Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №12 за 2008 год
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
Нарезанные siRNA становятся наживкой, на которую ловятся путешествующие в клетке мРНК. С наживки снимается предохранитель — уходит одна из двух цепочек siRNA. Оставшаяся одиночная цепь заряжается в сложный белковый капкан, называемый RISC-комплексом. Матричная РНК, похожая на ту, которая разрезалась на короткие siRNA, клюет на эту приманку, оказывается в мясорубке RISC, где и разрезается на мелкие кусочки. Для синтеза белка она после этого потеряна.
Этот механизм запускается с любого этапа — например, появление в клетке уже готовых, нарезанных siRNA провоцирует сборку RISC и уничтожение матричных РНК, с участками которых совпадают siRNA. Клетки растений, как выяснилось, могут передавать siRNA друг другу по системе межклеточных каналов. Таким образом, клетки, которые ни разу не встречались с чужеродным генетическим материалом, оказываются готовы к тому, чтобы этот материал уничтожать.
Некоторое время считалось, что сложным механизмом реакции на чужую РНК обладают только растения и примитивные животные вроде C.elegans, обделенные настоящей иммунной системой. Однако вскоре шинковку Dicer и детали мясорубки RISC обнаружили у птиц, млекопитающих, животных и человека. Об актуальности этого антивирусного механизма свидетельствуют и сами вирусы, которые в ходе эволюционного противостояния «снаряда и брони» обзавелись собственными приспособлениями для борьбы с siRNA. Среди них, например, специальные белки, которые тормозят работу RISC-комплексов. Эти средства чрезвычайно распространены у растительных вирусов, но их нашли и у вирусов млекопитающих.
Открытие siRNA подарило новые надежды на лекарства от вирусных и онкологических заболеваний, а молекулярным биологам — заодно и надежды на новое финансирование. Помимо упоминавшегося препарата против ВИЧ, уже испытываются основанные на siRNA лекарства от рака поджелудочной железы и шейки матки, а также от макулярной дистрофии — одной из главных причин потери зрения в пожилом возрасте.
Бывший президент Стэнфордского университета Дональд Кеннеди, который до недавнего времени возглавлял журнал Science, считал, что перелом в генетике случился в 2007 году, когда «фокус исследований сместился с генетической последовательности к взаимной регуляции генов». Не слишком ли сильно сказано для аппарата siRNA, который, кажется, нужен только для защиты от внешнего генетического материала?
Генетический тормоз
В то самое время, когда ботаники-генетики по обе стороны океана удивлялись бледнеющим петуниям, Виктор Амброс с коллегами из Гарвардского университета изучал серьезные нарушения в развитии все тех же червячков C.elegans, вызванные мутацией в гене, обозначаемом lin-4. Для этого нужно было найти белок, за который отвечал мутантный ген. Скрупулезно проходя ДНК участок за участком, Амброс с коллегами сделали открытие, которое дало больше вопросов, чем ответов. Ген lin-4 оказался очень маленьким — всего 21 нуклеотидное основание — и вообще не кодировал никакой белок.
Намек на разгадку дала последовательность гена-коротышки. Она зеркально воспроизводила фрагмент гена, кодирующего белок LIN-14. Именно этот белок в аномально высоких концентрациях производился у мутантов с нарушениями в lin-4. Стало ясно, что правильный ген lin-4 каким-то образом блокирует избыточный синтез данного белка. Так исследователи впервые натолкнулись на доселе неизвестный механизм регуляции активности генов. Но еще несколько лет считалось, что найденный механизм — экзотика, присущая только червям.
Нематоды Caenorhabditis elegans — круглые черви длиной около миллиметра — один из широко используемых генетиками модельных организмов.
Перелом наступил только в 2000 году, когда другая команда исследователей во главе с Гэри Равканом из Массачусетского госпиталя в Бостоне нашла такой же короткий ген let-7. В отличие от lin-4 он блокировал образование не одного, а сразу пяти белков. Вскоре Равкан показал, что let-7 встречается у самых разных животных. А его близкий аналог нашелся в расшифрованном к тому времени человеческом геноме. Это уже нельзя было списать на экзотику круглых червей, поскольку эволюция сохранила их практически в неизменном состоянии у самых разных видов. Стало ясно, что открытый механизм играет важную роль для всего живого, позволяя регулировать активность генов с помощью собственных тормозящих РНК. Эти молекулы получили название микроРНК, miRNA или совсем коротко — miR.
