Nye småmolekylære terapeutiske tilnærminger for Alzheimers sykdom og Parkinsons sykdom basert på målretting av mikroRNAer

Rollen til mikroRNA i utviklingen av nevrodegenerative sykdommer: MikroRNA (miRNA) er endogene, ikke-kodende og korte RNA-nukleotider som regulerer genuttrykk gjennom baseparing med målrettet budbringer-RNA (mRNA) i den 3'uoversatte regionen (3' UTR). Dermed spiller miRNA en grunnleggende rolle i hemming eller nedbrytning av messenger-RNA (Gebert og MacRae, 2019). To ribonukleaser (RNase) III-enzymer kontrollerer biogenesen av miRNA; Drosha og Dicer. Det første trinnet i biogenesen inkluderer spaltning av primære miRNA-er (pri-miRNA-er) i cellekjernen av Drosha, noe som fører til dannelsen av korte stamløkke-pre-miRNA-er. Deretter blir disse pre-miRNA-ene transportert til cytoplasmaet og viderebehandlet av Dicer, noe som resulterer i modne miRNA-er (O'Brien et al., 2018).

Klikk for å cistanche tubulosa kapsler for Alzheimers sykdom

Tallrike sykdommer viser unormalt uttrykk for miRNA, som brystkreft, leukemi, hepatocellulært karsinom og kardiovaskulære og nevrodegenerative sykdommer. Mer enn 2000 miRNAer har blitt identifisert for å ha nøkkelroller i å differensiere nevroner, noe som fremhever involveringen av miRNA i forskjellige nevronale prosesser. Litteratur avslører at miRNA-er er involvert i forskjellige veier som er direkte involvert i progresjonen av nevrodegenerative sykdommer (figur 1A). -Synuklein, et presynaptisk protein involvert i nevrologiske lidelser, er et iboende forstyrret protein. Aggregeringen av -synuklein for å danne uløselige fibriller og Lewy-legemer er et sentralt patologisk kjennetegn for diagnostisering av nevrologiske lidelser, som Parkinsons sykdom og Alzheimers sykdom. Aggregeringen av -synuklein i humane neuroblastomceller fremmes av miR-16-1, som tilskrives evnen til miR-16-1 til å nedregulere varmesjokkprotein 70. Nylig har evnen til miR-153 å negativt regulere -synuklein har blitt demonstrert i parkinsonmus (Cressatti et al., 2019).

Dessuten forsterket hemmingen av miR-34b hos pasienter med Parkinsons sykdom uttrykket av -synuklein i den menneskelige hjernen. Tau, et mikrotubuli-assosiert protein, uttrykkes i den modne menneskelige hjernen i seks isoformer. Den unormale hyperfosforyleringen og aggregeringen av tau til modne fibriller er observert ved Alzheimers sykdom så vel som andre nevrologiske lidelser, kalt tauopatier. Nedregulering av miR-212 og miR-132 ble påvist i nevralt avledede plasmaeksosomer fra pasienter med Alzheimers sykdom (Cha et al., 2019). Basert på disse funnene anses vurderingen av nivåene av miR212 og miR-132 i ekstracellulære vesikler som et lovende diagnostisk verktøy for Alzheimers sykdom. Tallrike rapporter har vist sammenhengen mellom nevrodegenerative sykdommer og dysfunksjon i mitokondriell dynamikk, for eksempel variasjon i mitokondrierstørrelse, endret form, fisjon-fusjon og mitokondriebevegelse). I denne sammenhengen har miR-27a blitt rapportert å undertrykke uttrykket av PTEN-indusert antatt kinase 1, en mitokondriell serin/treoninkinase, som er en nøkkelspiller innen mitofagi. Derfor spiller miR-27a en nøkkelrolle i å kontrollere den autofagiske clearance av skadede mitokondrier.

Mutasjoner i PTEN-indusert antatt kinase 1 anses som en viktig bidragsyter til autosomal recessiv Parkinsons sykdom. Langs disse linjene induserer miR-494 mitokondriell skade og oksidativt stress-indusert nevronal skade ved å redusere uttrykket av Parkinsons sykdom protein 7, en hemmer av aggregeringen av -synuklein (Catanesi et al., 2020). I tillegg demonstrerte ny miR-455- 3p beskyttende aktivitet mot amyloidaggregering ved å kontrollere uttrykket av mitokondrielle fisjonsproteiner og regulere mitokondriell dynamikk (Kumar et al., 2019). I løpet av de siste årene har -sekretase 1 (BACE1) fått økende oppmerksomhet som et kritisk terapeutisk mål for Alzheimers sykdom. BACE-1, også kjent som -site amyloid precursor protein spaltende enzym 1, er den viktigste sekretasen involvert i produksjonen av amyloid-peptider i den menneskelige hjernen. Påfølgende aggregering og fibrillering av disse peptidene for å danne amyloidplakk er nøkkeldiagnostiske trekk ved Alzheimers sykdom.

