Атлас мира РНК обретает форму

ДНК служит «планом этажа» живого мира, определяя строение организмов от одноклеточных до человека. Она не только направляет развитие каждого организма от рождения до смерти, но и играет ключевую роль в развитии многих человеческих болезней.

Но так было не всегда. Задолго до того, как ДНК стала молекулой жизни, её близкая родственница — РНК (рибонуклеиновая кислота) — занимала центральное место.

Гипотеза мира РНК относится к далёкому прошлому Земли, когда примитивные формы жизни использовали РНК, а не ДНК, для хранения генетической информации, её копирования с помощью РНК-машин и проведения биологических реакций.

С появлением ДНК РНК стала играть роль посредника, копируя гены и транслируя их в белки. Этот путь от ДНК к РНК и белку настолько укоренился в биологии, что его часто называют «центральной догмой».

Однако в последнее время строгое подчинение РНК ДНК было поставлено под сомнение. Новые открытия вызвали взрыв исследований РНК, имеющих важные последствия как для основ биологии, так и для медицины.

Возрождение интереса к РНК

За последние годы были обнаружены и детально изучены короткие фрагменты РНК — микроРНК (miRNA), длиной всего 18–22 нуклеотида. Они слишком коротки, чтобы кодировать белки (как более длинные матричные РНК, mRNA). Вместо этого они действуют как тонкая и сложная сеть регуляторов генов.

Для этого miRNA находят комплементарные участки mRNA-мишеней и связываются с определённой областью, известной как 3'UTR (нетранслируемая область). После связывания miRNA инактивирует mRNA, препятствуя её трансляции в белок.

В новом исследовании Марко Маньоне и его коллеги провели крупнейший на сегодняшний день скрининг miRNA. Их работа, опубликованная в журнале Genome Research, указывает на новое понимание этих загадочных молекул и их важной роли в развитии организма, поддержании здоровья и возникновении болезней.

«МикроРНК очень загадочны. Это реликты мира РНК — высокореактивные, очень маленькие фрагменты, которые связываются с другими РНК и облегчают каталитические реакции», — говорит Маньоне. «Мы мало о них знаем — откуда они взялись или как регулируют экспрессию генов, но они сильно нарушены при многих заболеваниях».

Истоки

История miRNA началась в 1993 году, когда был охарактеризован фрагмент РНК lin-4 у нематоды C. elegans. Интригующе, ген, кодирующий lin-4, не кодирует белок, а лишь этот крошечный кусочек РНК — первую обнаруженную miRNA.

Изначально lin-4 считался особенностью C. elegans, но вскоре была открыта вторая miRNA — let-7, оказавшаяся эволюционно консервативной, то есть встречающейся у многих форм жизни, включая человека.

В ходе эволюции у высших видов количество miRNA резко возросло, в то время как число генов осталось стабильным. Черви, мухи и люди имеют примерно по 20 000 белков-кодирующих генов, но у человека гораздо больше miRNA.

«Мы обнаружили, что эти miRNA начали «паразитировать» в клетках, потому что им нужно было регулировать больше генов, модулируя целые пути, а не отдельные гены», — говорит Маньоне.

Невидимая вселенная

До недавнего времени эта «биологическая тёмная материя» — сложные сети между транскрипцией (ДНК → РНК) и трансляцией (РНК → белок) — ускользала от изучения.

«До сих пор мы не знали вклад посттранскрипционной регуляции генов в развитие болезней. Мы не понимаем правил, по которым miRNA регулируют свои мишени», — говорит Маньоне. «С этой работой мы теперь можем начать понимать сложность контроля экспрессии генов с помощью miRNA».

Эти маленькие полоски РНК, часто со схожими последовательностями, образуют семейства miRNA, способные нацеливаться на разные генетические пути. Хотя изначально считалось, что семейства miRNA обеспечивают избыточность и надёжность регуляции, новое исследование предлагает иное объяснение их обилия у высших видов.

Результаты показывают, что miRNA не только нацелены на определённые гены, но и расширяют свою сеть воздействия через небольшие мутации в специфических участках своей последовательности, которые Маньоне назвал «эволюционными горячими точками». Это позволяет отдельным членам семейства miRNA расширять диапазон модулирующей активности, сохраняя общий набор ключевых мишеней.

Регуляция генетических путей имеет глубокие последствия для болезней человека. Например, miRNA miR-10b в большом количестве присутствует при ранней стадии рака груди, особенно когда больные клетки попадают в кровоток. Группа Маньоне обнаружила, что эта miRNA нацелена на многие гены, участвующие в ретиноевой кислоте, которая играет ключевую роль в развитии, контролируя дифференцировку, пролиферацию и гибель клеток.

miR-10b теперь признана онкогеном — её экспрессия повышена при раке груди. Это приводит к «заглушению» генов, которые могут заставить клетку стареть и останавливать деление. Без этих генов клетки продолжают бесконечно делиться — отличительный признак рака.

«Если бы можно было удалить miR-10b, можно было бы реактивировать эти клетки, а затем, добавив ретиноевую кислоту или гормоны, заставить клетку запустить гибель, старение и остановку деления. Это следующий шаг», — объясняет Маньоне.

Поиск мишеней

Поиск miRNA и их мишеней стал фокусом исследований Маньоне. Ранее он создал библиотеку из 20 000 3'UTR у C. elegans — потенциальных мишеней для miRNA. В ASU он разработал первую публично доступную библиотеку клонов человеческих 3'UTR, представляющую около 10% генома человека.

Маньоне также разработал инновационный высокопроизводительный метод обнаружения мишеней miRNA в генах — 3'LIFE assay. Его группа смогла проскринировать несколько miRNA, связанных с болезнями, против большой библиотеки UTR, используя флуоресцентную метку для идентификации каждого события связывания miRNA.

Результаты исследования заставляют задуматься и противоречат ранее предложенным идеям о природе и функции miRNA:

• Мутации, порождающие семейства miRNA, происходят не случайно, а в предпочтительных регионах — эволюционных горячих точках, что указывает на их функциональность.
• Каждая miRNA, как правило, контролирует несколько членов одних и тех же регуляторных путей, а не один ген.
• Исследование показывает, что существует много мишеней, у которых нет seed-региона (считающегося необходимым для связывания), но они всё равно становятся мишенями. Это говорит о том, что одного наличия seed-региона в 3'UTR недостаточно для связывания miRNA. «Существуют другие правила, но теперь мы начинаем понимать язык, на котором говорят эти miRNA».

Маньоне надеется в конечном итоге проскринировать весь человеческий геном, чтобы завершить картину активности miRNA. Эти исследования будут решать ключевые вопросы биологии и могут иметь глубокие последствия для открытия лекарств.