Genuttrykk er prosessen som gjør den genetiske informasjonen i en celle om til funksjonelle proteiner. Hver celle i kroppen inneholder det samme DNA-materialet, men cellene blir ulike fordi de uttrykker forskjellige gener. Denne styringen er finjustert og skjer gjennom mange lag av regulering, fra åpning av kromatin til kontroll av transkripsjon, prosessering av RNA og regulering av mRNA før det omsettes til protein. Når denne reguleringen fungerer godt, produseres riktig mengde av hvert protein til riktig tid, og cellene kan utføre oppgavene sine på en stabil og koordinert måte.
Sykdom oppstår når denne balansen forstyrres. En forandring i mengde eller funksjon av et regulerende molekyl kan påvirke hvor mye protein som dannes fra et bestemt gen. Et protein kan produseres i for liten eller for stor mengde, eller produksjonen kan stoppe opp helt. Selv små endringer kan få betydelige konsekvenser, fordi mange regulerende faktorer kontrollerer store nettverk av gener. En enkelt mutasjon kan derfor påvirke mange gener samtidig og skape et bredt sykdomsbilde.
Misregulert genuttrykk er derfor en felles mekanisme i et stort spekter av sykdommer. Det omfatter både medfødte tilstander der genreguleringen er endret fra starten av, og ervervede sykdommer som utvikler seg gjennom livet når regulerende systemer gradvis svikter. Å forstå disse mekanismene gjør det mulig å se hvordan endringer helt ned på molekylært nivå kan gi kliniske symptomer, og gir samtidig innsikt i hvordan målrettet behandling kan utvikles.
Oversikt over genregulering
Kromatinstruktur er det første reguleringsnivået. DNA er pakket rundt histoner, og denne pakningen kan være tett eller mer åpen. Når kromatin er tett, er genene utilgjengelige for transkripsjon. Når det åpnes, kan transkripsjonsmaskineriet få tilgang. Enzymer som acetylerer eller metylerer histoner endrer hvor tilgjengelig DNA blir og styrer dermed om et gen kan uttrykkes.
Transkripsjonsfaktorer og promoterkontroll utgjør et nytt reguleringslag. Transkripsjonsfaktorer binder bestemte DNA-sekvenser og rekrutterer proteiner som starter transkripsjon. Flere faktorer samarbeider for å enten aktivere eller dempe uttrykket av et gen. I denne prosessen kan DNA bøyes slik at enhancere, som ligger langt fra genet, kommer i direkte kontakt med promoteren. Proteiner som stabiliserer disse strukturene, sørger for presis aktivering av gener.
Pause-release og elongering er en viktig kontroll under selve transkripsjonen. RNA-polymerase stanser ofte kort tid etter at transkripsjonen har begynt. For at polymerasen skal fortsette, trengs spesielle faktorer som fjerner denne pausen og åpner DNA foran polymerasen. Dette trinnet bestemmer i stor grad hvor mye mRNA som faktisk produseres.
Regulering av mRNA skjer etter at transkripsjonen er fullført. Cellen kan endre hvor lenge et mRNA får leve eller hvor effektivt det omsettes til protein. MicroRNA kan binde bestemte mRNA og redusere stabiliteten eller hindre translasjon, noe som gir finjustert kontroll av proteinmengden.
Lang ikke-kodende RNA (lncRNA) representerer et eget reguleringsnivå. Disse RNA-molekylene binder proteiner eller andre RNA og påvirker hvilke gener som aktiveres eller inaktiveres. Noen fungerer som stillas for proteinkomplekser, mens andre leder regulatoriske proteiner til bestemte områder i genomet.
Alle disse nivåene virker samlet. Tilgjengeligheten av DNA, aktiviteten av transkripsjonsfaktorer, kontrollen av RNA-polymerase, stabiliteten til mRNA og funksjonen til ikke-kodende RNA bestemmer til sammen hvor mye protein som produseres i en celle. Når ett av disse trinnene svikter, kan genuttrykket endres på en måte som fører til sykdom.
