https://dzen.ru/a/Znwp9gHWknIJCBxM?from_site=mail
Тёмная материя генома человека
9 минут
835 прочтений
1 июля
Что мы сегодня знаем о нашей ДНК и наших генах? С момента открытия структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком прошло уже более 70 лет, и новой вехой в истории науки стала реализация амбициозного проекта «Геном человека» по расшифровке информации, заложенной в самой важной, но при этом и самой загадочной молекуле клетки.
Эта исследовательская программа стала наиболее масштабной и дорогой в истории биологии. Проект «Геном» стартовал в 1990 году, основная его часть была завершена в 2003 году, а стоимость составила 3 млрд долларов. Однако результаты для некоторых учёных выглядели несколько разочаровывающими. Да, была установлена 21 000 генов, кодирующих белки, но это составило менее 2% от всей ДНК человека. Остальные 98% из 3,2 млрд нуклеотидных последовательностей якобы не имели смысла, и их даже окрестили «мусорной ДНК».
Генами, в классическом понимании, считаются участки генома, которые кодируют белки. Из них строятся ткани, они регулируют биохимические реакции, ими переносятся вещества, необходимые для работы клеток, за счёт них извлекается энергия. Белки осуществляют почти всё необходимое для жизнедеятельности организма. И очень долгое время считалось, что синтез белков и есть основная задача генома.
Процесс производства белка состоит из нескольких стадий. Сначала ген, кодирующий белок, считывается и на его базе синтезируются молекулы переносчики информации – мРНК, которые, в свою очередь, передают чертёж будущей протеиновой структуры рибосомам– клеточным органеллам – фабрикам по сборке белков. Но, как оказалось, гены, кодирующие белки, подобны маленьким островам в океане ДНК, которая никакого отношения к синтезу белков не имеет. Для чего же хранится, регулярно обслуживается и передаётся по наследству остальная часть ДНК, представляющая собой 98% генома?
Для объяснения роли некодирующей белки ДНК в 2003 году был инициирован проект ENCODE, и настоящим шоком стало, когда в нескольких публикациях в журнале Nature в 2012 году генетик Хомас Гингерас с другими членами команды проекта сообщили, что по крайней мере 75% генома транскрибируются в РНК. Некоторые из этих молекул РНК, как уже было известно учёным, обеспечивали активацию или дезактивацию генов, но большинство их функций оставались неизвестны. И всё же, никто даже не предполагал, что
3/4 нашей ДНК транскрибируется в РНК, но не кодирует белки и при этом может обладать полезными функциями. В рамках проекта ENCODE к 2020 году было идентифицировано 37 600 некодирующих генов – участков ДНК с инструкциями для молекул РНК, которые не содержат информации о синтезе белка. Эта цифра оказалась почти в два раза больше числа генов, кодирующих белки. Биологи Джин Лоуренс и Лиза Холл из Массачусетского университета в 2024 году в комментарии для журнала Science назвали эти открытия «революцией РНК».
Большая часть некодирующей РНК (IncРНК или нкРНК), по-видимому, действительно задействована в регуляции генов, осуществляя не только включение и выключение, но и тонкую настройку их активности. И хотя некоторые гены содержат проект белков, нкРНК может регулировать их активность, определяя, будут ли синтезированы, кодируемые ими белки. Это сильно отличается от основной догмы биологии, которая господствовала с момента открытия двойной спирали ДНК и сводилось к тому, что ДНК напрямую ведёт к белкам.
«Похоже, что мы, возможно, в корне неправильно поняли природу генетического программирования», – утверждают молекулярные биологи Джон Мэттик из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии и Кевин Моррис из Технологического университета Квинсленда.
Однако, по сути, открытие того, что существует некодирующая РНК, произошло гораздо раньше. Некоторые из этих молекул были известны на протяжении многих десятилетий. К примеру, всего через несколько лет после установления структуры ДНК, была обнаружена транспортная РНК, захватывающая аминокислоты, которые в конечном итоге объединяются в белки.
В 90-х годах XX века учёные поняли, что IncRNA обладает функциями, которые никак не связаны с конструированием белковых структур. Изучая процесс Х-инактивации, при котором в одной из X-хромосом в женском генотипе все гены отключаются, исследователи предположили причастность гена под названием XIST. Однако, несмотря на все попытки, найти соответствующий этому гену белок так и не удалось.
Причина, как выяснилось, заключалась в том, что с гена XIST транскрибировалась длинная нкРНК. Исследовательская группа Джин Лоуренс установила, что эта молекула обволакивает выбранную случайным образом одну из Х-хромосом, таким образом блокируя находящиеся там гены.
А спустя уже десять лет в результате целого ряда исследований стало ясно, что синтез некодирующих РНК – это широко распространённый процесс. В 2002 году Гингерас с коллегами сообщили, что в 21 и 22 хромосомах человека считывается гораздо больше генов, чем исключительно несущих информацию о синтезе белков.
Процесс регуляции нкРНК до сих пор остаётся до конца неизвестным. Согласно одной из гипотез, IncRNA способствуют образованию конденсатов – внутриклеточных капель, содержащих определённые регуляторные молекулы для коллективного выполнения своих функций. Вторая гипотеза предполагает влияние IncRNA на структуру хроматина, обеспечивая или блокируя доступ к генам и возможность их транскрипции.
Учёные продолжают открывать другие семейства IncRNA, имеющие иные функции и альтернативные способы воздействия на процессы, происходящие в клетке. На сегодняшний день в геноме Homo sapiens идентифицировано свыше 2 000 микроРНК (некодирующих молекул РНК, длина которых составляет от 18 до 25 нуклеотидов).
