Рис. 1. Виктор Эмброс (слева) и Гэри Равкан (справа) — лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2024 год. Фото с сайтов umassmed.edu и dms.hms.harvard.edu
В этом году Нобелевский комитет присудил премию по физиологии и медицине американским биологам Виктору Эмбросу (Victor Ambros) и Гэри Равкану (Gary Ruvkun) «за открытие микроРНК и их роли в посттранскрипционной регуляции генов». Фактически премия была вручена за открытие в области фундаментальной биологии: микроРНК необходимы для специализации дифференцировки клеток в сложных организмах многоклеточных эукариот. Однако прямого медицинского применения это открытие пока не нашло.
В конце 1980-х годов Виктор Эмброс (Victor Ambros) и Гэри Равкан (Gary Ruvkun) работали в лаборатории Роберта Хорвица — молекулярного генетика, который впоследствии, в 2002 году, сам получил Нобелевскую премию за открытие генов, регулирующих запрограммированную смерть клетки.
Рис. 2. Взрослая нематода Caenorhabditis elegans. Ядра всех клеток визуализированы за счет окраски техасским красным. C. elegans стала использоваться в качестве модельного объекта в биологии, начиная с 1960-х годов. Пионер в этой области Сидней Бреннер стал в 2002 году лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине. Подробнее об истории «приручения» C. elegans можно прочитать в статье Модельные организмы: нематода. Фото с сайта en.wikipedia.org
Эмброс и Равкан изучали мутантных особей нематоды Caenorhabditis elegans — маленького круглого червя, который всего за два десятилетия до того был освоен биологами в качестве модельного объекта. У этого червя мало клеток (около тысячи), судьба каждой из них — даже нейронов! — хорошо прослеживается, к тому же все тело у него прозрачное. Это сделало нематоду очень удобным организмом для изучения фундаментальных молекулярно-биологических процессов, управляющих развитием животных (рис. 2).
Эмбросу и Равкану достался проект по изучению системы из двух генов, ранее идентифицированных лабораторией Хорвица. Еще в 1970-х годах в ходе очередного скрининга мутаций был обнаружен интересный фенотип: мутация в гене lin-4 радикально нарушала развитие червя. Многие клетки и ткани у него отсутствовали, включая ткани вульвы. При этом у червей с мутацией в организме накапливались яйца, несмотря на то, что им нечем было их откладывать (рис. 3). Все выглядело так, что в организме червя-мутанта программы развития некоторых тканей запускаются раз за разом по кругу — вместо того, чтобы сработать однократно в положенное время. До исследований Эмброса и Равкана удалось лишь выяснить, что ген lin-4 регулирует активность другого гена, lin-14, мутации в котором приводят к остановке развития на стадии личинки.
Рис. 3. Нематода Caenorhabditis elegans: дикий тип (вверху), набитый яйцами мутант по гену lin-4 (в середине) и навсегда застрявший на стадии личинки мутант по гену lin-14 (внизу). Изображение с сайта nobelprize.org
В ходе своих исследований Эмброс и Равкан открыли, что продукт гена lin-14 — это ядерный белок, экспрессирующийся на одной из стадий развития червя. Его экспрессия менялась как при мутациях в самом lin-14, так и при мутации в гене lin-4, — которая была идентифицирована всего одна, при том что для lin-14 в каталоге лаборатории присутствовало несколько мутаций. Кроме того, когда Эмброс и Равкан попытались определить местоположение гена lin-4 на хромосоме, его открытая рамка считывания оказалась неожиданно короткой. Транскрибированная с этого участка РНК явно не могла кодировать какой-либо функциональный белок! Это навело исследователей на мысль, что этот участок ДНК не кодирует белок, а выполняет регуляторную роль.