Cohesin og organisering av genomet
Cohesin er et proteinkompleks som danner en ringstruktur rundt DNA og bidrar til å forme tredimensjonelle områder i genomet. Denne organiseringen gjør at bestemte DNA-segmenter kan føres nær hverandre, selv om de ligger langt fra hverandre i den lineære DNA-sekvensen. Ved å styre hvilke regioner som kommer i kontakt, påvirker Cohesin hvilke gener som får tilgang til sine regulatoriske elementer.
Kontakt mellom enhancer og promoter er en av funksjonene der Cohesin har stor betydning. En enhancer kan ligge flere tusen basepar unna genet den regulerer. Cohesin kan trekke sammen DNA og bringe enhanceren i kontakt med promoteren, slik at transkripsjonen aktiveres. Det motsatte kan også skje: Cohesin kan stabilisere løkker som hindrer denne kontakten. I begge tilfeller styrer komplekset om et gen holdes aktivt eller inaktivt.
Forstyrrelser i Cohesin kan påvirke store grupper av gener. Siden komplekset regulerer den fysiske strukturen til genomet, kan en mutasjon få konsekvenser for mange gener samtidig. Dette gir ofte komplekse sykdomsbilder med utviklingsavvik i flere organsystemer.
Cornelia de Lange-syndrom er et eksempel på en tilstand der Cohesin-funksjonen er svekket. Mutasjoner i en av komponentene i komplekset fører til redusert evne til å kontrollere hvilke gener som aktiveres under utviklingen. Dette fører til karakteristiske ansiktstrekk, kortvoksthet, medfødte misdannelser og varierende grad av utviklingshemming. Variasjonen i symptomer kan forklares med mosaikk i vev og ulike mutasjoner som påvirker Cohesin i ulik grad.
Cohesins rolle i å forme genomet viser hvor viktig den fysiske strukturen er for genregulering. Genene ligger ikke tilfeldig plassert; de holdes i bestemte romlige mønstre som enten fremmer eller begrenser uttrykk. Når denne organiseringen svekkes, endres genaktiviteten i et bredt nettverk, og resultatet kan bli omfattende sykdom.
Kromatin som regulator av transkripsjon
Kromatinets struktur er et grunnleggende nivå i reguleringen av genuttrykk. DNA er pakket rundt histoner og danner nukleosomer som videre organiseres til mer eller mindre tett kromatin. Når strukturen er tett, blir DNA utilgjengelig for transkripsjonsmaskineriet. Når kromatinet åpnes, kan proteiner som aktiverer transkripsjon binde DNA og starte genuttrykk.
Kromatinremodellerende komplekser bruker energi fra ATP for å flytte, løsne eller reorganisere nukleosomer. Dette gjør det mulig å eksponere promoter- og enhancerområder som ellers ville vært skjult inne i den pakkede strukturen. Slike komplekser kan også flytte nukleosomer bort fra startstedet for transkripsjon og dermed legge til rette for at RNA-polymerase får tilgang.
Histonmodifikasjoner er en annen presis måte cellen styrer kromatinets tilstand på. Acetylering av histonhaler gjør nukleosomene mindre ladet og svekker bindingen til DNA, noe som åpner strukturen og legger til rette for transkripsjon. Deacetylasjon styrker denne bindingen og gir et tettere kromatin. Metylgrupper kan festes på bestemte aminosyrer i histonhalene og gi enten aktivering eller hemming, avhengig av hvilken posisjon som modifiseres og hvor mange metylgrupper som settes på.
Samlet effekt av disse mekanismene er at cellen kan gjøre store områder av genomet enten tilgjengelige eller utilgjengelige. På denne måten kontrolleres hvilke gener som kan aktiveres i en bestemt celletype eller i en bestemt situasjon. Regulert kromatinstruktur skaper dermed rammene som transkripsjonsfaktorer og andre regulatorer arbeider innenfor. Når disse mekanismene svikter, forstyrres hele mønsteret av genuttrykk, noe som kan gi store biologiske konsekvenser.
