Статья: Роль микроРНК в регуляции метаболизма холестерина

ФГБОУ ВО «Иркутский государственный медицинский университет» Минздрава РФ

Роль микрорнк в регуляции метаболизма холестерина

Гуцол Л.О., Коршунова Е.Ю., Непомнящих С.Ф.

Иркутск

Аннотация

Метаболизм холестерина является сложным многоэтапным процессом, находящимся под контролем различных регуляторных систем, которые оказывают влияние на все этапы обмена. В последние десятилетия много внимания уделяется изучению контроля уровней сывороточного и внутриклеточного холестерина посредством микроРНК. МикроРНК - это небольшие (около 22 нуклеотидов) некодирующие РНК, которые регулируют экспрессию генов на посттранскрипционном уровне. В этой обзорной статье обсуждаются последние достижения в нашем понимании роли микроРНК в контроле гомеостаза холестерина, липидов и липопротеинов. Показывается их участие на различных этапах липидного обмена. На этапе регуляции биосинтеза холестерина в клетке показано, что они могут регулировать экпрессию белков, связывающих стиролрегулирующие элементы в ДНК. Эти белки активируют транскрипцию генов, участвующих в метаболизме холестерина. Отдельно выделены несколько микроРНК, влияющих на метаболизм липидов в печени. Также рассматриваются микроРНК, влияющие на обратный транспорт холестерина из периферических клеток в печень. Определены сразу несколько микроРНК, влияющих на экспрессию АТФ-связывающих кассетных транспортеров А1 и G1. Эти транспортеры определяют уровень ЛПВП в крови и в конечном итоге определяют скорость развития атерогенеза.

Ключевые слова: холестерин, обратный транспорт холестерина, микроРНК, ABCA1, ABCG1, SR-BI.

Abstract

The role of microrna in cholesterol metabolism regulation

Gutsol l.O., Korshunova E.Y., Nepomnyaschikh S.F.

¹FGBOU VO Irkutsk State Medical University, Ministry of Health of Russia, Irkutsk,

Cholesterol metabolism is a complex multi-stage process under the control of various regulatory systems which affect all stages of metabolism. Much attention has been paid in recent decades to studying the control of serum levels and to intracellular cholesterol miRNAs. MicroRNAs are small (ca. 22 nucleotides) non-coding RNAs that regulate gene expression at the post-transcriptional level. This review article discusses recent advances in our understanding of the role of miRNA in controlling cholesterol, lipid, and lipoprotein homeostasis. Their participation at various stages of lipid metabolism is shown. At the stage of regulation of cholesterol biosynthesis in the cell, it has been shown that they can regulate the expression of proteins which bind styrene-regulating elements of DNA. These proteins activate the transcription of genes involved in cholesterol metabolism. Separately several miRNAs are selected which affect lipid metabolism in the liver. MicroRNAs which influence the reverse transport of cholesterol from peripheral cells to the liver are also considered. Several miRNAs that affect the expression of the ATP-binding A1 and G1 cassette transporters are identified. These transporters determine the level of HDL in the blood and, ultimately, determine the rate of atherogenesis.

Keywords: cholesterol, reverse cholesterol transport, miRNA, ABCA1, ABCG1, SR-BI.

Введение

Холестерин является необходимым для животного организма стероидом. Нарушение метаболизма холестерина и его избыток может привести к различным патологическим состояниям, таким как атеросклероз и болезни сердца [1].

Поэтому в процессе эволюции сформировались механизмы регуляции уровня холестерина в ответ на изменение физиологической потребности. Гомеостаз холестерина в клетках поддерживается с помощью регуляции биосинтеза de novo, поглощения липопротеинов и обратного транспорта холестерина (ОТХ). Эти механизмы регулируются на транскрипционном и посттранскрипционном уровнях [2]. Согласно исследованиям последних десятилетий, большой вклад в регуляцию этих процессов вносят микроРНК.

МикроРНК (miR) - это класс небольших некодирующих РНК, которые функционируют в качестве ключевых регуляторов фундаментальных клеточных процессов. МикроРНК модулируют экспрессию белка путем гибридизации с соответствующими мРНК и увеличения срока существования мРНК, или ингибирования трансляции, или того и другого [3]. Было показано, что микроРНК регулируют ключевые белки гомеостаза холестерина, а изменения экспрессии вовлечённых в этот процесс miRs тесно связаны с метаболическими нарушениями [2; 4; 5].

Регуляция биосинтеза холестерина

Важными регуляторами гомеостаза липидов и стиролов у эукариот являются SREBP (sterol regulatory element-binding protein) - белки, связывающие стиролрегулирующие элементы в ДНК. У млекопитающих обнаружены три изоформы SREBP.

Синтез SREBP-1a и SREBP-1c осуществляется на гене SREBP-1, и в основном эти белки отвечают за регулирование генов, участвующих в метаболизме жирных кислот; белок SREBP-2 транскрибируется с гена SREBP-2 и преимущественно отвечает за регуляцию метаболизма холестерина.

При достаточном количестве холестерина в клетке эти белки закреплены на мембране эндоплазматической сети.

Неактивный предшественник SREBP на мембране эндоплазматического ретикулума взаимодействует непосредственно с белком, активирующим расщепление SREBP - SCAP (SREBP cleavage-activating protein), - который является основным мембранным датчиком холестерина [6].

Если содержание холестерина в мембране превышает пороговый уровень 5 моль/%, SCAP связывается непосредственно с холестерином и принимает конформацию, которая позволяет связываться с третьим белком, INSIG (Insulin-induced gene protein, белок инсулин- индуцируемого гена), и это взаимодействие задерживает SREBP в мембране эндоплазматического ретикулума (ЭР), а синтез ГМГ-КоА редуктазы и рецептора липопротеинов низкой плотности не стимулируется.

При уменьшении уровня холестерина в мембране ЭР ниже 5 моль/% конформация SCAP изменяется так, что он не может взаимодействовать с INSIG и белки SREBP транспортируются в комплекс Гольджи. Затем белки SREBP перемещаются в ядро, где они активируют транскрипцию генов, участвующих в метаболизме холестерина [7; 8].

Многие микроРНК, регулирующие биосинтез холестерина, оказывают влияние на экспрессию белков SREBP.

MiR-96/182/183. Jeon T. с соавторами обнаружили, что SREBP2 регулирует синтез первичного транскрипта трех микроРНК - miR-96/182/183. В свою очередь, эти микроРНК формируют механизм обратной связи и способствуют процессингу SREBP2. Также они повышают его устойчивость посредством воздействия miR-96 на ген INSIG, а miR-182 - на принимающий участие в регуляции клеточного цикла ген FBXW7. Белки INSIG могут блокировать процессинг белков SREBP, связываясь с белком SCAP, и, таким образом, предотвращают экспорт SREBP в аппарат Гольджи и затем в ядро [8; 9].

Сверхэкспрессия этих микроРНК приводила к повышению активности SREBP2 и увеличению синтеза холестерина in vitro, но было обнаружено, что введение мышам антагонистов miR-96 и miR-182 не изменяет уровни холестерина в печени или в циркулирующей крови [9].

MiR-24. В работе Ng R. и соавторов предполагается, что на INSIG1 воздействует miR- 24, что оказывает положительное влияние на уровень SREBP [10]. Механизм данного влияния в этой работе не выявлен, поэтому еще предстоит определить, как регуляция miR-24 может быть связана с гомеостазом SREBP. Также авторы нескольких исследований показали, что подавление miR-24 у мышей с ожирением, вызванным диетой, значительно снижает уровень липидов в плазме и печени за счет подавления экспрессии липогенных генов. Более высокие уровни miR-24 и более низкие уровни INSIG1 также наблюдались у пациентов с неалкогольной жировой болезнью печени или стеатогепатитом [11; 12].

MiR-185. При исследовании miR-185 было обнаружено, что эта микроРНК сложно взаимодействует с факторами транскрипции SREBP. Активируется miR-185 посредством SREBP-1c, а затем воздействует на SREBP-2. Jiang H. и соавторы показали, что SREBP-1c связывается со специфическим стирол-регулирующим элементом в промоторной области гена miR-185, активирует таким образом его транскрипцию, и это приводит к уменьшению активности SREBP-2. Резкое падение концентрации SREBP-1c вызывает немедленное увеличение экспрессии гена SREBP-2 и повышение концентрации кодируемого им белка. Таким образом, SREBP-1c отрицательно регулирует экспрессию SREBP-2. Ингибирование функции SREBP-2 с помощью miR-185 может привести к снижению уровня холестерина [13;14].

Метаболизм липидов в гепатоцитах также контролируется рядом микроРНК.

MiR-122. МикроРНК-122 является наиболее распространенной miR в печени и составляет около 75% от общего количества микроРНК печени. Многими исследованиями было показано, что она регулирует широкий спектр функций печени, включая липидный обмен [15-17]. Фармакологическое ингибирование miR-122 у мышей и приматов кроме человека и генетический нокаут miR-122 у мышей приводят к значительному снижению уровня холестерина в плазме [16-18]. Кроме того, miR-122 играет важную роль в метаболизме жирных кислот, и было показано, что обработка антисмысловыми нуклеотидами против miR-122 предотвращает стеатоз печени [18]. Исследования, проведенные Hsu S.H., Tsai W.C. и соавторами, показали, что изменения в miR-122 воздействуют на важные регуляторные ферменты, влияющие на биосинтез холестерина, секрецию ЛПОНП и синтез жирных кислот. Однако механизмы, с помощью которых она опосредует свои эффекты на метаболизм липидов, остаются неизвестны [18; 19].

