«Жизнь — это РНК». Интервью с биологом Алексеем Шацких

Некодирующие РНК — молекулы во многом загадочные, но их значение огромно: без них невозможна жизнь. Они дешифруют генетическую информацию, синтезируют белки, поддерживают структуру генома, включают и выключают гены, а также борются с вирусами и геномными паразитами. Как некодирующие РНК защищают нас от старения, участвуют в эпигенетическом наследовании приобретенных признаков, передают информацию между клетками мозга? Почему считается, что именно с молекулы РНК началась жизнь на Земле? К каким заболеваниям могут приводить нарушения в работе некодирующих РНК и какова их связь со стрессом? Как мы можем использовать некодирующие РНК в медицине и в научных исследованиях? На эти и многие другие вопросы корреспонденту «Научной России» ответил биолог Алексей Сергеевич Шацких. 

Справка: Алексей Сергеевич Шацких — молекулярный биолог, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории функциональной геномики Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН. Специалист в области регуляции экспрессии генов, эпигенетики, некодирующих РНК. Проводит научные исследования молекулярных механизмов регуляции генов рибосомных РНК, а также роли некодирующих РНК, структуры хроматина и эпигенетических механизмов в контроле мобильных генетических элементов и генов в различных физиологических и стрессовых состояниях. 

— Что представляют собой некодирующие РНК? 

— Современная жизнь основана на белках. Информация о структуре каждого из них закодирована в участке молекулы ДНК, который называется ген. Генетическая информация сначала переписывается с гена на молекулу РНК, которая похожа по структуре на ДНК, и далее транспортируется к месту синтеза белка. Сначала ученые думали, что РНК служит просто временным носителем генетической информации, посредником между ДНК и белками. Однако исследования показали, что бóльшая часть генома не кодирует белков, об этом я рассказывал в лекции про некодирующий геном. Тем не менее клетки читают такие некодирующие участки генома с образованием молекул РНК, которые были названы некодирующими РНК. Иногда их сравнивают с темной материей, поскольку по количеству и многообразию функций они заметно превосходят кодирующие РНК. 

— Для чего нужны некодирующие РНК?

— Например, один из важнейших процессов в организме, синтез белка, полностью зависит от РНК. Во-первых, информация о структуре белка содержится в матричной РНК (мРНК), она программирует аппарат синтеза белка — рибосому — на синтез определенного белка. Во-вторых, сама рибосома состоит в основном из молекул некодирующих РНК, которые называются рибосомные РНК (рРНК). Именно они катализируют соединение аминокислот, собирая из них белок. Ну, и, наконец, за дешифровку генетического кода при синтезе белка отвечает еще один тип некодирующих РНК — транспортные РНК (тРНК). Они приносят к рибосоме аминокислоту, закодированную в участке матричной РНК, который в данный момент связан с рибосомой.

От некодирующих РНК зависит не только синтез белка. Существуют некодирующие РНК с разными функциями: например, некоторые могут участвовать в поддержании структуры хромосом. Концевые участки хромосом, которые называются теломеры, укорачиваются с каждым делением клетки. Когда теломеры становятся совсем короткими, клетка перестает делиться. Из-за этого старые клетки не могут обновлять клеточный состав органов, и это считается одним из основных механизмов старения. В некоторых клетках, например в стволовых, действует механизм удлинения теломер. В них работает фермент теломераза, который достраивает теломеры, при этом особая некодирующая РНК выступает в качестве матрицы. Таким образом, некодирующие РНК защищают нас от преждевременного старения.

Фундаментальная особенность некодирующих РНК, ключ к пониманию многих их функций, в том, что молекулы РНК за счет комплементарных взаимодействий могут специфическим образом распознавать определенные участки генома, привлекая к ним различные молекулярные аппараты — например, комплексы белков.

— Для чего это может быть нужно?

— На этом принципе основаны, например, механизмы защиты от вирусов. Хороший пример — система CRISPR-Cas. Работает она так: у бактерии в особом участке генома, который называется CRISPR, хранятся образцы ДНК разных вирусов, это можно сравнить с полицейской картотекой преступников. С этого участка генома считываются некодирующие РНК, так называемые гидовые РНК, способные распознавать ДНК вируса, если он проник в клетку. Далее белок Cas, который связан с молекулой некодирующей РНК, разрезает вирусную ДНК.

