Therapeutisches Potenzial von nichtcodierenden RNAs bei Diabetes

Unsere Zellen produzieren Tausende von RNAs, die nicht für Proteine kodieren. Die Erforschung der Rolle dieser Moleküle hat zu einem besseren Verständnis der Mechanismen geführt, die bei zahlreichen Erkrankungen eine Rolle spielen, so auch bei Diabetes mellitus. Die Entwicklung von Ansätzen, die es ermöglichen, die Aktivität von nichtcodierenden RNAs zu modulieren und sie im Blut und in anderen Körperflüssigkeiten nachzuweisen, könnten schon in naher Zukunft neue therapeutische Optionen für Diabetespatienten eröffnen.

Das menschliche Genom besteht aus etwa 3 Milliarden Basenpaaren, doch codieren weniger als 2% dieser Sequenzen für Proteine. Heute wissen wir, dass die nichtcodierenden Abschnitte des Genoms Zehntausende von RNAs hervorbringen, die eine wesentliche Rolle bei der Regulation der Zellfunktionen spielen. Nichtcodierende RNAs («non-coding RNAs», ncRNAs) weisen sehr unterschiedliche Längen und Wirkungsweisen auf.^1,2 Am bekanntesten und am besten erforscht sind MikroRNAs: Sie bestehen aus 21 bis 23 Nukleotiden, hemmen die Translation zahlreicher mRNA-Zielmoleküle und regulieren so die Expression eines Grossteils der Zellproteine. Dank der Entwicklung neuer Sequenzierungstechniken konnten weitere Klassen von ncRNAs identifiziert werden, wie beispielsweise piRNAs, lange ncRNAs und zirkuläre RNAs.¹ Bestimmte ncRNAs entstehen auch durch Spaltung anderer RNAs, wie beispielsweise tsRNAs, die aus der Fragmentierung von Transfer-RNAs hervorgehen, oder siRNAs, die aus intronischen Sequenzen von Messenger-RNAs stammen.²

Die Bedeutung von ncRNAs in der Pathogenese von Diabetes

In mehreren Studien wurden sowohl im Tiermodell als auch beim Menschen Konzentrationsschwankungen von ncRNAs nachgewiesen, die mit der Ausbildung eines Diabetes in Verbindung stehen.^3–5 Dabei wurden Veränderungen des Expressionsprofils von MikroRNAs, aber auch von anderen Klassen von ncRNAs (lange ncRNAs, zirkuläre RNAs, tsRNAs) beobachtet.^6–8 Diese Veränderungen treten in den frühen Stadien von Typ-1-Diabetes auf und sind auch mit Typ-2-Diabetes assoziiert. Sie betreffen nicht nur die Betazellen der Bauchspeicheldrüse, sondern auch die Zielzellen des Insulins, wie Leber-, Muskel- und Fettzellen. Diese Veränderungen sind teilweise auf eine längere Exposition gegenüber proinflammatorischen Zytokinen oder hohen Konzentrationen von gesättigten Fettsäuren und Glukose zurückzuführen (Abb.1). Weitere Veränderungen können auch durch den Transfer von ncRNA zwischen den Zellen bedingt sein. So setzen die meisten Zellen extrazelluläre Vesikel frei, die ncRNAs enthalten, insbesondere MikroRNAs und tsRNAs, die in der Lage sind, mit Zielzellen zu fusionieren und ihren Inhalt auf sie zu übertragen.² Die Zusammensetzung dieser Vesikel variiert je nach Zelltyp und pathophysiologischen Gegebenheiten. Beispielsweise tauschen Leberzellen, Fettzellen, Muskelzellen und Pankreasinseln ncRNAs aus, um ihre Aktivität zu koordinieren und den Stoffwechsel des Körpers zu regulieren.⁹ Dieser Austausch kann unter pathologischen Bedingungen gestört sein und zur Insulinresistenz beitragen. In den Anfangsphasen des Typ-1-Diabetes findet zudem ein Transfer von ncRNAs zwischen den in die Langerhans-Inseln eindringenden Immunzellen und den Betazellen statt, was zur Funktionsstörung und zum Absterben der Insulin sezernierenden Zellen beiträgt.^10,11

