Жизнь сложная штука

МикроРНК гораздо сложнее, чем способ существования белковых тел, как думал о ней Фридрих Энгельс, а следом за ним еще сто с лишим лет несколько поколений биологов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Заставили взглянуть на ее суть по-новому Виктор Эмброс и Гэри Равкан, которым 10 декабря вручат в Стокгольме Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2024 года «за открытие микроРНК и ее роли в посттранскрипционной регуляции генов». Они ровесники, обоим сейчас за 70 лет, оба члены Национальной академии наук США и одно время работали в Гарвардском университете, где вели совместные исследования и тоже жили в парадигме определения Энгельса, которую не пошатнуло даже открытие молекулы ДНК и формулирование Центральной догмы биологии: «Наследственная информация передается в направлении ДНК—РНК—белок, и никогда от белка к РНК».

С 1957 года эта догма неоднократно дорабатывалась, но в целом осталась неизменной. Новое нобелевское открытие тоже не изменило ее сути, но совершенно по-новому заставило взглянуть на организацию механизмов хранения и прочтения наследственной информации. А началось все это в 1990-е годы, когда с нарастающим валом исследований роли молекул РНК стало понятно, что кроме основных путей реализации наследственной информации есть и специальные. И один из них — передача информации через взаимодействие между молекулами микроРНК и матричной РНК, что приводит к снижению эффективности синтеза белка на основе матричной РНК и ее ускоренной деградации.

Благодаря исследованиям Эмброса и интерпретации их результатов Равканом был открыт новый механизм управления работой генов. Оказалось, что пока белки в ядре регулируют транскрипцию и сплайсинг РНК, микроРНК контролируют трансляцию и деградацию мРНК в цитоплазме. Этот неожиданный уровень регуляции генов был еще у предков всех многоклеточных более 600 миллионов лет назад и сыграл решающую роль в эволюции жизни. А в последние годы он нашел применение не только в генной инженерии, но и при разработке высокотехнологичных лекарственных средств и тест-систем на различные заболевания человека.

В серии изящных экспериментов было показано, что существует великое разнообразие микроРНК — регуляторных молекул, которые не кодируют белок и консервативны настолько, что сохранились в геноме многоклеточных организмов на протяжении многих сотен миллионов лет. Другие — видоспецифичные, наоборот, отличают близкородственные виды, у которых различий в генах, кодирующих белки, не так много.

Механизм, с помощью которого микроРНК выполняет свою функцию, также наблюдается и в случаях подавления экспрессии генов на основе РНК, широко известных как РНК-интерференция. К ним относятся малые интерферирующие РНК разных типов (миРНК). За открытие того, что двуцепочечная РНК может вызывать подавление экспрессии генов, уже была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2006 году Эндрю Файеру и Крейгу Мелло («За открытие РНК-интерференции — эффекта гашения активности определенных генов»).

Но в то время как РНК-интерференция функционирует в основном как защитный механизм против вирусных инфекций (у растений и низших животных), а также против нежелательной активности мобильных элементов генома, микроРНК осуществляют посттранскрипционный контроль над матричной РНК, несущей информацию о последовательности белка. С этой целью микроРНК развили в себе частичную комплементарность по отношению к своим целевым последовательностям матричной РНК, чтобы уметь «настроить» соответствующие эффекты на каждую матричную РНК-мишень, тогда как, например, малые интерферирующие РНК часто являются экзогенными и полностью комплементарны определенным последовательностям РНК-мишени.

Это еще один удивительный феномен. Ведь получается, что комплементарность — полное соответствие последовательности регулирующей и регулируемой молекул РНК — справедлива только в «защитных» механизмах, а тонкая регуляция выполняется за счет неполного соответствия молекул, создавая огромное многообразие таких управляющих взаимодействий.

