БА является нарушение кальциевого сигналинга в нейронах, приводящее к накоплению кальция в цитоплазме и повышенной уязвимости нейронов к возникновению нейротоксичности [40]. К настоящему времени известны основные гены, ассоциированные с развитием болезни Альцгеймера, такие как APP, PSEN, ApoE [128, 213].

На протяжении многих лет считали, что Aβ и тау-белки играют основную (определяющую) роль в патогенезе БА [15]. В частности, наряду с амилоидным белком тау-белок так же накапливается с образованием нейрофибриллярных клубков, которые так же токсичны для нейронов.

Однако ни «амилоидная гипотеза», ни «кальциевая гипотеза» происхождения БА не дают полного представления о причине этого заболевания и его нейроиммуноэндокринных механизмах [8]. Считают, что важную роль в этиопатогенезе БА играют микроэлементы, поскольку они являются составной частью многих металлоферментов [10]. Перспективной представляется новая гипотеза о роли инфламэйджинга (англ. inflamm-aging) в осложненном патогенезе нейродегенеративных заболеваний, в том числе в патогенезе БА [17].

Важным достижением последних лет стали данные о том, что новый класс некодирующих РНК (нкРНК), включая кольцРНК, играют жизненно важную роль в развитии болезни Aльцгеймера (рис. 3) [175, 197].

 

Рис. 3. Связь изменений экспрессии кортикальной кольцевой РНК с клинической формой болезни Альцгеймера (цит. по: [77]). К — контроль; нфБА — начальная форма болезни Альцгеймера; тфБА — тяжелая форма болезни Альцгеймера

 

Так, в эксперименте на мышах показано, что накопление кольцРНК в коре головного мозга и гиппокампе пожилых мышей, по-видимому, способствует возрастному снижению нервной функции, что потенциально приводит к восприимчивости животных к возрастным нейродегенеративным заболеваниям [96]. В дальнейших экспериментах на мышиной модели БA было показано, что лечение БA сапонинами Panax notoginseng привело к изменению экспрессии нескольких кольцРНК, которые, как было постулировано исследователями, модулируют патологию БA [106]. Кроме того, при подробном анализе кольцРНК из гиппокампа крыс на модели БA была продемонстрирована дисрегуляция сотен кольцРНК [225].

В экспериментах D. Mo и соавт. [171] выявлено 17 кольцРНК, которые были получены из кодирующей области гена белка-предшественника Aβ. Авторы показали, что одна из этих выявленных кольцРНК содержит открытую рамку считывания (англ. Open Reading Frame) и обладает потенциалом трансляции с образованием пептида, связанного с амилоидным белком, а также что кольцРНК, связанная с Aβ, способствует повышению уровня Aβ и Aβ-бляшек. В дополнение к вышеупомянутому факту исследователи выяснили, что кольцРНК Aβ регулирует количество гликогенсинтазы киназы-3β (GSK-3β). Было показано, что GSK-3β фосфорилировала тау-белок и способствувала его агрегации в нейрофибриллярные клубки. Таким образом, понятно, что кольцРНК Aβ играет жизненно важную роль в патогенезе БА, регулируя и фосфорилирование GSK-3β, и экспрессию тау-белка [171].

Было показано, что кольцРНК CDR1as (ciRS-7), которая широко распротранена в мозге человека, блокируется в тканях мозга пациентов с БА [145]. При этом CDR1as имеет >70 сайтов связывания для микроРНК miR-7 и, таким образом, действует как miR-7-«губка» [100, 185]. Убиквитин-белковая лигаза A (UBE2A), которая катализирует протеолитическое очищение от токсичных амилоидных пептидов в тканях мозга при БA, является надежной мишенью miR-7 [249]. Выявлено, что спорадическая БА связана с неправильно регулируемой системой CDR1as/miR-7/UBE2A [249]. Кроме того, показано, что повышение экспрессии кольцРНК CDR1as предотвращает трансляцию NF-κB. Это приводит к нарушению регуляции экспрессии убиквитинкарбоксигидролазы L1 (UCHL1), так как фактор NF-κB является одной из мишеней miR-7 [210, 247]. Ранее установлено, что UCHL1 контролирует процессинг APP (англ. amyloid precursor protein) и деградацию β-сайта APP-расщепляющего фермента (BACE1) [243]. Таким образом, CDR1as-зависимое ингибирование трансляции NF-κB подавляет экспрессию UCHL1 и тем самым способствует деградации APP и BACE1 [210]. Интересно, что при активации фактором некроза опухоли-α (TNF-α) активности NF-κB происходит отрицательная регуляция транскрипции гена UCHL1 за счет связывания с его гомологичными последовательностями внутри промотора. Таким образом, сверхэкспрессия кольцРНК CDR1as повышает активность промотора UCHL1, что приводит к увеличению количества мРНК и белка UCHL1 [210]. С другой стороны, такой эффект не наблюдался, если фактор NF-κB ингибировали фактором BAY117082, специфическим ингибитором NF-κB. Кроме того, ранее эти исследователи установили, что сверхэкспрессия кольцРНК CDR1as приводила к снижению количества белка p65 и фактора NF-κB без изменения уровня мРНК [210]. В целом данные этих работ позволяют предположить, что кольцРНК эпигенетически контролируют экспрессию генов, которые в совокупности приводят к развитию БА.

Болезнь Паркинсона

В 1817 г. английский врач Джеймс Паркинсон [184] впервые описал неврологическое заболевание, которому дал название «дрожательный паралич», а также провел анализ и выявил общие закономерности этого заболевания: тремор, скованность мышц и неспособность удерживать равновесие. Дальнейший прогресс в изучении болезни Паркинсона наступил в начале XX в. Одним из ученых, который в значительной степени разгадал тайны БП, стал русский невропатолог К.Н. Третьяков, занимавший в 1916–1923 гг. должность заведующего лабораторией мозга имени Шарко кафедры нервных болезней Парижского университета. Он предложил «нигральную теорию» патогенеза БП, согласно которой возникновение заболевания связано с утратой черной субстанции головного мозга [19].

В настоящее время БП — довольно распространенное нейродегенеративное заболевание. По данным ВОЗ, ежегодно более 4 млн человек страдают БП, причем число больных в возрасте старше 50 лет составляло в 2019 г. 4,1–4,6 млн [35] и по прогнозу к 2030 г. их количество достигнет примерно 10 млн [220]. По эпидемиологическим данным, общая численность больных БП по России прогнозируется на уровне 210 тыс. человек [19, 25]. В настоящее время, по данным ВОЗ, на 1000 человек приходится 2–3 случая БП, причем наиболее часто это заболевание встречается в старших возрастных группах [42].

Согласно современным представлениям ведущая роль в развитии нейродегенеративных нарушений при БП отводится пресинаптическому белку альфа-синуклеину (англ. α-syn) [35]. При обычных условиях альфа-синуклеин представлен в клетке в виде тетрамера [38, 234], участвующего в процессах везикулярного транспорта и регуляции дофаминергических процессов. Этот белок содержится в больших количествах в различных тканях ЦНС и составляет около 1 % всей массы мозга, однако точные его физиологические функции пока остаются невыясненными [159]. Установлено, что в нормальных клетках альфа-синуклеин может выполнять функцию белка-шаперона [119, 176, 229], регулируя процесс взаимодействий белок — белок и белок — липид. Этот феномен в значительной степени подтверждается работами F.N. Emamzadeh, который в своих исследованиях показал зависимость аффинитета связи альфа-синуклеина с липопротеидами мембран от соотношения липопротеиды/белок [80]. В этом же исследовании на основе собственных наблюдений и результатов работ других авторов F.N. Emamzadeh систематизировал уже установленные функции и механизм действия альфа-синуклеина (табл. 1). Однако до сих пор остаются неясными точные причины повышения агрегации альфа-синуклеина [199]. Имеющиеся на настоящий момент теории о генетической предрасположенности к данному процессу объясняют лишь семейные формы БП и мало применимы к процессам патогенеза спорадических форм [73].

 

Таблица 1. Молекулярные механизмы действия альфа-синуклеина при болезни Паркинсона

Функция	Мишень	Механизм действия	Результат действия	Источник
Угнетение апоптоза	Протеин киназа С	Деактивация фактора NF-kB	Нейропротекция	[114, 130]
Регулирование уровня глюкозы	G-белок-cвязанный pецептор	Увеличение поглощения глюкозы тканями	Замедление развития сахарного диабета 2-го типа	[194, 208]
	Каналы (КАТФ) β-клеток поджелудочной железы	Понижение секреции инсулина	Повышение восприимчивости к диабету	[90, 195, 207]
Модуляция активности кальмодулина	Кальмодулин	Превращение кальмодулина из ингибитора в aктиватор	Moдуляция G-протеинсвязы-вающего рецептора киназы	[156, 182, 238]
Шаперонная активность	Пресинаптическая мембрана SNARE	Поддержание структуры SNARE во время сборки	Образование SNARE-комплекса	[47, 48, 61]
	Белки теплового шока	Участие в формировании правильной конформации белков	Эффективный выброс нейротрансмиттеров
Поддержание уровня ненасыщенных жирных кислот	Цитохром С оксидаза	Moдуляция синтеза липидов	Синтез в мозге жизненно важных жирных кислот	[198]
Aнтиоксидант	Aцетил-КoA синтетаза	Профилактика активации кaспаз	Нейропротекция	[129]
	c-Jun-терминальная киназа	Ингибирование пути c-Jun-терминальной киназы	Нейропротекция	[254]
Дифференцировка нейронов	Белок Rab3a	Aктивация пути ERC/MARK	Интенсификация транскрипции генов	[58, 175]
Регулирование синтеза дофамина	Протеин фосфатаза 2A	Ингибирование тирозингидролазы	Регулирование уровня дофамина	[181, 237]

 

Тем не менее к настоящему времени накоплено немало данных [21, 153], рассматривающих механизмы развития БП как совокупность генетических, иммунных, метаболических и экологических факторов, приводящих в конечном итоге к развитию доклинической формы БП, дальнейшему ее прогрессированию и появлению клинической симптоматики (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема путей развития болезни Паркинсона (цит. по: [21])

 

Важно отметить, что альфа-синуклеин, помимо классического токсического действия, которое он оказывает на нервные клетки, обладает еще и влиянием на метаболизм дофамина [80, 119, 224], а также на метаболизм гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), участвуя в регуляции процессов ее высвобождения из синаптических везикул. По данным последних исследований, непосредственно ГАМК является регулятором процессов высвобождения альфа-синуклеина из синаптических везикул, в которых ГАМК связана своим C-концевым фрагментом с их липидной мембраной [221]. Активация K⁺ АТФ-зависимых каналов (K_ATФ), расположенных на мембране ГАМК-ергических нейронов, вызывает гиперполяризацию мембраны и снижение выброса ГАМК. Локально более низкие уровни ГАМК уменьшают активацию рецепторов ГАМК на соседних глутаматергических нервных окончаниях. В результате ингибирования окружающих каналов поступление Ca²⁺ прекращается, а повышение содержания внутриклеточного Ca²⁺ вызывает выброс альфа-синуклеина. Закрытие каналов K_ATФ приводит к деполяризации мембраны и увеличению высвобождения ГАМК. Повышенные уровни ГАМК вызывают повышенную активацию ГАМК-рецепторов в глутаматергических терминалах, ингибируя поступление Ca²⁺ в окружающие каналы синапсов, и, таким образом, уменьшают высвобождение альфа-синуклеина [80] (рис. 5).

