Маленькі та далеко
Ігор ЛАЛАЯНЦ, кандидат біологічних наук
Вивчення мікроРНК може відкрити нову сторінку в медицині
Зовсім недавно побачили світ дві книги - біографія Ф.Кріка, співвідкривача подвійної спіралі ДНК, і "Життя від РНК-світу: предок усередині" - про виникнення життя, на початку якого стояла РНК. У другій книзі на сучасному рівні викладається загалом стара ідея про те, що спочатку була РНК, а аж ніяк не ДНК. Ф.Крік був першим, хто постулював центральну догму молекулярної біології: ДНК - РНК - білок (малася на увазі іРНК, у відкритті якої вони брали найактивнішу участь). Догма зазнала долі миріадів інших. До честі Крику він спокійно визнав у 1970 р. аварію свого ідеалу, коли у вірусів був відкритий фермент зворотна транскриптаза (ВІД, або ревертаза). На жаль, він не дожив до відкриття РНК-інтерференції, що здійснюється короткими молекулами РНК завдовжки трохи більше 23-24 нуклеотидів. Саме цей найдавніший механізм регуляції активності генів став черговим доказом реальності існування колись РНК-світу, який набагато старший за звичний нам ДНК-овий.
Вірус та імунітет: хто кого?
Говорячи про «позажиттєві» форми носіїв генетичної інформації, мають на увазі насамперед віруси, які виникли ще в первинному РНК-світі. РНК – «молодша сестра» ДНК – через квантово-фізичні обмеження не може бути довгою, оскільки при досягненні певного ліміту довжини ланцюжка просто ламається. Для її захисту віруси «вигадали» білкові оболонки найрізноманітніших форм, багатство яких вражає уяву. Але вірус тому й нежиттєва форма, що не має власного обміну, а для реплікації має проникнути у клітинне ядро, в якому є не лише ферменти синтезунуклеїнових кислот, але також і запас тих самих нуклеотидів, з яких будуються останні. Вірус не може безперешкодно проникнути у клітину через її мембрану. Він насамперед повинен зв'язатися з особливими білковими молекулами - рецепторами. Після цього починається процес ендоцитозу або втягування молекулярного комплексу в цитоплазму. В ендоцитній капсулі ферменти починають буквально «роздягати» вірус, поступово вивільняючи його нуклеїновокислотний геном. Тільки нуклеїнова кислота з невеликою кількістю ферментного білка може проникнути у цитоплазму клітини. У ВІЛ ензимний вантаж представлений складним ензимним комплексом ро1, що виконує як мінімум три функції. Цей протеїн синтезує ДНК-копію на матриці РНК, тобто здійснює «зворотний» синтез, потім переміщає ДНК в ядро, де вбудовує її в клітинний геном (ДНК-копія ВІЛ може перебувати в лімфоциті в стані, що покоїться, протягом декількох років, а вірусу гепатиту - і десятків років, те саме справедливо і щодо вірусу грипу).
