Janos Zempleni

Departamentul de Nutriție și Științe ale Sănătății, Universitatea din Nebraska-Lincoln, 316C Leverton Hall, Lincoln, NE 68583-0806, SUA

Scott R. Bayer

Departamentul de Nutriție și Științe ale Sănătății, Universitatea din Nebraska-Lincoln, 316C Leverton Hall, Lincoln, NE 68583-0806, SUA

Katherine M. Howard

Departamentul de Nutriție și Științe ale Sănătății, Universitatea din Nebraska-Lincoln, 316C Leverton Hall, Lincoln, NE 68583-0806, SUA

Juan Cui

Departamentul de Informatică și Inginerie, Universitatea din Nebraska - Lincoln, Lincoln, Nebraska, SUA

Abstract

Rezumat limbaj simplu

MicroARN-urile sunt porțiuni scurte de ARN care joacă roluri esențiale în reglarea genelor. În mod tradițional, se credea că microARN-urile sunt sintetizate de anumite specii care reglementează genele din acea specie. Această revizuire discută dovezi că microARN-urile din alimentele din speciile de animale afectează expresia genelor umane și implicațiile acestei observații pentru nutriția și sănătatea umană.

Reglarea genelor prin miARN endogene

MicroARN-urile (miARN-urile, miR-urile) sunt ARN-uri mici necodificate codificate de propriile gene, introni sau exoni ai transcrierilor lungi care nu codifică proteinele (Rodriguez și colab. 2004). miARN-urile au o lungime de aproximativ 22 nucleotide (Chen și Rajewsky 2007), se hibridizează cu secvențe complementare în regiunile 3'-netraduse (UTRs) în ARNm (Chen și Rajewsky 2007) și silenționează genele prin ARNm destabilizator sau prevenirea traducerii ARNm (Fig. 1) (Jing și colab. 2005; Djuranovic și colab. 2012). În schimb, site-urile de legare a ARNm în cadrele de citire deschise și 5'-UTR contribuie doar marginal la reducerea silențierii genelor (Grimson și colab. 2007; Baek și colab. 2008). Complementaritatea secvenței în „regiunea semințelor” (nucleotidele 2–8) în miARN este de o importanță deosebită pentru legarea de transcripții țintă. Degradarea ARNm dependentă de miARN are loc în complexul de tăcere indus de ARN (RISC) prin legarea miARN la proteinele Argonaute; în procesul de degradare a ARNm, miARN-urile sunt, de asemenea, degradate (Rana 2007). Reglarea genelor de către miARN este o rețea complexă de evenimente. miARN-urile se pot lega de multiple și chiar mii de ținte genetice, iar genele pot fi reglate de mai multe miARN-uri (Bartel 2004; Grun și colab. 2005; Cannell și colab. 2008; Seitz 2009). S-a estimat că mai mult de 30% din gene sunt reglementate de miARN la oameni (Lewis 2005). În mod tradițional, miARN-urile au fost considerate regulatori endogeni ai genelor, adică miARN-urile sunt sintetizate de o anumită gazdă reglează expresia genelor din acea gazdă.

dietetice

MicroARN-urile (miARN-urile) se leagă de secvențe complementare din regiunea 3'-netradusă (3'-UTR) în ARNm, declanșând degradarea ARNm sau inhibând traducerea ARNm; miARN-urile sunt degradate în acest proces.

Reglarea genelor prin miARN-uri dietetice exogene

Paradigma conform căreia miARN-urile provin exclusiv prin sinteza endogenă a fost recent contestată de un raport conform căruia oamenii și șoarecii pot absorbi miR-168a din orez și că miR-168a din orez modifică expresia proteinei adaptorului receptorului lipoproteinei cu densitate mică 1 mARN la om și șoareci (Zhang și colab. 2012). Cu toate acestea, teoria fascinantă conform căreia miARN-urile din regnul plantelor afectează expresia genelor la mamifere este extrem de controversată și a fost în mare parte respinsă de comunitatea științifică (Wang și colab. 2012; Chen și colab. 2013; Dickinson și colab. 2013; Snow 2013 ), inclusiv studiile noastre (Baier et al. 2014).

