Нобелевские премии 2006 года

Заглушки для РНК

В начале 90-х годов прошлого столетия биологи проводили эксперимент: они встраивали в ДНК петунии дополнительный ген красного пигмента, чтобы лепестки приобрели более интенсивный цвет. Вопреки ожиданиям трансгенные цветки не только не порадовали исследователей яркой окраской, но потеряли цвет совсем, став белыми. Эксперимент впервые продемонстрировал научному миру явление, которому уже через несколько лет было суждено совершить революцию в экспериментальной науке о геноме.

Феномену, впоследствии названному РНК-интерференцией, нашли объяснение американские ученые Эндрю Фаер и Крэйг Мелло, получившие за свое открытие Нобелевскую премию по физиологии и медицине. (На снимке – Э.Фаер (род. в 1959) – профессор патологии и генетики Медицинской школы Стэнфордского университета и К.Мелло (род. в 1960) – профессор молекулярной медицины Медицинской школы Массачусетского университета.)

Раскрыть секрет появления на свет петунии-альбиноса помогли черви-нематоды. Десять лет назад молекулярные биологи Эндрю Фаер и Крейг Мелло изучали, как функционирует ген мышечного белка. Для этого они вводили в организм нематоды информационную РНК, которая служит матрицей для синтеза мышечного белка внутри клетки. Предполагалось, что инъекция РНК вызовет повышение продукции мышечного белка. Тем не менее никакого изменения двигательной активности у нематоды исследователи не обнаружили. Когда же ученые попробовали ввести одновременно РНК и анти-РНК, червяк неожиданно начал биться в судорогах. Подобные телодвижения у нематод наблюдаются при выключении гена мышечного белка, то есть когда мышечный белок не синтезируется в клетках совсем.

Научного объяснения наблюдаемому феномену не было. Известно, что РНК и анти-РНК «нейтрализуют» друг друга, образуют прочную двухцепочечную молекулу. Казалось бы, мышечная активность червя не должна была измениться. Однако после серии красивых экспериментов Фаер и Мелло пришли к выводу, что молекулы двухцепочечной РНК способны «выводить из строя» соответствующую РНК, по которой синтезируется белковая молекула. Нет РНК – не образуется и белок. Причем инъекция даже ничтожного количества двухцепочечной РНК способна полностью прервать процесс синтеза белка в клетке. Так был открыт феномен РНК-интерференции, который теперь принято обозначать аббревиатурой «РНКи».

Механизм РНК-интерференции вкратце можно описать следующим образом. Короткая двухцепочечная молекула РНК, по своему генетическому коду идентичная информационной РНК, по которой синтезируется белок, расщепляется ферментами на две цепочки. Одна из них, «смысловая», не участвует в дальнейшем каскаде превращений, а другая, «антисмысловая», анти-РНК в комплексе со специальным белком прикрепляется к молекуле РНК. После присоединения такой молекулярной «заглушки» РНК становится уязвимой для действия ферментов и разваливается на неактивные фрагменты. Интересно, что просто добавление анти-РНК не приводит к «выключению» синтеза белка: анти-РНК выступает в качестве глушителя информационной РНК только в виде двухцепочечной молекулы, в комплексе со «смысловой» РНК.

Впервые в процессе эволюции РНК-интерференция возникла у растений как защита от вирусов. В ответ на вторжение чужеродной РНК растения начинают вырабатывать короткие двухцепочечные молекулы РНК, разрушающие РНК вируса. Так что короткие двухцепочечные РНК у растений – самая древняя иммунная система на Земле, сохранившаяся до наших дней у всех живых существ, включая человека. В свете открытия Фаера и Мелло стало возможным объяснить и эксперимент с петуниями-альбиносами. Иммунная система петуний ошибочно приняла РНК красного пигмента за вирусную РНК и включила систему защиты. В результате в клетках образовались двухцепочечные РНК, специфичные к РНК пигмента, что привело к разрушению всех молекул информационной РНК пигмента и соответственно к полному обесцвечиванию цветков.

РНК-интерференция играет важную роль не только в иммунной защите, но и в регуляции синтеза белка у всех организмов: молекулы РНК в клетке могут образовывать короткие двухцепочечные молекулы, способные блокировать синтез того или иного белка.

Свое открытие ученые опубликовали в журнале «Nature» 19 февраля 1998 года. Статья положила начало настоящему научному буму: ведь теперь для того, чтобы прекратить синтез любого белка в клетке, достаточно просто ввести раствор двухцепочечной РНК, соответствующей генетическому коду этого белка. С помощью такого мощного универсального инструмента, выключая гены поодиночке и группами, можно определить функции всех генов в геноме любого живого организма, включая человека.

Но и это не все. РНК-интерференция сулит человечеству избавление от болезней, которые связаны с выработкой того или иного дефектного белка. Теоретически, стоит только больному ввести двухцепочечную РНК, специфичную к РНК «неправильного» белка, как больной выздоровеет. Возможно, подобное чудо исцеления произойдет очень скоро, ведь последние эксперименты по выключению синтеза некоторых белков в клетках человека прошли успешно. Например, ученым удалось таким образом заблокировать ген, отвечающий за высокий уровень холестерина. Сейчас медики идут по пути совершенствования метода РНК-интерференции для борьбы с вирусными инфекциями, сердечно-сосудистыми заболеваниями, раком, эндокринными заболеваниями и многими другими опасными недугами.

Кандидат химических наук О. БЕЛОКОНЕВА.
***
Копировальное устройство живой клетки

Американский химик, профессор Стэнфордского университета Роджер Корнберг «сфотографировал» процесс копирования генетической информации в клетке, за что удостоен Нобелевской премии по химии 2006 года.

Генетическая информация о структуре белков, из которых построены все живые организмы, хранится в молекуле ДНК. Но сама молекула ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка – с нее снимается молекулярная копия. Процесс копирования называется транскрипцией. «Слепком» генетического кода служит молекула информационной РНК, которая используется клеткой в качестве матрицы для синтеза белка.

Механизм транскрипции для простейших организмов, не имеющих ядра (бактерий, вирусов, микоплазм), описан более 40 лет назад. Ключевую роль в нем играет фермент РНК-полимера за, который расщепляет двухцепочечную молекулу ДНК и на ее основе синтезирует молекулу РНК из имеющихся в клетке нуклеотидов. Долгое время считалось, что транскрипция протекает аналогичным образом и в клетках, имеющих ядра. Но затем оказалось, что в ядерных клетках, то есть у всех живых существ от дрожжей до человека, механизм транскрипции гораздо сложнее, чем в безъядерных.

В конце 1970-х годов удалось установить, что помимо ДНК, РНК-полимеразы и собственно продукта копирования – молекулы РНК «копировальное устройство» клетки включает в себя еще пять так называемых основных факторов транскрипции – белковых комплексов, без которых копирование невозможно. Кроме того, были открыты «промоторы» – участки ДНК, с которых РНК-полимераза начинает считывать генетическую информацию.

Все компоненты системы были известны, но оставалось непонятным, как «работает» молекулярное копировальное устройство. В конце 1980-х годов Роджер Корнберг решил воспроизвести систему транскрипции «в пробирке» и смоделировать ее пространственную структуру . В качестве объекта исследований он выбрал дрожжи. Однако система из РНК-полимеразы и факторов транскрипции синтезировала информационную РНК, но не реагировала на добавление веществ, активирующих определенные гены. Оказалось, что в системе не хватает еще одного важного элемента – комплекса из нескольких белковых молекул, который Корнберг назвал медиатором. Теперь, когда все компоненты системы были собраны воедино, оставалось «всего лишь» воссоздать пространственную структуру системы транскрипции. На это у исследовательской группы Корнберга ушло десять лет.

Роджеру Корнбергу удалось заставить бактерии синтезировать белки, участвующие в транскрипции. После процедур выделения, очистки и наработки больших количеств белков ученым удалось самое сложное – вырастить из них плоские белковые кристаллы, а затем получить электронные и рентген-дифракционные изображения кристаллических структур. На основании снимков с помощью компьютерной программы ученые рассчитали пространственное расположение атомов в молекулах и смоделировали детальную пространственную картину синтеза РНК.

Прорыв произошел в 2001 году. Тогда в журнале «Science» была опубликована пространственная структура РНК-полимеразы из дрожжей, а также структура ее комплекса с ДНК и продуктом реакции – информационной РНК. Дальнейшие работы Корнберга были посвящены расшифровке структуры «копировального устройства» на различных стадиях процесса с участием пяти факторов транскрипции. В результате получилась целостная динамическая картина копирования генетической информации. Теперь осталось только получить кристаллы медиатора и дополнить структуру этим необходимым компонентом. Только тогда сверхзадачу – получить фотографию «копировального устройства клетки» – можно будет считать выполненной.

«Внутриклеточное копировальное устройство» по Роджеру Корнбергу. Копирование генетической информации с молекулы ДНК (на рисунке она показана синим цветом) происходит поэтапно. Производит копирование фермент РНК-полимера за (белый цвет). Она «узнает» начало подлежащего копированию участка, «обхватыва ет» молекулу ДНК в нужном месте, «расплетает» двойную спираль и копирует, начиная с этого места, одну из цепей ДНК, последовательно присоединяя нуклеотиды к образующейся молекуле РНК. Процесс копирования протекает в крохотной полости внутри фермента, в которой помещается только один нуклеотид. Это позволяет избежать ошибок при считывании информации. Как только очередной нуклеотид-»кирпичик» становится на место, цепочка ДНК проталкивается вперед с помощью небольшой спиральной структуры-»пружинки» (зеленый цвет) в молекуле фермента. Передвинув ДНК на один шаг, «пружинка» возвращается обратно. Растущая РНК-цепочка (красный цвет) отходит от матрицы, и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается. Когда РНК-полимераза достигает конца копируемого участка, образовавшаяся молекула информационной РНК отделяется от «копировального устройства».

Интересно, что отец Роджера Артур Корнберг также был удостоен Нобелевской премии (по физиологии и медицине) в 1959 году за открытие механизма передачи генетической информации от материнской клетки к дочерней. Это уже восьмой случай в истории Нобелевской премии, когда звание лауреата переходит «по наследству» от родителей к детям.

Кандидат химических наук Т. ЗИМИНА.

«Наука и жизнь» № 11-2006