MiR-30c. В отличие от miR-122, которая, как было установлено, способствует гиперлипидемии, повышение уровня miR-30c снижает уровень липидов в плазме. Эти эффекты частично обусловлены снижением секреции холестерина при воздействия на микросомальный MTP (microsomal triglyceride transfer protein, триглицерид-переносящий белок). Этот белок имеет большое значение для сборки и секреции апоВ-содержащих липопротеинов. Soh J. и соавторы показали, что сверхэкспрессия miR-30c в печени снижает синтез мРНК MTP. Кроме того, мРНК МТР разлагается быстрее благодаря связыванию miR- 30c с его 3'-UTR концом. Таким образом, miR-30c снижает уровень холестерина в плазме, уменьшая синтез ЛПОНП. Также были продемонстрированы не опосредованные MTP пути воздействия miR-30c на синтез холестерина. Обнаружено, что сверхэкспрессия miR-30c снижает образование бляшек у мышей с врожденным апоЕ-дефицитом, склонных к атеросклерозу. Эксперименты с ингибированием miR-30c показали развитие более выраженной гиперлипидемии и повышенное образование атеросклеротических бляшек [20].

Регуляция поступления холестерина в клетку

Поступление липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) в клетку осуществляется путем рецепторно-опосредованного эндоцитоза. После соединения ЛПНП с рецептором этот комплекс погружается в клетку. Затем в эндосомах рецепторы диссоциируют от своих лигандов и возвращаются на поверхность клетки. Рецептор ЛПНП совершает один круговой проход в клетку и обратно каждые 10 минут, что в общей сложности составляет несколько сотен рейсов в течение его 20-часовой жизни [21]. Поскольку каждая частица ЛПНП содержит приблизительно 1600 молекул холестерина, такая быстрая рециркуляция рецепторов ЛПНП обеспечивает эффективный механизм доставки холестерина в клетки. После диссоциации с рецептором ЛПНП поступают в лизосомы, где эфиры холестерина гидролизуются, и холестерин поступает в клетку. Внутриклеточный холестерин по механизму отрицательной обратной связи тормозит синтез и поступление извне избыточного количества холестерина [21; 22].

Ряд исследований выявил несколько микроРНК, которые регулируют экспрессию рецептора ЛПНП. К ним относятся miR-27a/b, miR-148a, miR-128-1.

MiR-27. Было показано, что miR-27a/b регулируют активность ЛИШ 1-рецептора, как непосредственно воздействуя на рецептор, так и контролируя адапторный белок 1 рецептора ЛПНП. Этот белок находится в цитозоле и взаимодействует с цитоплазматическим хвостом рецептора ЛИНИ, т.е. необходим для эффективного эндоцитоза рецептора. Сверхэкспрессия или ингибирование miR-27b у мышей дикого типа соответственно снижает или увеличивает экспрессию рецептора ЛИНИ в гепатоцитах, однако значительных различий в циркулирующем ЛИНИ или общем холестерине обнаружено не было [23; 24].

MiR-128-1/148a. Ингибирование miR-128-1 и miR-148a значительно увеличивает экспрессию рецептора ЛИНИ в печени и одновременно снижает уровни циркулирующих ЛИНИ у мышей с врожденным апоЕ-дефицитом. Также ингибирование miR-148a приводит к увеличению уровня циркулирующих ЛПВП [25; 26].

Регуляция обратного транспорта холестерина

В дополнение к биосинтезу, для поддержания гомеостаза холестерина также важен регулируемый отток избытка холестерина из клеток - обратный транспорт холестерина (ОТХ). Выведение избытка холестерина из периферических клеток осуществляется через специфические белки-транспортеры. Эти белки относятся к АТФ-связывающим кассетным транспортерам. АТФ-связывающий кассетный транспортер А1 (ABCA1) переносит холестерин к липид-обедненным апоА-1, выступающим в качестве акцептора, а для транспортера G1 (ABCG1) акцептором являются более зрелые сферические частицы - ЛИНИ. Иоскольку уровни ЛИВИ в плазме обратно пропорционально связаны с сердечнососудистыми заболеваниями, ABCAl-опосредованный отток холестерина имеет решающее значение для поддержания гомеостаза холестерина и защиты от атеросклероза [27].

В печень ЛИНИ доставляют холестерин через рецепторы-мусорщики класса B, типа I (scavenger receptor class B, type I; SR-BI). SR-BI является интегральным мембранным белком и найден во многих типах клеток, включая гепатоциты. Он способствует поглощению печенью сложных эфиров холестерина из ЛИВИ. Ири взаимодействии SR-B1 печени с частицами ЛИВИ, богатыми эфирами холестерина, он способствует селективному захвату из них этерифицированного холестерина с обратимым его включением в кавеолы. Из них молекулы эфиров холестерина необратимо интернализируются во внутриклеточный метаболизм. Когда же SR-B1 связывает бедные холестерином ЛИВИ, то стимулируется другой процесс - переход избыточного свободного холестерина из кавеолярных областей мембран в частицу ЛИВИ. Таким образом, скорость оттока холестерина из клеток к ЛИВИ сопряжена с уровнем экспрессии рецептора SR-B1 [28; 29].