Менеджеры ДНК: как система управления генами принесла ученым Нобелевскую премию

Согласно официальной формулировке, Виктор Эмброс и Гэри Равкан получат Нобелевскую премию за открытие микроРНК и ее роли в посттранскрипционной регуляции генов. За этим нагромождением терминов кроется изящное решение эволюции, позволяющее клетке управлять собственными генами.

Механика жизни

В пресс-релизе Нобелевского комитета много терминов. Что такое РНК, микроРНК, транскрипция? Почему гены надо регулировать? Разберемся по порядку. 

Каждая клетка нашего тела содержит длинные молекулы ДНК, разделенные на участки. Эти участки и называются генами. Ген — это инструкция по синтезу молекулы РНК. РНК — вещество, похожее на ДНК, но его молекулы гораздо короче. Поэтому в одной молекуле ДНК умещаются инструкции по созданию множества разных РНК. Синтез РНК по этим инструкциям называется транскрипцией.

Зачем организму РНК? Ее главная функция — быть прототипом молекулы белка. Такая РНК называется матричной, то есть она матрица, основа, образец, по которому собирается молекула белка.

Белки — основная «рабочая лошадка» организма. Это не только строительный материал для тканей, но и регуляторы всех процессов в клетке, от усвоения питательных веществ до роста и деления. Если клетка умеет что-то делать, значит, у нее есть для этого специальные белки.

Выбор инструмента

Белок — это инструмент, который «берется с полки» по мере надобности. Понятно, что у повара, столяра, портного и хирурга инструменты разные. Точно так же одни белки нужны нервным клеткам, другие мышечным, третьи — клеткам печени или кишечника. Да и отдельно взятой клетке, например нервной, не все белки из ее арсенала нужны одновременно. Если столяру нужно строгать заготовку, нет смысла ее пилить.

Однако молекулы ДНК одинаковы во всех клетках нашего тела. Они содержат полный набор наших генов, то есть инструкции по синтезу всех человеческих РНК и, следовательно, белков. Если бы все гены работали одновременно, в одной клетке синтезировались бы все известные организму белки. Эта попытка одновременно резать, варить, шить и полировать не привела бы ни к чему хорошему.

Значит, клетка должна выбирать, какой ген будет работать, какой белок будет синтезироваться. Это и есть регуляция генов, упомянутая в формулировке Нобелевского комитета. Как она осуществляется?

В 1960-х были открыты особые белки — факторы транскрипции. Они связываются с определенными областями ДНК и определяют, какие гены будут участвовать в транскрипции, а какие нет. Этот механизм регуляции генов несколько десятилетий считался единственным. Все изменили работы нынешних лауреатов.

Червь сомнения

В конце 1980-х и начале 1990-х Эмброс и Равкан изучали работу генов червя Caenorhabditis elegans (C. elegans). Это легкое в разведении существо длиной около миллиметра — излюбленный объект биологов. В свое время C. elegans стал первым животным, чей геном был расшифрован, благо он гораздо короче человеческого. Несмотря на примитивность, у червя есть нервная система, мышцы и другие органы. На его примере можно отыскать биохимические механизмы, работающие и у гораздо более сложных существ. 

Эмброс обнаружил, что ген lin-4, по-видимому, подавляет активность гена lin-14. Как он это делает, оставалось загадкой. Может быть, lin-4 кодирует матричную РНК, а через нее белок — фактор транскрипции? На тот момент это был единственный известный способ управления генами.

Однако позже Эмброс выяснил структуру гена lin-4 и сделал удивительное открытие. Да, этот ген, как и положено, кодирует РНК. Но эта молекула РНК невероятно короткая: всего 22 звена-нуклеотида. Столь миниатюрная РНК просто не может быть основой для синтеза белка. Типичная длина матричной РНК измеряется сотнями нуклеотидов.

Так Эмброс открыл новый тип молекул РНК — микроРНК, состоящие примерно из 20 звеньев. Но как же эта кроха может управлять работой генов, если она не способна кодировать белок — фактор транскрипции?

Ответ дали исследования Равкана. Биолог показал, что активность гена lin-4 не мешает гену lin-14 транскрибироваться, то есть производить матричную РНК. Однако она подавляет синтез белка lin-14 по этой готовой матрице.

Ученые сопоставили свои результаты, и пазл сложился. Ген lin-4 кодирует микроРНК. Та прикрепляется к матричной РНК, произведенной геном lin-14, и мешает ей стать основой для синтеза белка. Таким образом, синтез белка lin-14 все-таки блокируется, но не на этапе транскрипции (создания матричной РНК), а уже после нее. Вот что означают слова о посттранскрипционной регуляции генов.

Большая власть маленькой молекулы

Эмброс и Равкан опубликовали свои результаты в 1993 году. Тогда они не вызвали особого интереса. Научное сообщество сочло, что новый механизм регуляции генов — экзотика, характерная только для червя C. elegans. Эволюция очень изобретательна, и в живой природе нередки всяческие аномалии и исключения из правил.

Все изменилось в 2000 году, когда научная группа Равкана объявила об открытии другой микроРНК. Ее кодирует ген let-7. В отличие от lin-4, ген let-7 присутствует у всех многоклеточных животных — во всяком случае, у тех, чей геном прочитан. По всей видимости, он унаследован от общего предка многоклеточных животных, жившего более 500 млн лет назад.

Теперь стало ясно, что Эмброс и Равкан обнаружили не занятную игру природы, а мощный и универсальный способ управления генами. Сегодня мы знаем, что в геноме человека более тысячи генов кодируют микроРНК. Мутации в этих генах могут вызвать врожденную потерю слуха, заболевания глаз и скелета, а также способствовать злокачественным опухолям. Открытие, сделанное три десятка лет назад благодаря непритязательному червю, оказалось важным не только для раскрытия тайн жизни, но и для здоровья людей.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора