Новые низкомолекулярные терапевтические подходы к болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона, основанные на нацеливании на микроРНК

Роль микроРНК в прогрессировании нейродегенеративных заболеваний: микроРНК (миРНК) представляют собой эндогенные, некодирующие и короткие нуклеотиды РНК, которые регулируют экспрессию генов посредством спаривания оснований с целевой матричной РНК (мРНК) в 3'-нетранслируемой области (3'). УТР). Таким образом, miRNAs играют фундаментальную роль в ингибировании или деградации матричных РНК (Gebert and MacRae, 2019). Два фермента рибонуклеазы (РНКаза) III контролируют биогенез микроРНК; Дроша и Дайсер. Первый этап биогенеза включает расщепление первичных miRNAs (pri-miRNAs) в клеточном ядре с помощью Drosha, что приводит к образованию коротких pre-miRNAs "стебель-петля". Впоследствии эти pre-miRNAs транспортируются в цитоплазму и далее процессируются с помощью Dicer, что приводит к образованию зрелых miRNAs (O'Brien et al., 2018).

Нажмите, чтобы увидеть капсулы cistanche tubulosa при болезни Альцгеймера

Многочисленные заболевания демонстрируют аномальную экспрессию микроРНК, такие как рак молочной железы, лейкемия, гепатоцеллюлярная карцинома, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания. Было идентифицировано более 2000 микроРНК, играющих ключевую роль в дифференцировке нейронов, что подчеркивает участие микроРНК в различных нейронных процессах. Литература показывает, что микроРНК вовлечены в различные пути, которые непосредственно вовлечены в прогрессирование нейродегенеративных заболеваний (рис. 1А). -Синуклеин, пресинаптический белок, участвующий в неврологических расстройствах, является внутренне неупорядоченным белком. Агрегация -синуклеина с образованием нерастворимых фибрилл и телец Леви является ключевым патологическим признаком для диагностики неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. Агрегации -синуклеина в клетках нейробластомы человека способствует miR-16-1, что связано со способностью miR-16-1 подавлять белок теплового шока 70. Недавно способность miR-153 отрицательно регулировать -synuclein было продемонстрировано у мышей с паркинсонизмом (Cressatti et al., 2019).

Более того, ингибирование miR-34b у пациентов с болезнью Паркинсона усиливало экспрессию -синуклеина в мозге человека. Тау, ассоциированный с микротрубочками белок, экспрессируется в зрелом мозге человека в шести изоформах. Аномальное гиперфосфорилирование и агрегация тау в зрелые фибриллы наблюдаются при болезни Альцгеймера, а также при других неврологических расстройствах, называемых тауопатиями. Снижение экспрессии miR-212 и miR-132 было обнаружено в экзосомах плазмы нейрального происхождения у пациентов с болезнью Альцгеймера (Cha et al., 2019). На основании этих результатов оценка уровней miR212 и miR-132 во внеклеточных везикулах считается многообещающим инструментом диагностики болезни Альцгеймера. Многочисленные сообщения продемонстрировали связь между нейродегенеративными заболеваниями и дисфункцией митохондриальной динамики, такой как изменение размера митохондрий, изменение формы, деление-слияние и движение митохондрий). В этом контексте сообщалось, что miR-27a подавляет экспрессию PTEN-индуцированной предполагаемой киназы 1, митохондриальной серин/треониновой киназы, которая играет ключевую роль в митофагии. Таким образом, miR-27a играет ключевую роль в контроле аутофагического клиренса поврежденных митохондрий.

Мутации в предполагаемой киназы 1, индуцированной PTEN, считаются основным фактором, влияющим на аутосомно-рецессивную болезнь Паркинсона. В соответствии с этим miR-494 индуцирует повреждение митохондрий и повреждение нейронов, вызванное окислительным стрессом, путем снижения экспрессии белка 7 болезни Паркинсона, ингибитора агрегации -synuclein (Catanesi et al., 2020). Кроме того, новый miR-455- 3p продемонстрировал защитную активность против агрегации амилоида, контролируя экспрессию белков деления митохондрий и регулируя митохондриальную динамику (Kumar et al., 2019). В последние годы β-секретаза 1 (BACE1) привлекает все большее внимание как важная терапевтическая мишень для лечения болезни Альцгеймера. BACE-1, также известная как фермент 1, расщепляющий белок-предшественник амилоида, является основной секретазой, участвующей в продукции амилоидных пептидов в мозге человека. Последующая агрегация и фибрилляция этих пептидов с образованием амилоидных бляшек являются ключевыми диагностическими признаками болезни Альцгеймера.