Kromatin som regulator av transkripsjon
Kromatin danner rammen for all regulering av genuttrykk. DNA ligger ikke fritt i cellens kjerne, men er pakket rundt histoner i en struktur som kan være enten tett og utilgjengelig eller mer åpen. Denne pakningen er ikke statisk. Cellene endrer den kontinuerlig for å bestemme hvilke gener som skal kunne leses av. I områder der kromatinet er tett, kommer ikke transkripsjonsmaskineriet til. I områder der det er løsere organisert, blir DNA tilgjengelig, og gener kan aktiveres. Kromatin fungerer derfor som et filter som bestemmer hvilke deler av genomet som i det hele tatt kan uttrykkes.
For å flytte på denne pakningen trengs store proteinkomplekser som kan bearbeide nukleosomene. Et av de viktigste er SWI/SNF-komplekset. Det bruker energi fra ATP til å skyve nukleosomer bort fra promoterregioner eller endre plasseringen deres langs DNA-tråden. Når et nukleosom forskyves bare noen få nanometer, endres tilgangen til DNA betydelig. En promoter som tidligere var skjult inne i et tett område, kan bli helt åpen. SWI/SNF gir derfor cellen mulighet til å åpne opp for transkripsjon på svært presise steder. Komplekset påvirker hundrevis av gener og spiller en sentral rolle i både utvikling og vedlikehold av cellers identitet.
Histonhalene, som stikker ut fra nukleosomene, fungerer som små kjemiske brytere. Når cellen ønsker å åpne kromatin, kan den sette acetylgrupper på bestemte lysiner via enzymer som kalles histonacetyltransferaser, HAT. Acetyleringen reduserer den positive ladningen på histonene. Dette svekker bindingen til det negative DNA-molekylet og gjør strukturen mer åpen. Denne endringen skaper et miljø der transkripsjonsfaktorer lettere kan binde seg, og der RNA-polymerase får plass til å starte transkripsjonen. HAT-aktivitet er derfor sentral i gener som skal være aktive over tid eller som skal slås på raskt som respons på signaler.
Cellen har samtidig en rekke mekanismer for å lukke kromatin. Histondeacetylaser, HDAC, fjerner acetylgrupper og gjenoppretter histonenes evne til å holde DNA tett pakket. Aktiviteten til HDAC gjør kromatin mindre tilgjengelig og stabiliserer områder som ikke skal uttrykkes. Denne balansen mellom HAT og HDAC er avgjørende. Små forskyvninger kan endre uttrykket til store grupper av gener, og mange sykdommer oppstår nettopp når denne balansen er forstyrret.
Metylgrupper på histonhalene gir enda et kontrollnivå. Histonmetyltransferaser, HMT, setter metylgrupper på bestemte posisjoner, ofte på lysin eller arginin. Effekten avhenger nøye av hvilken aminosyre som modifiseres og hvor mange metylgrupper som settes på. Noen typer metylering gjør kromatin mer stabilt og rekrutterer proteiner som holder DNA utilgjengelig. Andre typer metylering markerer aktive genområder og hjelper til med å holde dem åpne. Metylering skaper dermed et detaljert mønster, som en epigenetisk signatur, som cellen bruker til å skille aktive og inaktive deler av genomet.
Når disse systemene virker sammen, får cellen et finmasket og responsivt kontrollapparat som gjør det mulig å aktivere og dempe gener med stor presisjon. Kromatinregulering danner det fysiske grunnlaget for alt som skjer videre i genuttrykket. Hvis denne reguleringen endres, vil hele uttrykksmønsteret forskyves. Resultatet kan være mange ulike sykdommer, fordi kromatin endrer hvilke gener som i det hele tatt kan leses av.
Pause-release og elongering
Når transkripsjonen settes i gang, binder RNA-polymerase seg til promoteren og begynner å syntetisere RNA. Det som ofte ikke oppfattes ved første gjennomgang av genregulering, er at polymerasen vanligvis ikke fortsetter rett videre. Den stopper etter omtrent tretti til femti nukleotider og blir stående i en stabil pause. Denne pausen er ikke en feil, men en nøye regulert del av transkripsjonskontrollen. Cellen bruker denne mekanismen som en måte å holde gener i en “klar” tilstand; polymerasen er på plass og har startet jobben, men den slipper ikke videre før flere betingelser er oppfylt.