Abb.1: Mechanismen, die die Konzentration nichtcodierender RNAs (ncRNAs) regulieren. Die an der Stoffwechselregulation beteiligten Zellen enthalten mehrere Tausend von ncRNAs. Ihre Expression kann durch eine längere Exposition gegenüber proinflammatorischen Zytokinen oder hohen Konzentrationen von gesättigten Fettsäuren und Glukose verändert werden. Die Konzentration dieser RNAs kann auch durch den Transfer von ncRNAs über extrazelluläre Vesikel aus anderen Stoffwechselgeweben oder Immunzellen beeinflusst werden

Angesichts ihrer zentralen Rolle bei der Zellregulation können Veränderungen des Expressionsprofils von ncRNAs zu Funktionsstörungen oder sogar zum Zelltod führen. So kann ein Anstieg bestimmter MikroRNAs die Insulinsekretion in den Betazellen beeinträchtigen oder eine Insulinresistenz in der Leber und im Fettgewebe hervorrufen. Therapeutische Strategien zur Korrektur dieser Anomalien könnten dazu beitragen, Diabetes vorzubeugen oder sogar zu behandeln. Studien an Mäusen haben gezeigt, dass die Hemmung bestimmter, bei Typ-2-Diabetes in den Betazellen überexprimierter MikroRNAs die Entwicklung der Krankheit verhindern kann.¹² Bei diesen Arbeiten handelt es sich zwar um einen «proof of concept», doch lassen sich die Ergebnisse nicht direkt auf den Menschen übertragen, weshalb alternative Ansätze entwickelt werden müssen.

Therapeutische Strategien zur Modulation der Aktivität von ncRNAs

Zur gezielten Modulation der Konzentration von ncRNAs kommen im Wesentlichen zwei Ansätze in Betracht: die Einführung synthetischer Oligonukleotide, die diese RNAs spezifisch nachahmen oder blockieren, oder der Einsatz viraler Vektoren, die die Wirkung von ncRNAs hervorrufen oder hemmen können (Abb.2). Jeder dieser Ansätze hat Vor- und Nachteile.

Abb.2: Ansätze zur gezielten Modulation der Konzentration oder Aktivität von nichtcodierenden RNAs (ncRNAs) in Zielzellen. A) Synthetische Oligonukleotide, die die Sequenzen von ncRNAs nachahmen oder deren Wirkung blockieren können, werden an Moleküle gekoppelt, die einen gezielten Transport in die Zielzellen ermöglichen. Bei diesen Zielmolekülen kann es sich um Peptide oder Aptamere handeln (RNA- oder DNA-Sequenzen, die eine dreidimensionale Struktur annehmen und so eine spezifische Bindung an einen Liganden ermöglichen). Synthetische Oligonukleotide können auch in Lipid-Nanopartikeln verkapselt werden, die so konzipiert sind, dass sie bestimmte Zelltypen ansteuern. B) Ein alternativer Ansatz besteht in der Nutzung von viralen Vektoren, die die Expression von ncRNA-Vorläufern oder inhibitorischer Transkripte ermöglichen, welche in der Lage sind, diese zu binden und zu sequestrieren. Die Expression dieser Transkripte wird durch spezifische Promotoren gesteuert, die ausschliesslich in den Zielzellen aktiv sind

