«Золотники» биологии и медицины,. или Почему ученым так интересны малые РНК?

В 90-е годы прошлого столетия молекулярным биологам довелось столкнуться с рядом необъяснимых фактов. Вводя в геном петуньи, любимой садоводами всего мира, дополнительные гены, которые должны были изменить цвет, ученые вдруг увидели, что лепестки вовсе утратили цвет. А в организме нематоды C. elegans введение дополнительных элементов с целью усиления признаков определенного гена вызывало эффект его отсутствия.

Объяснение нашлось довольно быстро. В клетках изучаемых организмов было обнаружено большое количество так называемых малых РНК, причем по структуре они являлись копиями отдельных участков ДНК тех генов, которые вводились в эксперименте. Но почему-то, вместо того чтобы работать, как обычная матричная РНК, то есть переносить информацию о синтезе белка и таким образом способствовать усилению выраженности гена, новые короткие РНК проделывали противоположную работу. На фоне привычных нам РНК – информационной и рибосомальной – короткие РНК, содержащие до 30 нуклеотидов, выглядят просто какими-то обломками, клеточным мусором. Однако выявленный эффект подавления экспрессии (синтеза) генов вызвал всплеск научного интереса к этому виду РНК, и с 2001 года журнал «Science» объявил их исследование весьма важным.Эффект «гашения» экспрессии определенных генов малыми РНК называют РНК-интерференцией, и за его открытие присуждена Нобелевская премия 2006 года.Механизм РНК-интерференции выглядит следующим образом: двунитевая РНК сначала разрезается на короткие РНК с участием фермента РНК нуклеазы, называемой Dicer. Затем с молекулой короткой РНК связывается ряд ферментов, включая хеликазу и нуклеазу, формируя комплекс RISC (буквально «индуцированный РНК заглушающий комплекс»). Хеликаза расплетает нити малых РНК, в результате чего они расходятся. Одна из этих нитей, находящаяся в комплексе с нуклеазой, затем связывается с комплементарным (строго соответствующим ей) участком однонитевой мРНК, позволяя нуклеазе разрезать ее. Разрезанные же участки мРНК подвергаются действию других клеточных РНКаз, которые доразрезают их на более мелкие куски. Молекулы коротких РНК, задействованные в этом процессе, называют короткими интерферирующими РНК (киРНК). Они состоят из 21-28 нуклеотидов (у млекопитающих 21-23) и являются двунитевыми. Их структура выглядит следующим образом: нуклеотиды с противоположных нитей малых РНК спарены друг с другом по тем же законам комплементарности, по которым формируются двунитевые цепи ДНК в хромосомах. Кроме того, на концах каждой цепочки такой РНК имеются два неспаренных нуклеотида. Такие молекулы очень неустойчивы и потому недолговечны. Их роль в клетке сводится к защите от вирусов и других чужеродных РНК и поддержанию стабильности генома. В современной экспериментальной биологии значение РНК-интерференции и коротких РНК трудно переоценить. Технология «выключения» отдельных генов in vitro и in vivo – стандарт при изучении механизма действия любого гена. Существуют библиотеки киРНК для систематического «выключения» всех или исследуемых групп генов по очереди при изучении их роли в каком-либо процессе.На сегодня известно три вида малых РНК. Эволюционно самыми ранними являются короткие интерферирующие РНК. Они обнаружены у растений, одноклеточных и беспозвоночных организмов. КиРНК выключают синтез белков путем разрушения их матричной РНК. Возможность применения киРНК и других малых РНК чрезвычайно необходима фармакологии, поскольку способность направленно регулировать работу отдельных генов сулит неслыханные перспективы в лечении массы заболеваний. Небольшой размер и высокая специфичность действия обещают высокую эффективность и низкую токсичность лекарств на основе киРНК; однако решить проблему доставки этих молекул к больным клеткам в организме пока не удается – виной тому короткий период жизни таких молекул, существующие внутриклеточные механизмы их уничтожения и необходимость направленной доставки молекул киРНК внутрь лишь больных клеток. Тем не менее это направление стремительно развивается, и уже порядка 20-30 олигонуклеотидных молекул проходят клинические испытания. 8 соединений – молекулы киРНК.