Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома

Ученые манипулировали такими искусственно культивируемыми ЭС-клетками, намеренно прекращая экспрессию примерно 150 из длинных некодирующих РНК, которые расположены вдалеке от каких бы то ни было известных нам генов, кодирующих белки. В ходе каждого эксперимента подавляли экспрессию всего одной длинной некодирующей РНК. Обнаружилось, что в десятках случаев достаточно выключить всего одну длинную некодирующую РНК. чтобы ЭС-клетки утратили плюрипотентность и дифференцировались, давая клетки иных типов. Экспериментаторы проанализировали, какие гены экспрессируются до и после такого подавления длинных некодирующих РНК. Выяснилось, что свыше 90% этих РНК прямо или косвенно контролируют экспрессию генов, кодирующих белки. Во многих случаях отключение одной длинной некодирующей РНК влияло на экспрессию сотен генов, кодирующих белки. Причем почти всегда речь шла о генах, расположенных вдали от подавляемой РНК, а не вблизи.

Те же исследователи провели и обратный эксперимент. Они подвергли ЭС-клетки воздействию вещества, которое (как было известно заранее) вызывает дифференциацию. Затем проанализировали экспрессию в интересующем их классе длинных некодирующих РНК. Выяснилось, что экспрессия примерно 75% этих РНК падала по мере того, как клетки утрачивали плюрипотентность и проявляли готовность к дифференциации. Эти два набора данных вполне согласуются с гипотезой, в которой утверждается, что уровни экспрессии определенных длинных некодирующих РНК действуют как «сторожа», поддерживающие ЭС-клетки в плюрипотентном состоянии¹³. Похоже, эти некодирующие РНК все-таки выполняют в клетке какую-то функцию — по крайней мере, на ранних стадиях развития организма.

Некоторые длинные некодирующие РНК могут оказывать влияние и на более поздние стадии развития. Мы уже встречались с Hox-генами в главе 4 — они играют важную роль при формировании частей тела. Именно мутация этих генов у дрозофил может приводить к необычным последствиям: скажем, на головке мушки вырастают лапки. Hox-гены располагаются в геноме кластерами. Эти области необычайно богаты длинными некодирующими РНК, однако в них мало древних вирусных повторяющихся последовательностей. Ученым очень хотелось выяснить, влияют ли длинные некодирующие РНК на деятельность Hox-генов, расположенных на том же участке генома. Для этого исследователи применили методику, уменьшающую экспрессию определенной длинной некодирующей РНК в области расположения Hox-генов у зародышей цыплят. Уменьшение экспрессии этой РНК привело к тому, что развитие конечностей у зародышей пошло не так, как полагается. Кости ближе к концам конечностей оказались аномально короткими¹⁴. Похожий результат: подавление экспрессии другой длинной некодирующей РНК в аналогичном геномном регионе мышей привело к неправильному формированию костей позвоночника и запястий¹⁵. Эти результаты говорят о том, что длинные некодирующие РНК играют важную роль как регуляторы экспрессии Hox-генов, а следовательно, и как регуляторы развития конечностей.

Длинные РНК и рак

Онкологические процессы можно считать в каком-то смысле оборотной стороной процессов развития. Одна из проблем при раковых заболеваниях — в том, что зрелые клетки могут меняться, вновь обретая некоторые характеристики менее специализированных клеток, и их способность к неуправляемому делению возрастает. Если вспомнить, какую важную роль играют длинные некодирующие РНК в плюрипотентности и развитии организма, мы вряд ли удивимся, узнав, что некоторые из них теперь связывают с онкологическими процессами.

В рамках одного из масштабных исследований анализировалась экспрессия длинных некодирующих РНК в более чем 1300 отдельных злокачественных опухолях четырех типов рака (простаты, яичников, разновидности опухоли мозга (глиобластомы) и особой формы рака легких). У пациентов, умиравших от этих болезней, обнаружили примерно сотню длинных некодирующих РНК с высокими уровнями экспрессии. Девять из этих РНК демонстрировали связь с онкологическими заболеваниями вне зависимости от того, какой тип рака исследовался. А значит, они могли бы, вероятно, служить более общими индикаторами, позволяющими предсказывать шансы пациента выжить¹⁶.

Для трех из этих типов рака (рак простаты оказался исключением) в ходе того же исследования обнаружилось, что можно выявить длинные некодирующие РНК, отличающие один подкласс опухолей от другого. К примеру, у рака яичников существует целый ряд разновидностей, выделяемых в зависимости от того, какие типы клеток затрагивает болезнь. Это влияет как на «историю» развития опухоли у пациента, так и на прогнозы, которые делают врачи, и на выбор методик лечения. Возможно, в будущем анализ экспрессии определенных длинных некодирующих РНК в пробах биоматериала, взятого из опухолей, поможет медикам выбирать оптимальную стратегию лечения каждого отдельного пациента.