24.01.2007 | Наука

Рибонуклеиновый год

В 2006 году сразу две Нобелевские премии присуждены за работы, объектом которых была рибонуклеиновая кислота (РНК)

В 2006 году сразу две Нобелевские премии – по медицине и по химии – присуждены за работы, объектом которых было одно и то же вещество – рибонуклеиновая кислота (РНК). Более того, в центре внимания премированных работ находилась одна и та же разновидность ее – информационная РНК (она же матричная, мессенджер-РНК и т. д.). В довершение странных совпадений лауреат по химии и один из двух лауреатов по медицине работают в одном и том же учреждении – Стэнфордском университете в городе Пало Альто (Калифорния).

Потомственный лауреат

Профессор кафедры структурной биологии Стэнфордского университета Роджер Корнберг уже однажды стоял в Концертном зале Стокгольма: 12-летним мальчиком он присутствовал при вручении Нобелевской премии по физиологии и медицине его отцу, известному биохимику Артуру Корнбергу. Корнберг-старший получил свою премию за детальное изучение того, как удваивается молекула ДНК. Спустя 47 лет его сын удостоен такой же награды за исследования того, как на молекуле ДНК образуется молекула РНК.

Как известно, двухцепочечные молекулы ДНК образуют геном – своего рода библиотеку программ, хранящую инструкции производства всех белков, которые могут когда-либо понадобиться клетке.

(Сегодня мы знаем, что в этой библиотеке хранится много что еще, но сейчас нам это неважно.) Когда у клетки возникает потребность в определенном белке, с соответствующего участка ДНК снимается рабочая копия – одноцепочечная молекула иРНК(этот процесс называется транскрипцией, т. е. «переписыванием»). Она-то и «заряжается» в рибосому – молекулярную машинку для производства белка.

Все это было выяснено еще в 50-е – 60-е годы прошлого века – в основном на бактериях. Бактериальная клетка устроена просто: в ней нет ни ядра, ни каких-либо других внутриклеточных мембранных структур, единственная молекула ДНК ничем не отделена от рибосом. Отделившись от материнской молекулы, иРНК может сразу же включаться в работу.

Но так это устроено только у бактерий. Все остальные живые организмы – от амеб и дрожжей до нас самих – относятся к так называемым эукариотам. В их клетках есть ядра, в которых и сосредоточена вся ДНК. Но рибосом в ядре нет, и для исполнения своей миссии вновь созданная иРНК должна выйти из ядра в цитоплазму. А там шныряют злобные ферменты-нуклеазы, всегда готовые порубить в капусту любую подвернувшуюся нуклеиновую молекулу. Кроме того, как было показано еще в 70-е годы, сам процесс транскрипции у эукариот включает в себя множество промежуточных операций, механизм (а тем более – смысл) которых оставался неясным.

Вот эти эукариотные сложности и стали предметом научных интересов Роджера Корнберга. Многолетние тончайшие исследования обнаружили, что реальный механизм транскрипции еще сложнее, чем представлялось раньше: помимо специфического фермента РНК-полимеразы (который, собственно, и собирает молекулу РНК) в нем участвуют шесть различных «факторов» – белков, работа каждого из которых существенна и необходима для всего дела. Факторы взаимодействуют и с нуклеиновыми цепочками, и друг с другом: один белок «узнает» один сигнальный участок ДНК и связывается с ним, другой в это время сцепляется со своим таким же участком. И только когда они все расселись по местам, РНК-полимераза может начинать свою работу. Все это несколько напоминает хирургическую операцию, где центральной фигурой является, конечно же, хирург, но он приступает к работе не раньше, чем анестезиолог, ассистент и прочие члены бригады займут свои места.

Мало того, в самой ДНК рядом с копируемым «смысловым» участком-геном или даже внутри него есть крохотные – не больше 20 пар нуклеотидов – участки, способные усиливать (энхансеры) или ослаблять (сайленсеры) транскрипцию.

Причем делают они это не сами по себе, а посредством опять-таки особых белков, избирательно связывающихся с ними. Система кажется чрезмерно сложной, но именно эта сложность позволяет тонко регулировать интенсивность процесса: с одних генов иРНК считываются чаще, с других – реже, с третьих – не считываются вообще. Что и позволяет не только получать при одинаковом геноме множество разных типов клеток, но и гибко реагировать на изменения обстоятельств. В конечном счете, видимо, именно это позволило создать на базе эукариотной клетки сложные многоклеточные организмы с пластичной физиологией и поведением.

Сам Корнберг, узнав о присуждении ему Нобелевской премии, сказал, что ее должны были бы разделить с ним еще человек пятьдесят.

