Как подавить восстание генов, или некоторые работы В.А. Гвоздева
Как работают биологи? Какой смысл в исследованиях мышей, мух, червяков? Исследуя червяка, биологи хотят понять, как он живет. Для этого обычно сравнивают жизнь больного и здорового червяка. Пытаются выяснить, что делает червяка больным той или иной болезнью. Ведь только тогда можно будет понять, отчего болеет человек. Потому что червяк и человек в общем-то похожи. А именно, оба они живые, их организмы состоят из клеток; информация об их отличительных (наследуемых) признаках содержится в каждой клетке в виде генов, значительное число которых у них сходно.
Ген представляет собой фрагмент ДНК. Всю ДНК клетки (генОм) можно представить себе как текст, или свод инструкций по построению белков - а через них, и всего организма. Такой текст у человека организован в 23 тома, подобно симфонии в 23 частях. Генов, служащих инструкциями для выработки (как говорят, экспрессии) определенных белков, в геноме человека насчитывается около 25 тысяч. Это уникальные гены, не похожие один на другой. Например, есть гены для выработки белка гемоглобина, отвечающего за связывание кислорода в легких и транспорт его по крови к органам; есть гены кератина, служащего основным компонентом волос и ногтей.
Важно, что в геноме записаны не только инструкции по изготовлению белков, но и инструкции об их количестве, необходимом для здорового организма. То есть, как и в симфонии, есть символы, говорящие о том, что некоторые звуки необходимо играть громко, а для некоторых требуется тихое исполнение. Если ген работает сильнее, то есть дает больше инструкций, то белка вырабатывается больше, и процессы с его участием идут интенсивнее. Например, в специализированных (дифференцированных) клетках крови гены гемоглобина работают усиленно, а в специализированных клетках кожи гены гемоглобина подавлены. В клетках раковой опухоли начинают функционировать те гены (так называемая группа онкогенов), которые нехарактерны для специализированных клеток, из которых опухоль происходит; это приводит к потери специализации таких клеток, их ускоренному делению и росту опухоли. Поэтому целью современной противораковой терапии часто является подавить восстание вышедших из-под контроля генов.
Давно известно, что ген не непосредственно служит инструкцией для белка: сначала с гена образуется копия в виде РНК, служащей промежуточным переносчиком генетической информации. По сути, это соответствующий гену фрагмент текста, как откопированный листок с несколькими тактами музыкального произведения. Вот тут-то и возникает возможность - через регулирование количества промежуточного переносчика информации (РНК) - влиять на количество будущего белка, то есть регулировать экспрессию гена:
Для того чтобы решить такую задачу, необходимы серьезные исследования в фундаментальной области науки, называемой молекулярной биологией. Некоторое количество лет ученые думали над проблемой направленного подавления генов. Существовал ряд методов, которые были трудоемкими или не очень эффективными и поэтому не могли широко применяться для моделирования болезней человека на животных и в конечном итоге для лечения болезней человека.
Около 15 лет назад все изменилось. И не беда, что работа в фундаментальной науке иногда внешне похожа на игру, на действия методом проб и ошибок. На самом деле она всегда базируется на более ранних исследованиях. И хотя ее результаты, на первый взгляд, не имеют применения, оно может возникнуть через несколько лет при накоплении некоторого количества знаний. Целью научных исследований как раз является получение знаний о мире, о человеке. Ученые - люди, нацеленные на результат, практическая значимость которого сильно отложена во времени, иногда даже до следующих поколений. Но, несмотря на это, энтузиазм и мотивацию они черпают в искреннем интересе к миру вокруг нас. Как же было сделано открытие, имеющее сейчас громадный исследовательский и терапевтический потенциал?
Как мы помним, червяк похож на человека, в частности, тем, что у него есть ряд генов, необходимых для движения мышц. Ученые попытались вызвать у червяка болезнь мышц, подавив один из таких генов. Для этого укололи червяка иголкой с раствором РНК, похожей на один из них. Да, червяк начал не так плавно двигаться, но эффект не был сильным. Исходя из этого эксперимента и нескольких предыдущих работ, ученые догадались, что двухцепочечная РНК может подействовать намного сильнее, и решили попробовать. Действительно, после ввода двухцепочечной РНК, червяк стал очень плохо двигаться, сильно трястись! В итоге через несколько лет имеем Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2006 год.