 

Рис. 5. Уровень ионов Са²⁺ и K⁺ регулирует секрецию альфа-синуклеина ГАМКергических нейронов в полосатом теле головного мозга (цит. по: [81]); a — каналы открыты, b — каналы закрыты

 

Вследствие гибели в черной субстанции дофаминергических нейронов, которые контролируют двигательную функцию, пациенты с БП испытывают тремор, брадикинезию, ригидность конечностей и проблемы с равновесием. Как известно, наличие телец Леви, содержащих агрегаты белка альфа-синуклеина, является важным признаком БП, который отличает ее от деменции с тельцами Леви. К настоящему времени установлено, что многие некодирующие РНК, включая микроРНК, lncRNAs и кольцРНК, играют свою особую роль в прогрессировании БП [110, 123, 250]. Так, в отдельных работах представлены данные, что альфа-синуклеин — это основная мишень для микроРНК miR-7 [115, 118].

Несомненный интерес представляет также факт, что кольцРНК CDR1as преимущественно экспрессируется в активированных нейронах, где она регулирует стабильность и/или транспорт микроРНК miR-7, поэтому потеря активности кольцРНК CDR1as приводит к дисрегуляции miR-7, что в свою очередь понижает сенсомоторное возбуждение при болезни Паркинсона [185].

В интересных экспериментах на моделях БП Q. Liu и соавт. [143] показали, что кольцРНК, полученная из гена пантотенаткиназы (англ. circ-Pank1) при БП высоко экспрессируется в клетках черной субстанции мышей, получавших ротенон, а также в клетках MN9D дофаминергических нейронов. Авторы также обнаружили, что circ-Pank1 может адсорбировать микроРНК miR-7a-5p и, таким образом, усиливать экспрессию альфа-синуклеина, молекулярного признака БП. При этом сверхэкспрессия circ-Pank1 при БП усиливала двигательную дисфункцию через сигнальный путь miR-7a-5p/α-syn [143] (рис. 6).

 

Рис. 6. Схема участия кольцевой РНК circ-Pank1 в регуляции пути микроРНК-7a-5p/α-syn (цит. с изменениями по: [143])

 

Другая кольцРНК, circZip-2 (названа по транскрипту гена Zip-2), как оказалось, тоже может косвенно регулировать уровни альфа-синуклеина. Известно, что Zip-2 является членом семейства транскрипционных факторов bZIP, которые опосредуют иммунные ответы. Первоначально в эксперименте повышенная экспрессия CircZip-2 была обнаружена у Caenorhabditis elegans дикого типа и в клетках трансгенного штамма NL5901, экспрессирующего α-синуклеин человека. Исследователи установили, что экспрессия кольцРНК circZip-2 снижается при БП. Было также показано при моделировании БП на C. elegans, что подавление экспрессии кольцРНК Zip-2 с помощью интерферирующей РНК, вызывало снижение агрегации α-синуклеина и генерацию активных форм кислорода. По мнению авторов этих экспериментов, полученные данные указывают на возможность конкуренции между кольцРНК и ее родительским геном за экспрессию [124].

Будет ли создана в ближайшее время новая терапия БП? Возможно да, если учесть, что в последние годы усилились поиски новых лекарственных средств [169]. Предложены новые пути использования метода репрограммирования астроцитов для лечения БП у реальных пациентов [188]. Оценивая результаты этих поисков, можно понять, как определить новые направления терапии БП [244]. По крайней мере репрограммирование астроцитов как терапевтическая стратегия, по мнению авторов указанных работ, в будущем может быть применима и для лечения других нейродегенеративных заболеваний. Однако необходимо четко установить в дальнейших экспериментах, сохранят ли перепрограммированные клетки свою функциональную лечебную активность в течение длительных промежутков времени.

Лобно-височная деменция

Лобно-височная деменция (ЛВД, англ. frontotemporal dementia) — одно из основных по распространенности (после БА) нейродегенеративное заболевание, проявляющееся прогрессирующими поведенческими и личностными нарушениями с постепенной утратой эмпатии и способности к продуктивному контакту, в основе которого лежит дегенерация лобных и передних отделов височных долей, характеризуемая прогрессирующей потерей нейронов [4, 104]. На долю ЛВД приходится 5–10 % случаев слабоумия с ранним началом [212]. Признаки и симптомы обычно проявляются в позднем возрастном периоде, преимущественно от 45 до 65 лет, практически одинаково затрагивая мужчин и женщин. ЛВД является одним из клинических фенотипов лобно-височных дегенераций наряду с основными формами первичной прогрессирующей афазии (аграмматической и семантической). Отсюда часто используемое в последнее время деление лобно-височной дегенерации на поведенческую форму (собственно ЛВД) и речевые формы. Основными проявлениями ЛВД служат расторможенность, компульсивное или стереотипное поведение, апатия, изменения пищевого поведения, дизрегуляторный когнитивный синдром, утрата эмпатии и эмоциональная тупость.

Отправной точкой в истории изучения ЛВД считается 1892 г., когда чешский врач-невролог Арнольд Пик описал пациента с постепенно развивающимися речевыми и поведенческими нарушениями, которые не соответствовали ни одной из ранее описанных нозологических форм психических заболеваний. А. Пик назвал описанное им состояние «прогрессирующей афазией с постепенным изменением поведения и личности» и связал ее с фокальной атрофией мозга [101, 186]. В 1911 г. немецкий психиатр А. Альцгеймер подвел патоморфологическую основу под аналогичными клиническими случаями, выявив при гистологическом исследовании аргирофильные цитоплазматические интранейрональные включения, позднее названные тельцами Пика. Описанный клинический симптомокомплекс с прогрессирующими речевыми и поведенческими нарушениями, вызванный фокальным нейродегенеративным процессом, по предложению ученого A. Гaнса назвали болезнью Пика. Однако cо временем стало ясно, что выявленные ранее А. Альцгеймером гистопатологические изменения лежат в основе лишь ограниченного числа случаев болезни Пика, поэтому в настоящее время этот термин используется лишь для патоморфологически верифицированного диагноза [37, 186, 227].

Лобно-височная деменция включает в себя кластер различных неврологических синдромов и особенностей, но большинство пациентов демонстрируют изменения поведения и личности с когнитивными и исполнительными нарушениями, за исключением языковых подтипов, характеризующихся выраженными языковыми нарушениями. На невропатологическом уровне ЛВД представлена лобно-височной дегенерацией долей и классифицируется по белковым включениям: FTLD-Tau, FTLD-TDP43 и FTLD-FUS [85]. Известно, что ЛВД — высоконаследуемая патология семейной ЛВД, возникающая главным образом из-за мутаций в генах тау-белка, входящего в состав микротрубочек и програнулина, а также образования повтора гексануклеотида GGGGCC на хромосоме 9 в первом интроне открытой рамки считывания C9ORF72 [191]. Хотя данных по этой теме пока немного, стоит иметь в виду, что локус гена MAPT (англ. microtubule-associated protein tau) генерирует кольцРНК и, как упоминалось выше, существует несколько ретинол-связывающих белков (РСБ), включая белок FUS (англ. fused in sarcoma), который участвует в образовании кольцРНК [83]. Известно, что FUS участвует в регуляции сплайсинга, поэтому мутации этого белка могут быть причинно связаны с патогенезом ЛВД [67, 205]. В частности, исследованиями группы L. Errichelli и соавт. [83] показано, что FUS регулирует и контролирует экспрессию кольцРНК путем активации или подавления сплайсинга. Эта новаторская работа продемонстрировала, что FUS непосредственно участвует в регуляции сплайсинга этого нового класса нкРНК и открывает путь к прояснению роли кольцРНК в патогенезе нейродегенеративных заболеваний ЛВД и бокового амиотрофического склероза (БАС), в которых ведущую роль играют РНК-связывающие белки FUS.

Представление о том, что кольцРНК могут играть весьма существенную роль в патогенезе ЛВД, было впервые показано в исследованиях L. Сеrverа-Carlеs и соавт. [53] на образцах мозга. По результатам исследования выявлено, что количества кольцРНК circHOMER1 и circKCNN2 были значительно уменьшены в группах больных ЛВД-Taу и ЛВД-TDP43. Эти данные уже упоминал в своей предыдущей работе L. Сеrverа-Carlеs, который обнаружил низкоуровневую регуляцию экспрессии тех же самых кольцРНК у пациентов в группах ЛВД-Taу и ЛВД-TDP43 по сравнению с контрольной группой [53]. Результаты этих работ указывают на тот же специфический вид кольцРНК, которая, впрочeм, могла участвовать в развитии и других форм нейродегенеративных заболеваний.

