В 2002 году высшей оценки экспертов влиятельного научного журнала "Science" ("Наука") удостоились ученые, открывшие необычные свойства так называемых "малых РНК". Эта заметка расскажет о том, как работают малые РНК и какую пользу из этого открытия может извлечь наука и медицина.

Помнится, в 80-х годах прошлого века у нас в городе не то чтобы популярно, а просто принято было, считалось хорошим тоном, особенно в рабоче-служащих кварталах, что на периферии, иметь на каждом балконе цветы. В кадках, горшках и горшочках, в длинных ящиках - цветниках, вьющиеся, гвоздики, герани, анютины глазки, чахлые и не слишком, согласитесь, кто застал то время, в этом было свое, пусть и немного мещанское, очарование.

Потом город стал меняться, повзрослел. На смену романтикам и провинциалам пришло наше прагматичное поколение, и цветочные клумбы постепенно забылись, лишь мертвыми букетами на цветочных базарах напоминая о попытке построить если не город-сад, то хотя бы город-цветник.

А вот европейцы, похоже, от такой мечты не откажутся ни за что. Они любят цветы. Они лелеют цветы. Они возвели цветоводство и цветочный дизайн в ранг искусства.

Петуния - один из любимцев европейских селекционеров, за века создавших потрясающее множество цветов, оттенков и форм этого непременного, а нередко основного жителя городских цветников. Современные селекционеры уже не полагаются только лишь на причуды природы, а самостоятельно и направленно изменяют живые организмы.

Задавшись целью получить сорт петуний, который обладал бы более яркими бардовыми лепестками, генетики ввели в ее клетки ген, отвечающий за синтез красного пигмента. К удивлению ученых, многие цветы, вместо того, чтобы усилить окраску, вовсе теряли пигмент и получались белыми.

С этого и других похожих наблюдений, сделанных в начале 90-х годов, и началась история малых РНК.

Петунии.

В другом эксперименте биологи, изучавшие генетическую регуляцию у одного из самых популярных в последнее время модельных организмов - червя Caenorhabditis elegans ( Ценорабдитис элеганс , или сокращенно C. elegans ), пытались усилить работу определенных генов путем введения в клетки червя дополнительных копий таких генов (в виде ДНК). И снова, вместо усиления выраженности (экспрессии, о которой ниже) данного гена, ученые наблюдали противоположный эффект: его полное "замолкание".

Длительное время никто не мог объяснить происходившие феномены, рассматривая их как артефакты. И лишь спустя годы удалось установить, что во всех подобных случаях в клетках подопытных организмов появлялись большие количества так называемых "малых" РНК. К еще большему удивлению привело исследование структуры таких молекул. Оказалось, что эти РНК являются копией отдельных участков тех самых генов (ДНК), которые вводились в клетку, и активность которых подавлялась.

Снова - загадка. С одной стороны, структура таких малых РНК однозначно говорит о том, что они были скопированы с введенной в клетку ДНК, что для клетки вполне нормально (если не считать подозрительно малую длину этих молекул). С другой стороны - вместо того, чтобы, как большинство "нормальных" информационных РНК, переносить информацию для синтеза белков и способствовать, таким образом, усилению выраженности гена (например, усиливая цвет петуний), эти РНК каким - то образом умудряются проделывать совершенно противоположную работу.

Начиная с 1995 года, исследователи предприняли попытки повторить этот эффект экспериментально. Для этого они искусственно синтезировали небольшие участки РНК, являющиеся почти точной копией участка определенного гена, и вводили их различным организмам.

Первое подтверждение феномена "замолкания" генов было получено все у того же C. elegans. Немного позже это свойство коротких РНК выявили у мух и, наконец, в 2001 году - при введении в клетки мыши и человека. В том же 2001 году Science включил исследования малых РНК в число наиболее важных.

Почему же короткие РНК способны выполнять столь необычные функции?

Решение парадокса малых РНК началось с детального изучения их структуры, биологических характеристик и путей их превращения ( метаболизма ) в клетках различных организмов.

Длительное время биологи просто не обращали особого внимания на короткие отрезки клеточной рибонуклеиновой кислоты (РНК), полагая, что их роль в клетке не слишком значительна. Гораздо больший интерес привлекали другие типы РНК, а именно информационные и рибосомальные. Оба этих класса - очень длинные молекулы, содержащие до 100 000 нуклеотидов. Первые (информационные, которые часто называют также матричными РНК, или мРНК) переносят генетическую информацию с хромосом (ДНК) в специальные органеллы - "агрегаты" для синтеза белков - рибосомы. Второй класс - рибосомальная РНК - является одновременно и строительным материалом, и важнейшей рабочей частью рибосом.