I tillegg har flere bevislinjer demonstrert nevrotoksisiteten til små oligomerer av amyloidpeptider. MiR-298 har nylig blitt identifisert som en repressor av BACE1 i den humane nevroncellekulturmodellen som avslører det terapeutiske potensialet til miR298 for nevrodegenerative sykdommer (Chopra et al., 2020). Dessuten er uttrykket av BACE-1 direkte regulert av miR15b, som fungerer ved å målrette mot BACE1 mRNA 3'-UTR (Gong et al., 2017). Disse funnene illustrerer at miRNA er nøkkelspillere for å kontrollere funksjonen til BACE-1 og dens rolle i patogenesen av nevrodegenerative sykdommer.

Utviklingen av små molekyler for nevrodegenerative sykdommer basert på målretting av miRNA:

Målretting mot sykdomsfremkallende miRNA med små molekyler har avslørt lovende utfall in vitro så vel som in vivo screening. Dermed har betydelig forskningsinnsats blitt rettet mot utvikling av nye strategier for identifikasjon og design av små molekyler med potensiell miRNA-bindingsevne. Imidlertid har de korte sekvensene av miRNA hindret identifiseringen av potente småmolekylære bindere og flyttet fokuset mot å målrette pre-miRNA med lengre sekvenser. Inforna og Inforna 2.0 er verktøy utviklet for å identifisere små molekyler som retter seg mot strukturerte RNA-er. Disse tilnærmingene er basert på gruvemotiver (sekundære strukturer) av RNA-ene basert på sekvensene deres.

Disse motivene blir deretter sammenlignet med en database med kjente RNA-motiv-småmolekyl-bindingspartnere. Inforna rapporterer deretter motivet i databasen så vel som mål-RNA. Informa har nylig blitt brukt i identifiseringen av forbindelse 1 (figur 1B) som en hemmer av -synukleinekspresjon (Zhang et al., 2020). Forbindelse 1 retter seg mot -synuklein-mRNA 5' UTR og reduserer nivåene av a-synuklein ved å redusere mengden SNCA-mRNA som er lastet inn i polysomer. Nylig har RIBOTACs (ribonukleasemålrettende kimærer) utviklet seg som en ny klasse av små molekyler som kan målrette mot ulike RNA-klasser, inkludert miRNA og mRNA (Dey og Jaffrey, 2019). Utformingen av RIBOTAC er basert på å koble RNA-bindende molekyler til et lite molekyl som aktiverer RNA L, en latent ribonuklease, som resulterer i nedbrytning av mål-RNA

Multimålrettede rettet ligander (MTDL) for nevrodegenerative sykdommer fokusert på miRNA:

MTDL-er er ligander som er designet for å forstyrre flere veier involvert i progresjonen av nevrologiske lidelser på grunn av deres mangefasetterte funksjon. Den bemerkelsesverdige suksessen til MTLD-er i identifisering av små molekyler med in vitro- og in vivo-effektivitet i modeller for nevrodegenerative sykdommer har resultert i fortsatt innsats i utviklingen av nye verktøy for design av MTDL-er. I denne sammenhengen ble det nylig rapportert om en ny strategi for identifisering av MTDL for nevrodegenerative sykdommer, som er basert på dobbel hemming av acetylkolinesterase og biogenese av miRNA (Gabr og Brogi, 2020). Forbindelse 2 (figur 1B), en dobbel hemmer av acetylkolinesterase og biogenese av miR-15b, var mer effektiv enn donepezil og anti-miR-15 for å beskytte SH-SY5Y-nevroblastomceller fra amyloid-beta-indusert cytotoksisitet .