Мы уже отмечали, что увеличение количества нуклеотидных повторов GGGGCC в интроне 1 гена C9ORF72 является наиболее распространенной генетической причиной ЛВД. Патогенность HRE обусловлена образованием гранул ядерной РНК, генерируемых из содержащих повторы сплайсированных интронов и несплайсированных пре-мРНК, с вероятным нарушением процессинга РНК и нетрадиционной трансляцией повторов GGGGCC в агрегирующие и нерастворимые токсичные белки, имеющих дипептидные повторы [88, 97, 172]. S. Wang и соавт. [223] продемонстрировали, что сплайсированные интроны стабилизируются в кольцевой форме и экспортируются из ядра в цитоплазму, где продуцируют токсичные белки в результате трансляции дипептидных повторов. Эта их ключевая находка, несомненно, открывает новую дорогу для изучения последствий участия кольцРНК в патогенезе ЛВД. По сути, они объяснили, каким образом G-богатые дипептидные повторы ответственны за стабилизацию РНК в кольцевой форме именно благодаря вышеупомянутому феномену процесса лассо, который характерен для биогенеза интронных кольцРНК [246].

Боковой амиотрофический склероз

Боковой амиотрофический склероз (БАС, англ. amyotrophic lateral sclerosis — ALS) — это прогрессирующее заболевание, характеризующееся гибелью (дегенерацией) моторных нейронов, что приводит к нарушению функционирования мышц, в том числе дыхательных, вплоть до параличей и атрофии мышц. БАС является представителем группы болезней двигательного нейрона, то есть болезней мотонейронов. Кроме БАС в эту группу также входят первичный латеральный склероз, прогрессирующая мышечная атрофия и прогрессирующий бульбарный паралич.

Выявлены две причины БАС: спорадическая причина (то есть случайность) — 90–95 %, и генетически наследуемая мутация — 5–10 % [94].

Чтобы понять суть заболевания, необходимо коснуться строения и функций головного и спинного мозга. В структуре спинного мозга на всем его протяжении и частично в стволе головного мозга существуют клетки, посылающие нервный импульс прямо к мышечным волокнам. Они называются нижними мотонейронами, так как своими импульсами приводят мышцы в движение. Группируясь в передней части поперечного среза спинного мозга, нижние мотонейроны образуют так называемый передний рог (рис. 7).

 

Рис. 7. Схема структурных нарушений в головном мозге, связанных с боковым амиотрофическим склерозом

 

При этом спинной мозг выполняет функцию соединяющего нервного «кабеля» между головным мозгом и частями тела. В норме спинной мозг подчиняется головному мозгу. Это означает, что если импульс от головного мозга укажет мышце поднять руку, а импульс спинного мозга укажет опустить, то рука поднимется.

Обобщая, можно сказать, что БАС развивается в результате комбинированного воздействия генов, факторов окружающей среды и образа жизни. Эта модель (ген – время – среда) предполагает, что развитие БАС — это многоэтапный процесс, в котором генетические дефекты являются лишь одним из нескольких этапов, которые, действуя совместно, приводят к БАС.

БАС был впервые описан французским врачом Жаном-Мартеном Шарко в 1869 г., поэтому получил название болезни Шарко. В литературе также встречаются следующие синонимы БАС: болезнь моторных нейронов, мотонейронная болезнь, болезнь Лу Герига (по имени бейсболиста, умершего от БАС в 1938 г. [цит. по: [196]). Кроме того, многие врачи называют БАС болезнью Стивена Хокинга, как известно, прожившего с БАС более 50 лет.

В России, по приблизительным оценкам, проживает около 10–12 тыс. больных БАС, который встречается у мужчин чаще, чем у женщин (примерно в 1,5 раза) в возрастном диапазоне от 20 до 80 лет [22]. Скорость прогрессирования БАС при этом прямо пропорциональна возрасту. Наличие генетической мутации (5–10 % заболевших) (рис. 8), как установлено, увеличивает скорость развития тяжелых симптомов болезни [29].

 

Рис. 8. Структура хромосомных мутаций тау-белка человека при боковом амиотрофическом склерозе

 

К настоящему времени конкретная причина БАС у большинства пациентов неизвестна, тем не менее мутации в генах пептидов FUS опухолей в семейном анамнезе БАС были продемонстрированы в ряде исследований [126, 219]. Нормальные пептиды семейства FUS представляют собой ДНК- и РНК-связывающие белки, локализованные в ядре, где они участвуют в различных процессах, включая репарацию ДНК, транскрипцию, сплайсинг, трансляцию [126]. Кроме того, установлено, что мутантные FUS образуют токсичные рибонуклеопротеиновые тела включения и накапливаются в цитоплазме [207, 236]. Показано также, что отдельные FUS регулируют биогенез кольцРНК в моторных нейронах путем связывания с экзон-интронными участками. В эксперименте показано, что когда уровень FUS истощался с помощью микроРНК в нейробластах, полученных из нервного гребня (N2A), или в моторных нейронах, полученных от мышей с нокаутом FUS, экспрессия многих кольцРНК в мозге понижалась [83, 219].

В других работах было показано, что белок 43, относящийся к семейству ядерных РНК- и ДНК-связывающих белков (TDP-43), регулирует транскрипцию и РНК-сплайсинг. При этом, если этот белок локализуется в цитоплазме, то он включает в себя токсины, которые, как известно, являются причиной спорадического БАС [127, 149]. Действие токсичных включений TDP-43 может быть заблокировано при помощи ингибитора DBR1, фермента, ответственного за линеализацию интронных колец во время обратного сплайсинга [31]. Поэтому блокирование DBR1 облегчает накопление интронных кольцРНК и секвестрацию TDP-43. Хотя точного доказательства нет, играют ли эти кольцРНК какую-либо роль в регулировании развития БАС из-за выщепления/мутации или торможения DBRI, тем не менее эти исследования демонстрируют возможности кольцРНК играть свою специфическую роль в БАС [192].

Кольцевые РНК и болезнь Гентингтона

Болезнь Гентингтона (БГ; англ. Huntington disease) — классическое генетическое аутосомно-доминантное нейродегенеративное заболевание человека, вызванное доминантно наследуемой мутацией повтора цитозин-аденин-гуанин (ЦАГ, англ. cytosine-adenine-guanine) в гене гантингтина, расположенного на хромосоме 4 [41] (рис. 9).

 

Рис. 9. Схема расположение гена НТТ на хромосоме 4 человека (цит. по: [40])

 

БГ распространена повсеместно, но неравномерно. В популяциях западных стран численность БГ составляет 10,6–13,7 человек на 100 000, в то время как на Среднем Востоке 3–4 на 100 000, a в некоторых странах Африки и Азии она встречается с частотой 1 на 1 000 000 [45, 103]. Болезнь Гентингтона — это заболевание, передающееся в семьях от поколения к поколению и проявляющееся в среднем возрасте. Оно характеризуется непроизвольными хореическими движениями, поведенческими и психическими нарушениями, включая деменцию [11]. Исторически пациент с признаками БГ впервые был описан американским врачом-исследователем Уотерсом в 1842 г. [226]. Однако только после описания американским врачом Дж. Гентингтоном в 1872 г. серии случаев наследственной передачи заболевания в семьях, живших в Нью-Йорке, это заболевание стали называть «хореей Гентингтона» [11, 189]. Название болезни оставалось неизменным вплоть до 1980 г., когда было изменено на «болезнь Гентингтона». В 1993 г. был обнаружен ген, отвечающий за наличие болезни Гентингтона [147]. Позже описан случай распространения БГ в Венесуэле, после того как среди населения в районе озера Маракайбо была зарегистрирована необычайно высокая частота этого заболевания — до 700 человек на 100 000. Исследователи высказали предположение, что ген был привнесен в изолированную популяцию испанскими торговцами в 1860–1870-х гг., а в результате частых родственных браков число гомозигот среди больных составило 30 % [11].

В 2021 г. появилась первая работа, где исследователи описывают связь развития БГ с функционированием кольцРНК. На клеточном уровне E. Marfil-Marin и соавт. [154] проанализировали мутантный гентингтин, экспрессируемый мутантными клетками и клетками дикого типа, и показали, что мутантный тринуклеотидный повтор ЦАГ гена гентингтина приводит к дисфункции нейронов и их гибели через ряд механизмов, включая нарушение протеостаза, транскрипции и функции митохондрий, а также прямую токсичность мутантного белка. При этом исследователи идентифицировали 23 кольцРНК, дифференциально экспрессируемые, включая 19 с пониженной и 4 с повышенной регуляцией. Исследователи также наблюдали ранние макроскопические изменения в клетках полосатого тела с вовлечением коры головного мозга, усиливающиеся по мере прогрессирования заболевания. Авторы этой работы делают вывод, что понимание сети регуляции кольцРНК/микроРНК/мРНК, вовлеченной в молекулярные механизмы, которые управляют развитием БГ, может привести к выявлению новых биомаркеров и потенциальных терапевтических мишеней [154].

В это же время были достигнуты значительные успехи в понимании как клеточной патологии, так и макроскопических структурных изменений мозга, которые происходят по мере прогрессирования этого психического заболевания [122]. Так, за последнее десятилетие произошел значительный рост обнаруженных потенциальных терапевтических мишеней и клинических испытаний новейших препаратов для лечения БГ [227]. Возможно, наиболее перспективными из них являются новые методы лечения, направленные на снижение уровня мутантного гентингтина. Разработанная в последнем десятилетии антисмысловая олигонуклеотидная терапия — один из таких методов; в настоящее время проводятся клинические испытания подобных препаратов. Эти новации могут приблизить нас еще на один шаг к эффективности лечебной терапии и потенциальной профилактике этого разрушительного заболевания.

Рассеянный склероз

Рассеянный склероз (РС, англ. multiple sclerosis) — хроническое прогрессирующее демиелинизирующее с потерей олигодендроцитов заболевание ЦНС с многоочаговой неврологической симптоматикой, которое впервые описал в 1835 г. французский патологоанатом Ж. Крювелье как «пятнистый» или «островковый» склероз (sclerosis en plaque) [20]. Традиционно РС считается патологией белого вещества, однако очаги демиелинизации встречаются во всех отделах ЦНС, включая серое вещество коры и подкорковых ядер (рис. 10).

