Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №12 за 2008 год
Покинув ядро клетки, РНК несет генетическую депешу к огромному молекулярному комплексу — рибосоме. Здесь происходит трансляция — перевод генетического кода в структуру белковых молекул. Рибосома, двигаясь вдоль цепочки РНК (синяя), считывает код и добавляет к растущей молекуле белка (желтая) соответствующие аминокислоты. Фото: SPL/EAST NEWS
Генетическая программа должна не только копироваться, но и выполняться. В ходе ее работы создаются белки — главные молекулярные машины и строительные блоки живой клетки. Процесс происходит в два этапа. Вначале информация с ДНК транскрибируется — переписывается на другой, очень похожий носитель — молекулу РНК. От ДНК она отличается строением одного зубчика из четырех, а также основой, на которой эти зубчики сидят — она у РНК менее прочная. Причина понятна — если ДНК нужна для продолжительного хранения информации, то РНК — временный носитель, расходный материал, одноразовые дискеты или флэшки. Такая молекула РНК, на которую записана копия гена, называется информационной, или матричной (мРНК). Эта длинная цепочка — одна половинка «застежки-молнии» — может содержать до сотни тысяч зубчиков.
Когда переписывание информации завершено, мРНК выходит из клеточного ядра и встречается с рибосомой — образуется молекулярный конвейер по производству белка. Каждые три зубчика РНК кодируют один строительный блок белка — аминокислоту. Всего же в белках встречаются 20 видов таких строительных блоков, и они выстраиваются в цепочку строго в порядке, запрограммированном в РНК. Этот процесс называется трансляцией — в компьютерном мире этим термином обозначают перевод текста программы в исполняемый машинный код. Сходя с рибосомы, цепочка аминокислот сразу сворачивается и образует устойчивую трехмерную структуру. Именно в таком виде белки выполняют свои функции в клетке. Рибосомы могут неоднократно транслировать матричную РНК, раз за разом производя новые молекулы белка. Но мРНК неустойчива и через несколько часов разрушается. Поэтому считалось, что синтез каждого белка зависит главным образом от синтеза соответствующей мРНК в ядре клетки.
Конечно, схема эта сильно упрощена. Каждый из процессов — репликация, транскрипция и трансляция — мог включать дополнительные этапы. Например, выяснилось, что скопированная с ДНК молекула РНК по пути к рибосоме подвергается дополнительному редактированию — процессингу. При этом из РНК могут вырезаться значительные фрагменты кода, причем в некоторых случаях разные, а могут избирательно заменяться отдельные буквы генетического кода. Но все это не меняло сути представлений о прямой магистральной дороге от ДНК через РНК к белку.
Первые зерна сомнений по этому поводу взошли в 1990 году в горшках с петуниями по разные стороны океана. Неожиданно результаты получили специалисты из Амстердамского свободного университета и одновременно из не существующей сейчас американской компании DNA Plant Technology, которая в конце 1990-х попала под суд за махинации с трансгенным табаком.
Цвет неожиданности
Лепестки петунии могут иметь разный цвет в зависимости от активности ферментов, синтезирующих розовый или фиолетовый пигмент. Что будет с растениями, которым ввели дополнительные копии генов, кодирующие эти ферменты? Любой молекулярный биолог 20 лет назад ответил бы: разумеется, цвет лепестков станет более интенсивным. Однако заурядная работа по селекции дала парадоксальные результаты: цветки у трансгенных растений, которые должны были бы вырабатывать больше пигмента, частично или полностью теряли свой цвет. Это примерно как досыпать сахара в чай и почувствовать, что он от этого стал менее сладким.
Вскоре голландские генетики-цветоводы выяснили, что в бледных трансгенных петуниях транскрипция с ДНК на мРНК шла как обычно. Вот только трансляции, то есть синтеза белка с этих матричных РНК не происходило. Покинув клеточное ядро, они почему-то разрушались, не дойдя до рибосом. Очевидно, что механизм разрушения запускался в ответ на появление чужеродного генетического материала. А поскольку этот материал был похож на свой собственный, то механизм, тогда еще неизвестный в деталях, не разбирался и заодно уничтожал мРНК, транскрибированные с собственных генов.