Это предположение удалось подтвердить с помощью изящного эксперимента. В кодирующем белок гене удаление или вставка одного нуклеотида смещает все триплеты генетического кода на одну позицию, что затрагивает каждую аминокислоту в белке, меняя ее на какую-то другую. Вместос взяногот екстап олучаетсяп олнаяб ессмыслица. Понятно ли вам предыдущее предложение? Скорее всего, смысл вы поняли, но каждое слово в нём — просто набор букв. Вот и белок получается нефункциональным. Такая мутация называется сдвигом рамки считывания. Но если продукт гена — РНК, у которой нет свойства триплетности, то аналогичная мутация может не лишить ее функциональности. Ген lin-4 оказался устойчив к сдвигу рамки считывания — это подтвердило реализацию его функции не через белок, а через РНК.
Последним кусочком мозаики стало обнаружение в гене lin-14 мутации c приобретением функции (gain-of-function): делеция в нетранслируемом регионе с 3-конца (3-UTR) приводила к повышению экспрессии гена lin-14 от 4 до 7 раз и потере управления со стороны lin-4. Этот регион и был местом связывания для РНК lin-4.
В общих чертах механизм действия lin-4 довольно прост: продуктом этого гена служит очень короткая РНК, которая не транслируется в белок. Вместо этого она связывается с белок-кодирующей РНК lin-14, блокируя ее трансляцию и облегчая связывание с белками, запускающими ее разрушение. При мутации в гене lin-4 этот тормозящий механизм «ломается», и сразу во многих тканях процессы дифференцировки, управляемые белком lin-14, запускаются не в свое время. В результате до развития некоторых органов (типа вульвы) дело так и не доходит. Зато, например, яйца начинают штамповаться десятками, невзирая на то, что их еще некуда выводить.
Ген lin-4 оказался первым открытым геном, кодирующим микроРНК. Истинный масштаб распространения микроРНК стал понятен несколькими годами позже, когда в лаборатории Гэри Равкана открыли еще одну микроРНК — let-7 (B. Reinhart et al., 2000. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans). У червя она, как и многие другие микроРНК, обеспечивает запуск процессов развития в правильное время, то есть работает своеобразным «таймером» клеточных процессов (V. Ambros. 2008. The evolution of our thinking about microRNAs). Ее гомологи обнаружились почти у всех животных. Стало понятно, что микроРНК — фундаментальный механизм регуляции развития клеток у многоклеточных эукариот.
В 2001 году в своем кратком обзоре в журнале Science Гэри Равкан упоминает уже 100 открытых «маленьких РНК» и тогда же вводит для них ставший общепринятым термин — микроРНК (G. Ruvkun, 2001. Glimpses of a Tiny RNA World). Сейчас только у человека открыто около 1800 микроРНК, и их число продолжает прибывать. Помимо животных, они описаны почти у всех многоклеточных эукариот, включая растения. Однако микроРНК растений и животных эволюционно не родственны друг другу и развились независимо, поэтому даже связывание с РНК-мишенью у них устроено немного по-разному. Несмотря на это, все микроРНК представляют собой очень короткие РНК длиной примерно 22 нуклеотида, и все они связываются с 3-UTR мРНК-мишеней (рис. 4). Обычно это приводит к блокированию трансляции и запуску разрушения мРНК, но в некоторых случаях может приводить к активации трансляции за счет активности белков, присоединяющихся к комплексу микроРНК-мРНК (см. статью МикроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров). Мишенями микроРНК обычно являются РНК, транскрибированные с генов, кодирующих важные для развития белки.
Рис. 4. Процессы, происходящие при связывании микроРНК (оранжевая) с мРНК, кодирующей белок (алая). Стоит микроРНК связаться с мРНК, как к образовавшемуся комплексу присоединяются белки, разрушающие мРНК. Это — а вовсе не механическая блокировка трансляции — является основным механизмом деактивации мРНК под действием микроРНК. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org
У одноклеточных эукариот микроРНК есть, но только у некоторых видов и единичные в геноме. Чем организм сложнее, тем больше у него микроРНК — сильнее всего их количество коррелирует с многоклеточностью. С появлением многоклеточности в разных линиях эукариот микроРНК возникали независимо, и эта конвергентная эволюция происходила минимум несколько раз: не только у растений и животных, но даже у слизевиков с их довольно простой агрегативной многоклеточностью (J. Tarver et al., 2015. microRNAs and the evolution of complex multicellularity: identification of a large, diverse complement of microRNAs in the brown alga Ectocarpus; B. Edelbroek et al., 2024. Evolution of microRNAs in Amoebozoa and implications for the origin of multicellularity). А начало эволюции позвоночных сопровождалось всплеском появления новых микроРНК — не имеющим аналогов в эволюции хордовых (A. Heimberg et al., 2008. MicroRNAs and the advent of vertebrate morphological complexity).