Итак, двухцепочечная РНК сильно подавляет работу выбранного гена. Этот процесс назвали РНК-интерференцией. Важно, что таким образом можно воздействовать на ген избирательно: мы можем взять РНК для определенного гена, сделать ее двухцепочечную версию и ввести ее в организм червяка. Впоследствии оказалось, что действующим началом здесь является не сама двухцепочечная РНК: сперва любая введенная длинная двухцепочечная РНК расщепляется в клетке на короткие РНК. Что же делают короткие РНК? Сначала короткие РНК находят подобную себе РНК, скопированную с определенного гена. Затем они связываются с ней, что приводит к ее разрезанию. Таким образом, РНК определенного гена становится меньше. За счет этого количество определенного белка снижается или он перестает вырабатываться совсем:
Вслед за такой искусственной РНК-интерференцией, вызываемой учеными, была открыта естественная РНК-интерференция, происходящая в самом организме. Это было логично: организм животного в здоровом состоянии сам внутри себя поддерживает похожий процесс, чтобы выборочно подавить какие-то гены, чтобы они не мешали другим генам работать на здоровом уровне. В частности, очень важно, чтобы под контролем оставались фрагменты генома, способные к перемещению (они называются мобильными элементами). Ведь если они восстанут и выпрыгнут из старого места пребывания в геноме, они могут нарушить ген, в который они в итоге врежутся! Это особенно критично в половых клетках (яйцеклетках и сперматозоидах). Половые клетки - клетки будущего зародыша. Ясно, что изменение генов там чревато глобальными последствиями для будущего взрослого организма.
Этими вопросами занимается несколько групп по всему миру, в том числе лаборатория биохимической генетики животных под руководством академика В.А. Гвоздева в Институте молекулярной генетики РАН. Именно здесь в 2001 году А.А. Аравиным с коллегами были открыты специализированные короткие РНК (piРНК), которые подавляют мобильные элементы в половых клетках самого организма (здесь и далее ссылки даны на исходные публикации). Хотя piРНК были найдены у плодовой мушки дрозофилы (фото Alex Wild), всего через несколько лет ученые всего мира пришли к тому, что это важнейший класс коротких РНК, существующий в организмах многих животных, в том числе у мышей и у человека. При нарушении образования этих РНК организм становится бесплодным, то есть зародыши у него не рождаются.
После развития исследований несколькими лабораториями мира, группой коллег под руководством В.А. Гвоздева, в том числе М.С. Кленовым и автором этой заметки, была выполнена одна из пилотных работ о том, что короткие piРНК могут воздействовать на состояние ДНК мобильных элементов. Оказалось, что если у организма удалить короткие РНК, то состояние ДНК станет таким, что мобильные элементы будут более активны и, значит, опасны для генома половых клеток. Это говорит о том, что механизм подавления с участием piРНК не так прост и прямолинеен, как думали раньше.
Из работ зарубежных коллег было известно, что один из белков (Piwi), необходимый для успешной борьбы коротких piРНК с мобильными элементами, важен для выживания стволовых клеток. Недавно в нашей лаборатории под руководством В.А. Гвоздева выяснили, что роль Piwi в жизни стволовых клеток никак не связана с короткими РНК. То есть, Piwi представляет собой поистине полифункциональный белок, о котором мы пока многого не знаем. Таким образом, вы видите, что есть еще большое поле для исследований в данной области, чтобы в будущем стало возможным учесть все детали процесса направленного подавления генов и потенциальные побочные эффекты при его терапевтическом применении.
Нужно отметить, что благодаря открытию коротких РНК, в последнее время работа биологов сильно облегчилась: была создана библиотека плодовых мушек дрозофил, у которых нарушены все гены по одному. Это очень мощный инструмент для исследования болезней. Не за горами то время, когда процесс РНК-интерференции можно будет безопасно и эффективно использовать для нарушения работы восставших генов в раковой опухоли или при других болезнях человека, чтобы привести их в прежнее здоровое состояние. Работа по всестороннему изучению процесса РНК-интерференции продолжается: она кипит и в лаборатории В.А. Гвоздева, и ряде лабораторий мира. Хотя многое было и будет сделано, никто не может гарантировать, что исследовательская работа принесет значимые результаты в определенные сроки. Думаю, что когда будут новые открытия в этой области, я вам еще напишу. Если есть вопросы, можно задавать здесь или по электронной почте mailstol[at]yandex.ru, отвечу с удовольствием!