For å slippe polymerasen løs trengs egne pause-release-faktorer. Disse proteinene binder polymerasen og de tilhørende stoppfaktorene og fjerner hindringen som holder komplekset fast. Når de gjør dette, endres strukturen til polymerasen slik at den kan gå over i en aktiv, prosesserende tilstand. Det er i denne overgangen mengden produsert mRNA i stor grad bestemmes. Hvis pause-release er ineffektiv, vil polymerasen forbli i startområdet, og uttrykket av genet blir lavt. Hvis pause-release er svært effektivt, blir elongeringen raskt satt i gang, og genet får høyere uttrykk.
Når polymerasen begynner å bevege seg langs DNA-tråden, møter den flere mekaniske og strukturelle hindringer. DNA må åpnes kontinuerlig foran polymerasen, og dette arbeidet krever egne elongeringsfaktorer. Disse proteinene sørger for at dobbelheliksen løsner akkurat nok til at polymerasen kan lese den ene tråden. Samtidig må nukleosomer som ligger i veien, enten flyttes, løsnes eller reorganiseres. Elongeringsfaktorene samarbeider med kromatinremodellerende komplekser for å sikre en jevn passasje. Uten dette samarbeidet ville polymerasen stadig støte på fysiske barrierer som stopper prosessen.
Elongeringsfasen er derfor langt mer enn en mekanisk reise nedover DNA. Den representerer et integrert reguleringslag som bestemmer tempoet i transkripsjonen og dermed hvor mye mRNA som til slutt produseres. I gener som skal være høyt uttrykt, er pause-release rask og effektiv, og elongeringsfaktorene arbeider tett for å holde polymerasen i jevn bevegelse. I gener som skal uttrykkes mer kontrollert, er disse trinnene strammere regulert.
Når pause-release eller elongering forstyrres, kan genuttrykket falle dramatisk. En mutasjon som svekker et av faktorproteinene, påvirker ikke ett enkelt gen, men en hel gruppe gener som alle er avhengige av samme mekanisme. Dette er en av grunnene til at mutasjoner i pause-release- eller elongeringsfaktorer ofte gir sykdomsbilder som involverer flere organsystemer. Cellen får ikke lenger regulert mengden mRNA på en stabil måte, og resultatet blir bred svikt i uttrykket av gener som normalt er aktivt regulert.
Fra gen til protein
Når et mRNA er dannet, bestemmes den endelige proteinmengden av flere lag med regulering. Cellen styrer både mRNA-stabilitet, translasjonseffektivitet og nedbrytning av mRNA. Disse trinnene er dynamiske og gjør at cellen kan justere proteinproduksjonen raskt, selv uten å endre transkripsjonen.
mRNA-stabilitet er et sentralt reguleringspunkt. Noen mRNA brytes ned nesten umiddelbart, mens andre er svært stabile og fungerer som langvarige templater for ribosomer. Stabiliteten bestemmes av sekvenser i mRNA og proteinene som binder dem. Et lite fall i stabilitet kan gi et markant fall i proteinmengde. Et stabilt mRNA kan gi mange kopier av det samme proteinet fra én enkelt transkripsjonshendelse.
Translasjonseffektivitet varierer også mellom ulike mRNA. Noen rekrutterer ribosomer lett, mens andre blir oversatt saktere. Cellen justerer dette gjennom proteiner som binder 5’- eller 3’-enden av mRNA og kontrollerer hvor lett ribosomene finner startkodonet. Under stress eller mangel på næringsstoffer kan cellen hemme translasjon globalt, slik at bare de mest nødvendige proteinene produseres.
