Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Может показаться, что это отличная идея — научиться активировать стволовые клетки сердечной мышцы, заставить их производить новую мышечную ткань. Но опыты на мышах вынуждают предположить, что ситуация здесь не столь проста и однозначна. Казалось бы, это малые РНК, присутствующие в сердце, мешают стволовым клеткам превращаться в ткань сердечной мышцы, и если режущий фермент, производящий малые РНК, во взрослом сердце отключить, оно начнет расти. К сожалению, это не так уж безопасно, поскольку такой процесс иногда приводит к заболеванию, именуемому гипертрофией сердца. Нет, при этом не развивается замечательно сильная сердечная мышца, отличающая знаменитых спортсменов. Напротив, при этом аномально утолщается сердечная стенка, как у людей с повышенным кровяным давлением. Похоже, это происходит из-за того, что отключение режущего фермента заставляет стволовые клетки перестать вести себя как зрелые клетки и запускает картину генетической экспрессии, больше напоминающую ту, что наблюдается в организме при его развитии17.

Может показаться странным, что реактивирование стволовых клеток сердца не помогает организму. Но тут, возможно, имеет место некий компромисс. С эволюционной точки зрения главная забота животных — прожить достаточно долго, чтобы успеть размножиться и передать свой генетический материал потомству. Естественный контроль развития сердца как раз и направлен на гарантирование того, что наше сердце будет в течение нужного времени находиться в хорошем состоянии, дабы мы могли дотянуть до этого ключевого момента. А если в старости мы не сможем естественным путем чинить собственное сердце, так эволюции на это, в общем, плевать. Это уж проблема человека, коль скоро мы почему-то предпочитаем жить дольше того срока, который эволюция считает для нас строго необходимым.

Малые РНК и мозг

Хотя мы обычно считаем, что у взрослого человека мозг уже полностью сформировался, недавно полученные данные показывают: даже в этом органе имеются кое-какие стволовые клетки. У животных, полагающихся на хорошо развитое обоняние, эти стволовые клетки могут активироваться, чтобы формировать нейроны, способные откликаться на новые запахи. Это позволяет животному более избирательно реагировать на улавливаемые ароматы. Один из белков стволовых клеток вынуждает их дифференцироваться, превращаясь в определенный тип нейрона восприятия и отклика. Экспрессию этого белка обычно держит под контролем одна из малых РНК. Когда исследователи подавили экспрессию этой малой РНК у мышей, белок стал экспрессироваться активнее, и стволовые клетки мозга начали специализироваться, превращаясь в обонятельные нейроны18. По-видимому, экспрессия этой малой РНК в естественных условиях подавляется, едва мышь почует что-нибудь новое. Впрочем, сигнальные пути, которые вызывают такое подавление, пока не выявлены.

Малые РНК участвуют в повседневной деятельности клеток, производя тонкую подстройку реакций организма под условия постоянно меняющейся среды. Похоже, не так-то просто будет разобраться в механизме этой подстройки, ибо каждая отдельная малая РНК оказывает на систему сравнительно небольшое воздействие. Самое важное свойство таких молекул — именно общее воздействие многочисленных малых РНК, работающих сообща в рамках чрезвычайно обширных, однако не очень заметных сетей. Уже сейчас удается получать достаточное количество интригующих данных, чтобы мы могли с уверенностью сказать: да, этот класс миниатюрных мусорных элементов оказывает реальное воздействие на организм.

Похоже, мозг особенно чувствителен к пертурбациям в ландшафте малых РНК. Влияние таких изменений может оказаться весьма различным в зависимости от затронутой области мозга и от конкретного времени. Вероятно, это отражает важную роль общения между всеми разнообразными малыми РНК, всеми информационными РНК и белками, чья экспрессия находится под жестким контролем мозга.

Поразительный пример такой роли обнаружили, инактивируя режущий фермент в переднем мозге взрослой мыши19. Экспрессия малых РНК при этом подавляется. Поначалу кажется, что для зверьков это даже хорошо. Примерно в течение 3 месяцев грызуны даже смышленее, чем обычно. Они лучше выполняют тестовые задания, основанные и на опасении наказания, «кнута», и на ожидании вознаграждения, «пряника». Навыки, связанные с памятью, у них значительно усовершенствуются. Но если кому-нибудь вдруг захочется попробовать проделать это в домашних условиях (в наши дни многие очень серьезно готовятся к экзаменам), имейте в виду: тут не все так безоблачно. Интеллектуальное созвездие поумневших мышей сияло ярко, но недолго. На четвертый месяц после того, как мышкам инактивировали режущий фермент, мозг маленьких пушистых умников начал деградировать.