На пути от ДНК к рибосоме записанный на молекуле РНК текст генетической инструкции подвергается редактированию: заменяются отдельные слова, вырезаются лишние абзацы — интроны. Происходит это так. Поскольку матричная РНК состоит из одной цепочки, а не из двух, как ДНК, каждый из составляющих ее кирпичиков-нуклеотидов стремится найти себе пару. Если в самой молекуле РНК есть «зеркальные» участки, они могут склеиться, образовав петлю, которая вскоре отрезается. В 2000 году было открыто, что в разных случаях могут вырезаться разные фрагменты РНК. Фото: SPL/EAST NEWS
Нетрудно было догадаться, зачем растениям был нужен такой механизм борьбы с чужим генетическим материалом. У них, в отличие от животных, нет иммунной системы с антителами, макрофагами и лимфоцитами. Поэтому внутриклеточная борьба с чужими генами стала одним из немногих доступных средств антивирусной защиты. На то, чтобы доказать это, ушло несколько лет. В 1997 году было показано, что растения, у которых в геноме обнаруживаются короткие «отрывки» вирусных генов, более устойчивы к действию этих вирусов. Ставили также и обратный эксперимент: в вирус подсаживали фрагмент растительного генетического кода, и в зараженном этим вирусом растении замедлялся синтез собственного белка.
Обрадовавшись, что в генетике, которая уже стала превращаться в прикладную науку, появилось что-то новое, микробиологи стали повсюду искать аналогичные механизмы. И нашли. В 1998 году американцы Крейг Мелло и Эндрю Файр (Craig Mello, Andrew Fire) опубликовали эпохальную статью про развитие круглого червя С.elegans. Это крошечное создание длиной около миллиметра с середины 1970-х годов исправно служит модельным организмом для исследований (оно даже может привыкать к никотину и страдать от абстиненции). Мелло и Файра интересовало, как влияет на развитие клеток посторонняя РНК. C.elegans был идеальной моделью для таких экспериментов — молекулы мРНК легко проникали в клетки из раствора, в котором просто вымачивали червячков. Вводимая извне мРНК, кодирующая один из важных белков C.elegans, слабо влияла на его синтез — слишком мала была выбранная экспериментаторами концентрация. Не действовала и зеркальная копия этой мРНК, так называемая антисмысловая РНК, в которой все буквы-основания заменены дополнительными к ним. Такая антисмысловая РНК способна соединяться со своей зеркальной парой подобно тому, как сцепляются нити ДНК. Ситуация резко изменилась, когда в той же концентрации червячкам вводили смесь смысловой и антисмысловой РНК. В растворе эти молекулы прилипали друг к другу, и образовавшаяся двухцепочечная РНК, несмотря на ничтожную концентрацию (всего несколько молекул на клетку!), почти полностью подавляла синтез соответствующего белка.
Спустя восемь лет Крейг Мелло проснулся среди ночи поправить постель своей дочери и заметил, что телефон беззвучно мигает зеленой лампой — звонок был выключен. Часы показывали 4.30. «Жена сказала, что уже снимала трубку, — вспоминал потом Мелло, — и какие-то шутники разыграли ее, будто бы я получил Нобелевскую премию. Но я все-таки ответил». Это была не шутка. Объявление шведского Каролинского института в 2006 году гласило: «Нобелевские лауреаты этого года открыли фундаментальный механизм, который контролирует поток генетической информации».
Приманка для мясорубки
Проникнув в клетку, двухцепочечная РНК попадает в жернова механизма, настроенного специально на ее обработку, о существовании которого 10 лет назад никто и не подозревал. Первым делом на вторгшуюся молекулу набрасывается шинковальная машина, аккуратно разрезающая ее на кусочки длиной в 21—23 основания. Эти кусочки получили название малой ингибирующей РНК, или siRNA. Данную аббревиатуру сегодня можно часто встретить в сообщениях о новых лекарствах для борьбы с вирусными заболеваниями и раком.
Белок, который шинкует РНК, получил название Dicer, от английского слова dice — нарезать кубиками. Открыли его целенаправленно, вычислив на компьютере структуру молекулы. Видя, что попавшая в клетку длинная двухцепочечная РНК разрушается, ученые примерно представили, как должен выглядеть фермент, приводящий к такому эффекту, затем нашли участки генома, в которых он мог быть закодирован, и в конце концов синтезировали по ним белок.
Путь от ДНК к рибосоме полон опасностей. Особые RISC-комплексы охотятся прежде всего на РНК, несущие вирусный генетический код. Свою жертву RISС-комплекс определяет по коротким фрагментам РНК — микроРНК (miR), оставшимся от прежних жертв. Но этих охотников можно нацелить и на глушение активности собственных генов клетки, если специально «подбросить» им микроРНК с соответствующими фрагментами кода. Это открывает перспективу лечения различных заболеваний, в том числе генетических. Фото: SPL/EAST NEWS