Мишенями одной микроРНК часто выступают 5–8 генов (и это только в хорошо изученных метаболических путях), причем таким образом, что, связываясь с белками семейства Агонавтов (Ago), образуют комплекс РНК-индуцированного сайленсинга (замалчивания экспрессии генов), который нацелен на определенные матричные РНК. Специфичность обеспечивается спариванием оснований между одноцепочечной микроРНК в комплексе с белком-Агонавтом и матричной РНК, как правило, в концевой регуляторной области матричной РНК. Спаривание оснований между микроРНК и матричной РНК редко достигает 100%, обычно только 7 из 18–25 оснований на конце микроРНК взаимодействуют с матричной РНК.

Такая физическая связь приводит к тому, что матричная РНК транслируется в белок с меньшей эффективностью и быстрее разрушается. А конечным результатом является снижение выработки белка данным геном, хотя это снижение зачастую незначительно. Или, в некоторых случаях, это может приводить к активации трансляции за счет активности белков, присоединяющихся к комплексу микроРНК—Агонавт—матричная РНК. Очень важным эффектом в работе микроРНК является способность «глушить» сигнал сразу после его прохождения, не мешая самому сигналу, поскольку другие способы обратной связи в процессе реализации наследственной информации требуют больше времени.

За 20 лет исследований микроРНК выявлены глубокие связи между ней и системной регуляцией основных биохимических процессов в организме. Например, углеводного и липидного обмена. Более того, неконтролируемая экспрессия некоторых из микроРНК способствует развитию рака, болезней сердца и нейродегенеративных и метаболических заболеваний. Некоторые из этих микроРНК возникли у общего предка позвоночных и беспозвоночных, которые разделились примерно 500 миллионов лет назад. В частности, древняя микроРНК miR-7 регулирует гомолог гена, общий для мыши и мухи, белок которого физически связывается с мишенью miR-375 и воздействует на нее. Такое сохранение мишеней и биологических функций микроРНК редко встречается в животном мире, что может означать, что общий предок позвоночных и беспозвоночных использовал микроРНК для аналогичных метаболических процессов, например, для регуляции метаболизма глюкозы посредством инсулиноподобной передачи сигналов.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что микроРНК часто используются для повышения устойчивости к определенному биологическому процессу. Например, прием пищи, как правило, представляет собой импульсное событие, и поэтому система должна реагировать аналогичным импульсным образом, чтобы поддерживать циркуляцию глюкозы и липидов на достаточно стабильном уровне. При этом множество микроРНК функционируют как репрессоры обратной связи, быстро снижая импульсы передачи сигналов инсулина и липидного метаболизма до уровня покоя. Таким образом, роль микроРНК заключается в контроле динамики метаболической реакции и поддержании гомеостаза.

Известен также прецедент, когда микроРНК обеспечивает очень быстрое переключение экспрессии генов. МикроРНК-7 подавляет экспрессию фактора транскрипции, необходимого для дифференцировки фоторецепторов в развивающемся глазе. Этот фактор транскрипции экспрессируется в виде импульса в клетках-предшественниках, и микроРНК-7 обеспечивает моментальное снижение его уровня до базового. Если уровень фактора не снижается достаточно быстро, клетки совершают ошибки в дифференцировке.

И наконец, в последние несколько лет была обнаружена роль микроРНК как межклеточных сигнальных молекул и «РНК-гормонов». Они секретируются в кровоток, откуда могут быть поглощены клетками в отдаленных тканях. Хотя судьба и роль таких циркулирующих микроРНК в клетках-реципиентах все еще плохо изучены, есть свидетельства того, что они могут регулировать экспрессию генов и метаболизм после поглощения. Эти циркулирующие микроРНК значительно расширяют возможности передачи сигналов и координации между тканями и открывают большие перспективы для диагностики и лечения многих заболеваний.

Присуждение Нобелевской премии 2024 года по физиологии и медицине профессорам Эмбросу и Равкану заслуженно подчеркивает важность исследования фундаментальных механизмов регуляции экспрессии генов не только для науки, но и для практической медицины, поскольку раскрывает причины развития многих заболеваний и дает новые мишени для фармакологии.

Алексей Дейкин, кандидат биологических наук, НИУ «БелГУ»; почетный профессор университета Дэчжоу, КНР