MiARN-urile sunt degradate în timpul procesării și depozitării laptelui? Când miARN-urile sintetice sunt adăugate la laptele bovin, acestea se degradează rapid; în schimb, miARN-urile endogene de lapte sunt rezistente la tratamentul cu acid și RNază (Kosaka și colab. 2010; Izumi și colab. 2012), probabil din cauza încapsulării și a legării proteinelor așa cum este descris mai sus. Testele de stabilitate sugerează că aproximativ 50% din miARN-urile prezente în laptele crud sunt degradate în timpul omogenizării și sterilizării cu o pierdere suplimentară minoră de mai puțin de 10% în timpul depozitării la rece și gătit; pentru majoritatea produselor lactate, conținutul de miARN este mai mic decât cel din laptele procesat (Howard și colab. 2015).

Compuși dietetici care afectează expresia miARN-urilor

Nutrienții și compușii alimentari bioactivi pot afecta expresia genelor care codifică miARN-urile. De exemplu, s-au furnizat dovezi că polifenolii din dietă modifică expresia miARN-urilor 291b-5p, 296-5p, 30c-1 *, 467b * și 374 * la șoareci cu deficit de apolipoproteină-E (Milenkovic și colab. 2012). Această lucrare se va concentra asupra miARN-urilor dietetice, în timp ce reglarea nutrițională a expresiei miARN va fi ignorată. Pentru o recenzie recentă asupra reglării dietetice a expresiei miARN, vezi Ross și Davis (2011).

miARN în sănătatea umană

Baza de date a bolilor miARN umane leagă 572 de gene miARN cu 378 boli umane (Lu și colab. 2008). Datorită numărului mare de intrări în baza de date, cititorul este îndreptat spre răsfoirea bazei de date pentru identificarea miARN-ului sau a bolii sale de interes (Systems Biology and Biomedical Informatics Lab 2014), spre deosebire de furnizarea unei descrieri detaliate în această lucrare. Rețineți că cercetătorii pot trimite intrări curatorilor bazei de date pentru examinare. Folosind algoritmul TargetScan (Lewis și colab. 2005), am identificat 11.119 ținte unice ale genei umane (informații nepublicate) pentru 175 din 245 miARN-uri din laptele de vacă (Chen și colab. 2010; Izumi și colab. 2012). Pe baza acestui număr mare de gene țintă, este rezonabil să propunem că miARN-urile din lapte sunt regulatori importanți într-o varietate de căi metabolice. Studiile noastre sugerează că unele miARN au scăpat de detectare în studii anterioare, iar laptele de vacă conține mai mult de 245 miARN. miARN-urile au fost implicate în toate aspectele sănătății și bolilor. În secțiunile următoare, subliniem rolurile potențiale ale miARN-urilor din lapte în 5 domenii care prezintă amenințări importante pentru sănătate pentru oameni.

Exemplul 1: Sănătatea oaselor

miR-29b este un regulator important al mineralizării osoase la om, mediat de o creștere dependentă de miR-29b a diferențierii osteoblaste (Li și colab. 2009) și scăderea diferențierii și funcției osteoclastelor (Rossi și colab. 2013). Fundația Națională pentru Osteoporoză estimează că 44 de milioane de femei și bărbați din SUA cu vârsta de peste 50 de ani suferă de osteoporoză și masă osoasă scăzută (Fundația Națională pentru Osteoproză 2011), reprezentând 55% din persoanele din această grupă de vârstă. Aceste probleme pot fi agravate de niveluri scăzute de miARN în formulele pentru sugari, comparativ cu laptele matern. Concentrațiile de miARN scad cu 95% în procesarea laptelui de vacă la formulele pentru sugari (Chen și colab. 2010), iar miR-29b și miR-200c nu sunt detectabile în formulele hidrolizate, hipoalergenice și formule pe bază de soia (Izumi și colab. 2012; date nepublicate). În concordanță cu rolul miR-29b în promovarea mineralizării osoase (Li și colab. 2009; Rossi și colab. 2013), conținutul mineral osos este cu 10% mai mare la sugarii alăptați, comparativ cu sugarii hrăniți cu lapte de vacă, care este 10 % mai mare decât la sugarii hrăniți cu o formulă pe bază de soia la vârsta de 3 luni (Andres și colab. 2013). Pentru aproximativ 3,7 milioane de sugari, formulele sunt principala sursă de nutriție în SUA (McDowell și colab. 2008; Cox 2011).

Exemplul 2: Mielom

miR-29b sensibilizează celulele mielomului multiplu la apoptoza indusă de bortezomib (Amodio și colab. 2012). În SUA, în 2014, se vor estima 24.050 de cazuri noi și 11.090 de decese (Institutul Național al Cancerului 2014c). Dintre afro-americani, mielomul este una dintre primele 10 cauze principale de deces prin cancer. În plus, miARN-urile sunt considerate biomarkeri pentru cancer (Pritchard și colab. 2012; Schultz și colab. 2014).

Exemplul 3: Funcția imună, artrita și boala inflamatorie a intestinului

Laptele de vacă conține miARN implicați în funcția imună (miR-15b, miR-27b, miR-34a, miR-106b, miR-130a, miR-155, miR-200c și miR-223) și boala Crohn (miR-21 și miR-223) în cantități suficient de mari pentru a modifica funcția imunitară a omului (Arnold și colab. 2012; Izumi și colab. 2012). S-au furnizat dovezi că miARN-urile din laptele matern modulează sistemul imunitar la sugari (Gu et al. 2012). Atât imunitatea înnăscută, cât și cea adaptivă pot fi afectate de miARN, așa cum este revizuit de Lindsay (2008). Mai exact, miR-155 este esențial pentru dezvoltarea și funcția normală a celulelor B, celulelor T și celulelor dendritice (Rodriguez și colab. 2007), iar expresia miR-223 amortizează activarea neutrofilelor (Johnnidis și colab. 2008) . Teoretic, un aport alimentar mai mare de miR-223 (printre alte miARN-uri imunitare) poate ajuta la limitarea severității bolii Crohn. Rețineți că miARN-urile se leagă de receptorii de tip Toll, ceea ce are implicații majore pentru biologia tumorii și funcția imunitară (Fabbri 2012; Fabbri și colab. 2012).

Exemplul 4: Sindrom metabolic

Analiza căilor (Ogata și colab. 1999; Biocarta 2014; Institutul Național al Cancerului 2014b; Reactom 2014) a transcrierilor umane vizate de miARN-urile bovine au arătat o îmbogățire semnificativă a căilor în metabolismul glucozei, colesterolului și trigliceridelor, care sunt căi implicate în metabolizare sindrom. Definiția sindromului metabolic diferă oarecum în rândul agențiilor, dar există un consens general că sindromul metabolic este diagnosticat dacă 3 din următoarele 5 afecțiuni co-apar: obezitate centrală, tensiune arterială crescută, glicemie plasmatică crescută, trigliceride serice ridicate și niveluri scăzute de colesterol cu ​​densitate ridicată (Alberti et al. 2009). miARN-urile au fost implicate în patogeneza bolilor legate de sindromul metabolic. De exemplu, (i) 27 miARN sunt exprimate diferențial la pacienții cu hipertensiune arterială semnificativă (Li și colab. 2011), (ii) mai mult de 30 miARN, inclusiv miR-29b, au fost implicați și în biologia celulelor beta și în rezistența la insulină. ca diabet și complicațiile sale (Fernandez-Valverde și colab. 2011), (iii) miR-30c scade hiperlipidemia și ateroscleroza prin scăderea sintezei lipidelor și a secreției de lipoproteine ​​la șoareci (Soh și colab. 2013) și (iv) niveluri plasmatice scăzute de MiRs 20b, 21, 24, 29b, 15a, 126, 191, 197, 223, 320 și 486 afectează semnalizarea angiogenă periferică la pacienții cu diabet de tip 2 (Zampetaki și colab. 2010).

Exemplul 5: Reproducere

miARN-urile sunt esențiale în reproducere, pe baza următoarelor observații. Veziculele extracelulare (EV) din materialul seminal uman transportă un repertoriu distinct de ARN-uri mici necodificate cu funcții potențiale de reglare (Vojtech și colab. 2014). EV-urile derivate din placenta cresc în mod continuu în circulația maternă în primul trimestru de sarcină (Sarker și colab. 2014), iar EV-urile cu lichid luminal uterin furnizează miARN către embrion, ceea ce este important pentru dezvoltarea embrionară și stabilirea și menținerea sarcinii (Burns și colab. 2014). MiARN-urile joacă, de asemenea, roluri cruciale în creșterea postnatală, inclusiv organe și țesuturi precum inima, aorta, cartilajul (Kalsotra și colab. 2010; Ott și colab. 2011; Bakhshandeh și colab. 2012) și os (vezi mai sus).

Implicarea miARN-urilor dietetice pentru utilizarea miARN-urilor ca biomarkeri

MiARN-urile din fluidele corporale sunt considerate candidați viabile pentru biomarkerii bolilor, în parte datorită stabilității lor extraordinare în fluidele corporale în comparație cu proteinele și ARNm-urile (Turchinovich și colab. 2011). În special, cercetătorii în domeniul cancerului au dezvoltat un interes în studierea miARN-urilor ca potențiali biomarkeri pentru riscul de cancer (Schultz și colab. 2014; Schwarzenbach și colab. 2014). Cu toate acestea, observația că aportul dietetic de miARN ar putea afecta concentrațiile lor în fluidele și țesuturile corpului sugerează că aportul alimentar trebuie considerat un potențial factor de confundare atunci când se utilizează miARN pentru a evalua riscul de boală. S-au ridicat, de asemenea, îngrijorări cu privire la efectele numărului de celule sanguine și ale hemolizei asupra concentrațiilor miARN circulante (Pritchard și colab. 2012).

Caracteristici care discriminează miARN-urile dietetice exogene și miARN-urile endogene

MiARN-urile de mamifere și țintele lor de ARNm sunt foarte conservate (Friedman și colab. 2009; Warnefors și colab. 2014). De exemplu, 245 miARN au fost identificate în laptele de vacă (Chen și colab. 2010; Izumi și colab. 2012). O analiză preliminară a acestor 245 miARN de bovine utilizând baza de date TargetScan (Lewis și colab. 2005) a identificat 11.119 ținte putative pentru 175 dintre aceste miARN de bovine, inclusiv miR-29b și miR-200c, în transcriptomul uman (observație nepublicată). Această predicție este în concordanță cu noțiunea că miARN-urile vizează de obicei mai mult de o genă. Șaptezeci și nouă de transcrieri sunt ținte validate experimental pentru miR-29b și respectiv miR-200c bovine în celulele matrice osoase umane, conform MirTarBase (Fig. 3) (Hsu și colab. 2014). Rețineți diafragma dintre cele 2 rețele.

Predicții ale rețelei genice pentru miR-200c (stânga) și miR-29b (dreapta) în celulele matrice osoase umane.

În timp ce secvența asemănărilor dintre miARN-urile bovine și umane cresc probabilitatea ca miARN-urile din lapte să afecteze expresia genelor umane, creează, de asemenea, o problemă atunci când se caută să se facă distincția între miARN-urile dietetice și endogene. De exemplu, 155 din cele 245 miARN de lapte de vacă au secvențe nucleotidice identice cu miARN umane. În schimb, doar 11 din cele 245 miARN de lapte de vacă au secvențe de nucleotide care se disting de ortologii lor umani prin PCR în timp real cantitativ sau secvențierea generației următoare; aceste miARN includ miR-16-5p, miR-146a, miR-320b, miR-345, miR-452, miR-502b, miR-503, miR-542-3p, miR-660 și miR-363 (Facultatea de Științe ale vieții 2014).