К исследованиям малых ингибирующих РНК подключилось множество лабораторий по всему миру. Но каждая из них сообщала о своих результатах так, будто смежных областей просто не существует. Например, исследователи miRNA некоторое время упорно считали единственным назначением siRNA защиту от вирусов, которая никак не связана с развитием организма. Исследователи siRNA, в свою очередь, полагали, что miRNA — всего лишь частный случай механизма уничтожения матричных РНК. Специалисты до сих пор еще не договорились по этим вопросам, однако сегодня у miRNA и siRNA можно найти больше сходств, чем различий.
Эти два типа малых РНК очень близки по размеру (21—25 оснований). Смысл существования обоих — подавление трансляции белка с матричной РНК. И miRNA и siRNA готовятся при помощи шинковки Dicer. Но если две половинки siRNA-основания плотно держатся вместе, пока эта короткая РНК не попадет в капкан RISC, то miRNA путешествует по клетке в виде одиночных цепочек. Путь обеих малых РНК заканчивается ролью наживки в комплексе RISC. Причем в случае siRNA эта наживка обычно очень хорошо подходит к мРНК-мишени, а в случае miRNA может слегка от нее отличаться.
Раньше считалось, что взаимодействие с siRNA ведет к немедленному уничтожению матричной РНК, а взаимодействие с miRNA просто блокирует ее до тех пор, пока она не разрушится в клетке естественным путем. Сегодня все уже не так однозначно — обнаружены разрушающие и неразрушающие комплексы RISC, причем и те и другие могут взаимодействовать c обоими типами коротких ДНК.
Пожалуй, самое важное различие между siRNA и miRNA — точность совпадения их последовательности с РНК-мишенью. У siRNA оно абсолютное, и поэтому действие этой молекулы очень избирательное — как правило, она блокирует только одну последовательность матричной РНК, а значит, синтез одного белка. Напротив, miRNA не так хорошо пристает к своей мишени, но зато может связываться сразу с несколькими похожими РНК.
Есть и еще одно несходство: за открытие siRNA Мелло и Файр уже стали нобелевскими лауреатами, а обнаруживший miRNA Амброс своей премии пока так и не дождался.
Сложнее, еще сложнее
Описывать жизнь простой схемой «ДНК — РНК — белок» сейчас действительно кажется наивным. В человеческом геноме уже найдено 695 микроРНК, и скоро это число, возможно, дойдет до 1000. Между тем у человека всего около 20 000 генов, кодирующих белки. Если учесть, что каждая микроРНК влияет на работу нескольких из них, то выходит, что под контроль микроРНК попадает около трети человеческого генома. И это еще консервативные оценки. Самые смелые экстраполяции рисуют картину, в которой число микроРНК превышает число белковых генов. Все это складывается в невыразимо сложную систему регуляции, ведь малые РНК влияют не только на матричные РНК, но и друг на друга. Клетки вырабатывают их, чтобы бороться с вирусами, а вирусы противодействуют этому, внося в клетку свои антипоследовательности.
Этажи регуляции можно надстраивать друг над другом. Например, блокировать miRNA с помощью siRNA, отпуская тем самым тормоз синтеза сразу множества белков. И такие подходы уже используются в терапии. Например, блокируя miR-122, которая встречается в основном в печени, можно лечить гепатит и регулировать синтез холестерина. Опыты на животных показали, что таким способом удается снизить его уровень в крови на 40%.
Новые перспективы открываются и в деле лечения рака. Некоторые виды рака крови, например, сопровождаются повышенной выработкой ряда микроРНК. «Заблокировав» их, можно нарушить развитие раковых клеток. Другие виды рака, наоборот, сопровождаются падением уровня некоторых микроРНК, которые как раз подавляют активность онкогенов.
Одним из кандидатов на роль противоракового средства может оказаться уже ставшая «классикой жанра» микроРНК let-7. Введение ее мышам сильно замедляло развитие у них рака легких. Однако самые большие надежды связываются не с самими микроРНК, эффект от введения которых быстро проходит, а с их использованием в сочетании с другими средствами терапии. Работа одного из первооткрывателей молекулы, Френка Слака, демонстрирует, что введение let-7 делает опухоль чувствительной даже к малым дозам радиации. А другие микроРНК резко повышают эффективность химиотерапии.