I tillegg til disse mekanismene kommer en gruppe regulatorer som har stor betydning for sykdomsutvikling: microRNA (miRNA).
miRNA er små, ikke-kodende RNA på omtrent 22 nukleotider. De dannes gjennom en egen prosesseringsvei der de først syntetiseres som lange primære transkripter, deretter foldes og prosesseres til korte, dobbeltstrengede fragmenter. Den ene strengen tas opp i et stort proteinkompleks kalt RISC (RNA-induced silencing complex). Dette komplekset er den aktive enheten som gjenkjenner mål-mRNA.
miRNA virker gjennom baseparing med sekvenser i 3’-UTR på mål-mRNA. Bindingen trenger ikke være perfekt. Selv delvis komplementaritet er nok til å påvirke uttrykket av genet. Når miRNA-RISC-komplekset binder et mRNA, kan to mekanismer tre i kraft:
- Hemming av translasjon, der ribosomer ikke lenger får tilgang til mRNA.
- mRNA-nedbrytning, der hele mRNA-molekylet fjernes.
Resultatet er reduksjon i mengden protein fra målgenet.
Hvert miRNA kan ha mange mål, og mange mRNA kan reguleres av flere miRNA samtidig. Dette skaper et tett nettverk der små endringer i uttrykket av ett miRNA kan påvirke store genprogrammer. Over 2000 ulike miRNA er identifisert i menneskeceller, og man anslår at de regulerer omtrent en tredjedel av alle gener.
Dysregulering av miRNA har betydelig betydning for sykdom. Endringer i mengden av et enkelt miRNA kan skape ubalanse i cellens proteinnivåer og påvirke prosesser som celledeling, differensiering, inflammasjon eller stressrespons. I hjertet kan endret miRNA-uttrykk bidra til hypertrofi, fibrose, arytmier og energisvikt, og slike endringer er funnet både i blod og vev hos pasienter med kardiovaskulær sykdom. På grunn av dette studeres miRNA nå både som diagnostiske biomarkører og som mulige behandlingsmål.
Når reguleringen av mRNA-stabilitet, translasjon og miRNA-aktivitet sees samlet, utgjør de et presist system som bestemmer hvor mye protein som produseres. Et gen kan ha høy transkripsjon, men likevel gi lavt uttrykk hvis miRNA hindrer translasjon eller øker nedbrytningen av mRNA. Et annet gen kan uttrykkes svakt på DNA-nivå, men gi høye proteinmengder dersom mRNA er stabilt og effektivt oversettes. Disse mekanismene gjør at cellen kan forme proteinnivåene nøye, og svikt i et av trinnene kan forskyve hele balansen og gi opphav til sykdom.
Sykdomsmekanismer
Loss-of-function i DNA-bindende aktivatorer
Transkripsjonsfaktorer er sentrale for at gener skal aktiveres på riktig sted og til riktig tid. En DNA-bindende aktivator gjenkjenner bestemte sekvenser i eller nær promoteren og fungerer som et knutepunkt som rekrutterer flere proteiner som trengs for å starte transkripsjonen. Når en aktivator mister funksjonen sin på grunn av en mutasjon, svekkes hele kjeden av hendelser som normalt leder til genaktivering. Selv om mutasjonen rammer ett enkelt protein, kan konsekvensene bli omfattende fordi aktivatorer vanligvis styrer uttrykket av mange gener.
En loss-of-function-mutasjon kan påvirke enten selve DNA-bindingsområdet eller domenet som rekrutterer ko-aktivatorer og andre regulatoriske proteiner. I det første tilfellet mister aktivatoren evnen til å binde genet den skal kontrollere. I det andre tilfellet kan aktivatoren fortsatt gjenkjenne DNA, men den klarer ikke å etablere kontakt med de proteinene som bygger transkripsjonsmaskineriet. I begge situasjoner faller uttrykket av målgenene, og cellen mister tilgangen til proteinene som kreves for normal funksjon.
Et tydelig eksempel på dette er gruppen monogene diabetesformer samlet under betegnelsen MODY. Disse tilstandene oppstår når en av de transkripsjonsfaktorene som styrer genuttrykk i pankreas’ β-celler er mutert. Flere gener er involvert, men en av de hyppigste årsakene er mutasjon i HNF-1α, en DNA-bindende aktivator som har en nøkkelrolle i reguleringen av gener som er nødvendige for glukosehomeostase. Når HNF-1α mister funksjon, faller uttrykket av en hel rekke gener som til sammen styrer β-cellens evne til å oppfatte glukose og skille ut insulin.
