Методические материалы, статьи

Второй код жизни

Мир РНК

Бессмысленно спрашивать, есть ли жизнь на Марсе. Сначала нужно определить, что такое жизнь.

С середины прошлого века главным героем молекулярной биологии стал ген. Поэтому возникает соблазн определить жизнь как форму существования генов. Один из главных пропагандистов этого нового взгляда, английский биолог Ричард Докинз утверждает даже, что организм — всего лишь «средство», с помощью которого гены сохраняют себя из поколения в поколение («Курица — это устройство, с помощью которого яйцо превращается в новое яйцо»). По Докинзу, гены «используют» организмы в корыстных целях самосохранения, и свою книгу о жизни как «форме существования генов» он так и назвал: «Эгоистический ген».

Поначалу основное внимание, естественно, привлек поиск генов, содержащих инструкции по производству белков, как говорят — «белок-кодирующих генов». Однако охотники за генами быстро обнаружили, что, вообще говоря, гены кодируют не только белки. Существуют и такие участки ДНК, которые кодируют молекулы другой нуклеиновой кислоты — РНК, несколько отличающейся от ДНК. С тех пор как в 1950-е годы был разгадан механизм образования белков, стало известно, что в этом процессе принимают участие целых три вида РНК.

Поначалу, пока были известны только эти три основных вида, охота за генами РНК не привлекала особого внимания. Но постепенно накапливались факты, убеждавшие, что таких разновидностей гораздо больше, а главное — РНК не ограничивается только подсобной ролью в процессах создания белка.

По мере поиска было обнаружено большое количество прежде неизвестных видов РНК — микро-РНК. Они стали обнаруживаться во все новых и новых процессах. Было установлено, что они играют определенную роль в пропускании нужных веществ через поры клеточного ядра, в процессе обеспечения клетки энергией и так далее.

На первых порах это пестрое разнообразие функций, выполняемых разными видами РНК, представлялось некой биологической загадкой. Некоторый свет на эту загадку пролило открытие, сделанное в 1981 году американцами Чехом и Альтманом (они получили за него Нобелевскую премию 1989 года). Эти исследователи обнаружили, что определенные виды РНК обладают каталитической способностью.

Чтобы понять все значение этого открытия, следует припомнить, что до тех пор считалось догмой, что способностью катализировать биохимические реакции обладают только белки-энзимы. Эта догма держалась десятки лет, несмотря на то, что порождала неразрешимый вопрос: как в таком случае могли образоваться первые энзимы? Ведь для производства белков нужно, чтобы уже существовала молекула ДНК, а для образования первой молекулы ДНК из разрозненных нуклеотидов необходимо, чтобы уже существовали белки-катализаторы.

Кто же в таком случае был первым — белки или ДНК, если одни не могли образоваться при отсутствии других? А если не могли, то как тогда вообще возникла жизнь? Открытие каталитических способностей РНК (по аналогии с энзимами такие РНК назвали «рибозимами») впервые позволило разорвать этот порочный круг. Ведь вполне возможно, что первыми в истории жизни на Земле были как раз такие рибозимы. Такие спонтанно возникшие молекулы первых РНК могли на первых порах выполнять как роль ДНК (в качестве хранителей наследственной информации), так и роль белков-энзимов (в качестве катализаторов метаболизма), а впоследствии — дать начало тем первым молекулам ДНК, которые породили первые белки.

Согласно этой гипотезе, «РНК-мира» нашей нынешней жизни, основанной на ДНК и белках, мог предшествовать мир каталитических РНК, в котором все главные функции тогдашней примитивной жизни выполняли различные рибозимы. Такая гипотеза позволяет не только решить вопрос, «кто был первым — белки или ДНК», но и объясняет загадку разнообразия нынешних РНК и их функций.

Нынешнее широкое участие различных РНК в процессах «белковой жизни» может быть рудиментом ушедших в прошлое архаических механизмов пражизни, остатком частично сохранившейся машинерии древнейших времен, когда молекулы РНК были единственными «молекулами жизни» и сами занимались всеми жизненными процессами.