Кроме того, многочисленные линии доказательств продемонстрировали нейротоксичность небольших олигомеров амилоидных пептидов. MiR-298 недавно была идентифицирована как репрессор BACE1 в модели культуры нейронных клеток человека, что свидетельствует о терапевтическом потенциале miR298 при нейродегенеративных заболеваниях (Chopra et al., 2020). Более того, экспрессия BACE-1 напрямую регулируется miR15b, которая функционирует путем нацеливания на 3'-UTR мРНК BACE1 (Gong et al., 2017). Эти данные показывают, что miRNAs являются ключевыми игроками в контроле функции BACE-1 и ее роли в патогенезе нейродегенеративных заболеваний.

Разработка малых молекул для нейродегенеративных заболеваний на основе нацеливания на микроРНК:

Нацеливание на миРНК, вызывающие заболевание, с помощью малых молекул показало многообещающие результаты как in vitro, так и скрининга in vivo. Т.о., значительные исследовательские усилия были направлены на разработку новых стратегий идентификации и дизайна малых молекул с потенциальной способностью связывания микроРНК. Однако короткие последовательности miRNAs препятствуют идентификации мощных низкомолекулярных связывателей и смещают акцент в сторону нацеливания на pre-miRNAs с более длинными последовательностями. Inforna и Inforna 2.0 — это инструменты, разработанные для идентификации малых молекул, нацеленных на структурированные РНК. Эти подходы основаны на добыче мотивов (вторичных структур) РНК на основе их последовательностей.

Затем эти мотивы сравнивают с базой данных известных партнеров по связыванию мотивов РНК с малыми молекулами. Затем Inforna сообщает о мотиве в базе данных, а также о целевой РНК. Informa недавно использовалась для идентификации соединения 1 (рис. 1B) в качестве ингибитора экспрессии -синуклеина (Zhang et al., 2020). Соединение 1 нацелено на 5'-UTR мРНК -синуклеина и снижает уровни -синуклеина за счет уменьшения количества мРНК SNCA, загруженной в полисомы. Недавно RIBOTAC (рибонуклеазы, нацеленные на химеры) превратились в новый класс малых молекул, которые могут нацеливаться на различные классы РНК, включая микроРНК и мРНК (Dey and Jaffrey, 2019). Конструкция RIBOTAC основана на связывании РНК-связывающих молекул с небольшой молекулой, которая активирует РНК L, латентную рибонуклеазу, что приводит к деградации РНК-мишени.

Многоцелевые направленные лиганды (MTDL) для нейродегенеративных заболеваний, ориентированные на микроРНК:

MTDL представляют собой лиганды, которые предназначены для вмешательства во многие пути, участвующие в прогрессировании неврологических расстройств, из-за их многогранных свойств. Замечательный успех MTLD в идентификации малых молекул с эффективностью in vitro и in vivo в моделях нейродегенеративных заболеваний привел к постоянным усилиям по разработке новых инструментов для дизайна MTDL. В этом контексте недавно сообщалось о новой стратегии идентификации MTDL для нейродегенеративных заболеваний, которая основана на двойном ингибировании ацетилхолинэстеразы и биогенезе микроРНК (Gabr and Brogi, 2020). Соединение 2 (рис. 1В), двойной ингибитор ацетилхолинэстеразы и биогенеза миР-15b, было более эффективным, чем донепезил и анти-миР-15 в защите клеток нейробластомы SH-SY5Y от цитотоксичности, индуцированной бета-амилоидом. .

Более того, двойное ингибирование олигомеризации тау и биогенеза miRNAs, участвующих в прогрессировании неврологических расстройств (например, miRNA-146a), было сообщено как многообещающая стратегия для дизайна MTDL (Gabr and Barbault, 2020). В результате этого подхода было получено соединение 3 (рис. 1B), обладающее более высокой нейропротекторной активностью по сравнению с антагомиром miRNA146a и MK-886, ингибитором агрегации тау. Эти исследования также показывают, что дизайн MTDL, направленный на ингибирование биогенеза микроРНК, показал предпочтительный терапевтический профиль по сравнению с монотаргетными терапевтическими средствами. Поэтому дальнейший скрининг результатов этих подходов с использованием моделей нейродегенеративных заболеваний in vivo будет иметь решающее значение для будущей оптимизации.

