Учёные нашли ключ к управлению активностью генов, открывая путь к новому классу терапий
Команда учёных из Института Скриппса (TSRI) обнаружила, как усилить или подавить механизм «заглушения» генов, который в норме является важным регулятором активности клеток. Это открытие может привести к созданию мощного нового класса препаратов против вирусных инфекций, рака и других заболеваний.
«Умение контролировать естественные процессы заглушения генов позволит использовать совершенно новый подход к лечению болезней человека», — сказал Иэн Дж. Макрей, доцент кафедры интегративной структурной и вычислительной биологии TSRI и руководитель исследования, опубликованного на обложке журнала Molecular Cell от 9 мая 2013 года.
Научная загадка и техническая проблема
Речь идёт о белке Argonaute 2 — молекулярной машине в клетках, которая может захватывать и уничтожать РНК-транскрипты определённых генов, не давая им превратиться в белки. Argonaute 2 и другие белки семейства Argonaute регулируют активность примерно трети генов человека и других млекопитающих, являясь одними из важнейших модуляторов повседневной работы клеток. Их функция также помогает клеткам бороться с активностью вирусов или мутаций, способствующих раку.
Однако работа Argonautes сложна и до конца не изучена. Например, перед началом «миссии» по поиску и уничтожению определённой РНК-мишени, Argonaute 2 загружает «устройство распознавания» — короткую «гидную РНК», также известную как микроРНК (miRNA). Последовательность miRNA в основном комплементарна последовательности РНК-мишени, что позволяет им прочно связываться.
Но как белок Argonaute и его miRNA-гид, образовав комплекс, затем расстаются? Это было научной загадкой и технической проблемой, так как в лабораторных условиях было трудно отделить белки Argonaute от miRNA.
«Эта проблема заставила нас искать способ заставить Argonautes выгружать эти miRNA», — сказала Набанита Де, научный сотрудник лаборатории Макрея и первый автор исследования.
Совпадения и несовпадения
В первых экспериментах команда показала, что когда miRNA связывается с Argonaute 2, пара остаётся заблокированной и функциональной исключительно долго — дни или недели, в то время как отдельная miRNA обычно разрушается за минуты.
Однако предыдущие исследования других лабораторий указывали на существование механизмов, ускоряющих разделение miRNA и Argonautes. Некоторые вирусы, например, производят РНК-«приманки», которые практически сводят на нет активность соответствующих miRNA, по-видимому, дестабилизируя связь miRNA-Argonaute. Ключевая особенность этих РНК-«приманок» — почти идеальная комплементарность miRNA, особенно на одном её конце, известном как 3'-конец. В этом отношении они соответствуют miRNA гораздо лучше, чем естественные транскрипты генов, на которые miRNA нацелены эволюционно.
Де подтвердила, что РНК-«приманки», спроектированные таким образом, могут значительно ускорить «выгрузку» miRNA из Argonautes, эффективно снижая их нормальную активность по заглушению генов. Напротив, несовпадения на 3'-конце замедляли выгрузку, усиливая активность по заглушению генов.
Почему эти совпадения и несовпадения так влияют на связь miRNA-Argonaute? Механизмы неочевидны. Но Де отметила, что несовпадения на противоположном конце miRNA — 5'-конце — имеют противоположный эффект. «Мишени с несовпадениями на 5'-конце на самом деле лучше выгружают miRNA из Argonaute», — сказала она.
«Следующее, что мы пытаемся выяснить, — как всё это работает», — сказал Макрей. «У нас есть предположения, но нет чёткого ответа».
В исследовании, опубликованном в прошлом году, лаборатория Макрея с помощью рентгеновской кристаллографии определила первую высокоразрешающую атомную структуру комплекса Argonaute 2-miRNA. Теперь команда работает над структурным изучением комплекса в момент захвата РНК-мишени. «Когда мы увидим структурные детали этого взаимодействия, у нас будет гораздо лучшее понимание процесса загрузки и выгрузки», — сказал Макрей.
Множество потенциальных применений
Учёные уже начали разрабатывать препараты для заглушения генов, работающие как miRNA: они захватываются белками Argonaute в качестве гидов и приводят к заглушению целевых генов. Фармацевтические компании также разрабатывают препараты, которые связываются непосредственно с miRNA, чтобы подавить их активность. Новые данные указывают на новый и, в принципе, более мощный класс ингибиторов/усилителей miRNA, нацеленных на дестабилизацию или стабилизацию комплекса miRNA-Argonaute.
«Я могу представить множество применений для них», — сказал Макрей. «Одно из самых очевидных — против вируса гепатита C, которому для эффективной репликации в клетках печени требуется определённая miRNA; РНК-препарат, ускоряющий выгрузку этой miRNA, способствующей вирусу, стал бы мощным подходом для его подавления».
Более глубокое понимание процесса загрузки и выгрузки miRNA также должно привести к созданию более эффективных препаратов на основе miRNA, добавил он.