احتمال اثرگذاری miR-93miR-20a, و miR-20b در تمایز سلولهای naïve CD4+ به سلولهای Th17 در بیماری مالتیپل اسکلروزیس
رضا نقویان1، محمد امین هنردوست1، عارف حسینی1، کامران قائدی2، مسعود اعتمادیفر3، محمد حسین نصر اصفهانی4، مزدک گنجعلی خانی حاکمی5
چکیده سابقه و هدف یکی از اساسیترین سلولهای سیستم ایمنی که در بیماری مولتیپل اسکلروزیس(MS) دخالت دارد، سلولTh17 میباشد که در بسیاری دیگر از بیماریهای خود ایمن نیز اثرگذار است. اخیراً ازمیکروRNA ها در درمان بسیاری از بیماریها استفاده میشود. miRNA ها دستهای ازRNA های غیر کد شونده به طول 22 تا 25 نوکلئوتید هستند که نقشهای تنظیمی اساسی در فرآیندهای مختلف سلولی دارند. در این مطالعه با استفاده از پایگاه دادههای بیوانفورماتیک، تلاش شده است تا miRNAهایی که در مسیر تمایز بهTh17 نقش دارند را مشخص نموده و از این طریق کاندیداهایی برای مهار این مسیر و کاهش علایم بیماری به دست آورند. مواد و روشها مطالعه انجام شده از نوع تئوریکال بیوانفورماتیک است. در این مطالعه از طریق پایگاه داده miRWalk ، میانکنش میان ژنهای دخیل در تمایز سلولهای CD4+ بکر به سلولهای Th17 با میکرو RNA هایی که تغییرات بیان آنها در بیماریهای خود ایمن مختلف به اثبات رسیده است، مورد بررسی قرار گرفته و اثر احتمالی چندین miRNA در این مسیر را مشخص کرده است. یافتهها بر اساس نتایج به دست آمده miR-20a/bو miR-93 احتمالاً میتوانند از طریق مهار القای تمایز به TH17، میکرو RNA های کلیدی در جلوگیری از پیشروی علایم بیماری باشند. نتیجه گیری با توجه به این نتایج میتوان گفت که miR-93، miR-20a و miR-20b با مهار فاکتورهای رونویسی مثل RORC و STAT3 و... از تمایز به Th17 جلوگیری میکند و میتوان از آنها به عنوان پتانسیلهای دارویی و درمانی و نیز بیومارکرهای شناسایی بیماری MS استفاده کرد. کلمات کلیدی:مالتیپل اسکلروزیس، میکرو RNAها، سلولهای Th17 ، بیماریهای خود ایمنی
تاریخ دریافت : 20/12/92 تاریخ پذیرش : 2 /7 /93
1- کارشناس ارشد زیستشناسی سلولی و مولکولی ـ دانشگاه اصفهان ـ اصفهان ـ ایران 2- مؤلف مسؤول: PhD بیولوژی مولکولی ـ دانشیار دانشکده علوم دانشگاه اصفهان و گروه زیست فناوری سلولی ـ مرکز تحقیقات علوم سلولی ـ پژوهشکده زیست فناوری جهاد دانشگاهی ـ پژوهشگاه رویان ـ خیابان هزار جریب ـ اصفهان ـ ایران ـ کدپستی: 73441-81746 3- فوق تخصص مغز و اعصاب ـ استاد دانشگاه علوم پزشکی اصفهان ـ اصفهان ـ ایران 4- PhD جنینشناسی ـ استاد مرکز تحقیقات علوم سلولی ـ پژوهشکده زیست فناوری جهاد دانشگاهی ـ پژوهشگاه رویان ـ اصفهان ـ ایران 5- PhD ایمونولوژی ـ استادیار دانشکده پزشکی دانشگاه علوم پزشکی اصفهان و مرکز تحقیقات ایمنیشناسی و مولکولی دانشگاه علوم پزشکی اصفهان ـ اصفهان ـ ایران
مقدمه مالتیپل اسکلروزیس(MS) یک بیماری مزمن التهابی سیستم دستگاه عصبی مرکزی(CNS) میباشد. این بیماری آکسونهای میلیندار CNS را مورد هدف قرار میدهد و باعث تخریب میلین و آکسونها به میزان مختلف میشود(1). نرخ شیوع MS چیزی در حدود 1-2 در 1000 میباشد و به نظر میرسد که این میزان در حال افزایش است(2). هم چنین میزان ابتلا در زنان دو برابر مردان است. دلیل اصلی این بیماری کاملاً شناخته شده نیست اما به نظر میرسد ترکیبی از عوامل ژنتیکی و