Не прошло и десяти лет, как охотники за генами РНК сделали еще более революционное открытие. Неожиданно даже для самих себя они обнаружили целых два новых, доселе совершенно неизвестных и огромных класса удивительных по свойствам и функциям микроскопически малых РНК. Это новое открытие не только подкрепило гипотезу «архаичного РНК-мира», но и привело к глубокому, радикальному пересмотру прежних представлений о самих генах, их работе и способах управления ею в клетке.

Наследие древних времен

История науки — не та часто воображаемая логическая прямая, что якобы кратчайшим образом соединяет открытие А с открытием Б. Пропасти неудач и непризнаний зачастую пересекают путь восхождения к желанной вершине, и порой лишь мостики «серендипити», как выражаются англичане, а по-русски — просто счастливых случайностей, помогают выбраться на верную тропу.

Такой счастливой случайностью было открытие совершенно нового класса РНК, сделанное в 1990 году группой Иоргенсена из калифорнийского Института растительных ДНК (и независимо от него — Молем). Эти работы послужили началом для поиска и исследования целых нескольких новых классов РНК, которые противостоят воздействию на ДНК чужеродных элементов.

Оказалось, что «интерференционная РНК» (так назвали несколько видов РНК со сходными механизмами действия) предназначена для защиты клеточной ДНК, как иммунная система — для защиты организма. Между этими двумя системами защиты есть много сходного. Подобно иммунной системе, механизм интерференционной РНК тоже включается при появлении «чужого» и направлен на ликвидацию последствий такого вторжения.

Все это означает, что интерференционная РНК представляет собой древний, архаичный способ клеточной защиты. Возникшая позже с появлением многоклеточных организмов обычная иммунная система работает с помощью специальных клеток и белков и встречает «врага» на подходе, до вторжения в клетку и в ее геном. Если же вирусу все же удастся вторгнуться туда, эта система попросту уничтожает зараженную клетку. Напротив, механизм интерференционной РНК работает, как некоторые боксеры, «ближе к корпусу» — он борется с врагом уже внутри ДНК.

Что же это за «мишени», работу которых контролируют микро-РНК? Опыты 2001 — 2003 годов выявили важную особенность: почти все эти гены-мишени так или иначе связаны с различными этапами развития клеток и организма в целом с дифференцировкой его органов и тканей. Например, одна контролирует переход личинки червяка С. элеганс от первой стадии развития ко второй, а другая — переход личинки от четвертой стадии к взрослому состоянию.

Лет 50 назад считалось, что процессы развития и дифференцировки клеток происходят в результате утраты разными клетками тех или иных порций своих генов. Теперь известно, что эти гены не теряются, а выключаются, — клетки различных органов и тканей содержат разные наборы работающих генов. Раньше существовало незыблемое убеждение, что работу выключения генов производят только белки. Теперь оказалось, что существует и другая система управления — с помощью микро-РНК.

Возможно, в глубокой древности, во времена «архаического РНК-мира», когда рибозимы, эти каталитические РНК, решали все задачи сохранения и развития жизни, природа — как всегда, случайно — открыла способ использовать РНК также для защиты своих первых клеток от угрозы чужеродных генных систем, и эта архаическая «клеточная иммунная система» частично сохранилась у высших организмов до наших дней. Впоследствии, по мере того как задачи защиты организма перенимала на себя более совершенная «белковая» иммунная система, те же малые РНК стали создаваться особыми генами самой клетки для управления собственными генами. И действительно, оба механизма в конечном итоге сводятся именно к этому — к подавлению подлежащих дезактивации белок-кодирующих генов. Можно лишь подивиться экономности природы, которая эту важнейшую работу поручила таким предельно маленьким молекулам — ведь будь они чуть меньше, ничто не помешало бы тепловому движению оторвать их от клетки.

