Расшифровав геном человека, содержащий примерно 25 тысяч генов, ученые теперь разбираются в том, как регулируется их работа. Многое для понимания этого дает изучение так называемых некодирующих РНК, в том числе их необычных видов — коротких, или маленьких, рибонуклеиновых кислот. Они были открыты 10 лет назад учеными Института молекулярной генетики РАН, в отделе, которым руководит академик Владимир Гвоздев. О том, что удалось узнать благодаря этим РНК, какую роль они играют в процессах, происходящих в клетке, и о практическом применении открытия рассказывает старший научный сотрудник института кандидат биологических наук Михаил КЛЕНОВ.
— Вы, наверное, со школы помните, как происходит синтез белка в живой клетке, — говорит Михаил Сергеевич. — С участка ДНК (гена) делается РНК-копия, которая и служит матрицей для синтеза определенного белка. Но как осуществляется регулировка работы многих тысяч генов, находящихся в каждой молекуле ДНК внутри живой клетки? Как происходит специализация клеток в многоклеточном организме? Почему каждого фермента производится ровно столько, сколько нужно, не больше и не меньше? За последние 10-15 лет у генетиков появились совершенно новые ответы на эти вопросы.
Было известно, что с некоторых участков ДНК снимаются РНК-копии, которые ничего не кодируют (то есть не являются матрицами для синтеза какого-нибудь белка), но для чего они используются в клетке, оставалось непонятным. В последние годы отношение к некодирующим РНК радикально изменилось. Особенный прогресс был достигнут в изучении так называемых коротких некодирующих РНК. Стало ясно, что они регулируют синтез белков. Вот как в общих чертах это происходит.
Предположим, клетке нужно на время приостановить синтез какого-нибудь фермента. Его РНК-матрица может состоять из нескольких тысяч нуклеотидов. При этом в геноме есть короткая некодирующая РНК длиной 20-30 нуклеотидов, последовательность которой полностью совпадает с некоторым фрагментом данной матрицы. Здесь уместно привести такое сравнение. Допустим, вы ищете через поисковую систему статью в Интернете. Если у вас имеется хотя бы абзац из этой статьи, то вы легко ее найдете при условии, что такого же абзаца нет ни в какой другой статье. Так и некодирующая РНК, входящая в состав специального белка, безошибочно соединяется с нужной РНК-матрицей, останавливая при этом ее работу.
Если же требуется прекратить синтез какого-нибудь вредного белка, например, при попадании в клетку вируса, то здесь включается уже другой механизм. Особенно эффективно он действует против РНК-вирусов, которые содержат двухспиральную РНК. В этом случае определенный белок, “обнаружив” двойную цепочку РНК, сразу “понимает”, что это чужеродный объект (“хозяйские” РНК в клетке обычно присутствуют в виде одной цепочки), и “нарезает” ее на мелкие части размером 20-30 нуклеотидов. После этого другие специальные белки, “вооружившись” этими фрагментами, движутся внутри клетки и уничтожают все РНК-матрицы, где встречается та же последовательность нуклеотидов, что и в любом из этих фрагментов.
— А как белок определяет, что “тексты” совпадают? Он ведь не умеет читать.
— От него это и не требуется. Он за счет химических сил связывается с короткой РНК и движется внутри клетки. А эта РНК может соединиться с другой РНК только при условии полного совпадения (комплементарности) нуклеотидных оснований. И как только это соединение происходит, белок “разрезает” чужеродную РНК.
Стоит отметить, что в представлениях о механизмах регулировки синтеза белка с помощью некодирующих РНК еще очень много белых пятен. Ведь это направление только недавно появилось. Кстати, в нашей лаборатории несколько лет назад был открыт новый вид коротких РНК, получивших специальное название пи-РНК. Они выполняют чрезвычайно важную функцию в клетке — подавляют активность транспозонов.
— А это что такое?
— Транспозоны — последовательности ДНК, способные перемещаться внутри генома. За то, что они не сидят на одном месте, их также называют мобильными элементами. Значительная часть геномов живых организмов состоит из транспозонов и их фрагментов. Во многом они напоминают вирусы. Если их активность не подавлять, то транспозоны начнут неограниченно размножаться, а затем новые копии будут снова встраиваться в геном. Некоторые формы рака и другие болезни вызываются как раз чрезмерной активностью транспозонов. Но в основном они стараются действовать в половых клетках. Ведь только в этом случае их активность будет передаваться новым поколениям.
— Зачем нужны транспозоны?
— Какую-то их часть можно считать эволюционным мусором, накопившимся в живых организмах за миллионы лет развития. Но ведь еще недавно таким мусором считали многие некодирующие ДНК. С другой стороны, очевидно, что транспозоны являются неотъемлемым механизмом эволюции. Ведь они могут переносить фрагменты ДНК от одного гена к другому. Есть мнение, что транспозоны помогают клетке включить и отработать механизмы для борьбы с настоящими вирусами. Что-то вроде естественной вакцинации. Но в биологии ценится не гипотеза, а эксперимент. И сейчас сотрудники нашей лаборатории пытаются выяснить, как пи-РНК подавляют активность транспозонов. Опыты мы ставим на мушках-дрозофилах, поскольку биохимические процессы протекают сходным образом во всех живых организмах.
— Что-нибудь вам удалось уже узнать?
— Конечно. Нам было интересно выяснить, где именно происходит процесс подавления: в цитоплазме или внутри клеточного ядра. Для этого мы сделали так, чтобы белок, который “вооружен” пи-РНК и принимает непосредственное участие в подавлении транспозонов, не мог проникать внутрь ядра.
— Как вы это сделали? Отобрали у него проездной?
— Что-то вроде этого. Я напомню, что любая клетка буквально пронизана разными белковыми нитями, по которым могут свободно передвигаться крупные молекулы. Скажем, у какого-нибудь белка-фермента может быть несколько “хвостиков” — молекулярных цепочек специального вида. Они играют роль своеобразных проездных билетов. Цепляется белок хвостиком за нить и едет по ней. Для каждой нити нужен свой хвостик. Мы обрезали у белка хвостик, с помощью которого он мог доехать до ядра. После этого активность транспозонов в половых клетках подопытных мушек-дрозофил необычайно возрастала, и мухи становились бесплодными. Следовательно, процесс подавления транспозонов происходит именно в ядре.
Далее можно узнать, как именно белок борется с транспозонами: разрезает ли их РНК, так же как у вирусов, или просто связывается с ними, не давая работать, или еще как-то. Что будет, если вернуть белку “проездной” до ядра, но лишить его фермента, которым он режет РНК? В этом случае активность транспозонов все равно была подавлена. Кроме того, мы обнаружили, что если клетку лишить пи-РНК, то ДНК транспозонов становится доступнее для клеточных ферментов, синтезирующих РНК.
Получается, что активность транспозонов подавляется в ядре и, возможно, на стадии, предшествующей созданию РНК-матрицы. По-видимому, мы имеем дело с совершенно новым механизмом регуляции генов. Но многие детали этого процесса еще предстоит выяснить.
— Имеет ли ваше исследование практическое применение?
— Безусловно. Знание механизмов подавления транспозонов позволит успешнее бороться с теми формами рака, которые связаны с их активностью. Это знание может пригодиться и при лечении некоторых форм бесплодия. Но в первую очередь мы надеемся лучше понять механизмы регулировки генов и синтеза белка в живых организмах.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото Андрея Моисеева
Нет комментариев