Alte caracteristici care pot determina activitatea miARN includ conservarea semințelor: potrivirea țintei, compoziția seminței: regiunea de flancare țintă, accesibilitatea sitului țintă și determinanții bazați pe energie liberă (Wen și colab. 2011; Squadrito și colab. 2014 ), precum și caracteristicile bazate pe secvențe, inclusiv compoziția nucleotidică și proprietățile palindromice. În plus, este rezonabil să propunem că următorii factori contribuie la reglarea activității biologice a miARN-urilor (dietetice): încapsularea în exosomi și microvesicule (Ohshima și colab. 2010; Huang și colab. 2013), legându-se de Argonaute2 (Arroyo și colab.) al. 2011; Turchinovich și colab. 2011) și lipoproteine ​​cu densitate mare (Vickers și colab. 2011) și proteine ​​de pe suprafața exozomilor și a celulelor (Escrevente și colab. 2011). Acești factori pot diferi între miARN obținute din surse exogene și endogene.

MiARN-urile dietetice se califică drept compuși alimentari bioactivi sau nutrienți esențiali?

Institutul Național al Cancerului definește compușii bioactivi ca „un tip de substanță chimică care se găsește în cantități mici în plante și în anumite alimente [[]. Compușii bioactivi au acțiuni în organism care pot favoriza sănătatea. Acestea sunt studiate în prevenirea […] bolilor ”(Institutul Național al Cancerului 2014a). Pe baza acestei definiții și a dovezilor de mai sus că oamenii absorb miARN-urile din lapte care reglează genele implicate în sănătatea umană, miARN-urile din lapte se califică pentru a fi considerate compuși alimentari bioactivi. Rămâne de stabilit dacă miARN-urile din alte surse alimentare decât laptele și ouăle îndeplinesc funcții similare. În prezent, nu există dovezi suficiente pentru a clasa miARN-urile dietetice printre substanțele nutritive esențiale. Consiliul Național de Cercetare definește un nutrient esențial ca „un nutrient necesar pentru funcționarea normală a corpului uman care fie nu poate fi sintetizat de către organism […] în cantități adecvate pentru o sănătate bună și, prin urmare, trebuie obținut dintr-o sursă dietetică (Consiliul Național de Cercetare 1998 ) ”. Cercetări suplimentare sunt justificate pentru a evalua rolul potențial al miARN-urilor dietetice ca compus alimentar bioactiv sau esențial.

Mulțumiri

Acest studiu a fost susținut de fonduri furnizate prin Hatch Act. Un sprijin suplimentar a fost oferit de Institutul Național pentru Alimentație și Agricultură (2015-67017-23181 și grantul multi-stat W3002), Institutele Naționale de Sănătate (P20GM104320), Centrul de nutriție a ouălor și Fundația Gerber.

Abrevieri

EVvezicula extracelulară
miRmiARN, microARN
UTRregiune netradusă

Note de subsol

1 Această revizuire invitată face parte dintr-un număr special intitulat „Farmacologia vitaminelor și nu numai. Partea 2. "

Informații despre colaboratori

Janos Zempleni, Departamentul Nutriție și Științe ale Sănătății, Universitatea din Nebraska-Lincoln, 316C Leverton Hall, Lincoln, NE 68583-0806, SUA.

Scott R. Baier, Departamentul de Nutriție și Științe ale Sănătății, Universitatea din Nebraska-Lincoln, 316C Leverton Hall, Lincoln, NE 68583-0806, SUA.

Katherine M. Howard, Departamentul de Nutriție și Științe ale Sănătății, Universitatea din Nebraska-Lincoln, 316C Leverton Hall, Lincoln, NE 68583-0806, SUA.

Juan Cui, Departamentul de Informatică și Inginerie, Universitatea din Nebraska - Lincoln, Lincoln, Nebraska, SUA.