Dessuten har dobbel hemming av tau-oligomerisering og biogenese av miRNA-er involvert i progresjonen av nevrologiske lidelser (f.eks. miRNA-146a) blitt rapportert som en lovende strategi for utformingen av MTDL-er (Gabr og Barbault, 2020). Resultatet av denne tilnærmingen ga forbindelse 3 (figur 1B) som inneholdt overlegen nevrobeskyttende aktivitet til miRNA146a-antagomir og MK-886, en hemmer av tau-aggregering. Disse studiene illustrerer videre at utformingen av MTDL-er fokusert på hemming av biogenesen til miRNA-er har vist en foretrukket terapeutisk profil sammenlignet med monomålrettede terapeutika. Derfor vil ytterligere screening av resultatet av disse tilnærmingene ved bruk av in vivo-modeller av nevrodegenerative sykdommer være avgjørende for fremtidig optimalisering

Fremtidige retninger:

Utviklingen av effektive strategier for å identifisere små molekyler som selektivt kan binde miRNA-er vil ha en bemerkelsesverdig effekt på evnen til å kontrollere uttrykket av proteiner involvert i nevrodegenerative sykdommer. Små molekylhemmere av Drosha og Dicer har blitt grundig studert som verktøy for å hemme biogenesen av miRNA. Imidlertid viser mange hemmere av Dicer og Drosha svekket miRNA-bindingsaffinitet i det cellulære miljøet, så vel som manglende evne til å blokkere modning av miRNA.

Disse resultatene tilskrives den promiskuøse målrettingen av disse små molekylene, så vel som deres konkurranse med andre makromolekyler i binding av miRNA. Derfor er etablering av nye tilnærminger for selektiv binding av miRNA svært ønskelig. Kinetisk målstyrt syntese (KTGS) er en fragmentbasert medikamentoppdagelsestilnærming der et biologisk mål velger sine bidentate ligander ved å sette dem sammen fra en pool av små reaktive fragmenter.

I KTGS akselererer det biologiske målet kovalent bindingsdannelse mellom byggesteiner med komplementære reaktive funksjonelle grupper via forbedret resonanstid. Etter dissosiasjon fra målet kan KTGS-treff påvises i media ved væskekromatografi-massespektrometri. En potensiell vei for identifisering av selektive bindere av miRNAer ville være å bruke KTGS for å identifisere småmolekylære bindere av mål miRNA.

Referanser

Catanesi M, D'Angelo M, Tupone MG, Benedetti E, Giordano A, Castelli V, Cimini A (2020) MikroRNAs dysregulering og mitokondriell dysfunksjon i nevrodegenerative sykdommer. 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 og miR-132 er nedregulert i nevralt avledet plasmaeksosomer fra Alzheimers pasienter. 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 reduserer nivåene av humant amyloid-forløperprotein ( APP), -site APP-konverterende enzym 1 (BACE1) og spesifikke tau-proteindeler.

Mol Psykiatri 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 undertrykker BACE1-ekspresjon ved sporadisk Alzheimers sykdom. Oncotarget 8:91551-91557.

Cressatti M, Song W, Turk AZ, Garabed LR, Benchaya JA, Galindez C, Liberman A, Schipper HM (2019) Glial HMOX1-uttrykk fremmer sentral og perifer synuklein dysregulering og patogenisitet hos parkinsonmus. Glia 67:1730-1744.

Dey SK, Jaffrey SR (2019) RIBOTACS: Småmolekylære mål-RNA for nedbrytning. Cell Chem Biol 26:1047-1049.

Kumar S, Reddy AP, Yin X, Reddy PH (2019) Ny mikroRNA-455-3p og dens beskyttende effekt mot unormal APP-behandling og amyloid beta-toksisitet ved Alzheimers sykdom. Biochem Biophys Acta Mol Basis Dis 1865:2428-2440.

O'Brien J, Hayder H, Zayed Y, Peng C (2018) Oversikt over mikroRNA-biogenese, virkningsmekanismer og sirkulasjon. Front Endocrinol 9:402.

Gabr MT, Barbault F (2020) Første doble bindemiddel av microRNA146a og monomer tau: En ny tilnærming for flermålsterapi for nevrodegenerative sykdommer. Chem Commun 56:9695-9698.

Gabr MT, Brogi S (2020) MikroRNA-basert multitarget-tilnærming for Alzheimers sykdom: Oppdagelse av den første-i-klassen doble hemmeren av acetylkolinesterase og mikro-RNA-15b-biogenese. J Med Chem 63:9695- 9704.

Gebert LFR, MacRae IJ (2019) Regulering av mikroRNA-funksjon hos dyr. 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) Oversettelse av det iboende uordnet protein a-synuklein hemmes av et lite molekyl som retter seg mot strukturen

for mer informasjon:ali.ma@wecistanche.com