— Это то, что называется «генетические ножницы», за что дали Нобелевскую премию?

— Да, это они и есть. 

— Эти «генетические ножницы» есть только у бактерий или что-то похожее существует и у нас?

— CRISPR-Cas характерен для примитивных одноклеточных организмов, прокариот. У нас, эукариот, то есть высших организмов, в клетках которых есть ядро, существует другой в чем-то похожий механизм — РНК-интерференция. Суть его в том, что в ответ на заражение клетки вирусом в ней образуются особые некодирующие РНК, которые называются короткие интерферирующие РНК. Они распознают вирусную РНК и запускают ее уничтожение, тем самым блокируя размножение вируса. Причем эта система защиты от вирусов более древняя, чем наш классический иммунитет, основанный на иммунных клетках и антителах.

— То есть некодирующие РНК могут распознавать чужеродный геном. А способны ли они распознавать что-то еще аналогичным образом?

— Существуют некодирующие РНК, которые могут распознавать те или иные участки собственного генома и регулировать их работу — например, включать или выключать гены. В лекции про регуляцию генов я приводил пример таких регуляторных некодирующих РНК: это микроРНК, которые специфически связываются с определенными кодирующими (матричными) РНК и определяют то, какой набор белков будет синтезироваться в клетке. Кроме микроРНК есть и другие регуляторные некодирующие РНК, которые регулируют работу генов на всех уровнях. Это, в частности, такие РНК, которые привлекают к генам эпигенетические механизмы, вносящие активные или репрессивные метки. Об этих механизмах я рассказывал в лекции про эпигенетику.

— Как некодирующие РНК решают, когда и какие гены нужно включить или выключить?

— Думать молекулы, конечно, не умеют, все определяется физико-химическими закономерностями, которые, в свою очередь, обусловлены последовательностью нуклеотидов РНК. Если в клетке плавает РНК, способная связываться с определенным участком генома, то она рано или поздно найдет свою мишень, свяжется с ней и принесет с собой комплекс белков, которые тоже специфически связываются с этой РНК. Так что вопрос в том, как клетка решает, когда и какие РНК нужно начинать синтезировать. Тут стоит сказать, что информация о некодирующих РНК хранится в определенных участках некодирующего генома, которые похожи по структуре на обычные белок-кодирующие гены. И регулируется работа таких некодирующих генов подобно тому, как регулируются обычные гены, об этом я рассказывал в лекции про регуляцию генов. Клетки получают различные сигналы из окружающей среды, и это изменяет работу их генома. Из-за этого в разных клетках и в разных условиях синтезируется разный набор регуляторных РНК, и они в совокупности определяют, какие белок-кодирующие гены и насколько интенсивно будут работать.

Кроме того, некодирующие РНК могут регулировать друг друга, образуя сложные регуляторные сети. Благодаря им клетка обрабатывает поступающую к ней информацию и решает, какой набор генов сейчас нужно включить, а какой выключить.

— А могут ли некодирующие РНК регулировать что-то кроме генов?

— Они регулируют работу практически всего генома. Например, они контролируют мобильные генетические элементы, о которых я рассказывал в одной из предыдущих лекций. Напомню, что мобильные генетические элементы — это участки хромосом, способные перемещаться из одного места генома в другое. Такое перемещение может нанести вред организму — например, если мобильный элемент встроится в какой-то важный ген. Поэтому очень важно, чтобы они оставались под контролем и не перемещались.

Особые некодирующие молекулы РНК распознают мобильные генетические элементы и привлекают к ним репрессивные эпигенетические механизмы. Благодаря этому мобильные элементы остаются неактивными, не перемещаются по геному и не причиняют вреда. Так некодирующие РНК защищают геном.

— То есть некодирующие РНК регулируют работу эпигенетических механизмов?

— Некодирующие РНК направляют работу эпигенетических механизмов. Они могут принимать участие в эпигенетической регуляции как отдельных участков генома, так и целых хромосом. У млекопитающих, включая людей, пол определяется набором так называемых половых хромосом: у женщин две X-хромосомы, а у мужчин — одна Х- и одна Y-хромосома. X-хромосома большая, генов в ней довольно много, и отвечают они за базовые процессы в организме, одинаковые для мужчин и женщин.

Для нормального протекания любых процессов гены должны работать с определенной интенсивностью, не больше и не меньше необходимого.

Получается, что у женщин из-за двух X-хромосом каких-то генов в два раза больше, чем у мужчин. Чтобы продуктов этих генов не образовывалось больше, чем нужно, в клетках женского организма одна из двух X-хромосом эпигенетически инактивируется. Именно особые некодирующие РНК направляют к ней репрессивные эпигенетические механизмы. Если эти механизмы работают неправильно, баланс в работе генов нарушается. На ранних стадиях развития это приводит к гибели эмбриона, на более поздних стадиях возникают тяжелые болезни, такие как пороки развития, иммунные и умственные расстройства, а также онкологические заболевания.

— Зависит ли от некодирующих РНК эпигенетическое наследование приобретенных при жизни признаков? Например, могут ли отразиться на потомстве тревожность или депрессия, испытанные родителями?

— Некодирующие РНК направляют эпигенетические механизмы к тем или иным генам в зависимости от условий среды, в которых находится организм, и сигналов, которые поступают к клеткам.

Влияние среды может изменить эпигенетическую информацию в половых клетках, и это скажется на потомстве.

В данном контексте особенно интересно отметить, что некодирующие РНК сами по себе могут быть носителями эпигенетической информации. Это особый эпигенетический механизм, не связанный с наследованием метилирования ДНК или гистоновых меток. Различные молекулы РНК входят в состав половых клеток (сперматозоидов или яйцеклеток) и передаются от родителей потомкам, регулируя у них гены и определяя формирование признаков. И в зависимости от того, какой набор некодирующих РНК и в каких количествах поступит с половыми клетками, будет определяться то, каким образом эмбрион будет развиваться — в частности, какие будут изменения в структуре нервной системы, которые отразятся на поведенческих особенностях потомка. Такой механизм позволяет наследовать некоторые приобретенные признаки. Например, показано, что у мышей некодирующие РНК участвуют в наследовании повышенной тревожности или депрессивного состояния, вызванных стрессом у родителей.

— А вообще много ли заболеваний ассоциированы с какими-то нарушениями в некодирующих РНК?

— Синтез РНК — фактически и есть работа генома. Если геном работает неправильно, это приводит к болезни. И наоборот, патологические процессы изменяют работу генома. Исследования показывают, что практически любая болезнь так или иначе ассоциирована с изменением структуры или синтеза РНК, как кодирующих, так и некодирующих.

Например, некодирующие РНК регулируют гены, контролирующие деление клеток, и нарушение этих механизмов приводит к возникновению опухоли.

— А как это связано с мутациями?

— Взаимодействия между мутациями, некодирующими РНК и эпигенетическими механизмами сложны, причем нарушения могут усиливать друг друга. Мутации могут нарушить работу белок-кодирующих генов, которые контролируют деление клеток, в результате клетки начнут делиться активнее, чем нужно. Другие мутации нарушают эпигенетические механизмы, что сказывается на работе сразу многих генов, в том числе тех, которые отвечают за стабилизацию генома и исправление в нем ошибок, и это приводит уже к массовому накоплению мутаций. Кроме того, мутации в некодирующих РНК могут привести к тому, что эпигенетические механизмы, направляемые этими РНК, начнут неправильным образом распределяться по геному. И гены, которые должны были бы молчать, начнут активно работать, или наоборот.

— Что еще интересного можно рассказать про некодирующие РНК?

— У некодирующих РНК много функций. Например, они могут передавать информацию между клетками. Одна клетка синтезирует регуляторные РНК, упаковывает их в особые мембранные пузырьки, везикулы, и передает их другой клетке, в результате в клетке-адресате изменяется работа генов и запускаются определенные процессы. Таким образом могут обмениваться информацией клетки мозга. Это часть химической коммуникации, которая работает наряду с более известной передачей электрических импульсов между нейронами. Этот механизм не ограничен мозгом.

Разные клетки могут синтезировать такие мембранные пузырьки с РНК, и они могут переноситься с кровью по всему организму, оказывая эффект на разные органы, наподобие того, как это делают гормоны.

— Можно ли сказать, что РНК древнее ДНК? Есть гипотеза, что еще до того, как появилась ДНК, был некий мир РНК. Что он собой представлял?

— Согласно современным представлениям, миллиарды лет назад на древней Земле протекали химические процессы, которые приводили к образованию базовых химических блоков, нуклеотидов, из которых формировались различные по структуре молекулы РНК. В результате этих процессов в какой-то момент возникли такие молекулы РНК, которые оказались способны создавать свои копии, осуществлять так называемые автокаталитические реакции самосборки.

То есть, по сути, РНК изобрела размножение еще до того, как возникла жизнь.

На следующем этапе эволюции функция хранения генетической информации перешла к более стабильной ДНК, а каталитические функции — к более эффективным белкам. И это уже современная жизнь. Есть такая шутка, что жизнь — это РНК, которая использует ДНК для того, чтобы записывать информацию о себе, а белки — чтобы создавать собственные копии.

— На те древние РНК естественный отбор уже действовал?

— Да. Именно поэтому РНК считается первой молекулой, с которой началась жизнь на Земле. Это единственная молекула, способная одновременно хранить информацию, катализировать химические реакции и эволюционировать. РНК копировались неидеально, и измененные копии, которые более эффективно копировали себя, получали преимущество. В результате этих процессов могли также возникать РНК с новыми функциями, вроде способности к синтезу белков, что ускорило эволюцию и повысило адаптируемость таких молекулярных систем.

— О каком примерно временном отрезке мы говорим? Когда на планете появились эти первые молекулы РНК?

— Судя по всему, достаточно рано по эволюционным меркам: в первые сотни миллионов лет после образования Земли, когда наша планета достаточно остыла для того, чтобы на ней могли запуститься химические процессы и появиться различные химические вещества. Речь о так называемом первичном бульоне, то есть массовом образовании различных органических молекул на древней Земле.

— Насколько сильно те древние молекулы РНК могли отличаться от современных РНК?

— Возможно, первоначально в их состав входили какие-то особые нуклеотиды, которых теперь нет. Но в конечном итоге эволюция пришла к набору тех же самых четырех классических нуклеотидов, входящих в состав РНК и по сей день: аденина, гуанина, цитозина и урацила. Кстати, еще один интересный факт об РНК. Еще со школьной скамьи многие помнят молекулу АТФ, которая служит переносчиком энергии в нашем организме. Так вот, на самом деле она представляет собой один из нуклеотидов, входящих в состав именно РНК. Считается, что этот универсальный механизм запасания и передачи энергии мог возникнуть еще до того, как сформировалась современная жизнь.

— Вернемся к современности. Какое практическое значение имеют исследования некодирующих РНК?

— Практическое значение некодирующих РНК сложно переоценить. Например, бактериальную систему CRISPR-Cas генетические инженеры взяли на вооружение и используют в качестве «молекулярных ножниц» для редактирования геномов. При помощи некодирующих (так называемых гидовых) РНК можно запрограммировать разрезание генома в любой нужной точке. РНК-интерференция тоже давно используется в научной работе, при помощи нее можно выключать гены у экспериментальных животных или растений, изучая их функции. Нарушая при помощи РНК-интерференции работу генов у животных, можно моделировать разные болезни, чтобы изучать патологические процессы и испытывать лекарства.

Поскольку многие болезни связаны с нарушением синтеза РНК, их можно использовать для диагностики и лечения.

Например, изучая состав РНК крови, можно отслеживать состояние опухоли и как она реагирует на лечение. Это особенно полезно, если опухоль находится в труднодоступном месте, где сложно взять биопсию. Кроме того, в последнее время разрабатываются лекарства нового поколения, влияющие на работу некодирующих РНК, вовлеченных в патогенез различных заболеваний.

— Ваша научная работа связана с некодирующими РНК?