Подобного рода отсроченную реакцию обнаружили и в другом случае, когда также удалось показать, что малые РНК играют важную роль в мозгу. (Возможно, это означает, что малые РНК мозговых клеток довольно стабильны и отмирают не сразу.) Инактивировали режущий фермент в клетках мозга двухнедельной мыши — в зоне мозга, участвующей в процессах контроля движения. Как и ожидалось, это привело к сильному падению экспрессии малых РНК. Поначалу, казалось, мыши пребывали в отличном состоянии. Но через 11 недель у них появились двигательные расстройства. Анализ мозга подопытных грызунов показал, что у них отмерли нейроны, утратившие способность вырабатывать малые РНК20.

Малые РНК могут играть роль в самых неожиданных ситуациях. Одна из мишеней алкоголя в нашем мозгу — белок, который регулирует характер прохождения сигналов через клеточные мембраны[72]. Информационная РНК для этого белка может встречаться в виде множества разных вариаций, в зависимости от того, каким образом при сплайсинге объединяются вместе участки, кодирующие аминокислоты. Алкоголь вызывает экспрессию определенной малой РНК, которая способна связываться с нетранслируемой областью на конце некоторых из этих вариантных информационных РНК. Это приводит к избирательному разрушению информационных РНК, кодирующих определенные вариации белков. Такое изменение в составе популяции белков приводит к искажению картины отклика нейронов на алкоголь. Оно существенно влияет на устойчивость организма к воздействию алкоголя, а эта устойчивость во многом определяет степень алкогольной зависимости21. Соответствующий механизм схематически показан на рис. 18.3. Есть предположения, что малые РНК играют роль и в реакции организма на другие вещества, вызывающие привыкание: например, на кокаин22.

Малые РНК и рак

Как полагают ученые, неверная экспрессия малых РНК служит одной из причин целого ряда заболеваний, очень серьезно влияющих на здоровье множества людей во всем мире. В числе таких заболеваний — сердечно-сосудистые23 и онкологические24. Что касается последних, то это неудивительно: рак свидетельствует об аномалиях в развитии клеток и в их судьбе, а малые РНК играют важнейшую роль в соответствующих процессах. Вот один из весьма показательных примеров огромного влияния, которое малые РНК оказывают на организм при онкологических заболеваниях. Речь идет о злокачественной опухоли, для которой характерна неверная экспрессия тех генов, которые действуют в период первоначального развития организма, а не в постнатальный период. Это разновидность детской опухоли мозга, обычно появляющаяся еще до двухлетнего возраста. Увы, это очень агрессивная форма рака, и прогноз здесь неблагоприятен даже при интенсивном лечении[73]. Онкологический процесс развивается вследствие неправильного перераспределения генетического материала в клетках мозга. Промотор, который обычно вызывает сильную экспрессию одного из генов, кодирующих белки, претерпевает рекомбинацию с определенным кластером малых РНК. Затем весь этот перестроенный участок проходит амплификацию: иными словами, создается множество его копий в геноме. А следовательно, малые РНК, расположенные «ниже по течению», чем перемещенный промотор, экспрессируются гораздо сильнее, чем следует. Уровень содержания активных малых РНК при этом примерно в 150-1000 раз выше нормы.

Рис. 18.3. Малые РНК, активированные алкоголем, могут соединяться с информационными РНК, не влияющими на устойчивость организма к воздействию алкоголя. Но эти малые РНК не соединяются с молекулами информационной РНК, способствующими такой устойчивости. Это приводит к относительному преобладанию доли молекул информационной РНК, кодирующих вариации белка, связанные с устойчивостью к алкоголю.

Данный кластер кодирует более 40 различных малых РНК. Собственно, это вообще самый крупный из подобных кластеров, имеющихся у приматов. Обычно он экспрессируется лишь на ранней стадии человеческого развития, в первые 8 недель жизни эмбриона. Сильная активация его в мозгу младенца приводит к катастрофическому воздействию на генетическую экспрессию. Одно из последствий — экспрессия эпигенетического белка, добавляющего модификации к ДНК. Это приводит к широкомасштабным изменениям во всей картине метилирования ДНК, а значит, и к аномальной экспрессии всевозможных генов, многие из которых должны экспрессироваться, лишь когда незрелые клетки мозга делятся в ходе ранних этапов развития организма. Так в клетках младенца и запускается раковая программа25.