И это правда: хитрая механика эукариотной транскрипции была выяснена усилиями многих ученых. Но нынешний лауреат выделяется среди них еще и тем, что сумел сделать ее видимой – не на компьютерных моделях, а на реальных фотографиях. Предельно изощренный инструментарий позволил ему воочию наблюдать действия белковых молекул и рост цепочки синтезируемой иРНК. И здесь у Корнберга-младшего нет конкурентов: исследователей, способных потратить десяток лет на одно только создание и отладку аппаратурной базы, в современной науке почти не осталось.

Маленькие киллеры

Если Роджер Корнберг исследовал процесс рождения информационной РНК, то работа, удостоенная Нобелевской премии по физиологии и медицине, связана с распадом этой молекулы. Профессор кафедры патологии и генетики все того же Стэнфордского университета Эндрю Файр и профессор молекулярной биологии Массачусетского университета Крейг Меллоу получили свою награду за открытие так называемого эффекта РНК-интерференции.

Срок жизни молекулы иРНК в клетке очень сильно варьирует – от нескольких минут до нескольких дней и даже недель. Крейг и Меллоу обнаружили, что на этот срок сильно влияют маленькие (20 с чем-нибудь нуклеотидов) двухцепочечные молекулы РНК: в их присутствии молекулы иРНК распадаются чрезвычайно быстро.

Маленькие кусочки двухцепочечной РНК были обнаружены в живых клетках различных организмов (растений, насекомых, червей-нематод и т. д.) довольно давно, но им никто не придавал значения: было ясно, что последовательности такой длины ничего кодировать не могут. Считалось, что это своего рода отходы, «молекулярный мусор», остающийся после распада или «редактирования» более крупных молекул. Несколько смущало, правда, то, что они состояли из двух комплементарных цепочек – до этого считалось, что двухцепочечной может быть только вирусная РНК. Но в конце концов вирусы (в том числе и РНК-содержащие) вездесущи, и присутствие в изучаемой клетке ошметков какого-то вируса-неудачника, порезанного клеточными ферментами-нуклеазами, выглядело вполне вероятным.

Открытие Файра и Меллоу все изменило: эти молекулы (получившие название siРНК – от английских слов small interference, т. е. «малые интерферирующие») оказались эффективным и чрезвычайно избирательным регулятором активности иРНК. Выяснилось, что siРНК находят в цитоплазме иРНК, связываются с ней и каким-то образом «наводят» на нее разрушающие нуклеазы (обычно иРНК от самого своего возникновения связана с теми или иными белками, делающими ее недоступной для нуклеаз). При этом каждая siРНК подавляет только активность иРНК, скопированных с определенного гена. Поскольку к этому времени молекулярные биологи уже очень хорошо умели выделять и размножать нужные молекулы нуклеиновых кислот, такой механизм становился для них чуть ли не волшебной палочкой: с его помощью можно было быстро и избирательно управлять активностью любого гена вплоть до его полного выключения. Не удивительно, что siРНК в считанные годы превратились в универсальный инструмент молекулярно-биологических исследований. Этим же объясняется и небывалая оперативность Нобелевской комиссии: между публикацией первой работы Файра и Меллоу, посвященной siРНК, и присуждением им Нобелевской премии прошло всего восемь лет.

Не случайно и то, что эта премия присуждена именно в номинации «Физиология и медицина». Специалисты единодушно полагают, что в самые ближайшие годы технологии, основанные на применении siРНК, выйдут за пределы академических лабораторий.

Уже сейчас идут клинические испытания ряда препаратов такого типа. Например, филадельфийская компания Acuity Pharmaceuticals испытывает препарат бевазираниб, блокирующего синтез сигнального белка – фактора роста сосудистого эндотелия. Препарат предназначен для лечения макулодистрофии – безудержного разрастания сосудов в задней стенке глазного яблока, приводящего к слепоте. В экспериментах на мышах проверяется возможность с помощью siРНК управлять активностью гена, контролирующего синтез холестерина в организме. Но самые большие ожидания связаны с использованием siРНК против вирусных заболеваний (прежде всего, естественно, вызываемых РНК-содержащими вирусами) и особенно – злокачественных опухолей. Известно, что в развитии последних ключевую роль играет избыточная активность некоторых генов, вышедших из повиновения клеточным и организменным регуляторам. В такой ситуации инструмент, способный снизить эту активность для нормального уровня, может оказаться весьма полезным.

Видимо, ту же роль – плавного и обратимого регулятора активности генов – siРНК играют и в самом организме. После всего сказанного о сложной регуляции процесса транскрипции существование еще одного блока регулировки может показаться избыточным: зачем отправлять вдогонку «лишним» иРНК киллеров-siРНК, если можно было просто не синтезировать их? Но, как уже говорилось, предоставленная самой себе иРНК может производить закодированный в ней белок неделями. И если надобность в нем вдруг отпала, надо не только прекратить выпуск новых иРНК, но и как-то остановить работу уже выпущенных.

Источник: «Что нового в науке и технике», № 12, 2006,