 

Рис. 10. Нарушение регуляции иммунной системы в патогенезе рассеянного склероза: а — на ранней стадии заболевания; b — на поздней стадии заболевания. АПК — антигенпрезентирующая клетка; ДК — дендритная клетка; САП — сосудисто-астроцитарный пучок; АФА — активные формы азота; АФК — активные формы кислорода; ГМ-КСФ — гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор; TH₁ — T-хелпер 1-го типа; TH₁₇ — T-хелпер 17-го типа

 

В настоящее время это одно из наиболее распространенных хронических аутоиммунных заболеваний ЦНС, поражающее людей практически всех возрастов во многих странах мира, однако отдающее «предпочтение» молодым европеоидным женщинам, проживающим в северных широтах [3, 78].

Из-за гетерогенной природы протекания этого заболевания лечение и прогноз РС довольно сложны. Было высказано предположение, что различные нкРНК, включая микроРНК и lncRNAs, играют свою особую роль в регуляции экспрессии генов и исходов при РС [51, 74]. В исследованиях L. Iparraguirre и соавт. [111] было показано, что более 400 кольцРНК дифференцированно экспрессируются в лейкоцитах пациентов с РС, причем большинство из этих РНК регулируется обратной связью. При этом взаимодействие между различными нкРНК может быть значительным в регуляции событий бэксплайсинга у пациентов с РС. Например, в работе G. Cardamone и соавт. [51] отмечается, что длинные нкРНК, экспрессия которых была повышена у пациентов с РС, могут модулировать экспрессию регуляторных генов сплайсинга, тем самым влияя на процессы сплайсинга и бэксплайсинга. В частности, установлено, что длинная нкРНК, обозначенная исследователями как MALAT1, активно модулирует бэксплайсинг и соответственно экспрессию 49 кольцРНК, тем самым подтверждая гетерогенность и многогранность молекулярных механизмов патогенеза РС [51].

Известные китайские ученые M. Chen и соавт. [57] проанализировали значительное количество работ по механизмам неврологических заболеваний и утверждают, что длинные нкРНК и кольцРНК представляют две группы нкРНК, которые могут функционировать как конкурирующие эндогенные РНК, нарушая ингибирование микроРНК на целевых мессенджерных РНК (мРНК) при неврологических заболеваниях. Резюмируя, авторы отмечают, что длинные нкРНК и кольцРНК принимают самое активное участие в процессах дисфункции микроглии, дисфункции астроцитов, повреждении нейронов и при воспалении ЦНС. Они также проанализировали данные по регуляторной сети circRNA/miRNA/mRNA при неврологических заболеваниях, опосредованных микроглией и астроцитами [57]. Авторы этой работы, как и другие исследователи [257], делают вывод, что длинные нкРНК и кольцРНК могут быть не только биомаркерами, но и разнонаправлено регулировать патогенез рассеянного склероза.

Кольцевые РНК и травматические нарушения ЦНС, сопровождаемые деменцией

В настоящее время к индуцированным проявлениям деменции относят острые травматические нарушения ЦНС, включая травму спинного мозга (ТСМ), черепно-мозговую травму (ЧМТ) и инсульт как ведущие причины долгосрочной инвалидности и смерти у людей. Подобные нарушения могут возникать у обоих полов и в разных возрастных группах. Травматические повреждения ЦНС нарушают двигательные, когнитивные и нервно-психические функции у пострадавших лиц. Десятилетия исследований на людях и животных не выявили специфических терапевтических мишеней, которые можно модулировать для предотвращения гибели нейронов и неврологической дисфункции после любого острого повреждения ЦНС. Эти исследования показали, что острые нарушения ЦНС приводят к значительным изменениям профилей и функций нкРНК [112, 160–164, 178, 193, 200, 209].

Недавние экспериментальные исследования продемонстрировали, что ТСМ взрослых крыс значительно изменяет профили экспрессии кольцРНК в тканях мозга [191, 251]. Анализ cпектра интронных кольцРНК показал, что кольцРНК разной длины, измененные после ТСМ, могут модулировать пути, связанные с AMP-активированной передачей сигналов протеинкиназы и пероксисомами [214], а также могут участвовать во вторичном повреждении мозга после травмы через ось регуляции кольцРНК/микроРНК/мРНК [251]. Результаты этих работ показывают, что ЧМТ приводит к изменению профиля кольцРНК в тканях коры головного мозга и гиппокампе взрослых грызунов, и можно предположить, что уже измененные кольцРНК могут участвовать в модуляции воспаления, гибели клеток и репарации прямо или косвенно путем взаимодействия кольцРНК и микроРНК [113, 233].

В экспериментальном исследовании X.D. Zhao и соавт. [248] показано, что в экзосомах, выделенных из мозга мыши после ЧМТ, присутствовал широкий спектр кольцРНК. Существует вероятность, что измененные кольцРНК играют свою особую роль в синаптической пластичности [248]. Однако функциональная значимость отдельных кольцРНК, измененных после травматических повреждений ЦНС, пока подробно не оценена.

Известно, что неонатальная ишемия-гипоксия (HИГ) — частая проблема, возникающая при прерывании кровоснабжения плода на 36-й неделе беременности или позже. HИГ нередко приводит к ишемической энцефалопатии, состоянию, которое характеризуется длительными моторными, сенсорными и когнитивными нарушениями. В экспериментальном исследовании Y.J. Jiang и соавт. [113] на крысиной модели HИГ было показало, что экспрессия многих кольцРНК была значительно изменена, а выполненный биоинформационный сетевой анализ взаимодействий кольцРНК/мРНК позволил предсказать, что такие измененные РНК могут быть вовлечены в повреждение головного мозга, а также в процесс дегенерации нейронов. Индукция перивентрикулярного повреждения белого вещества у крыс, которое является характерной патологией HИГ, также дифференциально индуцировала экспрессию многих кольцРНК, которые оказывали влияние на такие механизмы, как глутаматергическая синаптическая функция и передача сигналов VEGF [252].

Из баз данных ВОЗ известно, что ишемический инсульт является распространенным неврологическим заболеванием и имеет высокий уровень заболеваемости, смертности и инвалидности, что ложится огромным бременем на семьи пациентов и общество [50]. В настоящее время инсульт — вторая по значимости причина смерти в мире и первая по значимости причина смерти в Китае. Инсульт обычно делят на ишемический и геморрагический, причем ишемический инсульт составляет около 87 % [235]. Многочисленные неврологические повреждения, такие как стресс, гипоксия, воспаление и отек головного мозга, могут быть вызваны ишемией головного мозга и привести к апоптозу нейронов в ишемическом центре головного мозга, синергетически способствуют вторичному повреждению мозга после инсульта [160]. В ряде исследований показано, что инсульт вызывает быстрые изменения профилей экспрессии различных классов некодирующих РНК, включая микроРНК, нкРНК, piРНК и транскрибируемые ультраконсервированные области (T-UCR) [68–70]. Другие исследования подтверждают, что измененная функция нкРНК приводит к нарушению процесса трансляции и транскрипции и тем самым модулирует постишемический функциональный исход [71. 72, 118, 160, 178]. Недавно исследователи S.L. Mehta и соавт. [163] в экспенименте показали, что транзиторная фокальная ишемия головного мозга у взрослых мышей вызывает значительные изменения в экспрессии многих кольцРНК в период между 6 и 24 ч после реперфузии. В аналогичном исследовании C. Liu и соавт. [141] продемонстрировано изменение профиля экспрессии многих кольцРНК в тканях мозга мыши после фокальной ишемии через два дня после реперфузии. В более позднем исследовании также продемонстрировано изменение экспрессии многих кольцРНК в области ишемического инфаркта крыс через четыре дня после фокальной ишемии головного мозга [76].

Во всех этих исследованиях авторы отмечают, что большинство кольцРНК, измененных после инсульта, кодируются из экзонных областей генов, регулирующих синтез различных белков [76, 141, 163]. Однако пока неясно, связаны ли эти измененные уровни кольцРНК в тканях мозга после инсульта с измененным предпочтением формировать кольцРНК из линейных РНК, и регулирует ли какая-либо из этих кольцРНК трансляцию родительской РНК после инсульта. В настоящее время функциональное значение измененных кольцРНК в постишемической патофизиологии неизвестно. Тем не менее биоинформационный анализ показал, что кольцРНК, измененные после инсульта, могут модулировать передачу сигналов митоген-активированной протеинкиназы, передачу сигналов факторов Rap1 и Hippo, аутофагию и эндоцитоз, которые, как установлено, связаны с выживанием клеток и/или путями их гибели [76, 141, 163]. Действительно, в экспериментальном исследовании F. Wu и соавт. [231] показано, что уровень экспрессии кольцРНК TLK1 (circTLK1) был повышен в тканях мозга и плазме мышей на модели окклюзии средней мозговой артерии (МОСМА), а также в плазме крови пациентов с острым ишемическим инсультом. Показано, что сircTLK1 формируется из экзонов 2 и 3 гена TLK1, а экспрессия линейной мРНК TLK1 была снижена в тканях ишемизированного мозга. Интересно, что когда сircTLK1 была заблокирована, в клетках ишемизированных мышей выявлено снижение апоптоза, облегчение неврологического дефицита, уменьшение объема области инфаркта и продемонстрировано улучшение соматосенсорных функций [231]. Эти эффекты сircTLK1 были опосредованы 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксином индуцирующего поли-АДФ-рибозную полимеразу (англ. TIPARP), из семейства поли-АДФ-рибозных полимераз (англ. PARP), которые, как известно, принимают участие в репарации ДНК и гибели клеток. Уровень мРНК TIPARP также был повышен, в то время как количество микроРНК miR-335–3p, которая связывается с 3'-НТО TIPARP, было снижено в тканях мозга при моделировании МОСМА. Нокдаун TIPARP привел к снижению неврологического дефицита, вызвал уменьшение объема области инфаркта, снижение объема области атрофии мозга, привел к сокращению смертности и вызвал улучшение двигательной функции после МОСМА [231]. Кроме того, снижение количества miR-335–3p было результатом действия circTLK1 в качестве губки, что предполагает регуляцию через ось circTLK1/miR-335–3p, вызывающую ухудшение ишемического повреждения при помощи TIPARP [231].

