Смена парадигм в генетике

Научная истина торжествует по мере того, как вымирают ее противники. Макс Планк

Доказав около столетия назад существование атома, ученые были уверены, что он состоит из двух частиц: электрона (отрицательно заряженной частицы), который открыл в 1897 г. Джозеф Джон Томсон и за что получил Нобелевскую премию по физике в 1906 г., и протона (положительно заряженной частицы), который в 1919 г. открыл Эрнест Резерфорд (Нобелевская премия по химии в 1910 г.). Теория о строении атома лишь из этих двух элементарных частиц, однако, не объясняла, например, природы неизвестного излучения, получаемого в результате опытов Ирен и Фредерика Жолио-Кюри по облучению парафина полонием-210. В 1932 г. Джеймс Чедвик1, проведя серию экспериментов, обнаружил в атоме третью частицу — нейтрон, имеющую нейтральный электрический заряд, — и тем самым расставил все по своим местам.

Не будет преувеличением отметить, что биология в настоящее время переживает схожий стремительный период своего развития, свой «нейтронный момент». Подобно тому, как упомянутое открытие стало предтечей использования энергии атома, новый взгляд на РНК может вызвать переворот в понимании живой природы. Тем более символично, что именно за открытие РНК-интерференции в 2006 г. американцы Крэйг Мелло (Craig Mello) и Эндрю Файр (Andrew Fire) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

В течение более чем полстолетия естественную историю живых существ описывали как основанную на синтезе белков (ферментов, гормонов), кодируемых генами. РНК же отводили только добавочную, второстепенную роль.

Все, чем отличалось ХХ ст. от всех предшествующих, стало возможным с развитием физики и химии, благодаря которым человечество пришло к высоким технологиям. Именно в ХХ в. было создано все — от легковых автомобилей и самолетов до атомной бомбы, компьютеров и интернета. Вероятно, подобной отличительной особенностью ХХІ в. станет стремительное развитие биотехнологий.

Для этого существуют все предпосылки, поскольку многие требующие срочных решений проблемы — старение населения планеты, парниковый эффект, ВИЧ, ставший в течение десятилетия причиной пандемии, — имеют биологические корни. Разумеется, полностью устранить эти проблемы невозможно, но с помощью биотехнологии стало возможным действенное вмешательство.

Аналогия между открытием нейтрона в физике и новых свойств РНК в биологии неслучайна. Буквально до начала «нулевых» годов полагали, что функция этой самой РНК несколько ограничена и заключается в генной экспрессии и биосинтезе белка, а также в том, что, в отличие от ДНК, РНК не образует двойных спиралей. Однако в свете научных биологических открытий, произошедших за последние несколько лет, можно с уверенностью сказать, что роль РНК по сравнению с ДНК все это время умалялась.

КОЛИЧЕСТВО — НЕ ВСЕГДА КАЧЕСТВО

Уже в 70-е годы прошлого века выяснилось, что четкой связи между длиной ДНК и эволюционным статусом вида не существует: исследовав червя Caenorhabditis elegans, имеющего очень маленький мозг, биологи установили, что количество его генов составляет около 20 тыс. — другими словами, несколько меньше, чем у человека. Другой фаворит генетиков — плодовая мушка Drosophila, как оказалось, тоже имеет примерно такое же количество ДНК. По всей видимости, количество генов, равное примерно 20 тыс., является неким общим числом для всех живых организмов, а значит количество генов не так важно в решении вопроса о том, насколько сложен организм. И когда ученые открыли разнообразие молекул РНК, появилось предположение, что отгадка, вероятно, кроется именно в РНК и ее свойствах — ведь в конечном итоге может оказаться, что именно благодаря РНК и ее разновидностям человек отличается от шимпанзе.

Молекулярная биология подверглась самой большой встряске за последние 50 лет — оказалось, что РНК выполняет такие функции, о которых мы ранее и не подозревали

Как уже было сказано выше, почти полстолетия мы полагали, что знаем все о функциях ДНК, РНК, белков и их роли в жизни организма. Так, ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, таким образом образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК). Последовательность нуклеотидов кодирует информацию о различных типах РНК: информационных, или матричных (иРНК, или мРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессе транскрипции. Роль их в биосинтезе белков (процессе трансляции) различна. иРНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рРНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеиновых комплексов, основная функция которых — сборка белка из отдельных аминокислот на основе иРНК), тРНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков — в активный центр рибосомы, «ползущей» по иРНК.

Все вышеизложенное нам известно еще со школьной скамьи, и РНК представлялась нам скорее неким скромным «курьером» генной информации и переносчиком «строительных материалов». По всей видимости, такой взгляд на РНК вполне удовлетворял и биологов, поскольку не очень многие из них потрудились посмотреть в клетку более пристально. На поверку же оказалось, что она изобилует множеством различных видов РНК — б льшим, чем мы себе могли представить.

В результате исследований оказалось, что существуют не только известные уже ранее иРНК, тРНК и рРНК, но и достаточно многочисленный класс так называемых малых некодирующих РНК: scn-РНК, sn-РНК2 и sno-РНК3, rasi-РНК, tasi-РНК и natsi-РНК. Это только немногие из них. Например, pi-РНК, которая была обнаружена прошлым летом, ответственна за развитие половых клеток. Ни одно млекопитающее мужского пола не может размножаться без них. Другая РНК, названная XIST, способна и вовсе «выключить» всю хромосому, что характерно для особей женского пола, поскольку они, в отличие от мужчин, имеют две Х-хромосомы. Существует даже вызванная беременностью некодирующая РНК, которая носит аббревиатуру PINC.

Как видим, количество вновь открываемых РНК огромно, и в свете последних открытий наши взгляды на генетику меняются. Ранее полагали, что гены являются просто чем-то наподобие архива с информацией о том, как и из чего строить белки. Теперь же они выглядят скорее как фабрики по производству РНК. И может оказаться, что гены, участвующие в биосинтезе белка, на самом деле в меньшинстве.

Согласно данным д-ра Исидора Ригоутсоса (Isidore Rigoutsos) из исследовательского центра компании «IBM» количество различных микро-РНК (это недавно открытая разновидность РНК) у человека может достигать 37 тыс. (по сравнению с приблизительно 21 тыс. генов, кодирующих белок).

Как и все виды РНК, микро-РНК кодируются генами. Впервые они были обнаружены в 2001 г. у нематоды Caenorhabditis elegans. В настоящее время микро-РНК обнаружены у животных и растений. Несмотря на внушительное число (порядка 500) обнаруженных у животных микро-РНК, мишеней найдено не так много. Установлено, что у животных экспрессия микро-РНК происходит в два этапа. Сначала с гена микро-РНК транскрибируется протяженный первичный транскрипт, который может содержать в себе не одну копию микро-РНК. Процессинг первичного транскрипта осуществляется в ядре, а продукт процессинга (зашпиленный предшественник) экспортируется в цитоплазму. В цитоплазме фермент DICER (похожий на РНКазу III) вырезает из предшественника зрелую микро-РНК (www.mathcell.ru).

Микро-РНК (miRNA) — это класс малых РНК, которые имеют длину около 22 нуклеотидов. Эти РНК играют важную роль в регуляции трансляции и деградации мРНК. Регуляция осуществляется путем комплементарного связывания микро-РНК с частично комплементарными сайтами в нетранслируемых участках (UTRs) мРНК (мишенями).

Подобные метаморфозы в науке философы называют изменением парадигмы, и когда исследования будут окончены, это, вероятно, изменит взгляд не только на то, как каждая клетка управляет своей жизнедеятельностью, но и как жизнь становится более сложной, откуда берутся некоторые заболевания, происхождение которых мы пока что не можем объяснить. Это также открывает перед учеными широкие возможности на пути создания качественно новых лекарственных средств.

КОГДА КОЛИЧЕСТВО ПЕРЕХОДИТ В КАЧЕСТВО

Увы, не все ученые-биологи соглашаются с д-ром И. Ригоутсосом о количестве существующих микро-РНК. Однако результаты проекта, названного ENCODE (сокращение от ENCyclopedia Of DNA Elements), которые были опубликованы в журнале «Nature», дают надежду полагать, что этот ученый находится на верном пути.

Первые результаты этого проекта, организованного американским Национальным исследовательским институтом генома человека (National Human Genome Research Institute), показали, что наш генетический механизм функционирует намного сложнее, чем представляли себе ученые до сих пор. Расшифровка генома человека дала ученым лишь «кирпичик» наследственного кода, проект же ENCODE призван выяснить, как он используется и каким образом на его основе строится весь наш организм.