Konsekvensen blir redusert glukoseopptak i cellene og svekket insulinsekresjon. Samtidig har disse pasientene vanligvis ikke insulinresistens eller autoimmun ødeleggelse av β-cellene, noe som forklarer hvorfor sykdomsbildet skiller seg fra både type 1- og type 2-diabetes. Mutasjonen forstyrrer ikke hormonets struktur eller selve utskillelsesapparatet; den svekker det genetiske programmet som gjør β-cellen i stand til å reagere på glukose.
MODY viser tydelig hvordan en mutasjon i én aktivator kan påvirke et helt genetisk nettverk. En tapt funksjon i en enkelt regulator kan føre til en koordinert svikt i flere cellulære prosesser. Siden hver aktivator har sine egne mål og sitt eget sett av gener den kontrollerer, vil ulike mutasjoner gi forskjellige undertyper av MODY. Felles for dem er at sykdommen oppstår fordi en del av det regulerende apparatet som holder β-cellen funksjonell, er svekket.
Loss-of-function i pause-release- og elongeringsfaktorer
Pause-release- og elongeringsfaktorer er nødvendige for at RNA-polymerase skal komme videre fra den regulerte pausen som oppstår kort tid etter transkripsjonsstart. Dersom disse faktorene mister funksjonen sin, blir polymerasen stående fast i promoterområdet, og genet forblir stille. Siden dette trinnet er felles for mange vevsspesifikke gener, kan en enkelt mutasjon påvirke store genprogrammer samtidig.
En av de mest karakteristiske biologiske konsekvensene av slik svikt finner vi i sykdommen Autoimmunt polyendokrint syndrom type 1 (APS-1). Denne tilstanden skyldes mutasjoner i AIRE, et protein som har en helt spesiell rolle i utviklingen av immunforsvarets toleranse.
AIRE er en transkripsjonsfaktor som hovedsakelig er uttrykt i medullære epitelceller i thymus, og det er her den utfører sin avgjørende funksjon. Oppgaven til AIRE er å aktivere gener som normalt er tause i denne celletype. Dette gjelder gener som koder for proteiner fra mange ulike organer i kroppen, slik at umodne T-celler kan møte et bredt spekter av selvantigener under modningen.
AIRE gjør dette ved å stimulere elongering av transkripter i gener som har en pauset RNA-polymerase II. I mange av de vevsspesifikke genene står polymerasen fast rett etter startpunktet. AIRE fungerer som en pause-release-faktor som hjelper polymerasen videre inn i genet slik at fullstendig mRNA kan dannes. Uttrykk av disse selvantigenene er avgjørende for at T-celler som reagerer sterkt på kroppens egne proteiner, kan fjernes før de slippes ut i sirkulasjonen.
Når AIRE mister funksjonen sin, skjer ikke denne frigjøringen. Polymerasen blir stående i startområdet, og genene som skulle vært aktivert, forblir tyste. De relevante selvantigenene blir aldri produsert i thymus, og de T-cellene som skulle ha blitt eliminert under negativ seleksjon, får fortsette utviklingen.
Konsekvensen er at T-celler senere angriper organer som de feilaktig oppfatter som fremmede. Dette gir det karakteristiske sykdomsbildet ved APS-1, der autoimmun svikt rammer flere hormonproduserende organer, ofte kombinert med kroniske infeksjonstendenser og forstyrrelser i hud, hår og slimhinner. Variasjonen skyldes at ulike grupper av selvantigener er avhengige av AIRE for å bli uttrykt og presentert.
APS-1 illustrerer hvordan tap av én eneste pause-release- og elongeringsfaktor kan bringe hele toleransesystemet i ubalanse. Når elongeringen stopper opp, forsvinner uttrykket av kritiske selvantigener, og immunsystemets evne til å skille mellom eget og fremmed bryter sammen.