В аналогичном исследовании B. Han и соавт. [98] также выявлено, что TIPARP может регулироваться кольцРНК circHECTD1, уровень экспрессии которой значительно увеличивался в тканях ишемизированного мозга мышей, а также в плазме пациентов с острым ишемическим инсультом. При этом кольцРНК сircHECTD1, действуя в качестве микроРНК-142-«губки», нацелена на TIPARP, что способствует активации астроцитов и аутофагии [98]. В этом исследовании авторы также показали, что нокдаун кольцРНК HECTD1 приводил к потере функции микроРНК-142-«губки» и блокировал TIPARP, в свою очередь это приводило к сокращению аутофагии и сопровождалось улучшением постишемического функционального исхода [98]. Таким образом результаты этих исследований позволяют предположить, что circTLK1 и circHECTD1, по-видимому, регулируют постишемический неврологический исход, нацеливаясь на мишень TIPARP и функционируя в качестве микроРНК-335–3p-«губки» и микроРНК-142-«губки».

Кроме того, в недавнем исследовании H. Wang и соавт. [222] показано, что эктопическая экспрессия микроРНК-29b подавляет апоптоз нейронов при воздействии кондиционированной среды из микроглии, подвергнутой кислородно-глюкозной депривации (КГД) и микроРНК-29b мимической трансфицированной микроглии. Ранее в этой лаборатории было показано, что постинсультная понижающая регуляция микроРНК-29c способствует ишемическому повреждению головного мозга путем дерепрессии его целевой ДНК-метилтрансферазы [180]. Интересно, что микроРНК-29b может ингибировать передачу сигналов по пути JNK2/STAT3 с помощью индукции SOCS-1, очень мощного белкового супрессора семейства цитокиновых сигнальных белков, участвующих в иммунном ответе [222]. При этом передача сигналов по пути JNK2/STAT3 регулирует продукцию IL-1β в микроглиальных клетках после КГД. При культивировании нейронов гиппокампа в микроглиально-кондиционированной среде, содержащей IL-1β, наблюдался значительный апоптоз нейронов. Оказалось, что микроРНК-29b является мишенью кольцРНК circPTK2, которая также индуцируется после КГД. Таким образом, сверхэкспрессия circPTK2 подавляла микроРНК-29b и индуцировала апоптоз. И наоборот, молчание circPTK2 сохраняло уровни микроРНК-29b и способствовало экспрессии мРНК и белка SOCS-1. Кроме того, сайленсинг circPTK2 ингибировал активацию JAK2/STAT3 и продукцию IL-1β и тем самым предотвращал апоптоз нейронов [222].

Было также показано, что понижающая регуляция некоторых кольцРНК после инсульта способствует ишемическому повреждению головного мозга. Например, circDLGAP4 функционирует как эндогенная губка микроРНК-143; в постишемическом мозге мыши уровень circDLGAP4 был понижен, что привело к усилению регуляции микроРНК-143. Аналогичный эффект исследователи наблюдали у пациентов с острым инсультом, в плазме крови которых происходило снижение уровня circDLGAP4 [33]. Повышенные уровни микроРНК-143 способствовали накоплению красителя Evans blue, отрицательно регулируя экспрессию белков плотного соединения, включая клаудин-5, окклюдин и ZO-1 у контрольных мышей, подвергнутых ишемии головного мозга. Напротив, молчание микроРНК-143 или сверхэкспрессия circlgap4 улучшили и это изменение, и целостность цереброваскулярных сосудов путем сохранения уровней белков плотного соединения у мышей после транзиторной ишемии головного мозга. Кроме того, было показано, что микроРНК-143 нарушает эндотелиально-мезенхимальный переход, ответственный за поддержание целостности ГЭБ [33]. Это исследование показало, что эндотелиальные клетки экспрессируют мезенхимальные клеточные маркеры, такие как Col I, Col III и α-SMA, при понижении регуляции circDLGAP4 у мышей, подвергнутых транзиторной фокальной ишемии. Сверхэкспрессия circDLGAP4 или молчание микроРНК-143 сокращали увеличение экспрессии Col I, Col III и α-SMA. Авторы предположили, что сверхэкспрессия circDLGAP4 защищает ткани мозга после инсульта путем сокращения опосредованного микроРНК-143 эндотелиально-мезенхимального перехода и нарушения проиницаемости ГЭБ [33].

КОЛЬЦЕВЫЕ РНК И НЕВРОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЦНС БЕЗ ПРИЗНАКОВ ДЕМЕНЦИИ

Множественная системная атрофия

Множественная системная атрофия (MСA) — редкое нейродегенеративное заболевание, характеризующееся вегетативной дисфункцией, тремором, замедлением движений, ригидностью мышц, нестабильностью осанки (в совокупности известные как паркинсонизм) и атаксией. Это состояние вызвано прогрессирующей дегенерацией нейронов в нескольких частях мозга, включая базальные ганглии, нижнее оливарное ядро и мозжечок. Заболеваемость МСА составляет 1 на 20 000–50 000 случаев, причем MСA паркинсонического типа (англ. MSA-p) преобладает в западном полушарии, а MCA церебеллярного типа (англ. MSA-c) — в восточном полушарии.

Многие люди, страдающие MСA, испытывают дисфункцию вегетативной нервной системы, которая обычно проявляется в виде ортостатической гипотензии, импотенции, потери потоотделения, сухости во рту, задержки и недержания мочи. Паралич голосовых связок является важным, а иногда и начальным клиническим проявлением этого расстройства [7]. Многие симптомы MСA, включая ригидные мышцы, медленное движение и плохой баланс, напоминают симптомы болезни Паркинсона [46, 140, 234]. Отмечают, что биохимическим признаком МСА является патологическое накопление альфа-синуклеина в мозге пациентов с этим заболеванием, которое, как полагают, играет ведущую роль в прогрессировании этого заболевания [187, 234]. В ряде работ отмечается изменение экспрессии микроРНК в мозжечке, сыворотке крови и спинномозговой жидкости, а также генетические изменения в длинных межгенных нкРНК, зарегистрированных в клетках лобной коры пациентов с МСА [125, 155]. В экспериментах на мышиной модели MСA установили, что ранние изменения во взаимодействиях микроРНК/мРНК предшествуют клиническому началу заболевания [203]. Кроме того, в исследованиях B.J. Chen и соавт. [56] показано, что кольцРНК IQCK, MAP4K3, EFCAB11, DTNA и MCTP1 были сверхэкспрессированы в клетках лобной коры пациентов с MСA, в то время как их линейные транскрипты не были изменены. Эти различия в эффектах предполагают, что при такой специфической патологии экспрессия кольцРНК и их линейных аналогов контролируется независимо друг от друга [197, 198, 215]. По-видимому, существуют горячие точки транскриптов для кольцРНК, из которых продуцируется более одной кольцРНК. В частности было показано, что 21-й ген в транскриптоме больных MСA кодирует более 10 кольцРНК [56]. Однако до настоящего времени конкретная роль индивидуальных кольцРНК в патологии MСA еще не определена.

Эпилепсия

В XXI в. эпилепсия (англ. epilepsy) стала довольно распространенным неврологическим заболеванием людей, которое характеризуется как хроническое нервно-психическое заболевание головного мозга с различной этиологией, но единым патогенезом, сопровождающееся повторными эпилептическими пароксизмами, возникающими в результате чрезмерных нейронных разрядов, и характеризуемое разнообразными клиническими и параклиническими проявлениями. Это самостоятельная нозологическая единица, существенно отличающаяся по этиологии и патогенезу от острой церебральной патологии и очаговых (многоочаговых) заболеваний головного мозга, которые протекают с эпилептическими припадками [9]. Установлено, что повторные приступы эпилепсии могут привести к ряду патологических изменений мозга, таких как повреждение нейронов или глиальных клеток. Как известно, aстроциты — самый распространенный тип глиальных клеток в головном мозге. Они отвечают за многие ключевые функции в ЦНС, например, могут обеспечивать существенную метаболическую поддержку нейронов и других типов клеток, регулировать синаптическую пластичность, участвовать в составе ГЭБ [27], поддерживать внеклеточный ионный баланс и вносить свой вклад в формирование долговременной памяти [6].

При неврологических расстройствах астроциты претерпевают значительные морфологические и молекулярно-фенотипические изменения, наиболее характерными из которых являются клеточная гипертрофия и повышенная регуляция промежуточного филаментного белка (англ. glial fibrillary acidic protein — GFAP).

До настоящего времени пока не выяснено, участвуют ли кольцРНК в повреждении нейронов во время эпилепсии. В эксперименте на модели «status epilepticus» крыс L. Shao и соавт. [206] скрининговали кольцРНК circIgf1r при помощи метода секвенирования circRNAFisher и обнаружили, что экспрессия этой кольцРНК была повышена после моделирования «status epilepticus» [206]. При подробном анализе эпилептического статуса наблюдали поляризацию астроцитов в сторону нейротоксического фенотипа A1, а также потерю нейронов. Путем экспериментального введения кольцРНК circIgf1r в боковой желудочек мозга крыс было обнаружено, что ее нокдаун in vivo индуцирует поляризацию астроцитов в сторону фенотипа A2, а также уменьшает потерю нейронов (рис. 11).

 

Рис. 11. Схема участия кольцевой РНК circIgf1r в трансформации астроцитов из фенотипа А1 в фенотип А2

 

Результаты экспериментов in vitro также подтвердили, что ингибирование экспрессии circIgf1r в астроцитах может защитить нейроны путем преобразования реактивных астроцитов из фенотипа A1 в защитный фенотип A2. Кроме того, нокдаун circIgf1r в астроцитах может функционально способствовать аутофагии астроцитов и облегчать разрушение 4-AP-индуцированного пути аутофагии. С точки зрения авторов, механизм действия circIgf1r основан на том, что circIgf1r способствовует поляризации астроцитов до фенотипа A1 путем ингибирования аутофагии [206].

Можно отметить исследовательскую работу Z. Zhu и соавт. [254], которые показали, что кольцРНК circUBQLN1 может блокировать апоптоз и оксидативный стресс в нейронах гиппокампа больных эпилепсией.