غیر ژنتیکی مانند ویروس، متابولیسم یا فاکتورهای محیطی تاثیر دارد که به همراه هم منجر به ایجاد چنین اختلال خود ایمنی میشوند و باعث حملههای ایمنی در CNS میگردند(3). حدود 80% تا 90% بیماران MS در ابتدا فرم عودکننده ـ بهبودپذیر را در اواخر دهه دوم زندگی از خود نشان میدهند(RRMS = relapsing-remitting multiple sclerosis) و تا حدی بهبود خود به خودی علایم در فاز رمیشن دیده میشود. چند سال پس از آغاز بیماری، بسیاری از بیماران RRMS وارد فاز پیشرونده ثانویه(SPMS = Secondary progressive multiple sclerosis) میشوند، کـه در آن بهبـود علایـم از بین میرود و مشکلات عصبی افزایش مییابد. 10% تا 20% باقیمانده بیماران از فرم پیشرونده ابتدایی (PPMS = Primary progressive multiple sclerosis) رنج میبرند، که ظاهراً در آن هیچگونه بهبودی از ابتدای شروع بیماری دیده نمیشود(4). تحقیقات نشان میدهد که Th17 در بروزعلایم نقش مؤثری را برعهده دارند. سلولهای T-helper 17 زیر ردهای از سلولهای CD4+ T-helper هستند که نخستین بار در سال 2007 به عنوان یک زیر ردهی مجزا معرفی شدند(6، 5). سلولهای Th17 به عنوان جزیی از سیستم ایمنی اکتسابی با تولید اینترلوکینهای IL-17a ، IL-17f و IL-22، در مقابله با عفونتهای قارچی و باکتریایی خارج سلولی شرکت میکنند(7). علاوه بر این، سلولهای Th17 در پاسخهای فزاینده سیستم ایمنی در فاز حاد برخی از بیماریهای خود ایمن مثل مالتیپلاسکلروزیس، آرتریت روماتوئید، سوریازیس و دیابت نقش عمده و مؤثری دارند(15-8). تکوین به Th17 را میتوان به سه مرحله تقسیم کرد: تمایز به وسیله TGF-β ، IL-1β و IL-6 ، تکثیر درونریز(اتوکرین) به وسیله IL-21 و ادامه تکثیر به وسیله IL-23 ادامه مییابد. در بیماریهای خود ایمنی مثل سوریازیس، نقش اساسی IL-17 در پیشرفت بیماری مشخص شده است. در MS نیز مشخص شده است که افراد میزان بالاتری از IL-23 را ترشح میکنند که پیشنهاد میشود مسیر IL-23/Th17 در پیشروی بیماری نقش داشته باشد(16). miRNA ها گروه جدیدی از RNAهای غیر کدکننده و تک رشتهای به طول تقریباً 22 نوکلئوتید هستند که نقش محوری در تنظیم تمایز و پروسههای سلولی دارند. این دسته از RNAها با تنظیم و کنترل بیان ژنها در سطح mRNA پس از رونویسی، اثر خود را اعمال میکنند. به طوری که پس از تولید و پردازش در داخل سلول، به ناحیه 3'-UTR رونوشت پروتئین هدف خود متصل و باعث تخریب و یا مهار ترجمه mRNA پروتئین هدف خود میشوند(18، 17). miRNAها بیان منحصر به فردی در سلولهای سیستم ایمنی ذاتی و اکتسابی دارند و از این رو نقش مهمی در تنظیم نمو و عملکرد این سلولها ایفا میکنند. تنظیم پاسخهای ایمنی به وسیله miRNAها، طی مطالعههای متعدد در پستانداران اثبات شده است(20، 19). از این رو برآورد میشود حدود نیمی از ژنهای دخیل در پاسخهای سیستم ایمنی تحت کنترل و تنظیم miRNA ها هستند. از طرف دیگر تغییر بیان miRNAها در چندین بیماری خود ایمنی نظیر آرترید روماتوئید، لوپوس، مالتیپل اسکلروزیس و سندرم شوگرن گزارش شده است(22، 21). هدف از این پژوهش، مشخص کردن miRNA هایی به روش بیوانفورماتیک است که بتوانند بیشترین اثرگذاری را در مسیر تمایز بهTh17 و نیز مهار ترشح سایتوکاینهای التهابی توسط آنها داشته باشند تا بدینوسیله علایم و شدت بیماری را کاهش دهند.
