Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века - Максим Франк-Каменецкий

РНК-интерференция

Как же добиться того, чтобы «немусорная» часть генома тоже не пропадала без дела, а работала на медицину и вообще позволила бы разобраться во всех сложностях работы организма? В этом отношении ситуация в начале 2000-х годов оказалась очень похожей на кризис начала 1970-х, описанный в главе 4. Тогда все уперлось в необходимость аккуратно разрезать ДНК на куски. Произошедший тогда прорыв (открытие рестриктаз) привел в конечном счете к расшифровке генома. Теперь, имея в руках геном, исследователи вновь почувствовали себя беспомощными. Как разобраться во всей этой мешанине из многих тысяч генов? Как узнать, какие гены отвечают за те или иные функции, за те или иные болезни? Неужели опять, как в догеномную эру, вся надежда на выявление мутантов с последующей тяжелейшей работой по анализу мутаций? Зачем же тогда геном? За что боролись?! Но даже если мы точно знаем, какое изменение на уровне ДНК приводит к болезни, лечить-то как? Неужто по старинке, методом тыка, испытывая миллионы разных химических соединений – авось какое-то и подействует? Было от чего впасть в уныние.

И вот, представьте себе, ровно как в случае с кризисом 1970-х, помощь пришла совершенно неожиданно и откуда ее никто не ожидал. Только это было еще более удивительно. Ведь тогда, в начале 1970-х, наука о ДНК, молекулярная биология, была еще молодой и много чего предстояло еще наоткрывать. Другое дело теперь, в 2000-х. Громадная армия исследователей «утюжила» эту область вдоль и поперек в течение полувека. Как же можно было проворонить нечто принципиальное? Выходит, что можно.

То, что так долго не замечали, носит странное название РНК-интерференция, или РНКи (RNAi по-английски). Это та самая система РНКи, о которой речь шла в конце главы 6 в связи с иммунитетом у растений. Эта система, основным элементом которой являются короткие интерферирующие молекулы РНК (киРНК), возникнув у растений как механизм защиты от вирусов, сохранилась в ходе эволюции, хотя у животных она играет другую роль. По-видимому, киРНК принимали за РНКовый мусор, за продукт естественной деградации разных молекул РНК, и потому так долго не обращали на них внимание. Что же в них такого особенного, в этих коротких РНК, почему о них вдруг все заговорили? Более того, все вдруг стали ими заниматься. Дело в том, что киРНК делают в клетке именно то, что нам необходимо научиться делать, чтобы выйти из постгеномного кризиса: они избирательно «глушат» гены.

Делают они это на уровне мРНК; киРНК (они имеют практически строго определенную длину: 21 нуклеотид) связываются, согласно обычному правилу комплементарности, с участком мРНК. Специальные ферменты системы РНКи распознают этот комплекс и деградируют мРНК. Поскольку, как правило, только один тип молекул мРНК, отвечающий какому-то одному белку, имеет участок, комплементарный данной 21-членной РНК, эта киРНК выключает синтез только конкретного белка.

На самом деле все происходит сложнее: киРНК должна быть двухцепочечной, чтобы механизм РНКи работал. Но это детали. Суть в том, что наряду с хорошо известными механизмами регуляции экспресии гена на уровне транскрипции обнаружен новый способ «глушения» экспрессии гена путем деградации уже синтезированной мРНК по механизму РНКи. Прелесть этого нового механизма состоит в том, что ему можно подсунуть искусственную киРНК, последовательность которой выбрана так, чтобы она была комплементарна какому-то участку мРНК того белка, выработку которого экспериментатор желает заглушить. И представьте себе, система РНКи работает с подсунутой искусственной киРНК так же, как с естественной, выключая белок.

Когда весть об успешных экспериментах такого рода, сделанных первоначально на малюсеньком червячке, облетела лаборатории мира, началась подлинная золотая лихорадка. Вот тут-то геномы заработали вовсю. Ведь для того, чтобы узнать, какую последовательность нуклеотидов синтезировать, чтобы «заглушить» выбранный ген, нужно знать ДНКовую последовательность этого гена. За короткий срок наличие системы РНКи и возможность ее использования для избирательного глушения генов были документированы практически для всех растений и животных, включая человека.

Хотя изучение системы РНКи и ее применение находятся на ранней стадии, мало кто усомнится в том, что этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру такую же ключевую роль, какую открытие рестриктаз сыграло в эпоху возникновения генной инженерии и биотехнологии. РНКи открывает воистину необозримые горизонты. Получив в свое распоряжение универсальный способ выключения генов по одиночке и группами, исследователи в лабораториях всего мира всерьез взялись за выяснение функций всех генов генома. Разумеется, эксперименты проводятся на отдельных клетках и на животных, но результаты, как правило, можно перенести на человека из-за большого сходства геномов.