В настоящее время значительно увеличилось число исследований, посвященных новым методам диагностики и лечения эпилепсий [36].

Резюмируя результаты исследований кольцРНК circIgf1r и circUBQLN1, можно предположить, что кольцРНК могут служить потенциальной мишенью как для профилактики, так и для лечения поврежденных нейронов пациентов после эпилепсии.

Кольцевые РНК и расстройства настроения

Депрессивные расстройства (ДР) — это комплекс неврологических заболеваний, характеризующихся угнетенным настроением. Согласно классификации МКБ-10, ДР подразделяют: на основное (ОДР); стойкое; предменструальное дисфорическое расстройство; разрушительное расстройство дисрегуляции настроения; ДР вследствие другого заболевания; ДР, вызванное веществом/лекарством. ОДР — наиболее распространенный тип, характеризующийся плохим настроением, потерей интереса, неспособностью чувствовать удовольствие, плохой концентрацией сознания. Рецидивы угнетенного состояния также распространены, и, что еще хуже, пациент может думать о суициде и пытаться его осуществить. По данным ВОЗ, в мире от ДР страдают около 264 млн человек [54, 89]. По сравнению с мужчинами женщины чаще страдают от тяжелой депрессии. По данным обследования психического здоровья в Китае в период с 2013 по 2015 г. показано, что распространенность этой патологии в течение жизни составляет 3,4 %, в течение 12 мес. — 2,1 %, причем 12-месячная распространенность была выше у женщин, по сравнению с мужчинами (2,5 % против 1,7 %, р = 0,0061) [108].

Этиология и патогенез ОДР остаются пока неясными. В отдельных работах показано, что черты личности и стресс окружающей среды, а также генетика играют свою роль в депрессии [93]. Некоторые исследователи считают, что эпигенетическая модификация генов и иммунное воспаление также связаны с развитием ОДР [44, 180]. Последователи нейрогенной теории утверждают, что ОДР связано с дефектами нейрогенеза, а исследования посмертных образцов показали, что размер и плотность нейронов в дорсолатеральной префронтальной коре (англ. dlPFC) и зубчатой извилине пациентов с ОДР были ниже [43, 152, 191]. Однако до настоящего времени не существует объективного метода диагностики ОДР. Диагноз ОДР в основном зависит от субъективного выражения пациента, на которое может влиять способность как пациентов, так и клиницистов интерпретировать конкретные симптомы.

Поскольку кольцРНК стабильны и имеют более длительный период полураспада, чем линейные РНК, а также весьма устойчивы к деградации рибонуклеазой R (RNase R), эти свойства делают их пригодными в качестве биомаркеров различных болезней человека, включая неврологические [230]. Было обнаружено, что кольцРНК оказывают влияние на неврологические системы, врожденный иммунитет, микроРНК и различные сигнальные пути, связанные с целым рядом других заболеваний [165], включая нескольколько распространенных неврологических заболеваний, таких так БА, БП, РС и шизофрения [92, 160]. Однако отметим, что область исследований функций кольцРНК при депрессии все еще не получила должного внимания, хотя имеется несколько интересных исследований, в которых изучалась связь между симптомами ОДР и уровнем экспрессии кольцРНК [65, 107, 209].

Биполярное расстройство. Биполярное расстройство (БР) как психическая патология представляет собой многофакторное психическое расстройство, характеризующееся возникновением эпизодов серьезного ухудшения настроения, нейропсихических осложнений, нарушений личностных/социальных функций и иммунологических изменений [13]. Средний возраст начала заболевания составляет 30 лет, является одним из основных источников инвалидности в мире, ассоциируется с преждевременной смертью от сопутствующих заболеваний, а также попыток самоубийства [64, 102, 158]. Данные генетических исследований указывают на то, что БР демонстрирует высокую наследуемость, а связанные с этим генетический риск и профили экспрессии генов перекрываются [52]. Показано также, что несколько генетических и экологических параметров модулируют риск развития БР, но большинство генетических признаков связаны и с другими психическими расстройствами (рис. 12).

 

Рис. 12. Схема комплексного действия экологических и генетических факторов на формирование психических расстройств

 

В настоящее время однозначно показана причинно-следственная связь между некоторыми из этих факторов риска при возникновении БР [146]. Относительно недавно было установлено, что к числу признанных факторов в патофизиологии БР можно отнести и нкРНК. Их транскрипты участвуют в эпигенетической маркировке нескольких генов посредством модуляции конфигурации хроматина и редактирования РНК. При этом связывание с комплементарными последовательностями в геноме может изменять сайты метилирования РНК. Более того, длинные нкРНК (lncRNAs) вовлечены в сложные регуляторные системы, которые контролируют экспрессию генов-мишеней [146]. Так, расшифровка транскриптов в образцах аутопсии медиальной лобной извилины, взятых от пациентов с БР, показала дифференциальную экспрессию 10 транскриптов lncRNA и большое число альтернативных сплайсированных вариантов у таких пациентов [91]. Другие типы нкРНК, включая и кольцРНК, также были изменены в тканях головного мозга или обнаруживались в периферической крови пациентов с БР [87, 132].

Расстройство аутистического спектра (РАС) — это довольно распространенное комплексное психическое расстройство, связанное с нарушением в развитии нервной системы и генетически наследуемое, которое характеризуется выраженным и всесторонним дефицитом социального взаимодействия и общения, а также ограниченными интересами и повторяющимися стереотипными действиями [2, 30]. По данным Всемирной организации по аутизму, в мире насчитывается более 70 млн человек с аутизмом, при этом у мальчиков РАС диагностируется почти в пять раз чаще, чем у девочек [95]. Крупномасштабные геномные исследования последних лет выявили значительное количество геномных вариантов, связанных с этиологией РАС [202], что дает дполнительную ценную биологическую информацию об этом заболевании. Однако вклад генетических факторов в это сложное психическое расстройство весьма неоднороден и изучен еще недостаточно. Тем не менее благодаря высокопроизводительному секвенированию РНК (RNA-seq) образцов посмертного мозга людей с идиопатическим РАС в многочисленных исследованиях выявлены ценные дифференциальные паттерны экспрессии нкРНК, включая мРНК, длинные нкРНК, микроРНК и кольцРНК [60, 92]. Результаты этих исследований существенно расширяют наше понимание основных молекулярных механизмов патофизиологии РАС, однако причинно-следственные связи между генетическими вариантами заболевания и изменениями экспрессии транскрипции кольцРНК при РАС по-прежнему остаются неясными.

Шизофрения

Шизофрения — одно из самых тяжелых хронических рецидивирующих психических заболеваний, при котором развиваются фундаментальные нарушения восприятия, мышления и эмоциональных реакций. Наиболее частыми клиническими признаками шизофрении являются бред, галлюцинации, апатия, нарушение мышления [14, 18, 204]. Описания шизофреноподобных симптомов встречаются в источниках уже в 2000 г. до н. э. Симптомы, напоминающие шизофрению, имеются и в арабских медицинских и психологических текстах, датируемых Средними веками [24]. Более подробно симптомы представлены в «Медицинском каноне» Авиценны, который описывает состояние, напоминающее шизофрению, обозначая его термином «джунун муфрит» (тяжелое безумие) и отделяет его от других форм безумия «джунун», таких как мания, бешенство и маниакально-депрессивный психоз (цит. по: [18]). И хотя общая концепция представлений о безумии существовала на протяжении тысячелетий, лишь в 1893 г. шизофрения как заболевание была выделена врачом-психиатром Эмилем Крепелином в качестве самостоятельного душевного расстройства. Впоследствии, в 1908 г., швейцарский психиатр Эуген Блейлер описал шизофрению как самостоятельное заболевание, отличающееся от деменции, и ввел в психиатрию термин «шизофрения». Ученый доказал, что болезнь не обязательно возникает в молодые годы, а может развиться и в зрелом возрасте. Главная особенность шизофрении не слабоумие, а «нарушение единства» психики, в том числе ассоциативного мышления. При этом в качестве диагностических критериев заболевания Блейлер выделял четыре «А»: снижение Аффекта, Аутизм, нарушение Ассоциаций и Амбивалентность, причем последний критерий считал основным признаком болезни. Отметим, что к шизофрении Э. Блейлер относил не только раннее слабоумие, невротические синдромы и старческий маразм, но и белую горячку у людей с алкогольной зависимостью. Впоследствии концепция шизофрении Блейлера была официально признана всеми психиатрами [18].

В настоящее время шизофрения — одно из наиболее частых психических расстройств с распространенностью в мире 1 %, что несет тяжелое бремя для пострадавших семей и общества. По данным ВОЗ, от шизофрении страдают более 21 млн человек, среди которых 12 млн приходится на мужчин и 9 млн — на женщин. Болезнь входит в двадцатку основных причин инвалидности населения во многих странах мира. Так, по данным ВОЗ, в США на 1000 населения приходится 5,3 больных; в Великобритании — 7,2; в Новой Зеландии — 3,2; в Израиле — 4,2. Эксперты ВОЗ пришли к выводу, что на каждую тысячу населения планеты приходится 7,0 больных шизофренией. Согласно последним исследованиям Y. Huang и соавт. [108], выполненных среди населения Китая, распространенность шизофрении составляет 0,559 %. В России, по данным МЗ РФ, относительное число зарегистрированных больных шизофренией в 1,5–2 раза ниже, чем в развитых странах [12, 16].

Клинический диагноз шизофрении в основном основывается на симптоматических изменениях и клиническом опыте психиатров. Учитывая субъективность таких диагнозов, они могут привести к ошибочным и пропущенным диагнозам. К числу объективных показателей в настоящее время для улучшения ранней диагностики и прогноза появления шизофрении причисляют кольцРНК, которые легко обнаруживаются в периферической крови и обладают высокой степенью пространственно-временной тканевой специфичности и стабильности [228]. Эти свойства кольцРНК предоставляют новый подход к изучению молекулярных механизмов, лежащих в основе возникновения и развития шизофрении.

