развеяли этот миф. Червяк, утки и другие вехи на пути важного открытия
Открытие, за которое Эмброс и Равкун получили Нобеля-2024
Отсюда и начинается история наших лауреатов. В лаборатории Бреннера проводятся эксперименты по мутагенезу, который призван сломать нормальное эмбриональное развитие, чтобы можно было узнать, за развитие каких тканей и клеток отвечают конкретные гены. Обнаруживается множество мутаций, среди них несколько так называемых гетерохронных.
Это нарушение процесса деления клеток, когда они ведут себя почти нормально, но «забывают» возраст организма: либо уходят в цикл и бесконечно повторяют деления, которые должны были завершиться на личиночной стадии (например, мутация lin-4). Либо, наоборот, пропускают какие-то этапы делений и неожиданно останавливаются в развитии (мутация lin-14).
В своей работе в середине 1980-х Виктор Эмброс первым показал, что гены, в которых появились эти мутации, явно взаимодействуют друг с другом. Оба гена нужны для нормального развития C. elegans, но это точно не один ген — мутации расположены в разных местах генома.
Вместе с Гэри Равкуном (сначала в одной лаборатории, затем каждый в собственной) они начинают поиск генов, поломки в которых проявляются как мутации lin-14 и lin-4. В середине 1980-х сделать это непросто, но Равкуну удается установить, что lin-14 кодирует некий ядерный белок, концентрация которого в норме максимальна на определенной стадии развития червя.
Удивительное начинается тогда, когда оказывается, что мутация lin-14 не имеет отношения к последовательности самого белка. Она затрагивает ту часть матричной РНК, которая окружает кодирующую последовательность (ORF) и вроде бы никак не должна влиять на его активность. То есть «мутированный» и «немутированный» белки по своей природе совершенно одинаковы, а мутацией оказывается не изменение последовательности белка, а изменение концентрации его РНК и, соотвественно, его активности.
Параллельно Эмброс обнаруживает, что мутация lin-4 вовсе не имеет никакого отношения к белкам. В том месте генома, где она расположена, обнаруживается фрагмент ДНК. Если его скопировать в РНК-форму, такая РНК замыкается сама на себя. Она формирует так называемую шпильку — двуцепочечный участок, комплементарный сам себе (шпильки часто встречаются в рибосомной или транспортной РНК).
Момент истины же наступает тогда, когда Эмброс и Равкун открывают, что последовательности ДНК, затрагиваемые этими двумя разными мутациями в двух разных частях генома, оказываются очень похожи друг на друга. Они не идентичны, а сходны как рука и ее отпечаток, то есть комплементарны друг другу. Причем комплементарны не идеально, а с некоторыми пропусками в нескольких точках последовательности.
Итоговая картина выглядит так:
В ходе развития C. elegans в клетках постоянно синтезируется некий белок А, в матричной РНК которого есть встроенный «выключатель».
↓
Этот «выключатель» сначала не работает, поэтому количество белка, который синтезируется, оказывается высоко.
↓
Белок А через цепочку разных взаимодействий приводит к усиленному делению клеток.
↓
Со временем в клетках синтезируется и накапливается некая специальная короткая РНК Б, которая нарезается на мелкие фрагменты — те самые микроРНК, — и каждый из фрагментов выступает в роли «пальца», нажимающего на разные части «выключателя» внутри РНК А.
↓
В результате матричная РНК белка А быстро разрушается, не успев запустить его синтез. При этом производство новых матричных РНК продолжается как и раньше — только время их жизни существенно сокращается. Падает и итоговое количество белка в клетке, его активность и активность последующего каскада событий, запускаемого белком.
Обзорная лекция Девида Бартела о мире малых клеточных РНКScience Communication Lab
Влияние, которое открытие нобелевских лауреатов — 2024 оказало на науку
То, что обнаружили Эмброс и Равкун, поначалу казалось странным исключением из правил. Исключением, которое портит простую и логичную схему регуляции активности генов, которая впервые была обнаружена у бактерий и вирусов.
Нужно повысить активность гена — привлеките факторы транскрипции, сделайте больше РНК, получите больше белка на выходе. Нужно снизить — заблокируйте транскрипцию, и белка постепенно станет меньше. Здесь же мы постоянно синтезируем РНК только для того, чтобы потом разрушить, — и в этом заключается регуляция активности. Это не только нелогично, но и недешево с точки зрения энергетических затрат на синтез РНК. Система регуляции активности генов на основе микроРНК кажется максимально странной и расточительной.
