Открытые в начале 90-х годов XX века, небольшие молекулы РНК оказались одним из фундаментальных механизмов регуляции генетической активности.
(Иллюстрация: Iffany / Pixabay.com) Открыть в полном размере
Нужно сразу уточнить – имеются в виду не просто малые РНК, а отдельных их класс под названием микрорегуляторные РНК, или микроРНК. Регулируют они активность генов, но как именно? Тут нужно вспомнить, зачем она вообще нужна, эта регуляция. У каждого отдельного организма, будь то человек, мышь, муха или круглый червь, все клетки тела обладают одними и теми же генами и одними и теми же вариантами генов. То есть ДНК в мышечной клетке будет та же, что и в клетке поджелудочной железы. На самом деле, там могут быть какие-то небольшие отличия в последовательности, связанные с ошибками копирования при делении клеток. Но эти отличия действительно невелики, они не порождают какие-то новые варианты (аллели) генов, и, к примеру, инсулиновый ген в мышечной клетке будет такой же, как в железистой. При всём при том клетки разных тканей и органов друг от друга отличаются. Отличия между ними закладываются ещё во время эмбрионального развития и поддерживаются всю жизнь. Происходит так потому, что в разных клетках активны разные гены. Кроме того, условия жизни у нас меняются то туда, то сюда, и нужно как-то изменяющейся среде соответствовать. Для того, чтобы так было, нужны механизмы, которые стимулируют работу одних генов и подавляют работу других.
Когда мы говорим, что ген активен, то имеем в виду, что информация с него копируется специальными молекулярными машинами в молекулы РНК. Дальше с молекулами РНК работают уже другие молекулярные машины, синтезирующие белок – они собирают его в соответствии с последовательностями нуклеотидов, которую РНК (точнее матричные РНК) принесли от генов. Синтез РНК на ДНК называется транскрипцией, синтез белка на матричных РНК называется трансляцией. Ещё в 1960-е были обнаружены белки, которые управляют транскрипцией на тех или иных генах – эти белки назвали факторами транскрипции. Их очень много, они заведуют разными генами и группами генов, и в зависимости от их поведения ген будет либо транскрипционно активен, либо транскрипционно малоактивен, или вообще неактивен – то есть РНК на нём будет синтезироваться очень много, не очень много, мало или вообще не будет синтезироваться.
В конце 1980-х Виктор Эмброс (Victor Ambros) и Гэри Равкан (Gary Ruvkun), два нынешних лауреата, обратили внимание на некоторые странности в индивидуальном развитии круглого червя Caenorhabditis elegans. У червей с определёнными мутациями в двух генах, lin-4 и lin-14, были аномалии, связанные с тем, что некоторые группы генов не включались вовремя. Было известно, что в норме lin-4 подавляет активность lin-14. Ген lin-14 кодирует белок, и на нём синтезируется длинная матричная РНК. Если бы речь шла о транскрипционной регуляции, можно было бы ожидать, что в гене lin-4 закодирован белок, который подавляет транскрипцию на lin-14.
Однако Виктор Эмброс вместе с коллегами обнаружил, что на lin-4 синтезируется очень короткая РНК, которая никакой белковой информации не несёт. А Гэри Равкан выяснил, что lin-4 никак не влияет на количество матричной РНК, которая сходит с lin-14. То есть ген lin-4 подавляет ген lin-14 где угодно, только не на стадии транскрипции. В итоге оказалось, что это короткая РНК lin-4 связывается с длинной матричной РНК lin-14 и тем самым не даёт синтезироваться белку, который в РНК lin-14 закодирован. В 1993 году в двух статьях в Cell был описан новый механизм регуляции генетической активности с помощью микрорегуляторной РНК (микроРНК) lin-4 – механизм посттранскрипционный, потому что он имеет место после стадии транскрипции (и при этом блокирует стадию трансляции).
Механизм действия микроРНК: на гене lin-4 синтезируется микроРНК, которая связывается с матричной РНК с гена lin-14, блокируя работу белоксинтезирующего аппарата. (Иллюстрация: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén)
Широкая научная общественность поначалу восприняла новые результаты как некий казус, имеющий отношение только к круглым червям. Но к 2000 году Гэри Равкан с коллегами описал микроРНК let-7. Ген, который кодирует let-7, чрезвычайно консервативен, и его можно найти у многих, очень многих животных, в том числе и у человека. Из-за консервативности гена let-7 сама собой появлялась мысль, что у всех животных, у которых он есть, он выполняет схожие функции, то есть механизм с микроРНК работает и у человека тоже. Отношение к микроРНК изменилось. Их стали активно изучать, счёт их уже идёт на сотни, и это не предел, потому что в ДНК есть множество последовательностей, которые выглядят так, как если бы они кодировали микроРНК. Их стали обнаруживать у самых разных живых существ, и со временем стало ясно, что регуляция генов с помощью микроРНК – это фундаментальный механизм, распространённый, по меньшей мере, среди всех многоклеточных. Многое стало понятно и в том, что происходит между микроРНК и теми РНК, которые они регулируют: в одних случаях микроРНК стимулируют быстрое разрушение матричных РНК, в других случаях не дают работать с ними белоксинтезирующему аппарату.
О микроРНК мы слышим регулярно – они нужны не только для нормального развития, но и для того чтобы клетки удерживались в нормальном, здоровом состоянии. Мы писали, что микроРНК помогают соблюдать суточный ритм в сезонных изменениях, что раковые клетки используют их, чтобы настроить обмен веществ в свою пользу, что их можно использовать в биотехнологии и в разработке новых лекарств, в частности, против того же рака; и это лишь ничтожная часть из массы исследований, посвящённых микроРНК. В самом начале мы говорили, что есть и другие малые РНК с особыми функциями; за некоторые из тех других малых РНК тоже в свой время вручали Нобелевскую премию. Об особенностях и отличиях разных малых РНК друг от друга стоит сказать хотя бы кратко, но эту тему мы всё же оставим для журнальной статьи.
Гэри Равкан (слева) и Виктор Эмброс. (Фото Ruvkun Lab, Wikimedia)