В исследовании [75] продемонстрировано, что, являясь антисмысловыми последовательностями нуклеиновых кислот, кольцРНК могут конкурентно связываться с микроРНК, что отрицательно влияет на регуляторные эффекты этих микроРНК на посттранскрипционном уровне. Недавно было подтверждено, что микроРНК miRNA-320a-3p, miRNA-320b, miRNA-181b-5p, miRNA-21-5p, miRNA-195-5p, miRNA-137, miRNA-346, miRNA-34a-5p, hsa-miRNA-206 при взаимодействии с кольцРНК играют важную роль в возникновении и развитии шизофрении. Кроме того, H. Wei и соавт. [228] обнаружили, что восемь видов других микроРНК были повышены у пациентов с шизoфренией по сравнению с соответствующими их уровнями у здоровых людей. При помощи количественной полимеразной цепной реакции в реакции обратной транскрипции (qRT-PCR) авторы провели исследования на 400 пациентах с шизофренией, которые получали регулярное антипсихотропное лечение в течение 12 мес. Анализ результатов исследования показал, что экспрессия только miR-130b и miR-193a-3p была повышена у пациентов с шизофренией. Следовательно, по мнению исследователей, микроРНК miR-130b и miR-193a-3p могут быть использованы в качестве биомаркеров шизофрении независимо от состояния заболевания [228]. В клинических исследованиях S. Liu и соавт. было подтверждено [145], что экспрессия элементов оси регуляции, состоящей из miR-30a-5p, его транскрипционного фактора EGR1 и гена-мишени NEUROD1, изменялась в зависимости от состояния заболевания у пациентов с шизофренией до и после лечения. Дальнейший анализ результатов исследований показал, что по сравнению с отдельной микроРНК miR-30a-5p регуляторная ось EGR1/miR-30a-5p/NEUROD1 имела более высокую диагностическую ценность для прогнозирования шизофрении [144]. Таким образом, эти данные подтверждают возможность использования данных регуляторной оси miRNA/EGR1/NEUROD1 в качестве нового диагностического маркера шизофрении.

В настоящее время по данным многих исследований подтверждено, что кольцРНК высоко экспрессированы в головном мозге и, кроме того, дифференцированно экспрессируются в различных тканях и при разных болезненных состояниях [79, 155]. Установлено также, что динамика экспрессии кольцРНК сущенственно меняется во время развития нейронов, включая дифференцировку нейронов и их созревание. Установлено, что экспрессия кольцРНК во время дифференцировки нейронов повышается по сравнению с их гомологичными мРНК [99, 198]. Кроме того, в предыдущих исследованиях экспрессии кольцРНК при нейродегенетивных заболеваниях было показано, что чрезмерная обрезка синапсов в мозге во время роста и развития может трансформировать патогенез шизофрении [211].

Результаты работ, представленные в отдельных исследованиях, предполагают наличие синаптической локализации кольцРНК [137, 173]. Кроме того, в работах A. Rybak-Wolf и соавт. [197, 198] было показано, что концентрация кольцРНК в клетках нервной системы, как правило, повышена по сравнению с таковой в щитовидной железе, печени и мышцах, а их количество и экспрессия варьировала в клетках тканей разных областей мозга. Исследователи отмечают, что количество и экспрессия кольцРНК были особенно повышены в тканях мозжечка, причем отношение экспрессии кольцевой к линейной РНК было существенно увеличено, что коррелировало с большим количеством нейронов в мозжечке по сравнению с другими областями мозга. Кроме того, при измерении количества высокоочищенных компонентов из синаптосом было показано, что экспрессируемые мозгом кольцРНК оказывают сильное стимулирующее действие на умножение синапсов. В другом исследовании этих авторов показано, что кольцРНК circStau2a в основном локализована в синапсах, в то время как ее линейный транскрипт mRNAStau2 почти полностью локализован в цитоплазме нейронов [197]. Аналогично повышенная экспрессия кольцРНК, полученной из гена RMST, известного регулятора дифференцировки нейронов, коррелировала с высокой скоростью умножения синапсов [173]. Было также обнаружено, что во время развития гиппокампа повышенные количества кольцРНК продуцируются локусом гена, который одновременно кодирует белки, которые вызывают обогащение нейронов синапсами. И наоборот, никакого обогащения при трансляции какого-либо другого функционального класса белков не было обнаружено в локусе гена, который продуцировал нисходящий паттерн экспрессии кольцРНК [28, 239]. Таким образом анализ этих данных показывает, что степень экспрессии кольцРНК регулирует развитие нейронов. Установлено также, что ряд кольцРНК изменяют структуры нейронов, причем эти изменения преимущественно не зависят от функций их линейных транскриптов [173].

Позже были опубликованы результаты патологоанатомических исследований E. Mahmoudi и соавт. [150], из которых следует, что уровень экспрессии кольцРНК существенно меняется при психических и поведенческих синдромах, включая шизофрению. В работе представлен комплексный анализ методом секвенирования deep-RNA-seq экспрессии кольцРНК в мононуклеарных клетках из образцов периферической крови от 39 пациентов с шизофренией и от 20 здоровых людей. Авторы наблюдали систематический альтернативный бэксплайсинг, приводящий к сложному и разнообразному профилю транскриптов РНК, которые включали последовательности 8762 кольцРНК с высокой степенью разрешения. При более специфическом изучении транскриптома кольцРНК при шизофрении и сравнении его с контрольной группой удалось выявить значительную дисрегуляцию 55 кольцРНК с уклоном в сторону пониженной регуляции. E. Mahmoudi и соавт. [151] сделали вывод, что эти кольцРНК будут взаимодействовать с большим количеством микроРНК, которые нацелены на гены, сопряженные с психическими расстройствами (рис. 13).

 

Рис. 13. Схема диагностических и терапевтических перспектив использования кольцевых РНК при шизофрении

 

Основываясь на этих данных, некоторые исследователи предположили, что дальнейшая перекрестная валидация по определению специфичности этих 55 кольцРНК в более широких диагностических группах и подгруппах больных шизофренией позволят установить их конкретную полезность в качестве биомаркеров и терапевтических мышеней [137, 211, 216].

КОЛЬЦЕВЫЕ РНК И ЛЕКАРСТВЕННОЗАВИСИМЫЕ НЕВРОЛОГИЧЕСКИЕ НАРУШЕНИЯ

В отдельных исследованиях было показано, что кольцРНК играют особую роль в метамфитаминовой зависимости пациентов при неврологических нарушениях [134]. В посмертных исследованиях образцов тканей мозга человека с диагнозом шизофрении выявлено, что уровни экспрессии многих кольцРНК были ниже, чем в тканях здоровых людей, хотя значимость динамики этих изменений пока неизвестна [150]. В экспериментальных исследованиях на модели мышей с диабетом G. Yoon и соавт. [240] было показано, что диабет у мышей с высоким содержанием жира, вызванный диетой, значительно изменяет профили экспрессии кольцРНК в тканях коры головного мозга у взрослых мышей. Кроме того, авторы этих экспериментов обнаружили корреляцию между уровнем экспрессии кольцРНК и их линейных аналогов мРНК, что, по их мнению, указывает на транскрипционный контроль динамики экспрессии кольцРНК. В исследованиях других авторов показано, что уровни экспрессии кольцРНК изменяются в мозге пациентов, имеющих и другие психические расстройства, например при ОДР. Так, в клинических исследованиях X. Cui и соавт. [65] установлено, что уровень экспрессии кольцРНК hsa_circRNA_103636 был существенно изменен у пациентов с ОДР после 8 нед. лечения антидепрессантами. В аналогичных исследованиях Y. Zhang и соавт. [245] было установлено, что экспрессия кольцРНК circDYM (образуется из экзонов 4, 5 и 6 гена DYM) была значительно снижена в крови пациентов с ОДР, проявлявших хронический непредсказуемый стресс. В cвоих экспериментальных исследованиях депрессии на мышиной модели, индуцированной липополисахаридами, этой группой ученых было установлено, что уровень экспрессии кольцРНК сircDYM был снижен в образцах из крови животных. Исследователи показали, что разнонаправленность эффектов кольцРНК частично опосредована фактором HECTD1, который при этом блокировался микроРНК miR-9 и активировался сверхэкспрессией кольцРНК circDYM [245]. При комплексном анализе данных было выявлено, что уровень сверхэкспрессии кольцРНК circDYM коррелировал с характером депрессивного поведения и с ингибированием активации микроглии [245].

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ И ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КОЛЬЦЕВЫХ РНК ПРИ НЕВРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ

По данным молекулярных биологов, ковалентно-замкнутые в кольцо концы линейной цепи обеспечивают кольцРНК высокую стабильность в крови и в других жидкостях организма [34]. Это обстоятельство делает их весьма привлекательными биомаркерами различных заболеваний человека [139, 196, 230]. В 2015 г. С. Memczak и соавт. [166] впервые указали, что специфичная и целенаправленная экспрессия кольцРНК делает их потенциальными биомаркерами и для неврологических заболеваний. Эти исследователи были среди первых, кто обнаружил кольцРНК в крови, а затем последовали работы других исследовательских групп, обнаруживших их и в других жидкостях организма, а также в экзосомах и других внеклеточных везикулах [130, 133, 134, 136, 139]. В частности, E. Lasda и R. Parkеr показали, что circHIPK3, circZKSCAN1, circASXL1 и circKIAA0182 секретировались во внеклеточных везикулах, включая экзосомы и микровезикулы, полученные из различных линий клеток человека, и их количество было существенно выше по сравнению с их линейными аналогами. Поэтому исследователи предположили, что такое накопление кольцРНК во внеклеточных везикулах может быть особым механизмом клиренса, чтобы управлять клеточным уровнем таких весьма устойчивых молекул РНК. Кроме того, подобная упаковка клетками кольцРНК во внеклеточные везикулы способствует межклеточной коммуникации [129]. Следовательно, внеклеточные везикулы являются потенциальными биомаркерами неврологических заболеваний, включая БА [131], БП [121], шизофрению [216]; кроме того, существующая корреляция между экспрессией экзосомальных белков, микроРНК и кольцРНК может повысить чувствительность и специфичность диагностирования многих неврологических болезней, так же как и оценку реакций на медикаментозное лечение. Ранее кольцРНК уже были предложены в качестве биомаркеров для различных видов рака [5, 135], а также ряда других болезней, включая системную красную волчанку [133], туберкулез [109, 255], ревматоидный артрит [177], диабет [84, 251].

Отметим, что уже есть пример использования кольцРНК в клинических исследованиях в качестве биомаркера неврологических болезней. Например, это кольцРНК has_circRNA_103636, экспрессия которой дифференцированно регулируется у пациентов с депрессивными нарушениями после применения антидепрессантов в течение 8 нед. [65]. Эти факты позволяют утверждать, что показатели экспрессии кольцРНК могут использоваться, во-первых, чтобы оценить реакции больного на медикаментозное лечение и, во-вторых, в качестве диагностических молекул. Следует также отметить, что из-за недоступности тканей головного и спинного мозга для нетравматической биопсии, для неврологических больных действительно важно, что кольцРНК можно идентифицировать в качестве биомаркера в тканях, полученных нетравматичными методами.

Многообещающей и необходимой будущей стратегией лекарственной терапии на основе кольцРНК является разработка методов предотвращения образования специфической патологической кольцРНК в дополнение к нокдауну уже сформированной зрелой кольцРНК [105, 253]. Ранее проведено исследование, в котором проведено редактирование генома CRISPR/Cas9 для удаления локуса кольцРНК CDR1as, чтобы лучше уяснить функциональную и биологическую значимость повышения количества и экспрессии CDR1as в мозге млекопитающих [183]. Используя аналогичный подход Y. Zhang и соавт. блокировали экспрессию circGCN1L1 без влияния на транскрипцию ее линейной РНК при помощи выщепления интронной последовательности фланкирующих интронов circGCN1L1 [246]. Кроме того, сверхэкспрессия специфической кольцРНК может быть достигнута за счет аденовирусного или лентивирусного вектора, несущего последовательность определенной кольцРНК [33, 100]. Отметим также, что FDA США недавно одобрило технологию Zolgensma, которая по сути является генной терапией на основе аденовируса для коррекции двойных аллельных мутаций в гене моторного нейрона SMN1 и LUXTURNA (voretigene neparvovec-rzyl) для доставки нормальной копии гена RPE65 для коррекции двойной аллельной генной мутации RPE65 у пациентов с дистрофией сетчатки [117]. Можно предположить, что методы, основанные на генной технологии Zolgensma, для осуществления модуляции кольцРНК в терапии пациентов вполне возможны в будущем. Кроме того, доставка синтетической функциональной кольцРНК в клетку с целью повышения специфических уровней собственных кольцРНК также является приемлемым подходом. Отметим, что естественные линейные РНК могут быть получены при помощи транскрипции in vitro, а затем преобразованы в кольцРНК либо химическим, либо ферментативным способом. С помощью этой стратегии линейные предшественники могут быть энтропийно дезавуированы, если размер будущего кольца велик [183]. Однако существует еще несколько проблем, которые предварительно необходимо решить, прежде чем кольцРНК будут практически подготовлены к терапии, включая их производство в нужном количестве, стабильность, доставку и прогнозируемые побочные эффекты.

Важным из клинически значимых аспектов целевой генной терапии является специфическая для конкретного типа клеток экспрессия и биологическая активность некодируемых РНК. Ранее установлено, что кольцРНК более предпочительны, чем их линейные РНК, для транскрипции многих геномных локусов млекопитающих, которые продуцируют оба вида РНК [198, 201].

Интересно отметить, что гематоэнцефалический барьер мог бы стать препятствием для эффективной лекарственной терапии при неврологических болезнях, таких как БА, БП и БАС, однако функция устойчивости кольцРНК позволяет им свободно, в виде микровезикул с инкапсулированными кольцРНК, циркулировать в периферической крови [209]. Поэтому возможно коррелировать уровни кольцРНК в крови больных неврологическими растройствами применительно к типу конкретного заболевания с их прогрессией и, в конечном счете, с реакцией на применение лекарственных средств [105]. Кроме того, М. Armakola и соавт. [31] изолировали ДНК- и РНК-связывающий белок TDP-43 в клеточных микровезикулах и подавили его токсичность быстрым действием расщепляющего фермента Dbr1 в нейронной клеточной линии человека и основных нейронах мозга крыс. Ранее было показано эндоплазматическое накопление TDP-43 при некоторых формах спорадического БАС [148], при этом модуляция биогенеза кольцРНК через торможение функции Dbr1 была предложена в качестве потенциальной терапевтической стратегии для БАС [31]. Помимо модуляции врожденных кольцРНК, сами транскрипты кольцРНК могли бы использоваться в качестве терапевтических средств. Например, кольцРНК может быть спроектирована, чтобы произвести искусственные высокоустойчивые транскрипты с настроенными молекулярными эффектами: «губки» для определенных микроРНК или РСБ, матрицы для трансляции определенных пептидов, модуляторы регуляторов иммунного ответа или транскрипции. Независимо от использования кольцРНК как целевых терапевтических средств единственное ограничение могло бы быть методом для того, чтобы снабдить нервную систему терапевтическими нуклеиновыми кислотами. В настоящее время появляющиеся стратегии дизайна молекул кольцРНК и их модификаций, типов назначения и доставки к тканям центральной нервной системы уже описаны и активно используются in vivo. В частности, антисмысловые олигонуклеотиды (АСО) служат основой для создания нового поколения терапевтических препаратов [1, 26]. На моделях нейродегенеративных нарушений грызунов и человекообразных обезьян также продемонстрированы способы доставки АСО к тканям ЦНС путем инфузии экзосом, загруженных препаратом сквозь интрацеребровентрикулярные оболочки, которые можно применить для лечения БГ, БАС [106, 120] и уже применяются для лечения спинальной мышечной атрофии [62]. Что еще более важно, клинические исследования у пациентов с БАС или спинальной мышечной атрофии, которым включали внутриоболочечную доставку АСО против кодирующих белок транскриптов продемонстрировали полезность доставки таким образом не только лекарств, но и терапевтических РНК [86, 169, 253].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учитывая растущий интерес к биомаркерам нкРНК применительно для конкретных нейродегенеративных заболеваний, кольцРНК как представители нкРНК являются наиболее доступными и надежными кандидатами на эту роль. Доказательства в поддержку этой перспективы перечислим еще раз.

Во-первых, в отличие от линейных РНК, кольцевая структура кольцРНК наделяет их высокой устойчивостью к РНКазам и своеобразными структурными конформациями, отличающими их от линейных РНК.

Во-вторых, весьма существенно то, что они присутствуют в крови, а это повышает их возможность быть полезными не только в качестве биомаркеров заболеваний, но и в качестве мишеней для молекулярной терапии.

В-третьих, они накапливаются в большом количестве в тканях мозга в зависимости от возраста, и этот аспект делает их еще более привлекательными для исследований в качестве биомаркеров нейродегенеративных заболеваний.

Несмотря на то что проблема поиска специфических биомаркеров при нейродегенеративных заболеваниях все еще находится в зачаточном состоянии, факты отдельных совпадений экспрессируемых кольцРНК с соответствующим спектром РНК в плазме пациентов, страдающих нейродегенеративными заболеваниями, создает предпосылки для их потенциального использования в качестве периферических биомаркеров.

Отметим также, что кольцРНК как объект исследования по-прежнему привлекают неослабеващее внимание своей наследуемой стабильностью, изобилием в тканях мозга, способностью преодолевать гематоэнцефалический барьер, высокоспецифичной и тканеспецифичной экспрессией, которая не связана с их линейными аналогами мРНК. Их дифференциальная экспрессия в генах, ассоциированных с заболеваниями, предполагает, что гены кольцРНК представляют собой решающие детерминанты патофизиологических процессов, связанных с неврологическими расстройствами. Не последнюю роль играет тот факт, что отдельные кольцРНК могут быть транслированы в пептиды, а это открывает путь для новых перспектив изучения геномной «темной материи», которую не следует строго классифицировать как кодирующую или некодирующую. С другой стороны, пока окончательно не закрыт вопрос о том, что кольцРНК могут быть результатом технических артефактов, и поэтому требуются более точные методы проверки кольцеобразности РНК. Резюмируя, отметим, что существует все больше и больше доказательств повышенного потенциала применения кольцРНК в диагностике, а также более глубокого понимания молекулярных механизмов функционирования кольцРНК как при физиологических, так и при патологических неврологических состояниях.

Список сокращений

APP — трансмембранный белок — предшественник амилоида (англ. amyloid precursor protein); АСО — антисмысловые олигонуклеотиды; БА — болезнь Альцгеймера; БАС — боковой амиотрофический склероз; БГ — болезнь Гентингтона; БП — болезнь Паркинсона; БР — биполярное расстройство; ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения; ГАМК — гамма-аминомасляная кислота; ГЭБ — гематоэнцефалический барьер; ДР — депрессивные расстройства; КГД — кислородно-глюкозная депривация; кольцРНК — кольцевые молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК); ЛВД — лобно-височная деменция; МОСМА — модель окклюзии средней мозговой артерии; мРНК — мессенджерные РНК; MСA — множественная системная атрофия; НИГ — неонатальная ишемия-гипоксия; нкРНК — некодирующие РНК; ОДР — основное депрессивное расстройство; РАС — расстройство аутистического спектра; ТСМ — травма спинного мозга; ЦНС — центральная нервная система; ЧМТ — черепно-мозговая травма; GSK-3β — гликогенсинтаза киназы-3β

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Petr D. Shabanov

Kirov Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: pdshabanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1464-1127
SPIN-code: 8974-7477

Dr. Sci. (Med.), professor and head of the S.V. Anichkov Department of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Vladimir I. Vashchenko

Kirov Military Medical Academy

Email: vladimir-vaschenko@yandex.ru

Dr. Sci. (Biol.), leading research associate, Centre of Blood and Tissues

Russian Federation, Saint Petersburg

L. P. Savelieva

Kirov Military Medical Academy

Email: lidalab@rambler.ru

head of the clinical laboratory, Centre of Blood and Tissues

Russian Federation, Saint Petersburg

Yuliya E. Romashova

Kirov Military Medical Academy

Email: pdshabanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5771-0789
SPIN-code: 3921-7090

сhief, Centre of Blood and Tissues

Russian Federation, Saint Petersburg

References