Mit synthetischen Oligonukleotiden lässt sich die Konzentration von MikroRNAs und tsRNAs bereits wirksam und spezifisch erhöhen oder senken. Die Stabilität und die Affinität dieser Moleküle werden durch die Einbindung modifizierter Nukleotide verbessert. Die Wirksamkeit dieser Oligonukleotide wurde in zahlreichen Studien an Nagetieren sowohl in vitro als auch in vivo nachgewiesen. Das grösste Hindernis für ihren klinischen Einsatz ist jedoch die mangelnde Gewebespezifität, da diese Moleküle in alle Zellen eindringen. Angesichts der Beteiligung von ncRNAs an zahlreichen physiologischen und pathologischen Prozessen ist der Einsatz dieser Moleküle beim Menschen derzeit nicht denkbar. Gegenwärtig werden Strategien erforscht, mit denen diese Oligonukleotide gezielt in die Zielzellen eingeschleust werden können (Abb.2). Zu diesen Ansätzen gehören die Kopplung von Oligonukleotiden an spezifische Liganden (Peptide oder Aptamere), die in der Lage sind, Moleküle an der Zelloberfläche anzusteuern,¹³ oder die Verkapselung in Lipid-Nanopartikeln, die so konzipiert sind, dass sie bestimmte Organe ansteuern.¹⁴

Ein alternativer Ansatz besteht in der Nutzung von modifizierten, nicht pathogenen Viren, um die ncRNAs in die Zielzellen einzuschleusen (Abb.2). In diesem Fall wird die RNA-Produktion durch den viralen Vektor über einen spezifischen Promotor gesteuert, der ausschliesslich in der Zielzelle aktiv ist. So ermöglicht beispielsweise der Insulin-Genpromotor die gezielte Ansteuerung der Betazellen, während der Albumin-Genpromotor auf die Leberzellen abzielt. Mit dieser Strategie lässt sich auch die Aktivität einer ncRNA blockieren (Abb.2). In diesem Fall ist der virale Vektor so konzipiert, dass er ein Transkript exprimiert, das in der Lage ist, die ncRNA zu sequestrieren und sie daran zu hindern, mit diesen natürlichen Zielmolekülen zu interagieren. In einem Mausmodell zur spontanen Krankheitsentwicklung konnte durch die Blockade von MikroRNAs, die in den frühen Stadien eines Typ-1-Diabetes von Immunzellen auf Betazellen übertragen werden, das Auftreten von Diabetes verhindert werden.¹¹

Zirkulierende ncRNAs als Biomarker

Ein Teil der von den Zellen produzierten ncRNAs wird in extrazelluläre Vesikel freigesetzt und kann in verschiedenen Körperflüssigkeiten nachgewiesen werden. Da ihre Freisetzung vom physiologischen Zustand beeinflusst wird, liefert ihre Messung im Blut oder Urin wertvolle Informationen über das Auftreten und den Verlauf von Krankheiten.¹⁵ Im Rahmen einer aktuellen Studie wurde ein Algorithmus entwickelt, mit dem sich Diabetespatienten identifizieren lassen und der es ermöglicht, anhand des Profils zirkulierender MikroRNAs deren Ansprechen auf bestimmte Behandlungen vorherzusagen.¹⁶ Die Analyse dieser ncRNAs könnte somit zu einem wichtigen Instrument für Therapieentscheidungen werden.

Fazit und Ausblick

Die Entdeckung der nichtcodierenden RNAs hat unser Verständnis der Mechanismen, die der Entstehung zahlreicher Krankheiten zugrunde liegen – so auch des Diabetes mellitus –, grundlegend verändert. Die Entwicklung von Strategien, um Veränderungen ihrer Expression oder Aktivität zu korrigieren, eröffnet vielversprechende Perspektiven für neue Therapien. Darüber hinaus ermöglicht die Analyse zirkulierender ncRNAs ein besseres Verständnis der interzellulären Kommunikation und könnte den Weg für eine stärker personalisierte Medizin ebnen. Sollten sich diese Fortschritte bestätigen, könnten ncRNAs in naher Zukunft zu unverzichtbaren Instrumenten für eine bessere Versorgung von Diabetespatienten werden.