مواد و روشها این مطالعه از نوع تئوریکال بیوانفورماتیک بود و به صورت نظری با تکیه بر پایگاه داده miRWalk صورت پذیرفت. روش انجام کار به سه بخش جمعآوری اولیه دادهها از مقالات، بررسی دادههای به دست آمده در پایگاه miRWalk و نهایتاً بررسی یافتهها و نتیجهگیری بود که به تفصیل ارایه شده است.
جمعآوری داده: در ابتدا بر اساس مطالعههای قبلی انجام شده، تنظیم کنندههای مثبت و منفی که نقش آنها در مسیر تمایز سلولهـای Th17 مشخص شده بود، جمعآوری شدند(جدول1). برخی از این ژنها مثل RORC ، STAT3، IL-17 ، mToR و Smad6/7 منجر به تمایز به سلولهای Th17 میشوند و جزو دسته تنظیمکنندههای مثبت قرار گرفتهاند و ژنهایی مثل IFN-γ ، 4/3 Smad ، GATA3 و T-bet که مسیرهای تمایز به سایر انواع سلولهای T مثل Th1 ،Th2 یا Treg را راهاندازی میکنند، جزو تنظیمکنندههای منفی این مسیر قرار گرفتهاند(24، 23). هم چنین از طریق مطالعههایی که به بررسی تغییرات بیان miRNA ها در بیماریهای خود ایمن مختلف که نقش Th17 در آنها به اثبات رسیده است مثل: آرترید روماتوئید، لوپوس، مولتیپل اسکلروزیس و دیابت خود ایمن... پرداخته بود، miRNAهای مختلفی به عنوان نامزدهای اولیه انتخاب شدند که احتمال میرود در مسیر تمایز به Th17 دخالت داشته باشند.
بررسی میانکنش بین mRNA-miRNA از طریق پایگاه داده miRWalk :: پایگاه بیوانفورماتیکی miRWalk ، یکی از پایگاههای پیشبینی میانکنش miRNA-mRNA است که این امکان را فراهم آورده است(25). در حقیقت پایگاه miRWalk علاوه بر این که خود پیشبینی میانکنش miRNA-mRNA را با الگوریتم خود انجام میدهد، با مقایسه همزمان نتایج پیشبینی 9 پایگاه بیوانفورماتیک مهم و مختلف دیگر با الگوریتمهای متفاوت، امکان انجام پیشبینی میانکنش miRNA-mRNA را به صورت دقیقتر و مطمئنتری فراهم میآورد. در پایگاه miRWalk در صورتی که هر یک از 10 پایگاه بیوانفورماتیکی، احتمال مهار یک mRNA خاص توسط یک miRNA خاص را پیشبینی کنند، در مقابل آن، عدد 1 و در غیر این صورت عدد صفر داده میشود؛ در نهایت با جمع این اعداد، عدد نهایی از 10 به میانکنش آن miRNA و mRNA داده میشود که در حقیقت نشاندهنده تعداد پایگاههایی است که امکان انجام آن میانکنش را پیشبینی کردهاند و میتواند معیار مناسبی برای پیشبینی تاثیر مهاری، miRNA بر روی mRNA مربوطه باشد.
جدول 1: مهمترین تنظیمکنندههای مثبت و منفی در مسیر تمایز به Th17 . این تنظیمکنندهها در مسیرهای مختلف سلولی منجر به تمایز به سلولهای Th17 و یا جلوگیری از تمایز به این سلولها میشوند(24، 23).
Positive regulators
Negative regulators
IL17A
IFN-gamma
IL17F
IL4
IL23
IL12
IL23R
IL12R
IL6R
STAT5a
IL6
STAT5b
IL21
FOXP3
IL22
PPARg
IL21R
T-bet
IL1R
GATA3
RORC
STAT1
STAT3
STAT4
RORa
STAT6
Hif1α
SMAD3
SMAD6
SMAD4
SMAD7
SMAD2
mTOR
FOXO1
10 پایگاهها بیوانفورماتیک که در پایگاه miRWalk ، پیشبینی میانکش miRNA-mRNA را انجام میدهند عبارتند از: 1) DIANA-mT 2) miRanda 3) miRDB 4) miRwalk 5) RNAhybrid 6) PICTAR4 7) PICTAR58) PITA 9) RNA22 و 10) TargetScan، که هرکدام از این پایگاهها خود نیز به صورت جداگانه می توانند میانکنش mRNA-miRNA را بررسی کنند. با بررسیهای انجام شده بر روی ژنهایی(mRNAs) که تنظیمکنندههای مثبت و منفی تمایز زیر رده سلولی Th17 هستند و میانکنش آنها با miRNA های انتخاب شده، انتخاب این miRNA ها بر اساس مطالعههایی صورت پذیرفت که تاکنون در مقالات معتبر جهانی به چاپ رسیده است و مرتبط با سلولهای Th17 در بیماریهای خود ایمن مختلف میباشند. این بیماریها عبارتند از: آرترید روماتوئید، لوپوس، مالتیپل اسکلروزیس، سندرم شوگرن. در 10 الگوریتم مختلف پایگاههای مختلف بیوانفورماتیک که در پایگاه miRWalk وجود دارد ، عـددی از صفـر تـا 10 بـرای هر میانکنش به دست آمد که میزان قدرت و احتمال میانکنش mRNA-miRNA های مختلف را به ما نشان میداد.