Открытие этой второй (наряду с белковой) системы управления генами (с помощью малых молекул РНК) имело такое фундаментальное значение, что в начале 2003 года журнал «Science» назвал это главным научным достижением последнего десятилетия. В начале нынешнего года журнал снова включил работы в этой области в список десяти важнейших за 2003 год. Но к этому времени уже появилось много новых данных, понуждающих думать, что существует, по всей видимости, еще и третий — «эпигенетический» — механизм управления, еще более изощренный и сложный, чем первые два. И судя по всему, все эти три механизма тесно связаны друг с другом. Тем самым в саге о великой охоте за генами была открыта очередная новая глава.

То, что над генами

В английском языке существует прекрасный эпитет — mindbogging. Он описывает мозг, увязший в трясине сложностей. Недавно возникшая область биологии — эпигенетика — вполне заслуживает этого эпитета. «Генетик тоже человек, — грустно вздыхает один из пионеров этой новой области, Томас Женувейн, — и он взыскует простоты и ясности, но, к сожалению, эпигенетика далека и от того, и от другого».

Возможно, причиной тому является новизна: в этой сложной области далеко не все еще ясно, а то, что относительно ясно, пока еще представляется весьма сложным. Строго говоря, эпигенетику (давайте называть ее сокращенно — ЭГ) нельзя назвать новой наукой. Она возникла добрых полвека назад, но пережила ту же эволюцию, что изучение РНК: сначала (50 — 60-е годы) — подъем интереса, потом (70 — 80-е) — длительный застой и наконец (90-е годы и начало нашего века) — бурное развитие и необычайные открытия. В обоих моих биологических словарях слова «ЭГ» нет еще вообще, и это вполне оправдано: словари — начала 90-х годов, а первый серьезный прорыв в ЭГ произошел в 1993 году, всего 10 лет тому назад. С другой стороны, сами явления, описываемые этой наукой, знакомы людям невероятно давно, например, тот факт, что от скрещивания кобылы с ослом рождается мул, а от скрещивания жеребца с ослицей — лошак, заметно отличающийся от мула, известен уже добрых 3 тысячи лет.

Рассказ об ЭГ можно начать хотя бы с этих двух животных. Лошак отличается от мула более короткими ушами, более пышной гривой и хвостом и более крепкими ногами.

И это странно. У обоих смешанные родители, только у мула мать из лошадиной породы, а у лошака — отец. Иными словами, у обоих половина генов пришла с лошадиной стороны, половина — с ослиной, то есть набор генов, чисто генетическая информация в их клетках одинакова. Почему же они различаются? Десятилетия держалась догма, что вся информация об организме содержится в наборе его генов. Теперь, на примере мула и лошака, мы видим, что это не так: одна лишь генетическая информация не позволяет нам объяснить различие мула и лошака. Напрашивается мысль пока еще в самом общем виде, что кроме той генетической информации, что записана в ДНК в виде последовательности нуклеотидов в ее генах, существует еще какой-то вид биологической информации, не затрагивающий гены, но, тем не менее, влияющий на свойства и признаки организма.

Открытия последних десяти лет эту мысль убедительно подтвердили. Такая внегенетическая, или, как ее называют, эпигенетическая информация («эпи» по-гречески — это «над» или «сверх»), действительно существует и активно взаимодействует с чисто генетической информацией, порой существенно меняя ее. Грубо говоря, эта информация записана «над генами», как, например, в языке иврит под согласными буквами, составляющими корень слова, записаны знаки огласовки, указывающие, как читать эти согласные. И так же, как эти знаки превращают один и тот же корень в разные по звучанию — и смыслу! — слова (например, «ремез» — это намек, а «рамаз» — это «он намекал» или «намекни»), так эпигенетические знаки, или «метки», стоящие над генами, тоже порой меняют «звучание» этого гена, то есть его действие (как говорят, меняют его «экспрессию»). Причем зачастую способны эту экспрессию прекратить и порой даже навсегда. Вот почему систему таких меток, или «эпигенетический код» следует считать еще одним механизмом управления генами.

Как показали исследования, родительская метка резко влияет на работу гена: один и тот же ген может быть выключенным у потомка, если, скажем, несет отцовскую метку, и включенным, если несет материнскую. Такие гены, работа которых зависит от «метки родителя», называют еще «импринтными» («импринт» по-английски — это отпечаток, метка).