Впоследствии на основе эволюционно достаточно древнего механизма РНК-интерференции у более развитых организмов появились две специализированные системы управления работой генов, использующие каждая свою группу малых РНК – микроРНК и пиРНК. Обе системы появились у губок и кишечнополостных и эволюционировали вместе с ними, вытеснив киРНК и механизм «простой» РНК-интерференции. МикроРНК регулируют экспрессию генов после их транскрипции. Это может происходить за счет репрессии трансляции мРНК, расщепления мРНК и ускорения их распада. То есть каждая микроРНК кодирует участок, комплементарный особому участку той мРНК, которая при каких-то обстоятельствах подлежит инактивации. Таким образом, большинство мРНК имеют «черные метки», указывающие на возможность собственной деградации, а комплементарные микроРНК в нужный момент узнают «черные метки» и нацеливают на приговоренные к ликвидации мРНК предназначенные для этого белки. Мишенями микроРНК являются гены трети генома. На сегодня мнение о том, что микроРНК присутствуют только в многоклеточных организмах, устарело. Эта группа РНК обнаружена у одноклеточной зеленой водоросли хламидомонады А, значит, микроРНК существуют уже миллиарды лет и древнее, чем мы думаем. Они активно участвуют в процессах индивидуального развития организма, включая временной контроль, метаболизм, смерть, дифференцировку клеток и клеточный цикл, эмбриональную закладку органов. Проведенные исследования позволяют предполагать участие микроРНК в координации программы экспрессии генов, определяющих опухолевые метастазы. Поэтому неудивительно, что дефекты экспрессии микроРНК приводят к возникновению рака. Согласно базам данных микроРНК, общее количество известных микроРНК возросло с 218 в 2002 году до 5071 в 2007 году. Описано более 400 видов человеческих микроРНК, и считается, что они могут служить биомаркерами в диагностике заболеваний. До недавнего времени считалось, что микроРНК только подавляют – полностью или частично – работу генов. Однако недавно выяснилось, что действие микроРНК может кардинально отличаться в зависимости от состояния клетки! В активно делящейся клетке микроРНК, связавшись с комплементарной последовательностью мРНК, ингибирует синтез белка. Однако в состоянии покоя или стресса (например, при росте на бедной среде) то же самое событие приводит к прямо противоположному эффекту – усилению синтеза целевого белка.Однако самой поздней и узкоспециализированной системой на основе того же принципа РНК-интерференции являются пиРНК. Они закодированы в центромерных и теломерных областях хромосом. Необходимость их существования диктуется нестабильностью сложно организованного генома. Эта нестабильность создается мобильными генетическими элементами (МГЭ), активация которых может приводить к множественным повреждениям хромосом с летальными последствиями. ПиРНК как раз и занимаются сдерживанием их активности. Главная функция пиРНК – подавление активности МГЭ на транскрипционном и трансляционном уровнях. Считается, что пиРНК активны только во время эмбриогенеза, когда непредсказуемые «перетасовки» генетической информации особенно опасны и могут привести к гибели зародыша. Это логично – когда иммунная система еще не заработала, клетки эмбриона нуждаются в какой-нибудь простой, но действенной защите. От внешних патогенов эмбрион надежно защищен плацентой. Но кроме этого необходима оборона и от эндогенных (внутренних) вирусов, в первую очередь МГЭ. ПиРНК (так же как и микроРНК) закодированы в обеих цепях геномной ДНК; они весьма изменчивы и разнообразны (до 500000 видов в одном организме). В отличие от киРНК и микроРНК они образуются одной цепью с характерной особенностью – урацилом на конце. Есть и другие отличия: гены пиРНК активны только в зародышевых клетках и окружающих их эндотелиальных клетках.Для простоты восприятия свойства малых РНК можно свести в таблицу (см. табл.).Видимо, еще несколько десятков лет интерес к этим небольшим молекулам не ослабеет, поскольку их роль в решении фундаментальных и прикладных проблем биологии и медицины очевидна.Ссылки по теме- англоязычного сайта Нобелевского комитета http://nobelprize. org/nobel_prizes/medicine/laureates/2006- англоязычного сайта журнала Nature, посвященного малым РНК http://www.nature.com/nature/focus/rnai- образовательного портала американского издательского дома NOVA Science http://www.pbs.org/wgbh/nova/body/rnai.html (англоязычный сайт).СоветМатериал может быть использован в качестве дополнительного при изучении химии («Азотсодержащие органические соединения», 10-й класс), биологии («Органические вещества клетки. Нуклеиновые кислоты» и «Биосинтез белка», 10-й класс; «Клетка», 11-й класс) и естествознания («Уровни организации живой природы. Клеточный уровень», 9-й класс), а также для разработки междисциплинарного занятия по вышеуказанным дисциплинам.​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук