Гены под влиянием
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2024 года присуждена Виктору Эмбросу (Массачусетский университет, США) и Гэри Равкану (Гарвардский университет, США) «за открытие микроРНК и её роли в посттранскрипционной регуляции генов».
У каждого человека, и не только у человека, во всех клетках тела одинаковые гены, поскольку все они — потомки одной-единственной оплодотворённой яйцеклетки. Разумеется, в ДНК со временем появляются мутации, но если говорить о нормальном, здоровом состоянии, то эти мутации на облике генов особо не сказываются. И если взять, к примеру, нервную клетку из головного мозга и инсулиновую клетку из поджелудочной железы, в них присутствует один и тот же инсулиновый ген, точнее, два его варианта-аллеля, один от матери, другой от отца. Но клетка поджелудочной железы этот инсулин синтезирует и выделяет наружу, а нейрон — нет. То есть, будучи одинаковы по генам, клетки очень сильно отличаются по функциям. Легко понять, что в разных клетках в разное время работают разные гены. Но вот выяснить конкретный механизм генетической регуляции уже намного сложнее.
Управление генами
Как вообще можно регулировать генетическую активность? Для простоты будем под генами иметь в виду те участки ДНК, которые кодируют белки. Нужно немного вспомнить, как информация с ДНК становится белком. На самой ДНК белок синтезировать нельзя, поэтому информация о белке копируется с гена в матричную РНК (мРНК). Синтез РНК на ДНК называется транскрипцией, его выполняют специальные белковые машины. Эти машины могут работать более активно или менее активно, могут вообще игнорировать какой-то ген. Тут очень многое зависит от особых белков, которые называются транскрипционными факторами и которые связываются со специальными регуляторными ДНК-последовательностями. Транскрипционные факторы могут стимулировать или подавлять синтез РНК. Белки, садящиеся на ДНК и управляющие началом (инициацией) транскрипции, стали первым описанным механизмом регуляции активности генов*. Транскрипционных факторов к настоящему времени открыто уже очень много, хотя нельзя сказать, что все они досконально изучены; некоторые из них управляют сразу целой пачкой генов, а некоторые более специализированны.
* За открытие этого механизма в 1965 году Нобелевской премии по физиологии и медицине были удостоены Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андре Львов.
Другой вариант регуляции — закрыть ДНК от белков, занимающихся транскрипцией. Тут можно добавить химических меток на саму ДНК или плотно упаковать её с помощью специальных белков-упаковщиков — оба механизма относятся к так называемой эпигенетической регуляции активности генов (см. статью «Эпигенетика: стресс (не) по наследству», «Наука и жизнь» № 9, 2024 г.).
У эукариотических организмов матричная РНК (как и любая другая РНК) синтезируется в ядре и тут же в ядре подвергается дополнительным превращениям, без которых она не сможет выполнять свою функцию. Например, у неё определённым образом модифицируются оба конца молекулы, и, что самое главное, в ней перетасовываются блоки генетического текста — некоторые куски вырезаются, а оставшиеся сшиваются друг с другом в том или ином порядке. Такое переформатирование называется сплайсингом; говорить о нём подробно мы не будем, отметим только, что все эти процессы могут регулироваться и, следовательно, влиять на итоговую активность гена.
Но вот готовая мРНК выходит из ядра в цитоплазму. Здесь с ней начинают работать белоксинтезирующие машины рибосомы и многочисленные вспомогательные молекулы — начинается трансляция, или синтез белка. Синтез белка можно регулировать, действуя на белоксинтезирующий (трансляционный) аппарат — на вспомогательные белки, которые называются факторами трансляции, на сами рибосомы и т. д. А можно действовать на саму мРНК. Например, сделать так, чтобы машины трансляции с ней не взаимодействовали, или вообще сократить срок жизни мРНК, натравить на неё ферменты, которые её расщепляют. И вот тут на сцене появляются микрорегуляторные РНК, за которые в этом году дали Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Черви и микроРНК
Микрорегуляторные РНК, или микроРНК, были открыты на нематоде Caenorhabditis elegans — этот круглый червь вместе с дрозофилой, дрожжами и некоторыми другими организмами стал настоящей «рабочей лошадкой» в биологии, особенно в её клеточных и молекулярно-генетических областях. Ещё в 70-е годы прошлого века у C. elegans получили мутанта, которого назвали lin-4. У червей lin-4 не было некоторых типов клеток и некоторых структур тела, и в целом они выглядели так, как будто у них без конца проигрывается личиночная стадия развития. Lin-4 одновременно обозначает и мутанта, и область в геноме, в которую попадают мутации, приводящие к таким эффектам, — судя по всему, в участке lin-4 было закодировано нечто, определяющее смены жизненных стадий в развитии червя. Позже был получен другой мутант, названный lin-14. Черви lin-14 получались очень маленькими, при этом у них отсутствовала личиночная стадия — мутанты lin-14 выглядели как противоположность мутантам lin-4. Однако и в случае lin-14 аномалии были явно того же рода, что и у lin-4, — их причина была в сбитых стадиях развития. Такие мутанты называются гетерохронными: клетки разных типов формируются у них не вовремя и с неправильной скоростью, а некоторые стадии развития могут либо повторяться, либо выпадать из жизненного цикла.