Пилотная часть проекта ENCODE, которую возглавил И ван Бирни (Ewan Birney) из Европейской лаборатории молекулярной биологии (European Molecular Biology Laboratory — EMBL), предполагала работу с 1% генома человека, и была составлена полная карта всех его частей. Результаты проведенных экспериментов свидетельтсвуют о том, что и кодирующие гены, и так называемая junk-ДНК («мусорная» ДНК, которая, как считалась до недавнего времени, не выполняет каких-либо известных функций, хотя согласно некоторым новым данным имеет прямое отношение к развитию интеллекта человека), и прочие элементы всего генома составляют управляющую сеть, детали которой взаимодействуют друг с другом сложнее, чем представлялось ученым ранее.

Исследователи полагали, что геном человека — это по сути примерно 20 тыс. генов (кодирующих белки) и фрагментов ДНК, необходимых для регулирования работы генов. Все вместе это составляло малую часть (3%) человеческой генетической «книги». Теперь же выясняется, что многие части тех самых 97% генома, считавшихся «мусором», тоже биологически активны.

Во всяком случае, в исследованном 1% генома «мусорные» элементы ДНК тоже проходили процесс транскрипции — переписывания информации на иРНК, молекулу, которая передает информацию рибосомам, синтезирующим белки. Что данные участки генома при этом делают для организма — ученым еще предстоит понять.

Еще один важный вывод исследования: мало того, что большинство человеческой ДНК транскрибируется в РНК, так эти транскрипции еще и накладываются друг на друга, приводя к сложному взаимодействию участков генома. Кроме того, генетики идентифицировали много предварительно неизвестных участков, кодирующих начало транскрипции, а еще — много новых регуляторных последовательностей, которые вопреки традиционным представлениям были расположены не только до, но также и после участков начала транскрипции.

Таким образом, проясняется следующая картина: существует один из простых механизмов, при котором у РНК главным образом используется транспортная и информационная функция, и сложный механизм, который используется для управления.

Как уже было указно выше, существует гипотеза о важной роли РНК в эволюции сложных организмов. По всей видимости, количество РНК стало увеличиваться в то время, когда на Земле начали развиваться высшие растения и позвоночные. Дэйв Бартель (Dave Bartel) из Технологического института штата Массачусетс изучил огромное количество микро-РНК в цветах, мхах, червях, мухах и мышах в надежде узнать, когда же именно появились различные классы микро-РНК и с какими именно генами они взаимодействуют. Этот ученый обнаружил микро-РНК, разбросанные по разным концам Hox-кластеров. Эти кластеры содержат инструкции о правильном формировании частей тела у многоклеточных в период их эмбрионального развития. Работа этих генов объясняет, как из массы одинаковых эмбриональных клеток в правильном порядке дифференцируются ткани и органы и в результате получается сложный организм. Говоря утрированно, сначала начинают работать Hox-гены, которые содержат команду о необходимости дать эмбриону голову, затем грудь, а после — команду о необходимости дать ему хвост или конечности.

Hox-гены располагаются на одной или нескольких (до четырех) хромосомах, обычно тесными группами, кластерами. Не так давно стали известны детали регуляции самих регуляторных Hox-генов. Между ними расположены все те же «мусорные» участки ДНК, которые раньше считались бессмысленными. В данном же случае оказалось, что с них считываются короткие молекулы регуляторной РНК, которые способны усилить или ослабить экспрессию самих Hox-генов, некоторые косвенно влияют на работу других транскрипционных факторов, тем самым замедляя или ускоряя формирование органа.

Рональд Пластерк (Ronald Plasterk) из Утрехтского университета (Нидерланды) выдвинул идею о том, что микро-РНК также принимает важное участие в развитии человеческого мозга. В журнале «Nature Genetics» за декабрь 2006 г. были опубликованы результаты его исследований по сравнительному анализу раскодированных геномов микро-РНК, находящихся в мозгу шимпанзе и человека. Оказалось, что лишь около 8% уникальной микро-РНК, находящейся в мозгу человека, отличают его от мозга шимпанзе. Остальные 92% были идентичны.