— Один из проектов, которыми я занимаюсь, посвящен изучению механизмов регуляции генов рибосомных РНК. Как я уже ранее говорил, рибосомные РНК — это некодирующие РНК, из которых состоят рибосомы — внутриклеточные аппараты для синтеза белка. Синтез рибосомных РНК и сборка новых рибосом в каждой клетке строго регулируются. Если рибосом мало, то нарушится синтез белка и, соответственно, химические процессы в клетке; обратная ситуация тоже нехороша: в раковых клетках рибосомы синтезируются слишком активно, что помогает опухоли быстро расти. Поэтому принципиальное значение имеет точная регуляция генов рибосомных РНК: они должны работать не слишком активно, но и не слабее необходимого. В отличие от обычных генов, гены рибосомных РНК существуют во множестве копий — от нескольких десятков до нескольких сотен в каждой клетке. И клетка настраивает интенсивность синтеза рибосомных РНК, включая или выключая эти гены. Чем больше генов включено, тем активнее синтез рибосомных РНК. Но механизмы, которые позволяют клетке решать, какие гены надо выключить, а какие оставить включенными, до сих пор слабо изучены.

Конкретно наша работа сосредоточена на изучении регуляции особых генов рибосомных РНК со вставками мобильных генетических элементов — транспозонов. Сотни миллионов лет назад эти транспозоны встроились в гены рибосомных РНК у предков современных многоклеточных животных и по сей день сохраняются у самых различных групп животных.

Обычно эволюция быстро избавляется от дефектных генов, если же такие гены с транспозонами сохраняются настолько долго, значит они для чего-то нужны.

То есть это пример «прирученных» транспозонов. Зачем они нужны, пока не очень понятно, но в норме такие гены с транспозонами выключены при участии эпигенетических механизмов. Согласно нашим данным, в этом выключении принимают участие особые регуляторные некодирующие РНК. Самое интересное, что эти гены с транспозонами активируются в стрессовых состояниях.

Обычно, когда организм подвергается стрессу, он переходит в режим выживания, при этом большинство генов выключается, чтобы экономить ресурсы, а гены, нужные для адаптации к стрессу, наоборот, активируются. Нужны ли наши гены с транспозонами для адаптации к стрессу, пока непонятно.

Мы изучаем молекулярные механизмы, которые сдерживают работу этих генов в норме, а также механизмы, которые активируют их при стрессе. Наши результаты говорят о том, что есть несколько уровней контроля таких генов. С одной стороны, их работу сдерживают эпигенетические механизмы и особые регуляторные некодирующие РНК. Мы можем при помощи специальных генетических инструментов нарушить работу этих механизмов, тогда гены активируются и синтезируются дефектные рибосомные РНК со вставками транспозонов. И тут мы видим, что существует второй уровень контроля: какие-то другие механизмы в клетках распознают такие РНК и уничтожают их, чтобы из них не собирались дефектные рибосомы.

— Ваши исследования могут иметь практическое значение, например, для лечения или диагностики каких-то заболеваний?

— Мы занимаемся фундаментальными исследованиями, но в потенциале они имеют и немаловажное прикладное значение. Мухи дрозофилы, с которыми мы работаем, это, пожалуй, лучший объект для генетических и молекулярно-биологических исследований. Дело в том, что существует огромное количество лабораторных линий мух с мутациями в разных генах, а также с различными трансгенными конструкциями. Благодаря этому у нас есть такие инструменты, которые позволяют управлять работой практически любого молекулярного аппарата, — например, выключить его только в определенных клетках или органах. Так можно установить молекулярные механизмы, которые регулируют работу изучаемых генов. На людях провести подобные эксперименты невозможно. В нашем случае важно то, что общие принципы работы генов рибосомных РНК эволюционно консервативны, то есть похожи у разных живых существ, включая людей.

Изучая механизмы регуляции генов рибосомных РНК на мухах, мы лучше понимаем и то, как работают эти гены в нашем организме.

А это не просто интересно, но еще и имеет большое практическое значение. Я уже говорил, что синтез рибосомных РНК часто нарушается при различных болезнях. И уже разрабатываются лекарства, например противораковые препараты, которые влияют на синтез рибосомных РНК. Чтобы сделать эти препараты более эффективными и безопасными, нужно хорошо понимать принципы регуляции генов рибосомных РНК. Возможно, результаты наших исследований тоже смогут этому поспособствовать.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