یافتهها شناسایی سه میکرو RNA اثرگذار در بیماری مالتیپل اسکلروزیس: یافتههای به دست آمده از پایگاه داده miRWalk نشان داد که miR-93 ، miR-20a و miR-20b میتوانند با مهار تنظیمکنندههای مثبت در مسیر تمایز سلولهای naïve CD4+ به Th17 ، در این مسیر اختلال ایجاد کنند و مانع افزایش تعداد این سلولها و در نتیجه باعث کاهش التهاب شوند. نکته جالب توجه در مورد این miRNA ها این است که هر 3 جزو یک خانواده پیشساز میکرو RNA ها به نام خانواده پیشساز mir-17 هستند. خانواده پیشساز mir-17 شامل miR-20a/b،miR-93 و miR-106a/b میباشد. نکته دیگر این است که miR-93 به همراه miR-106b و miR-25 از یک خوشه ژنی(cluster) هستند، هم چنین miR-20a جزو خوشه has-mir-17-92 میباشد که اهمیت آن در خود ایمنی و بیماریهای خود ایمن به اثبات رسیده است(27، 26).
مطالعه مکانیسم تاثیرگذاری miR-93 ، miR-20a و miR-20b : بررسیهای بیوانفورماتیک حاضر نشان داد که miR-20a/b و miR-93 اثر خود را از طریق مهار تنظیمکنندههای مثبت تمایز به Th17 انجام میدهند و در نتیجه مسیر تمایز به Th17 را مهار میکنند. مهمترین تنظیم کنندههای مثبتی که هدف این miRNA ها هستند شامل STAT3 ، HIF1α ، SMAD6 ، SMAD7 و RORC میباشند که از این میان RORC و STAT3 جزو فاکتورهای رونویسی اصلی در مسیر تمایز به Th17 میباشند(7). این میکروRNA ها هم چنین میتوانند روی mRNA ژنهای دیگری مثل IL-1R ، IL-23R و RUNX1 که از دیگر تنظیمکنندههای مثبت تمایز سلولهای CD4+ بکر به Th17 میباشند نیز اثر بگذارند. علاوه بر این، miR-20a و miR-20b میتوانند با قدرت میانکنش بسیار کمتر بر روی برخی از تنظیمکنندههای منفی تمایز به Th17 مثل SMAD2/4 ، T-bet و FOXO1 نیز اثر بگذارند که این داده با توجه به این که هر میکرو RNA میتواند اهداف مختلفی داشته باشد، دور از انتظار نمیباشد؛ اما با توجه به قدرت میانکنش پایین از آن چشم پوشی میشود(جدول 2).