Но и этого мало. Возникли биотехнологические фирмы, которые разрабатывают подходы к прямому использованию киРНК в медицине. Ведь потенциально система РНКи сулит человечеству совершенно новый класс лекарств. В самом деле, очень часто болезнь связана с выработкой дефективного белка, что особенно хорошо изучено на примере многих форм рака, о чем говорилось в главе 11. Если выработку такого белка заглушить при помощи киРНК или каким-то другим способом, болезнь будет излечена. Захватывающая дух перспектива состоит в том, что, если научиться так лечить какую-то одну болезнь, все, что нужно сделать, чтобы лечить другую, – заменить одну киРНК на другую. Очень похоже на философский камень алхимиков. Но очень солидные ученые мужи и жены не покладая рук трудятся, чтобы претворить эту «алхимию» в жизнь. Безусловно, трудностей на их пути много. Но ни одна не выглядит непреодолимой.

Зловредный ген королевы Виктории

Если речь идет не о сотнях тысяч, а о сотне лет, то отдельные участки ДНК могут сохраниться даже в весьма неблагоприятных условиях. Это случилось с останками последней царской семьи, которые удалось полностью идентифицировать благодаря анализу ДНК. Провел его главным образом российско-американский ученый Евгений Рогаев. Но он сумел сделать нечто большее: путем анализа ДНК царской семьи ему удалось точно установить, в чем состояла мутация в геноме королевы Виктории, которая в конечном счете привела к тому, что царевич Алексей оказался болен гемофилией. А мутация эта архиважная: она сыграла роковую роль в судьбе России, да и всего человечества.

У нас есть все основания считать, что мутантный ген фактора свертываемости крови Виктория получила от своего отца Эдварда, графа Кентского. Мы уверены в этом потому, что Эдвард зачал Викторию поздно, в возрасте 50 лет. Благодаря анализу полных геномов нам теперь точно известно, что у мужчин с возрастом происходит накопление мутаций в половых клетках, в среднем по две мутации в год. Конечно, мать Виктории была моложе, но это не важно. У женщин весь запас яйцеклеток образуется еще до рождения, так что накопления мутаций в половых клетках с возрастом не происходит. Вообще, заводить ребенка, когда отец уже немолод, – не очень хорошая идея. Впрочем, есть выход. Комментируя в журнале Nature упомянутые количественные данные о накоплении с возрастом мутаций в половых клетках мужчин, известный российско-американский эволюционист Алексей Кондрашов посоветовал молодым людям замораживать свою сперму на случай, если они вдруг на склоне лет решат заводить ребенка. Как мы уже обсуждали в этой главе, при низкой температуре ДНК может храниться сколь угодно долго.

Впрочем, у самой Виктории зловредный ген никак себя не проявил. Как известно, до самого последнего времени она оставалась самым долго правившим монархом в истории Великобритании (совсем недавно ее «обошла» нынешняя королева Елизавета II). У Виктории была куча детей, а ее правление на протяжении большей части XIX века, времени могущества Британской империи, именуется «викторианской эпохой». Ген гемофилии, который несла в своем геноме Виктория, никак себя не проявлял, поскольку находился на одной из двух Х-хромосом королевы. Он производил нефункциональный фактор свертываемости крови, но функционального фактора, производимого второй Х-хромосомой, полученной Викторией от ее мамы, было вполне достаточно. Зловредный ген стал проявляться только у детей, внуков и правнуков Виктории мужского пола. Никакого гена свертываемости крови на Y-хромосоме нет, так что у мальчиков, получивших через их матерей от Виктории дефектный ген, вообще отсутствовал функциональный фактор свертываемости крови, и они погибали молодыми от кровотечения, которое не удавалось остановить. Через здоровых носителей женского пола зловредный ген распространился среди высшей аристократии по всей Европе, а гемофилия получила название «монархической болезни».

Одной из таких носительниц зловредного гена оказалась внучка Виктории, русская императрица Александра Федоровна. В момент, когда Николай обручился с Александрой, шансы для России и мира избежать ужасной участи стали практически 50 на 50. К тому времени в России девочки не котировались на роль монарха, а шансы, что мальчик родится здоровым, были как раз 50 на 50. К несчастью, царевичу Алексею досталась Х-хромосома, несущая мутантный ген. В момент зачатия Алексея в ход был запущен механизм, приведший к трагическим последствиям как для народов Российской империи, так и для многих других народов.