Анастасия Столяренко
младший научный сотрудник Института молекулярной генетики РАН
Ген представляет собой фрагмент ДНК. Всю ДНК клетки (генОм) можно представить себе как текст, или свод инструкций по построению белков - а через них, и всего организма. Такой текст у человека организован в 23 тома, подобно симфонии в 23 частях. Генов, служащих инструкциями для выработки (как говорят, экспрессии) определенных белков, в геноме человека насчитывается около 25 тысяч. Это уникальные гены, не похожие один на другой. Например, есть гены для выработки белка гемоглобина, отвечающего за связывание кислорода в легких и транспорт его по крови к органам; есть гены кератина, служащего основным компонентом волос и ногтей.
Важно, что в геноме записаны не только инструкции по изготовлению белков, но и инструкции об их количестве, необходимом для здорового организма. То есть, как и в симфонии, есть символы, говорящие о том, что некоторые звуки необходимо играть громко, а для некоторых требуется тихое исполнение. Если ген работает сильнее, то есть дает больше инструкций, то белка вырабатывается больше, и процессы с его участием идут интенсивнее. Например, в специализированных (дифференцированных) клетках крови гены гемоглобина работают усиленно, а в специализированных клетках кожи гены гемоглобина подавлены. В клетках раковой опухоли начинают функционировать те гены (так называемая группа онкогенов), которые нехарактерны для специализированных клеток, из которых опухоль происходит; это приводит к потери специализации таких клеток, их ускоренному делению и росту опухоли. Поэтому целью современной противораковой терапии часто является подавить восстание вышедших из-под контроля генов.
Давно известно, что ген не непосредственно служит инструкцией для белка: сначала с гена образуется копия в виде РНК, служащей промежуточным переносчиком генетической информации. По сути, это соответствующий гену фрагмент текста, как откопированный листок с несколькими тактами музыкального произведения. Вот тут-то и возникает возможность - через регулирование количества промежуточного переносчика информации (РНК) - влиять на количество будущего белка, то есть регулировать экспрессию гена:
Для того чтобы решить такую задачу, необходимы серьезные исследования в фундаментальной области науки, называемой молекулярной биологией. Некоторое количество лет ученые думали над проблемой направленного подавления генов. Существовал ряд методов, которые были трудоемкими или не очень эффективными и поэтому не могли широко применяться для моделирования болезней человека на животных и в конечном итоге для лечения болезней человека.
Около 15 лет назад все изменилось. И не беда, что работа в фундаментальной науке иногда внешне похожа на игру, на действия методом проб и ошибок. На самом деле она всегда базируется на более ранних исследованиях. И хотя ее результаты, на первый взгляд, не имеют применения, оно может возникнуть через несколько лет при накоплении некоторого количества знаний. Целью научных исследований как раз является получение знаний о мире, о человеке. Ученые - люди, нацеленные на результат, практическая значимость которого сильно отложена во времени, иногда даже до следующих поколений. Но, несмотря на это, энтузиазм и мотивацию они черпают в искреннем интересе к миру вокруг нас. Как же было сделано открытие, имеющее сейчас громадный исследовательский и терапевтический потенциал?
Как мы помним, червяк похож на человека, в частности, тем, что у него есть ряд генов, необходимых для движения мышц. Ученые попытались вызвать у червяка болезнь мышц, подавив один из таких генов. Для этого укололи червяка иголкой с раствором РНК, похожей на один из них. Да, червяк начал не так плавно двигаться, но эффект не был сильным. Исходя из этого эксперимента и нескольких предыдущих работ, ученые догадались, что двухцепочечная РНК может подействовать намного сильнее, и решили попробовать. Действительно, после ввода двухцепочечной РНК, червяк стал очень плохо двигаться, сильно трястись! В итоге через несколько лет имеем Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2006 год.