Вопрос о том, что было раньше — микроРНК или многоклеточность — сродни извечному вопросу о курице и яйце. Переход от одноклеточных форм к многоклеточным требует приобретения сложного аппарата для дифференцировки клеток — а для нее, в свою очередь, необходимы средства «включения» и «выключения» отдельных генов или их групп. С другой стороны, пока клетки не начали жить и работать сообща, нет самой потребности в регуляции и давления отбора в ее сторону. МикроРНК — это не единственные известные «выключатели» генов. Например, существует множество транскрипционных факторов — белков, которые управляют транскрипцией генов, действуя на этапе копирования информации с ДНК на мРНК. МикроРНК — это дополнительный «слой» регуляции активности генов уже на уровне трансляции — то есть синтеза белка. Тот факт, что разные группы эукариот приходили независимо к столь похожему решению, позволяет предположить, что этот «слой» регуляции необходим для полноценной дифференцировки, и одних только транскрипционных факторов недостаточно.
Так как эволюционный переход к многоклеточности не был одномоментным событием, микроРНК, видимо, появлялись одновременно с морфологическим усложнением и разрастанием остальных систем регуляции — протеинкиназ, мембранных рецепторов, транскрипционных факторов. В общем, открытие микроРНК — это прежде всего про устройство самой основы живого мира. Про то, как и благодаря чему он становился многоклеточным.
Продолжаются нескончаемые попытки как-то использовать микроРНК в медицинском ключе. Есть исследования по их связи с патогенезом различных заболеваний и применению в качестве биомаркеров, но пока больших прорывов в этой области не было. С использованием микроРНК в лечении заболеваний и разработке лекарств все еще сложнее, о чем в своем комментарии газете «Троицкий вариант» напоминает д. б. н., биоинформатик Михаил Гельфанд:
«Все стали спрашивать: насколько открытие микроРНК применимо в медицине, на практике? Я ненавижу этот вопрос. Прежде всего это открытие — очень хорошая, очень красивая биология. Мы знаем, что есть медицинские состояния, связанные с нарушениями в работе микроРНК. Но, скажем, мишенью для лекарств они быть не могут, потому что обычно микроРНК регулирует работу большого количества генов. И если вы начнете что-то специально с ней делать, вы сразу очень много на что повлияете. С медицинской точки зрения это не очень хорошо. Но для понимания того, как работает клетка, открытие микроРНК очень существенно. А мы знаем из жизненного опыта человечества, что любое хорошее понимание рано или поздно оказывается полезным».
Ценность открытия микроРНК — по крайней мере, на данный момент, — не в медицинском применении, а в возможности приблизиться к ответу на интригующий вопрос: как вообще возникли и существуют настолько сложные многоклеточные организмы, если во всех их клетках присутствует одинаковый набор генов? Но, тем не менее, на первый взгляд может показаться, что биологи отобрали Нобелевскую премию у медиков — что, конечно, не так. Просто во времена, когда Альфред Нобель учреждал свою премию, наука была совсем другой. «Конечно, наука молекулярная биология во времена Нобеля просто не существовала, поэтому выделить ее в отдельную номинацию он не мог», — комментирует Михаил Гельфанд. — «В микроскоп тогда, конечно, смотрели, но клеточной биологии в нашем понимании тоже еще не было. Молекулярная биология выросла в щели между физиологией, медициной и химией и постепенно их почти полностью заполонила». Так что фундаментально-биологическая Нобелевская премия просто отражает общую логику развития науки — как и вручение Нобелевских премий по физике и химии за работы в области нейросетей. Если XX век был веком физики и химии, то XXI век становится веком биологии и информатики. И решения Нобелевского комитета полностью следуют этой тенденции.
Георгий Куракин
Источник: https://elementy.ru/