Dysregulert uttrykk av miRNA – særlig i kardiovaskulær sykdom
microRNA, eller miRNA, er små regulerende RNA som påvirker hvor mye protein cellene produserer. De fungerer som finjusteringsverktøy: ikke store brytere som skrur gener helt av eller på, men små justeringer som demper eller styrker bestemte prosesser. Denne fine reguleringen er spesielt viktig i hjertet, hvor balansen mellom vekst, energiomsetning og mekanisk belastning er svært presis.
Et miRNA dannes først som et større forløpermolekyl som bearbeides og pakkes inn i komplekset RISC. Når det er aktivt, binder det seg til utvalgte mRNA og reduserer hvor mye protein som lages fra dem. Effekten er målrettet, men samtidig bred: ett miRNA kan påvirke mange gener som tilhører samme biologiske prosess. Dette gjør miRNA til effektive regulatorer i vev som må endre seg raskt og koordinert, slik som hjertemuskelen.
I hjertet er miRNA viktige fordi de styrer prosesser som må holdes i perfekt balanse. Et av disse områdene er hypertrofi. Når hjertet utsettes for økt trykk eller volum over tid, vil muskelcellene forsøke å vokse for å håndtere belastningen. Dette er en naturlig tilpasning, men dersom reguleringen ikke er presis, kan veksten bli ukontrollert og gå over i patologisk hypertrofi. Enkelte miRNA demper proteiner som styrer normal cytoskjelettdannelse og kalsiumhåndtering. Når disse miRNA blir overuttrykt, danner cellene unormale strukturer, og pumpemekanismen svekkes.
Også fibrose påvirkes sterkt av miRNA. Fibrose oppstår når hjertet begynner å danne arrvev i stedet for funksjonelt muskelvev. Noen miRNA kontrollerer uttrykket av faktorer som driver fibroblaster til å produsere kollagen. Dersom disse miRNA slås av eller nedreguleres, får fibroblastene færre begrensninger og produserer for mye bindevev. Dette stivner hjertet og gjør det dårligere til å fylle seg og pumpe effektivt.
Elektriske egenskaper i hjertet styres også av miRNA. Hjertets rytme avhenger av stabile mengder av ionekanaler i cellemembranene. Flere av disse kanalene blir regulert av miRNA som finjusterer hvor mange kanalproteiner som skal finnes i cellen. Når uttrykket av slike miRNA endres, kan ionebalansen forskyves. Dette kan føre til at signalene som styrer hjerteslagene blir ustabile og gir grunnlag for arytmier.
Energistyringen i hjertet, som er helt avgjørende for at cellene skal tåle kontinuerlig arbeid, påvirkes også av miRNA. Hjertemuskelceller må hele tiden balansere mellom glukoseforbrenning, fettsyreforbrenning og håndtering av oksidativt stress. Flere miRNA regulerer enzymer i disse metabolske veiene. Når reguleringen endres, kan hjertet miste fleksibiliteten som trengs for å skifte mellom energikilder. Dette gjør det vanskeligere for hjertet å håndtere belastning og kan bidra til utvikling av hjertesvikt.
Til slutt er det viktig å merke seg at miRNA ikke bare virker inne i cellene der de produseres. Mange miRNA skilles ut i blodet og kan måles som sirkulerende biomarkører. Endrede miRNA-profiler kan indikere tidlige forandringer i hjertets struktur eller funksjon før symptomer oppstår. Derfor forskes det nå mye på om miRNA kan brukes til diagnostikk, risikovurdering eller til og med som mål for fremtidig behandling.
Samlet sett viser dette at miRNA ikke bare er små molekyler med små effekter. I hjertet fungerer de som koordinatorer av store biologiske programmer. Når balansen i disse programmene forstyrres, påvirkes vekst, rytme, struktur og metabolske prosesser på en måte som kan drive kardiovaskulær sykdom fremover.