Существование таких «родительских меток» было экспериментально доказано в 1991 году, а к настоящему времени таких импринтных генов найдено уже около 40. Как было обнаружено позже, эти эпигенетические метки имеют вполне материальную природу — они представляют собой небольшие молекулы химического вещества метила (СН3), сидящие в определенных местах ДНК, в соответствующих генах. Не меняя нуклеотидный состав гена, такая метка, если она есть, подавляет его экспрессию. Она делает это не сама по себе — метильная группа служит всего лишь своеобразной «посадочной площадкой», которая привлекает к себе белки, обладающие свойством подавлять действие данного гена.

Природа пометила импринтные гены своими метками, в ходе эволюции она выключила один их родительский вариант и оставила работающим вариант другого родителя для каких-то своих важных целей — как полагают некоторые ученые, чтобы помешать смешению различных видов (скрещение лошадей и ослов — одно из немногих исключений) или самооплодотворению. В любом случае сегодня эти метки стали неотъемлемой частью ДНК, и их сохранение необходимо для нормального функционирования организма. Соответственно нарушение меток импринтинга может привести — и порой приводит — к тяжелым заболеваниям. Врачи давно знали, но не могли объяснить странные случаи, когда один из двух идентичных, однояйцовых близнецов совершенно нормален, а другой заболевает шизофренией. Сегодня установлено, что причиной этого является наличие у больного близнеца мутации, вызывающей нарушение нормального импринтинга.

Постоянное подавление экспрессии генов с помощью эпигенетических меток необходимо и в других ситуациях. Например, в клетках самок содержатся две женские хромосомы ХХ, а у самцов — одна женская и одна мужская, ХY. Понятно, две Х-хромосомы самок будут производить вдвое больше белков, чем единственная Х-хромосома самцов. Природа нашла способ избежать этого дисбаланса. У самок млекопитающих одна из Х-хромосом выключается уже в эмбриональном состоянии на все время жизни. Это выключение происходит сразу после оплодотворения, и затем, при последующих делениях каждой клетки, эпигенетическая метка «выключить» неизменно переходит на копии этой Х-хромосомы у обеих дочерних клеток. Метка эта действительно эпигенетическая: гены «лишней» Х-хромосомы не меняются по составу, но снаружи на эту хромосому «усаживается» некая длинная РНК-молекула, которая несет с собой метки или «приказы» выключения всех белок-кодирующих генов. И опять, как и в случае импринтных генов, случайные (мутационные) нарушения этого процесса могут вызвать и вызывают серьезные заболевания.

Наличие в клетке трех разных механизмов управления работой генов с помощью белков или микро-РНК и с помощью эпигенетических меток делает это управление чрезвычайно гибким, обеспечивающим все жизненные потребности.

Белок-кодирующие гены активны не все время, иногда одни нужно на время выключать, а другие на время включать. Так происходит во время обычной деятельности клетки, так сказать, текущего метаболизма. Многие белки, осуществляющие важные клеточные процессы, живут недолго, порой считанные минуты, например, регуляторные белки вроде циклина, контролирующего определенный этап клеточного деления. Другие белки нужны только на коротких промежуточных стадиях длинного каскада биохимических реакций. Такие белки создаются по мере потребности, и их производство должно быть прекращено, когда потребность исчезает. Именно для этого и нужно приостанавливать работу соответствующих генов. С другой стороны, те белки, которые выключают «ненужные» энзимы, нужно создать; значит, их гены, наоборот, нужно включить. Все это делается много раз на дню и образует рутинную жизнь генов.

