30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину

Генетический код, хранящийся в ДНК, содержит все необходимые сведения о структуре белков. Инструкции, содержащиеся в ДНК, копируются в мРНК и затем используются для синтеза белков. Этот поток генетической информации от ДНК через мРНК к белку британский ученый и лауреат нобелевской премии Фрэнсис Крик назвал центральной догмой молекулярной биологии. Ведь белки участвуют во всех жизненных процессах: как ферменты они переваривают пищу, как рецепторы – принимают сигналы мозга, как антитела – защищают нас от бактерий.

Наш геном состоит примерно из 30 000 генов, но в каждой клетке используется только часть из них. Какие гены будут участвовать в синтезе новых белков (то есть экспрессироваться) контролирует молекулярная машина, которая снимает с ДНК мРНК-копию в процессе, называемом транскрипцией. Это, в свою очередь, может зависеть от различных факторов. Основополагающие принципы регулирования экспрессии генов более 50 лет назад открыли лауреаты Нобелевской премии французы Жак Моно и Франсуа Жакоб. Эти принципы одинаковы для всех живых организмов – от бактерий до людей.

В начале 1990-х годов проводившие эксперименты молекулярные биологи получили ряд неожиданных результатов, которые никто не мог объяснить. Самые поразительные эффекты наблюдали ученые, занимавшиеся биологией растений. Они пытались сделать цвет лепестков петунии более интенсивным и для этого вводили в ДНК растения ген, вызывающий образование красного пигмента в цветах. Однако цвет петуний не стал интенсивнее, он просто пропал, лепестки стали белыми! Механизм, вызвавший этот эффект, оставался загадочным до тех пор, пока молекулярные генетики из США Эндрю Файер и Крейг Мелло не совершили «открытие РНК-интерференции – гашения активности генов с помощью двухцепочечной РНК», за которое получили в 2006 году Нобелевскую премию.

Файер и Мелло изучали, как экспрессия генов регулируется у червей. Сначала ученые вводили им мРНК, кодирующую мышечный белок, и наблюдали поведение червей. Оно не отличалось от обычного.

Затем Файер и Мелло сделали другой группе червей инъекцию, содержащую мРНК с последовательностью нуклеотидов, комплементарной первой, так называемую антисмысловую мРНК. Ее можно сравнить с зеркальным отражением первой мРНК – смысловой.

Инъекция антисмысловой РНК также не повлияла на поведение червей. Но после того, как Файер и Мелло ввели смысловую и антисмысловую РНК одновременно, они заметили, что черви стали совершать странные резкие движения. Такое поведение ученые до того наблюдали у червей, полностью лишенных гена, который кодирует мышечный белок. Что же произошло?

Смысловые и антисмысловые молекулы РНК встретились. Они связались друг с другом (так как были комплементарны) и образовали двухцепочечную РНК. Может ли быть так, что молекула двухцепочечной РНК подавила активность гена, содержавшего тот же код, что и эта самая РНК? Файер и Мелло подтвердили эту гипотезу, введя молекулы двухцепочечной РНК, кодирующие нескольких других белков червя. В каждом эксперименте инъекция двухцепочечной РНК приводила к замалчиванию гена, содержавшего именно соответствующий введенной РНК код в одноцепочечной РНК. Белок, кодируемый этим геном, больше не синтезировался.

Такое замалчивание гена с помощью молекулы РНК и называется РНК-интерференцией, а РНК называется интерферирующей.

После серии экспериментов Файер и Мелло пришли к двум выводам. Первый: двухцепочечная РНК может заглушать гены, код которых соответствует коду молекулы введенной РНК. Второй: интерферирующие РНК могут передаваться от клетки к клетке и даже наследоваться. При этом для значительного подавления гена требовалось крошечное количество соответствующей ему интерферирующей РНК.

Файер и Мелло опубликовали результаты своего исследования в журнале Nature в 1998 году. Их открытие прояснило многие запутанные и противоречивые экспериментальные наблюдения и объяснило естественный механизм контроля над потоком генетической информации. Так в генетике появилась новая область исследований.

В последующие годы были установлены все компоненты механизма РНК-интерференции. Двухцепочечная РНК связывается с белковым комплексом Dicer (от англ. dice – нарезать), расщепляющим ее на фрагменты. Другой белковый комплекс, RISC (RNA-induced silencing complex – РНК-индуцируемый замалчивающий комплекс), связывает эти фрагменты. Одна из нитей РНК удаляется, но другая остается связанной с комплексом RISC и служит в качестве зонда для обнаружения молекул матричной РНК (мРНК). Когда молекула мРНК комплементарно связывается с фрагментом РНК на белковом комплексе RISC, он распознает ее и расщепляет, после чего мРНК деградирует, то есть распадается на малые фрагменты. Белок, кодируемый этой мРНК, не экспрессируется – ген замалчивается!