جدول 2: قدرت و احتمال میانکنش میان میکرو mRNA-RNA بر اساس پایگاه داده miRWalk (اعداد میتوانند بین 0 تا 10 باشند)
ژنها میکرو RNA
STAT3
RORC
HIF1α
SMAD6
SMAD7
Has-mir-93
8
6
7
7
8
Has-mir-20a
7
6
9
7
8
Has-mir-20b
7
6
8
7
8
بحث مطالعهها نشان میدهد که پیشبینیهای بیوانفورماتیک در این مطالعه با تحقیقاتی که تاکنون انجام شده نیز مطابقت دارد. کوکس و همکاران در سال 2010 نشان دادند که بیان miR-20a ، miR-20b و miR-93 در خون محیطی تمام بیماران مبتلا به مالتیپل اسکلروزیس، کاهش مییابد و میتواند باعث مهار ژنهای دخیل در فعال شدن سلولهای T شوند(2). هم چنین اشتانیر و همکاران در سال 2011 نشان دادهاند که بیان miR-20a و miR-93 در تکثیر سلولهای T، اثر مثبت دارند(28). علاوه بر این به علت کارکرد چندسویه میکرو RNAها در سلول و نیز پلاستیسیته (Plasticity) بالای سلولهای T، افزایش یا کاهش این miRNA ها در سلولهای naïve CD4+ میتواند باعث تبدیل آنها به سایر سلولهای T مثل سلولهای Treg (سلول T تنظیمی) شود، که خود در کاهش علایم بیماری و متعادل ساختن سیستم دفاعی بدن نقش دارند. هم چنین به علت قرار داشتن این miRNA ها در خوشههای ژنی مهمی مثل miR-17-92 ، اعضای دیگر این خوشهها نیز خود میتوانند کاندیداهایی اثرگذار در این مسیر باشند که نیازمند تحقیق و بررسی بیشتر هستند. ژنهای هدف این miRNA ها که توسط پایگاه miRWalk مشخص شدهاند نیز ژنهای اساسی در مسیر تمایز به زیر رده Th17 هستند. ایوانو و همکاران در سال 2006 نشان دادند که RORγt ، فاکتور رونویسی اصلی است که تمایز به این رده را تنظیم میکند(فاکتور رونویسی RORγt ، ایزوفرم حاصل از ویرایش(Splicing) محصول ژن Rorc میباشد). RORγt منجر به القای ژنهای کدکننده IL-17 در سلولهای naïve CD4+ میشود و نیز برای بیان آن در پاسخ به سایتوکاینهای القاکننده تمایز به Th17 (IL-6 و TGF-β ) ضروری است(7). مشخص شده است که STAT3 با اتصال به پروموتر بسیاری از ژنهای مؤثر در تمایز زیر رده سلولی Th17 ، فاکتور رونویسی بسیار مهمی در این مسیر است. فعال شدن مسیر STAT3 برای فعالیت RORγt که خود یکی از ژنهای هدف STAT3 میباشد، ضروری است تا سپس با بازآرایی در لوکوس IL17a/IL17f منجر به بیان بالای IL-17 شود(29). پروتئینهای Smad6,7 و Hif1α نیز به ترتیب در مسیرهای TGF-β و mTOR نقش دارند که هر دوی این مسیرها در
تمایز به Th17 مؤثرند(31، 30). نتایج این مطالعه نشان میدهد که miRNA های پیشنهادی میتوانند با هدف قرار دادن ژنهای دخیل در مسیر تمایز به سلولهای Th17، این مسیر را دچار اختلال کنند. مطالعهها نشان داده است که در بیماران MS ، میزان این miRNA ها کاهش یافته است که این به معنای افزایش جمعیت سلولهای Th17 میباشد. بنابراین القای بیان این miRNA ها در سلولهایnaïve CD4+ میتواند از تمایز آنها به Th17 جلوگیری کرده و منجر به کاهش شدت بیماری شود. همچنین miRNA های مورد مطالعه در این تحقیق میتوانند به عنوان بیومارکرهایی برای شناسایی بیماری MS در مراحل اولیه بیماری و قبل از بروز علایم بالینی در فرد مورد استفاده قرار گیرد، بدین صورت که کاهش معنادار این miRNA ها در خون، میتواند بیومارکری برای تشخیص شدت بیماری و یا فعالیت سلولهای Th17 باشد.
نتیجهگیری با توجه به این نتایج میتوان گفت که miR-93،miR-20a و miR-20b با مهار فاکتورهای رونویسی مثل RORC و STAT3 و... از تمایز به Th17 جلوگیری میکند و میتوان از آنها به عنوان پتانسیلهای دارویی و درمانی و نیز بیومارکرهای شناسایی بیماری MS استفاده کرد.
Naghavian R, Honardoost M, Hosseini A, Ghaedi K, Etemadifar M, Nasr Esfahani M et al . The possibility of miR-20a/b & miR-93 role in differentiation of naïve CD4+ to Th17 cells in multiple sclerosis. Sci J Iran Blood Transfus Organ 2015; 12 (1) :39-45 URL: http://bloodjournal.ir/article-1-845-fa.html
نقویان رضا، هنردوست محمد امین، حسینی عارف، قائدی کامران، اعتمادیفر مسعود، نصر اصفهانی محمد حسین و همکاران.. احتمال اثرگذاری miR-93 miR-20a, و miR-20b در تمایز سلولهای naïve CD4+ به سلولهای Th17 در بیماری مالتیپل اسکلروزیس. فصلنامه پژوهشی خون. 1394; 12 (1) :39-45