Понятно, что с первого взгляда малые РНК, состоящие всего из нескольких десятков нуклеотидов, могли показаться просто мусором, остатками от своих "больших братьев". И даже несмотря на то, что роль отдельных малых молекул РНК в процессах превращения информационных РНК (сплайсинге), а также при упаковке нитей нуклеиновых кислот, была доказана ранее, истинным "хитом" в биологии малые РНК стали только лишь с открытием своей способности подавлять экспрессию генов у животных.

В нормально работающей клетке каждый ген выполняет собственную, строго определенную функцию, например, отвечает за выработку белка, мРНК, или за взаимодействие с другими регуляторными белками. При этом говорят о нормальной экспрессии (от лат. expressus - выразительный, явный) гена в клетке. Если же количество продукта данного гена (например, белка) снижается, то говорят о снижении экспрессии данного гена. Эффект "гашения" экспрессии определенных генов малыми РНК получил название РНК - интерференции, а молекулы, вызывающие его, назвали siRNA (small interfering RiboNucleic Acids - малые интерферирующие рибонуклеиновые кислоты; мы решили использовать для этих заметок англоязычное сокращение термина, так как соответствующая русская аббревиатура пока не является общепринятой - прим. автора).

С открытием siRNA - интерференции стало ясно, что этот феномен может иметь огромное практическое значение.

Почему же именно малые РНК вызвали столь бурный всплеск интереса? Ведь в распоряжении биологов имеется целый набор других молекул и других методов, позволяющих заставить ген "замолчать": от антисмысловых олигонуклеотидов, рибозимов и химических блокаторов до возможности "выключить" ген во всем организме путем внесения необходимой мутации в зиготу (оплодотворенную яйцеклетку). Ответ на этот вопрос мы найдем, познакомившись с их структурой и свойствами более детально.

В класс малых РНК включают молекулы, содержащие от 20 до 300 нуклеотидов. За эффект РНК - интерференции отвечают самые короткие из них - siRNA, состоящие всего из 21-28 (у млекопитающих из 21-23) нуклеотидов. Особенностью этих молекул является то, что они, в отличие от большинства других клеточных РНК, состоящих всего из одной цепи нуклеотидов, являются двунитчатыми. Нуклеотиды с противоположных нитей (цепей) siRNA спариваются друг с другом по тем же законам комплементарности, которые формируют двунитчатые цепи ДНК в хромосомах. Кроме того, по краям каждой из цепей siRNA всегда остается два неспаренных нуклеотида (см. рисунок 1).

Структуру siRNA определили, выделив их из клетки. Но как siRNA появляются в клетке, например, после введения дополнительной копии гена, как это было в случае с петунией? Очевидно, в клетке должен существовать некий молекулярный механизм, который обеспечивал бы синтез siRNA, их накопление в клетке и позволял бы им выключать гены. Исходя из этих предположений, а также теоретически определив круг наиболее вероятных участников процесса РНК - интерференции, ученые приступили к поиску реальных компонентов, отвечающих за ее исполнение. И хотя все детали этого процесса до сих пор неизвестны, один из главных бастионов был взят: ученым удалось выявить систему ферментов, которая во многом схожа у всех многоклеточных и некоторых одноклеточных организмов. Вот как она выглядит на схеме:

Рис. 1. Механизм работы siRNA в клетках растений и животных (пояснения - в тексте).

Если молекула siRNA по тем или иным причинам (например, по воле исследователя) появляется в клетке, ее сразу же "берет в оборот" специальная клеточная система белков, для которых появление siRNA является сигналом к немедленному действию.

На первом этапе с молекулой siRNA связываются белки-ферменты хеликаза и нуклеаза (см. этап 1 на рисунке), формируя комплекс RISC (RNA-induced silencing complex; silence - англ. молчать, замолкать; silencing - замолкание, так в англоязычной и специальной литературе называют процесс "выключения" гена). Хеликаза раскручивает нити siRNA, в результате чего они расходятся (этап 2). Одна из этих нитей, к которой прикреплен фермент нуклеаза, может теперь связаться с комплементарным (строго соответствующим ей) участком однонитчатой мРНК (этап 3), позволяя нуклеазе разрезать ее. Разрезанные же участки мРНК подвергаются действию других клеточных РНКаз, которые до-разрезают их на более мелкие куски (этап 4).

Итак, основная "специальность" siRNA в клетке - это блокирование тех генов, участок которых соответствует одной из цепочек внутри siRNA. Но зачем механизм РНК - интерференции существует в клетках? Какие процессы призван регулировать? Что из себя представляют те мРНК, на которые направлено жало малых РНК, и почему их необходимо уничтожать?

Это - тема следующей части рассказа о малых РНК.

Сергей Григорович