Будущие направления:

Разработка эффективных стратегий для идентификации малых молекул, которые могут избирательно связывать микроРНК, окажет значительное влияние на способность контролировать экспрессию белков, участвующих в нейродегенеративных заболеваниях. Низкомолекулярные ингибиторы Drosha и Dicer широко изучались как инструменты для ингибирования биогенеза микроРНК. Однако многочисленные ингибиторы Dicer и Drosha проявляют ослабленную аффинность связывания miRNA в клеточном окружении, а также неспособность блокировать созревание miRNA.

Эти результаты объясняются беспорядочным нацеливанием этих малых молекул, а также их конкуренцией с др. макромолекулами при связывании miRNAs. Следовательно, разработка новых подходов для селективного связывания miRNAs весьма желательна. Синтез, управляемый кинетическими мишенями (KTGS), представляет собой подход к поиску лекарств на основе фрагментов, при котором биологическая мишень выбирает свои бидентатные лиганды, собирая их из пула небольших реакционноспособных фрагментов.

В KTGS биологическая мишень ускоряет образование ковалентной связи между строительными блоками с дополнительными реактивными функциональными группами за счет увеличения времени резонанса. После диссоциации от мишени попадания КТГС можно обнаружить в среде методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии. Потенциальным путем для идентификации селективных связывателей miRNAs может быть использование KTGS для идентификации низкомолекулярных связывателей miRNA-мишеней.

Рекомендации

Catanesi M, D'Angelo M, Tupone MG, Benedetti E, Giordano A, Castelli V, Cimini A (2020) Нарушение регуляции микроРНК и митохондриальная дисфункция при нейродегенеративных заболеваниях. 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) миР-212 и миР-132 подавляются в нейронах. экзосомы плазмы больных болезнью Альцгеймера. Передние Неврологи 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) МикроРНК -298 снижает уровни белка-предшественника амилоида человека ( APP), -сайт APP, превращающий фермент 1 (BACE1) и специфические фрагменты тау-белка.

Mol Psychiatry doi: 10.1038/s41380-019- 0610-2.

Ча Д., Менгель Д., Мустапич М., Лю В., Селко Д., Капояннис Д., Галаско Д., Риссман Р., Гонг Г., Ан Ф., Ван И, Бьян М., Ю Л.Дж., Вэй С. (2017) miR-15 b подавляет экспрессию BACE1 при спорадической болезни Альцгеймера. Онкоцель 8:91551-91557.

Cressatti M, Song W, Turk AZ, Garabed LR, Benchaya JA, Galindez C, Liberman A, Schipper HM (2019) Глиальная экспрессия HMOX1 способствует центральной и периферической дисрегуляции и патогенности -синуклеина у мышей с паркинсонизмом. Глия 67:1730-1744.

Дей С.К., Джаффри С.Р. (2019) RIBOTAC: низкомолекулярная РНК-мишень для деградации. Cell Chem Biol 26:1047-1049.

Kumar S, Reddy AP, Yin X, Reddy PH (2019) Новая микроРНК-455-3p и ее защитный эффект против аномального процессинга APP и токсичности бета-амилоида при болезни Альцгеймера. Biochem Biophys Acta Mol Basis Dis 1865:2428-2440.

O'Brien J, Hayder H, Zayed Y, Peng C (2018) Обзор биогенеза микроРНК, механизмов действия и циркуляции. Передний эндокринол 9:402.

Gabr MT, Barbault F (2020)Первое двойное связывание микроРНК146a и мономерного тау: новый подход к многоцелевой терапии нейродегенеративных заболеваний. Химическая коммуна 56:9695-9698.

Gabr MT, Brogi S (2020)Многоцелевой подход к лечению болезни Альцгеймера на основе микроРНК: открытие первого в своем классе двойного ингибитора биогенеза ацетилхолинэстеразы и микроРНК-15b. J Med Chem 63:9695- 9704.

Gebert LFR, MacRae IJ (2019) Регуляция функции микроРНК у животных. 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) Перевод по существу неупорядоченный белок а-синуклеин ингибируется небольшой молекулой, воздействующей на его структуру

для получения дополнительной информации:ali.ma@wecistanche.com