Итак, двухцепочечная РНК сильно подавляет работу выбранного гена. Этот процесс назвали РНК-интерференцией. Важно, что таким образом можно воздействовать на ген избирательно: мы можем взять РНК для определенного гена, сделать ее двухцепочечную версию и ввести ее в организм червяка. Впоследствии оказалось, что действующим началом здесь является не сама двухцепочечная РНК: сперва любая введенная длинная двухцепочечная РНК расщепляется в клетке на короткие РНК. Что же делают короткие РНК? Сначала короткие РНК находят подобную себе РНК, скопированную с определенного гена. Затем они связываются с ней, что приводит к ее разрезанию. Таким образом, РНК определенного гена становится меньше. За счет этого количество определенного белка снижается или он перестает вырабатываться совсем:
Вслед за такой искусственной РНК-интерференцией, вызываемой учеными, была открыта естественная РНК-интерференция, происходящая в самом организме. Это было логично: организм животного в здоровом состоянии сам внутри себя поддерживает похожий процесс, чтобы выборочно подавить какие-то гены, чтобы они не мешали другим генам работать на здоровом уровне. В частности, очень важно, чтобы под контролем оставались фрагменты генома, способные к перемещению (они называются мобильными элементами). Ведь если они восстанут и выпрыгнут из старого места пребывания в геноме, они могут нарушить ген, в который они в итоге врежутся! Это особенно критично в половых клетках (яйцеклетках и сперматозоидах). Половые клетки - клетки будущего зародыша. Ясно, что изменение генов там чревато глобальными последствиями для будущего взрослого организма.
Этими вопросами занимается несколько групп по всему миру, в том числе лаборатория биохимической генетики животных под руководством академика В.А. Гвоздева в Институте молекулярной генетики РАН. Именно здесь в 2001 году А.А. Аравиным с коллегами были открыты специализированные короткие РНК (piРНК), которые подавляют мобильные элементы в половых клетках самого организма (здесь и далее ссылки даны на исходные публикации). Хотя piРНК были найдены у плодовой мушки дрозофилы (фото Alex Wild), всего через несколько лет ученые всего мира пришли к тому, что это важнейший класс коротких РНК, существующий в организмах многих животных, в том числе у мышей и у человека. При нарушении образования этих РНК организм становится бесплодным, то есть зародыши у него не рождаются.
После развития исследований несколькими лабораториями мира, группой коллег под руководством В.А. Гвоздева, в том числе М.С. Кленовым и автором этой заметки, была выполнена одна из пилотных работ о том, что короткие piРНК могут воздействовать на состояние ДНК мобильных элементов. Оказалось, что если у организма удалить короткие РНК, то состояние ДНК станет таким, что мобильные элементы будут более активны и, значит, опасны для генома половых клеток. Это говорит о том, что механизм подавления с участием piРНК не так прост и прямолинеен, как думали раньше.
Из работ зарубежных коллег было известно, что один из белков (Piwi), необходимый для успешной борьбы коротких piРНК с мобильными элементами, важен для выживания стволовых клеток. Недавно в нашей лаборатории под руководством В.А. Гвоздева выяснили, что роль Piwi в жизни стволовых клеток никак не связана с короткими РНК. То есть, Piwi представляет собой поистине полифункциональный белок, о котором мы пока многого не знаем. Таким образом, вы видите, что есть еще большое поле для исследований в данной области, чтобы в будущем стало возможным учесть все детали процесса направленного подавления генов и потенциальные побочные эффекты при его терапевтическом применении.
Нужно отметить, что благодаря открытию коротких РНК, в последнее время работа биологов сильно облегчилась: была создана библиотека плодовых мушек дрозофил, у которых нарушены все гены по одному. Это очень мощный инструмент для исследования болезней. Не за горами то время, когда процесс РНК-интерференции можно будет безопасно и эффективно использовать для нарушения работы восставших генов в раковой опухоли или при других болезнях человека, чтобы привести их в прежнее здоровое состояние. Работа по всестороннему изучению процесса РНК-интерференции продолжается: она кипит и в лаборатории В.А. Гвоздева, и ряде лабораторий мира. Хотя многое было и будет сделано, никто не может гарантировать, что исследовательская работа принесет значимые результаты в определенные сроки. Думаю, что когда будут новые открытия в этой области, я вам еще напишу. Если есть вопросы, можно задавать здесь или по электронной почте mailstol[at]yandex.ru, отвечу с удовольствием!
Анастасия Столяренко
младший научный сотрудник Института молекулярной генетики РАН