Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

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.

Подобное общение между малыми РНК и эпигенетической аппаратурой клетки может оказывать существенное влияние и на другие ситуации, когда в клетках развивается предрасположенность к раку. Данный механизм, вероятно, приводит к тому, что воздействие нарушения экспрессии малых РНК усиливается путем изменения эпигенетических модификаций, которые передаются дочерним клеткам от материнской. Так может складываться схема потенциально опасных изменений в характере экспрессии генов.

Пока ученые разобрались не во всех этапах взаимодействия малых РНК с эпигенетическими процессами, но кое-какие намеки на особенности происходящего все-таки удается получить. К примеру, выяснилось, что определенный класс малых РНК, усиливающий агрессивность рака груди, таргетирует в информационных РНК определенные ферменты, удаляющие ключевые эпигенетические модификации. Это изменяет картину эпигенетических модификаций в раковой клетке и еще больше нарушает генетическую экспрессию26.

Многие формы рака отслеживать у пациента довольно трудно. Онкологические процессы могут идти в труднодоступных местах, что осложняет процедуру отбора проб. В таких случаях врачу нелегко следить за развитием ракового процесса и реакцией на лечение. Часто медики вынуждены полагаться на косвенные измерения — скажем, на томографическое сканирование опухоли. Некоторые исследователи полагают, что молекулы малых РНК могли бы помочь создать новую методику наблюдения за развитием опухоли, позволяющую также изучать ее происхождение. Когда раковые клетки погибают, при разрыве клетки ее покидают малые РНК. Эти небольшие мусорные молекулы часто образуют комплексы с клеточными белками или же завертываются во фрагменты клеточных мембран. Благодаря этому они очень стабильны в жидких средах организма, а значит, такие РНК можно выделить и проанализировать. Поскольку их количества невелики, исследователи вынуждены будут использовать весьма чувствительные методы анализа. Впрочем, тут нет ничего невозможного: чувствительность секвенирования нуклеиновых кислот постоянно повышается27. Опубликованы данные, подтверждающие перспективность такого подхода применительно к раку груди28, раку яичников29 и ряду других онкологических заболеваний. Анализ малых циркулирующих РНК у больных раком легких показал, что эти РНК помогают провести различие между пациентами с одиночным легочным узелком (не требующие терапии) и пациентами, у которых образуются злокачественные узелки-опухоли (требующие лечения)30.

Мертвые лошади и умолкшие гены

Итак, малые РНК проявляют себя в самых неожиданных ситуациях. Существует ужасное заболевание, возбудитель которого — вирус восточного североамериканского лошадиного энцефалита. Болезнь передается через укусы комаров. Вирус заражает лошадь, после чего животное умирает. С людьми ситуация ненамного лучше: человеческая смертность от этого заболевания составляет 30-70%. Больные умирают из-за того, что вирус проникает в центральную нервную систему и вызывает острое воспаление мозговых оболочек31. Геном вируса, вызывающего инфекцию, состоит не из ДНК, а из РНК.

Когда вирус при укусе комара попадает в кровеносную систему человека, за него берутся белые кровяные тельца, лейкоциты. Это первый рубеж обороны организма, призванный отслеживать возможных захватчиков. Но затем происходит нечто странное. Малая РНК, которую обычно вырабатывают лейкоциты, соединяется с концом РНК-генома вируса и мешает ему кодировать белок.

Может показаться, что это хорошо. На самом деле все обстоит иначе. Обычно наши лейкоциты умеют определять, попал ли к нам нежданный гость, вирус. В результате клетки запускают целую серию реакций: температура тела повышается, вырабатываются разнообразные антивирусные вещества. Все это позволяет отвадить крошечных агрессоров.

Но когда малая РНК белых кровяных телец соединяется с геномом вируса лошадиного энцефалита, вирус затихает. А следовательно, иммунная система не замечает, что в организм вторгся враг. Поэтому все аналогичные вирусные частицы могут преспокойно циркулировать в организме. Если некоторые из них доберутся до центральной нервной системы, они могут спровоцировать летальную реакцию в тканях мозга32.

Исследователи описали процесс так: вирус перехватывает управление малой РНК. Судя по всему, данный процесс — не единственный пример такого перехвата. Вирус гепатита С также имеет РНК-геном. Когда этот вирус заражает клетки печени, вирусная РНК связывается с малой РНК, естественным образом экспрессируемой этими клетками. В данном случае такое связывание стабилизирует вирусный геном, затрудняя его разрушение. А значит, вырабатывается больше вирусных белков, и инфекция становится более опасной и агрессивной33.

Теперь уже вполне очевидно, что малые РНК играют роль в человеческих патологиях самого широкого диапазона, от инфекций до рака, от проблем развития до нейродегенерации. Отсюда, разумеется, вытекает интересный вопрос: если мусорная ДНК может вызывать заболевания (или, по крайней мере, способствовать им), то ее, может быть, удастся использовать и для борьбы с распространенными недугами человека?

Глава 19. Иногда лекарства все-таки действуют

Миллиарды долларов каждый год расходуют фармацевтические компании на создание новых лекарств для борьбы с заболеваниями человека. Ученые надеются отыскать способы лечения пока неизлечимых болезней и помочь пациентам справиться с их тяжелыми недугами. А больных людей становится все больше, поскольку средний возраст жителей Земли неуклонно растет. Революционные открытия, позволившие глубже понять воздействие мусорной ДНК на генетическую экспрессию и развитие заболеваний, привели к возникновению массы новых фармкомпаний, жаждущих освоить эту сферу. Большинство этих новых исследований направлены на использование в качестве лекарств самих РНК, не кодирующих белки. Основная идея такова: мусорную РНК (длинную некодирующую, малую или еще одну их разновидность — антисмысловую РНК) будут давать больному для воздействия на генетическую экспрессию и для того, чтобы управлять течением болезни, а то и вовсе вылечить пациента.

Сейчас мы лечим болезни совсем не так. С давних пор большинство медикаментов представляет собой так называемые малые молекулы. Они синтезируются искусственно и сравнительно просты по структуре и форме. Примеры этих веществ, служащих основой широко распространенных лекарственных препаратов, приведены на рис. 19.1.

Рис. 19.1. Структурные формулы некоторых малых молекул, применяемых в медицине (под ними — названия лекарств, действующим началом которых они являются).

Не так давно ученые научились использовать белки в качестве лекарств. Вероятно, наиболее известный пример — инсулин, тот самый гормон, посредством которого диабетики регулируют уровень сахара в крови. Антитела — еще один тип белковых средств, оказавшихся весьма эффективными. Речь идет об искусственно измененных версиях молекул, которые наш организм производит для борьбы с инфекциями. Фармацевтические компании находят способы адаптировать их так, чтобы эти вещества соединялись с белками, проявляющими сверхэкспрессию, и нейтрализовали их действие. Самое популярное из таких антител позволяет весьма эффективно лечить ревматоидный артрит. Есть и другие, помогающие при лечении самых разных болезней и дефектов — от рака груди до слепоты1.

Малые молекулы и антитела имеют свои достоинства и недостатки. Синтез малых молекул обычно стоит недорого. Их легко вводить в организм: зачастую их нужно просто проглотить. Однако их недостаток в том, что они не задерживаются в организме очень уж надолго, и пациент вынужден принимать их регулярно. Антитела же могут оставаться в организме неделями или даже месяцами. Но их должен вводить профессионал, и они очень дороги в производстве.