Один из основных механизмов их действия – вмешательство в трансляцию транскрипта мРНК гена в соответствующий белок. Обычно микроРНК образуется из более длинной молекулы – пре-микроРНК. Её захватывает и разрезает на более мелкие фрагменты фермент Dicer, преобразуя уже в микроРНК, которые останавливают трансляцию мРНК в белок или приводят к её деградации. Это регуляторное действие микроРНК обеспечивает управление клеточным циклом, начиная от определения «судьбы» клеток (выбора какими типами тканей они становятся в процессе развития) до их гибели. Предполагают, что микроРНК работают группами, при этом несколько молекул объединяют усилия для регуляции конкретного гена.
Виктор Амброс из Массачусетского университета подозревает, что именно этот механизм лежит в основе эволюционной изменчивости. Множество способов совместной работы микроРНК, а также количество возможных мишеней для каждой из них, обеспечивают большую гибкость в процессах регуляции генов и, следовательно, в реализации признаков, которые в итоге приобретает живой организм. Это даёт большое количество эволюционных возможностей, позволяющих ему лучше адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды.
Другие типы IncRNA, называемые малыми ядрышковыми РНК (snoRNA), работают внутри клеточных компартментов, помогая модифицировать РНК в рибосомах, а также переносить РНК и мРНК. Кроме того, существуют кольцевые РНК (circRNA) – молекулы РНК, которые сшиваются в форму кольца перед тем, как выйти за пределы ядра в цитоплазму и выполнять регуляторные функции.
Если нкРНК определяют способ обработки клеткой генетической информации, то существует возможность их использования в медицине. И наиболее перспективным с клинической точки зрения является нацеливание на более мелкие регуляторные РНК – микроРНК. Поскольку микроРНК обычно поражают множество целей, они могут делать много вещей одновременно. Например, микроРНК в семействах miR-15а и miR-16-1 работают как супрессоры опухолей, воздействуя на несколько генов и исследуются для лечения опухолевых процессов.
Однако проблема с использованием РНК в качестве лекарств заключается в том, что они вызывают иммунный ответ. Именно потому, что иммунная система стремится защититься от вирусной РНК, она обычно распознаёт и атакует любую «чужую» РНК. Одна из стратегий защиты терапевтической РНК от иммунного нападения и деградации заключается в химической модификации её основной цепи так, чтобы она сформировала неестественную «замкнутую» кольцевую структуру, которую деградирующие ферменты не могут легко распознать.
В настоящее время активно ведутся исследования с использованием цепочек РНК, называемых антисмысловыми олигонуклеотидами (ASO). Эти нити нуклеиновой кислоты обладают последовательностями, комплементарными целевой РНК, сначала соединяясь, а затем отключая её. Некоторые ASO разрабатываются для инактивации нкРНК, которые связаны с онкологическими заболеваниями. Другие нкРНК сами могут действовать как лекарства. Небольшие синтетические молекулы, которые легче настроить и доставить в организм в качестве фармацевтических препаратов, чем ASO, также исследуются на предмет связывания с нкРНК или иного ингибирования их взаимодействия с белками. Однако заставить эти подходы работать весьма непросто. Исследователи активно изучают РНК длиной менее 21 нуклеотида, поскольку за этим пределом они не распознаются иммунной системой как чужеродные и, соответственно, иммунный ответ не запускается.
Предполагается, что изменения в регуляции активности генов будет формировать нашу восприимчивость к таким заболеваниям, как гипертония, диабет II типа, болезнь Альцгеймера и многим другим широко распространённым патологическим процессам. Связанные с их развитием генетические варианты и белки, а также пути, в которых они играют решающую роль, могут затем стать потенциальными мишенями для лекарств.
Сегодня само определение гена сопряжено с множеством сложностей. То, что когда-то считалось прямой, односторонней, двухточечной связью между генами и признаками, теперь превратилось в «проблему генотипа-фенотипа», когда знание последовательности ДНК, кодирующей белок, говорит лишь частично о том, как признак появляется.
В ходе экспериментов на животных Джозеф Х. Надо, директор по научным разработкам Института системной биологии в Сиэтле, отследил более 100 биохимических, физиологических и поведенческих особенностей, на которые влияют эпигенетические изменения, и наблюдал, как некоторые из них передавались по наследству через четыре поколения. «Это полностью соответствует ламаркизму!», – восклицает Надо, – идеи биолога XVIII века Жана-Батиста Ламарка о том, что приобретённые черты могут наследоваться.
«Сложность нашей биологии заключается не в количестве наших генов, а в регуляторных переключателях», — утверждает Эрик Грин, директор Национального института исследований генома человека и участник проекта ENCODE. В результате 1600 отдельных экспериментов, анализа более 140 типов клеток и огромного количества данных научная группа обнаружила около 4 миллионов переключателей генетической активности, которые способны регулировать функции более чем 80% всего генома. И это в сравнении с примерно 2% генома, ответственными за гены, кодирующие белки, на которые исследователи до сих пор полагались при поиске причин и проявлений различных заболеваний. «Проект «Геном» предполагал создание набора букв, составляющих схему», — утверждает Грин. – Когда, наконец, этот план был составлен, мы осознали, что можем понять лишь очень немногое из него». Сегодня необходимо преодолеть весь скепсис, сопутствующий открытиям регуляторных функций нкРНК и инициировать изучение генома человека в соответствии с полученными новыми данными. И, конечно, оставить термин «мусорная ДНК» в анналах истории.
Линейный вид