Long non-coding RNA, ANRIL og tumorsuppressorkontroll
Long non-coding RNA (lncRNA) er RNA-molekyler som er lengre enn omtrent 200 nukleotider og som ikke koder for proteiner. De er tallrike i cellen; det finnes tusenvis av ulike varianter, og hvert lncRNA har sin egen kombinasjon av strukturelle domener. Disse domenene gjør at lncRNA kan binde andre RNA, ulike proteiner og noen ganger også direkte til DNA. På den måten blir lncRNA en fleksibel plattform som kan koble sammen flere regulerende faktorer på én gang.
Et lncRNA kan fungere som et stillas, der flere proteiner samles og settes i riktig posisjon i forhold til genomet. Det kan også fungere som en guide som leder regulatoriske proteiner til bestemte områder av DNA. I tillegg kan binding av ett molekyl til lncRNA endre formen på lncRNA-strukturen, slik at det blir mulig å rekruttere et nytt sett med proteiner. Dette gjør lncRNA velegnet til å styre større genprogrammer, for eksempel under utvikling, differensiering eller stressrespons.
Et sentralt eksempel er lncRNA ANRIL. ANRIL transkriberes fra samme område i genomet som tumorsuppressorene INK4b–ARF–INK4a, men i motsatt (antisens) retning. Dette området inneholder tre viktige gener: p15INK4b, p14ARF og p16INK4a. Til sammen danner de et kraftig bremsesystem for cellevekst. p15 og p16 begrenser aktiviteten til CDK4/6, mens p14 påvirker stabiliteten til p53. Dermed virker lokuset både på cellecyklus og på kontrollen av DNA-skade og apoptose.
ANRIL kan binde og rekruttere to store epigenetiske kompleks, PRC2 (Polycomb Repressor Complex 2) og PRC1. Når ANRIL trekker PRC2 inn til INK4b–ARF–INK4a-området, katalyserer PRC2 en tri-metylering av lysin 27 på histon H3 (H3K27me3). Denne markøren er et signal om at kromatin skal pakkes tettere. PRC1 bidrar videre til å stabilisere denne kompakte strukturen. Resultatet er en tett kromatinstruktur som gjør at transkripsjonsmaskineriet ikke lenger får tilgang til DNA, og genene i lokuset blir stilnet. Dette er en form for epigenetisk inaktivering, fordi selve DNA-sekvensen er intakt, men funksjonen er slått av gjennom kromatinpakken.
For å forstå konsekvensene må vi se på hva tumorsuppressorene gjør når de er aktive. p15INK4b og p16INK4a hemmer CDK4/6, som ellers fosforylerer tumorsuppressorproteinet Rb. Når Rb er i sin ikke-fosforylerte form, binder det transkripsjonsfaktoren E2F1. E2F1 trengs for å aktivere gener som driver cellen inn i S-fasen. Så lenge Rb holder E2F1 bundet, holdes disse genene i sjakk og cellen holdes tilbake fra videre deling. Når p15 og p16 forsvinner, får CDK4/6 arbeide friere, Rb fosforyleres, slipper taket i E2F1, og cellen går lettere over i S-fase med økt proliferasjon som resultat.
p14ARF virker gjennom en annen akse. Det regulerer balansen mellom MDM2 og p53. MDM2 er en negativ regulator av p53 og merker p53 for nedbrytning. p14 hemmer MDM2 og beskytter dermed p53. Når p14 er til stede, kan p53 bremse cellesyklus, fremme DNA-reparasjon og utløse apoptose ved alvorlig skade. Når p14 tapper bort, blir MDM2 mer aktiv, p53 svekkes, og celler med DNA-skade får større sjanse til å overleve og dele seg.
Når ANRIL er overuttrykt og rekrutterer PRC1 og PRC2 til INK4b–ARF–INK4a-lokuset, blir dette bremsesystemet gradvis slått av. p15 og p16 forsvinner fra uttrykksmønsteret, slik at Rb–E2F1-kontrollen løsner, og p14 forsvinner, slik at p53-systemet svekkes. Cellen mister dermed både kontrollen over inngangen til S-fasen og en viktig del av sitt DNA-skade- og apoptoseapparat. Det gir en situasjon der cellevekst og overlevelse får et tydelig overtak, og risikoen for tumorutvikling øker.