Другой тип управления требуется во время эмбрионального развития, становления взрослого организма. Образование различных органов и тканей — это уникальные события в биографии организма. Здесь ведущую роль играет дифференцировка клеток. Клетки, которым предстоит стать печеночными, начинают отличаться от клеток, которым предстоит стать, скажем, унылым хрящом: у будущих «печеночных» совсем другой набор белков, а значит, и белок-кодирующих генов. Не верится, но еще 50 лет назад биологи не знали, как происходит такая дифференцировка. Потом Конрад Ваддингтон показал, что в каждом виде клеток происходит выключение определенных генов, после чего у каждого такого вида остается свой набор включенных и, соответственно, выключенных генов. Дифференцировавшись таким образом, клетка остается такой всегда, на всю свою жизнь. Клетка каким-то образом «запоминает», какого она вида, при делении она передает свою дифференцировку дочерним клеткам.

Эпигенетический механизм управления генами — своего рода «третий слой», работающий в тесном взаимодействии с первыми двумя. Проникновение в его детали началось в 1993 году (почти одновременно с открытием малых РНК), когда Ениш обнаружил, что подавление некоего энзима, работа которого состоит в метилировании ДНК у мыши, влияет на развитие этой мыши. Затем было выяснено, что присоединение метильной группы к цепи ДНК, или к гистонам (особым белкам, которые плотной «шубой» укутывают хрупкую цепь ДНК), крайне распространено — метилированы огромные участки ДНК. Иными словами, метилирование оказалось еще одним способом подавления экспрессии подлежащих выключению генов.

Но у этого процесса есть антипод: действие ацетиловых групп — они, напротив, разрыхляют гистоновую оболочку и побуждают ген к действию.

Таким образом, метильные и ацетиловые химические группы, сидящие в разных местах хромосом, оказались еще одной формой эпигенетических меток, тоже способных влиять на деятельность генов. Распределение этих групп оказалось, в сущности, формами новой, эпигенетической информации, влияющей через гены на свойства организма.

По мере нарастания этих открытий картина эпигенетических влияний все более усложнялась, что и заставило Томаса Женувейна произнести те грустные слова, с которых мы начали. Хотя было доказано, что действие двух только что названных групп — универсальное явление в эукариотном мире, но последствия этого явления сегодня, в свете новых данных, представляются весьма сложными. Например, опыты показали, что метильные группы способны нейтрализовать ацетиловые и наоборот.

И еще, и еще, и еще…

Но, пожалуй, самым главным и самым пока безответным является вопрос: какие факторы диктуют то или иное распределение метиловых и ацетиловых групп? Важность этого вопроса связана с тем, что, по мнению некоторых ученых (например, Эллиса), это распределение представляет собой второй фундаментальный код жизни наряду с генетическим.

Эта гипотеза означает примерно следующее. Генетический код (то есть правила перевода последовательности нуклеотидов в гене в последовательность аминокислот в его белке) управляет организмом с помощью генетической информации, закодированной в ДНК. «Над ним» существует другой, «гистонный код» (то есть пока неизвестные правила перевода того или иного распределения эпигенетических «меток» по гистонам в те или иные изменения активности генов), и этот код, в свою очередь, управляет самими генами и через них организмом с помощью эпигенетической информации, закодированной в этом распределении. Это увлекательная и правдоподобная гипотеза, и сегодня основные усилия эпигенетиков направлены на доказательство существования и «расшифровку» этого «кода». Успех таких усилий будет революцией, по своему значению и последствиям равной той, которую совершили около полувека назад ученые, разгадавшие структуру ДНК и загадку генетического кода.

Нам же остается добавить к этому, что «балет жизни», исполняемый всеми этими взаимозависящими друг от друга участниками, должен и впрямь быть невероятно сложным. И тогда, думается, распутывать все эти сложнейшие взаимодействия охотникам за генами придется еще многие десятилетия. Радует, однако, что первые практические результаты этого поиска уже налицо. Уже начались первые экспериментальные попытки лечения болезней, вызванных нарушениями РНКового и эпигенетического механизмов управления этими генами. Это не только воодушевляет, но одновременно позволяет еще раз убедиться, как важны все эти якобы «отвлеченные» биологические исследования вроде охоты за генами.

Рафаил Нудельман



См. также:
Получить микрозайм с сервисом ZaimOnline-Ru – легко!
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005