РНК-революция
Крис Хиггинс, Совет по медицинским исследованиям Великобритании: «РНК-интерференция является простым инструментом манипуляции генами в лаборатории и потенциально способна позволить изменять работу генов для лечения таких болезней, как вирусные инфекции и рак»
ДНК считалась царицей нуклеиновых кислот с момента открытия Фридрихом Мишером и особенно после того, как Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон расшифровали ее структуру. Из нее состоят гены — инструкции для жизни.
Рибонуклеиновые кислоты рядом с ДНК выглядят скоромнее: они будто на побегушках у ДНК. РНК служат сигнальными молекулами, исполняющими приказы своего хозяина, и курьерами, собирающими аминокислоты для того, чтобы ДНК могла выразить свой гений в создании белка.
Однако выяснилось, что роль РНК куда интереснее, чем полагало первое поколение молекулярных биологов. В самом деле, она настолько интересна, что некоторые ученые теперь заявляют о необходимости пересмотреть старшинство двух нуклеиновых кислот, которые на пару управляют всей жизнью на Земле. ДНК может содержать основную информацию генома, но ее химическая сестра определяет свойства организмов и их жизненный цикл. РНК отнюдь не пассивна: это динамичная и гибкая молекула, принимающая десятки форм, роли которых наука только начинает раскрывать. Возможно, что именно РНК-источник всей жизни.
Многогранность РНК
Мы уже встречались с базовым типом РНК - однонитевой матричной РНК (мРНК), в которую переводится (транскрибируется) ДНК и которая переносит инструкции для создания белков. Однако мРНК составляет лишь 2 % всей РНК.
Даже в синтезе белков участвуют еще несколько типов РНК. Важные части мРНК — экзоны — разделены участками бессмыслицы, известными как нитроны. Состоящая из РНК структура сплайсосома вырезает интроны и сшивает экзоны в осмысленное сообщение. Оно затем переносится в клеточные рибосомы, или «заводы» по производству белка, которые также состоят преимущественно из еще одного специализированного типа РНК - рибосомальной РНК. Крестообразная транспортная РНК идентифицирует и собирает аминокислоты для сборки белковой цепочки.
РНК служит не только для изготовления белков. Она также принимает форму молекул микроРНК, представляющих собой нити длиной от 21 до 23 оснований. Они транскрибируются с ДНК, но не кодируют белки, а контролируют работу генов. Они включают и выключают гены, регулируя их активность и, следовательно, количество производимого белка. Они объясняют многие аспекты человеческой жизни. Существуют тысячи типов человеческой микроРНК - общее число может превысить число генов. Каждая из них способна регулировать не только активность отдельного гена, но и целых групп генов и других молекул РНК. Это означает, что несколько микроРНК способны тонко манипулировать работой гена, добиваясь практически любых результатов. Они позволяют относительно небольшому числу генов, многие из которых идентичны животным, растительным и даже бактериальным, создавать такие сложные структуры, как головной мозг. Существуют данные, что количество микроРНК увеличивается по мере усложнения организма. Хотя у людей всего на пару тысяч генов больше, чем у круглых червей, микроРНК у нас в несколько раз больше. По-видимому, эти молекулы отвечают за создание более сложных форм жизни.
PHK-интерференция
Поняв важность РНК, можно понять причины болезни и найти способ лечения - в первую очередь через процесс, известный как РНК-интерференция. Считается, что это естественное явление, которое впервые было обнаружено у растения петунии в начале 1990-х годов, эволюционировало как защита от вирусов. РНК-интерференция стала одним из наиболее перспективных направлений медицины, причем это произошло настолько быстро, что два ее пионера, Эндрю Файр и Крейг Меллоу, получили Нобелевскую премию по медицине всего через восемь лет после публикации их ключевой работы.
РНК-интерференция полагается на двухцепочечные молекулы РНК, известные как малые интерферирующие РНК (миРНК), длиной примерно в 21 основание. Работая с круглыми червями, Файр и Меллоу обнаружили, что введение в клетки миРНК с последовательностью, идентичной последовательности мРНК, влияет на активность исходных генов и приводит к снижению производства белка.
Оказалось, что внутри клетки миРНК распадаются на две нити, которые затем связываются с мРНК с такой же последовательностью. Помеченные таким образом мРНК разрушаются клеточными ферментами. Инструкции для производства белков, которые они несут, уничтожаются, и синтез белка останавливается.
Медицинский потенциал метода заключается в его способности очень точно и целенаправленно воздействовать на конкретные гены и их белки. Можно синтезировать 21-буквенные РНК с последовательностью, совпадающей с конкретными инструкциями мРНК, что приведет к ингибированию производства одного белка, но не повлияет на все остальные. Таким образом, РНК-интерференцию можно использовать для выключения вредных генов — например, стимулирующих рак, — не влияя при этом на химию здоровых клеток. Она также позволяет ученым манипулировать активностью генов в лаборатории и изучать их работу.
Пока РНК-интерференционных лекарств не существует, но они активно разрабатываются. В клинических испытаниях оценивают лечение возрастной дегенерации желтого пятна, распространенной формы слепоты, вызываемой избыточным синтезом белка в глазах. В другом исследовании было показано, что миРНК могут сделать клетки рака груди в 10 000 раз более восприимчивыми к химиотерапии, отключив гены сопротивления лекарству «Таксол». Ученые надеются использовать этот метод для борьбы с ВИЧ, отключив ген, необходимый вирусу для размножения.
По мере того как наука узнает все больше о роли генов и их белков в заболеваниях, РНК-интерференция становится все более привлекательным методом. Она обещает предоставить клиническим генетикам точный инструмент отключения генов, о котором они давно мечтали.
Происхождение жизни
На вопрос, как на Земле примерно четыре миллиарда лет назад появилась жизнь, ответа пока нет. Согласно одной из наиболее правдоподобных гипотез, первые самовоспроизводящиеся живые существа были основаны на РНК. Она проще, чем ДНК, поскольку обычно состоит из одной нити и способна не только копировать саму себя, но и катализировать реакции других молекул. Такие рассуждения заставили Фрэнсиса Крика и американского микробиолога Карла Вуза предположить, что примитивные «рибо-организмы» использовали окружающие химические вещества для создания копий самих себя. Впоследствии жизнь двинулась за пределы «мира РНК» и стала использовать для кодирования генетической информации более стабильную молекулу ДНК.
РНК-интерференционный контрацептив?
Одним из перспективных применений РНК-интерференции является разработка противозачаточных таблеток, не полагающихся на гормоны. Зев Вильямс из бостонской больницы Бригэма показал, что метод можно использовать для отключения гена ZP3, активного в яйцеклетках перед овуляцией. Когда ZP3 не работает, у формирующихся яйцеклеток отсутствует внешняя мембрана, с которой должен связаться сперматозоид для оплодотворения.
Поскольку ZP3 работает только в развивающихся яйцеклетках, метод должен быть обратимым: неразвитые яйцеклетки затронуты не будут, и после того, как женщина перестанет принимать препарат, у нее начнется нормальная овуляция. Помимо этого, у лекарства не будет побочных эффектов, поскольку ZP3 в других типах клеток неактивен.