И тем не менее она существует повсеместно. Эксперименты, которые последовали за открытием Эмброса и Равкуна, показали: микроРНК возникли очень давно и распространены почти у всех многоклеточных организмов.
Считается, что у животных такая система регуляции активности генов стала развиваться в момент возникновения двусторонне-симметричных животных: у червей, насекомых, моллюсков и человека она активно работает, а вот у мeдyз, кораллов и актиний — нет (хотя гены, ее составляющие, есть и у них). Аналогичная система регуляции есть у растений — возможно, ее возникновение происходило несколько раз независимо в ходе эволюции.
Если посмотреть на эволюционное дерево и собрать общие для разных животных семейства микроРНК, то несколько общих семейств найдется даже между червем и человеком. Это означает, что «абсурдная» система регуляции не исключение, она достаточно важна для организмов, чтобы сохраняться в ходе эволюции в течение даже не миллионов, а миллиардов лет.
Чем ближе организмы друг к другу, тем больше между ними будет общих семейств микроРНК. Например, между человеком и рыбкой данио-рерио найдено (на 2014 год) 87 семейств, а между человеком и мышью — уже 153. Самое интересное при этом, что чем новее семейство микроРНК, тем на более поздних этапах развития эмбрионов оно работает. И наоборот: самые консервативные и древние микроРНК включатся на самых ранних этапах развития организмов.
Открытие микроРНК на несколько лет предшествовало открытию явления РНК-интерференции. Но нынешним лауреатам пришлось гораздо дольше ждать с нобелевским признанием: премию за интерференцию присудили еще в 2006 году. РНК-интерференция — отличный, хотя и очень похожий способ регуляции активности генов. Если, конечно, полное выключение можно назвать регуляцией — РНК-интерференция приводит к быстрому уничтожению целевой РНК.
Интерференция возникла в ходе эволюции почти наверняка гораздо раньше, чем система микроРНК, и выполняла задачи попроще и поважнее — боролась с вирусами и мобильными генетическими элементами. Система РНК-интерференции распространена гораздо шире и встречается у всех организмов. В ходе эволюции некоторые ее элементы, исходно используемые для противовирусной защиты, стали основой уже совсем другой системы регуляции — на основе микроРНК. Которая, как мы видим, оказалась способна не бороться с вирусами, а управлять сложным эмбриональным развитием многоклеточных животных — пусть и не самым изящным с точки зрения человеческой логики образом.
Если все-таки остановиться на этой неизящности и нелогичности и вернуться к началу этого рассказа, то можно отметить следующее. Красота биологии в том, что она никогда не становится физикой и всякий раз обманывает любой инженерный подход. Даже когда порой кажется, что все понятно и логично, как было в середине 1950-х. Эволюция неизбежно ведет к накоплению сложности (хоть и не вполне ясно, как это происходит), а сложность возникает из пула исключений и исправлений — всего того, что инженерный подход склонен отметать как что-то «мусорное» и не имеющее отношения к делу.
Так случилось и с геномом. Первоначально казалось, что ничто в нем не имеет значения, если только из него не синтезируется белок — или хотя бы не участвует в этом синтезе, как рибосомные и транспортные РНК. Постепенно, с открытием микроРНК, малых интерферирующих РНК и многих других типов этой молекулы оказалось, что реальность клетки устроена гораздо сложнее. Те элементы, которые казались мусорными, порой обретали жизненно важное значение.
Порой, но не всегда — и это тоже важная для понимания вещь. На самом деле ученые даже сейчас не могут сказать, сколько именно микроРНК существует у человека, мыши или любого другого организма. Мы не знаем, сколько из них играют какую-то роль и влияют на жизнь клетки, а сколько просто синтезируются и плавают внутри клетки как океан потенциальных регуляторных систем, которые еще не стали чем-то функционально значимым. Четкой границы между «важной» и «неважной», «мусорной» и «функциональной» частями генома не существует. Биология изучает жизнь, а в ней вообще четких правил и абсолютных схем не бывает.
Другие истории:
Я живу без желудка. Мне пришлось заново учиться есть. Но самым сложным оказалось принять свое новое тело
Я обеднела после 2022 года. Я покупала брендовые сумки и летала за границу на выходные. Теперь мне хватает только на самое необходимое
Тайна семьи: 6 странных смертей за 14 лет вынудили брата и сестру провести собственное расследование
Пьяный военный — это теперь едва ли не худший пассажир, судя по рассказам проводников
В моей квартире живет 21 кот. Я трачу на них больше 100 тысяч в месяц