СЮРПРИЗАМ НЕТ КОНЦА

Следующим выдающимся событием, которое произошло после открытия существования множества видов РНК, было объяснение природы некоторых заболеваний. В первую очередь, многих разновидностей рака, некоторых генетически обусловленных заболеваний центральной нервной системы и даже инфекционных. Некоторые ученые, например, считают, что молекулы РНК помогают белку, который вызывает болезнь Крейцфельдта — Якоба, «притягивать» еще здоровые белки и тем самым способствовать распространению заболевания.

Микро-РНК может помочь объяснить механизмы, лежащие в основе рака поджелудочной железы, и предложить новые диагностические биомаркеры болезни, сообщают американские исследователи. Д-р Томас Шмиттджен (Thomas Schmittgen) из Университета штата Огайо, Колумбия, отметил, что, измеряя уровень микро-РНК, можно было отличить опухолевые образцы поджелудочной железы от здоровых тканей. Можно предположить, считает д-р Т. Шмиттджен, что информационное содержание микро-РНК более информативно для диагностики рака, чем длинные, кодирующие белок РНК. И так как уровень микро-РНК был преимущественно повышен в опухолях поджелудочной железы, диагностический тест на рак поджелудочной железы, подобный тесту PSA4 на рак предстательной железы, может быть создан в будущем.

ИДЕМ ДАЛЬШЕ

Заново открытый мир РНК является еще и источником идей о совершенно новых способах лечения существующих заболеваний. Так же, как и идей о создании абсолютно новых препаратов, основанных на технологии РНК-интерференции, или РНК- i (от англ. RNA interference).

РНК-интерференция (RNAi, RNA interference) — специфическая деградация молекул РНК с помощью образования двухцепочечных молекул РНК (дцРНК) и их избирательной деградации

Явление РНК-интерференции впервые было обнаружено все у того же червя Caenorhabditis elegans как ответ на введение дцРНК, состоящий в специфической репрессии гомологичного ей по нуклеотидной последовательности гена. Позже РНК-интерференция была отмечена почти во всех эукариотических организмах (за исключением почкующихся дрожжей S. cerevisea). Считается, что РНК-интерференция является механизмом, защищающим клетку от РНК-вирусов и мобильных генетических элементов (транспозонов5).

В теории технология использования явления РНК-интерференции предполагает способность подавлять выработку какого-то отдельно взятого белка, связанного с заболеванием, и доводить его содержание в организме до физиологически нормального уровня. Это отличает технологию РНК-интерференции, действующую избирательно, от действия микро-РНК, которая управляет многими белками одновременно.

Гипотетический препарат, созданный на основе РНК-интерференции, мог бы стать, например, абсолютным анальгетиком посредством влияния на не так давно обнаруженный ген SCN9A. Этот ген был открыт благодаря пакистанцу, уличному исполнителю различных трюков, который прокалывал части тела и ходил по раскаленным углям, но при этом не чувствовал боли. РНК-интерферентная технология также помогла одной подопытной мышке, которую постоянно перекармливали, прожить дольше: в жировые клетки этого животного были внедрены гены рецепторов, чувствительных к инсулину, что позволило сделать эти клетки менее склонными к хранению в себе лишних калорий. Эта же технология позволила сделать так, чтобы семена хлопчатника, содержащие в обычном состоянии токсин госсипол, стали съедобными. Благодаря ей же в соевых бобах был «выключен» ген, кодирующий белок, который вызывал аллергические реакции.

Не так давно Майкл Вайт (Michael White) и его коллеги из Университета Техаса использовали РНК-i для того, чтобы лечить рак легкого не оперативным путем, а путем изменения раковых клеток из индифферентных к широко применяемому противоопухолевому препарату Taxol (паклитаксел) в чувствительные к нему. Они сделали это, «выключив» в раковых клетках те гены, которые отвечали за подавление чувствительности к данному препарату.

Новые классы препаратов, основанные на РНК-технологии, уже активно разрабатываются, и недалек тот час, когда они появятся на фармацевтическом рынке.

Корпорация «Opko Corporation», базирующаяся в Майами, уже планирует заключительную фазу клинических испытаний препарата, основанного на РНК-интерферентной технологии. Разрабатываемый препарат призван остановить возрастную дегенерацию сетчатки, ведущую к старческой слепоте, путем блокирования синтеза белка VEGF во время болезни.

За последние два года огромные средства были инвестированы в два крупных проекта по РНК-интерферентным технологиям. В сентябре 2005 г. фармацевтическая компания «Novartis» пообещала одному из амбициозных молодых специалистов компании «Alnylam Pharmaceuticals» 700 млн дол. США, если он создаст действительно эффективный препарат на основе интерферентной РНК.

В апреле 2006 г. другая ведущая фармацевтическая компания, «GlaxoSmithKline», пообещала такую же сумму главному конкуренту «Alnylam Pharmaceuticals» — компании «Sirna Therapeutics». Тогда же фармацевтическая компания «Merck&Co» выкупила «Sirna Therapeutics» за 1,1 млрд дол., хотя на то время последняя уже закончила одно из клинических испытаний своего препарата.

Однако вернемся к препаратам на основе РНК-интерферентной технологии. Несмотря на успехи в эксперименте, исследователи отмечают, что существует преграда на пути обращения РНК-интерференции в широко применимую технологию по созданию лекарственных средств нового типа.

Лечение заболеваний глаза, которое производится «Opko Corporation», заключается в том, что препарат вводится очень тонкой иглой в глазное яблоко и в таком «закрытом пространстве», как и в клетке, средство на основе РНК оказывает свое магическое лечебное действие. Однако чаще всего для того, чтобы попасть к больному органу и проявить там свой терапевтический эффект, лекарственное средство прежде должно попасть в системный кровоток. А препарат на основе РНК не очень устойчив и подвергается быстрому разрушению не только ферментами крови, но и под воздействием окружающей среды.

Поэтому вероятнее всего, что такие лекарственные субстанции необходимо будет заключать в липидную оболочку, которая защищала бы их от воздействия внешних факторов. В настоящее время компании, которые занимаются РНК-интерферентыми технологиями, работают над созданием таких липофильных конъюгатов, которые бы доставляли РНК к клеткам, после чего высвобождали бы свое содержимое. Если задача с созданием подобных переносчиков будет решена, возникнет абсолютно новый класс лекарственных средств, основанный на микро-РНК.

Принцип терапии с использованием РНК-препаратов, основан на теории о том, что когда клетка прекращает синтезировать необходимую микро-РНК, белки, которыми она управляет, синтезируются в патологически больших количествах, а, следовательно, индуцируют определенные заболевания. И наоборот, когда клетка синтезирует достаточное количество микро-РНК, патогенных белков синтезируется немного. Подобная корреляция была замечена при синдроме Жиля де ля Туретта и многих формах рака. Исследователи компаний «Alnylam» и «Merck» надеются, что, доводя уровень микро-РНК в клетке до физиологически нормального путем «добавления» недостающего количества микро-РНК, можно будет одолеть болезни, против которых раньше мы были бессильны.

СВЕТ ИСТИНЫ ИЛИ БОЛОТНЫЕ ОГОНЬКИ?

Как часто нам кажется, что мы уже близки к разгадке тайн природы… Но всякий раз, когда мы, казалось бы, уже окрыли дверь и подошли вплотную, мы снова оказываемся в комнате со множеством дверей…

РНК-интерференция (RNAi, RNA interference) — специфическая деградация молекул РНК с помощью образования двухцепочечных молекул РНК (дцРНК) и их избирательной деградации

1 Английский физик, известный за открытие нейтрона, член Лондонского королевского общества (1927), лауреат Нобелевской премии по физике за 1935 г.;

2 класс малых РНК, выявленных в эукариотических клетках; среди них различают РНК-полимеразы 2-го и 3 -го типа; участвуют в таких важных процессах, как сплайсинг РНК, регулирование факторов транскрипции 7SK;

3 малые нуклеолярные РНК, которые являются подклассом sn-RNA и участвуют в РНК-биогенезе; находятся в эукариотических клетках;

4 простато-специфический антиген;

5 последовательность ДНК, способная перемещаться внутри генома.

Валерий Юдин, по материалам журнала «The Economist»;
www.nature.com; www.cbio.ru; www.mathcell.ru

Коментарі

Коментарі до цього матеріалу відсутні. Прокоментуйте першим

Добавить свой

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

*

Останні новини та статті