Імунний противірусний захист, як відомо, включається досить пізно, внаслідок чого, наприклад, ми щовесни і осені перехворюємо на нову форму грипу. Справа в тому, що при всій своїй високій специфічності імунні Т-лімфоцити включають клітинну й античну відповідь лише після «ознайомлення» Т-хелперів з вірусними антигенами, які вони представляють мечниковськими макрофагами (і так званими дендритними клітинами, про фагоцитну роль яких ще не так давно не підозрювали). Макрофаги ж дають неспецифічну імунну відповідь, тобто вони реагують на вірусні білки як на будь-яку чужорідну речовину. Віруси для свого «життєвого» циклу змушені вбудовувати в клітинну мембрану свої білки, на які і реагують макрофаги. Специфіка віруснихантигенів «оцінюють» лише Т-хелпери, а діючим клітинним початком імунної системи є В-лімфоцити, що синтезують протеїнові антитіла, і клітини, що отримали назву «натуральні кілери» (NK - Natural Killers) - такі собі природжені вбивці, які вбивають клітини, інфікують (у процесі беруть участь і цитотоксичні лімфоцити CTL). Про таке радикальне вирішення проблеми свідчить мокротиння з мільярдами загиблих клітин слизової дихальних шляхів, що відокремлюється при кашлі при тому ж грипі. На вироблення специфічної імунної відповіді йде приблизно 2 тижні, протягом яких людина відчуває дискомфорт та нездужання. Імунітет до цього вірусу зберігається протягом десятиліть, і вважається, що носіями імунної пам'яті є згадані клітини. З грипом вся проблема полягає в тому, що геноми його вірусів мутують кожні півроку, тому «старий» захист виявляється неефективним. Такі швидкі зміни в геномі РНКових вірусів пов'язані саме з одноланцюговістю їх носія ген-інформації. p align="justify"> Ферменту РНК-полімеразі дуже важко зберегти просторову стабільність, зв'язуючись лише з одним ланцюгом, в результаті чого при копіюванні замість «потрібних» нуклеотидів включаються зовсім інші, тим самим визначаючи високу мутабельність РНК-ових геномів. Досить сказати, що частота мутацій геному ВІЛ як мінімум у 1000 разів перевищує швидкість мутування певних ділянок імунних генів у Т-лімфоцитах, внаслідок чого ті здебільшого програють вірусу і зрештою гинуть, наслідком чого є розвиток імунодефіциту.
Старіння як захист від раку
Використання вірусу - лише дуже демонстративний приклад необхідності клітинного захисту проти зовнішніх викликів. Іншим прикладом сутоклітинних «клопотів», пов'язаних із необхідністю «перезавантаження» геномних програм, що повторюється, є розвиток організму, в ході якого плід обходиться без необхідності дихати атмосферним киснем. Зокрема, першою функцію кровотворення перебирає ембріональна печінка, синтезує дуже важливий альфа-фетопротеїн (від fetus - плід). Для «вилучення» кисню, розчиненого в материнській крові, еритроцити плода несуть фето-гемоглобін (НЬ F - від fetus, плід), квантові властивості іона заліза в якому відрізняються великою спорідненістю до кисню. Після народження дитини експресія генів обох зазначених білків вимикається, піддаючись замовчуванням, або сайленсингу (англ. silence – тиша, мовчання). Але це зовсім не означає, що вони викидаються із клітинного геному. При раку вони внаслідок загального геномного дисбалансу можуть працювати. У період розвитку організмів починає працювати дуже багато генів, у результаті включається функція статевих залоз і з'являються вторинні ознаки. У другій половині життя гени, які відповідають, зокрема, за поділ клітин, поступово «відключаються», щоб не допустити пухлинної трансформації, що досягається у трьох чвертях згідно із законом Менделя. Звідси такий важливий біологічний процес старіння можна як захист від раку. Довгі десятиліття вчені було неможливо зрозуміти природи сайленсингу, будуючи з цього приводу найфантастичніші припущення.
У зв'язку з цим можна згадати початок 50-х, коли вивчення ДНК йшло буквально на коліні. Це сьогодні дозвіл рентгеноструктурного аналізу завдяки бурхливому розвитку комп'ютерної техніки досяг майже одного ангстрему (діаметра атома водню)! Розалінд Франклін отримала деякі туманні розмиті картинки якогось ДНК-ового «хреста» і нічого не знала прокомплементарності пар азотистих основ. Невдаха Ф.Крік намагався якось застосувати закони улюбленої фізики до біології ДНК, не забиваючи собі голову тим, що вона може бути носієм генетичної інформації. Лише юним американцем Дж. Вотсоном володіла одна, але полум'яна пристрасть - довести, що це саме так! Він привіз до Кембриджу з іншого берега Атлантики результати «фагової школи» М.Дельбрюка та С.Луріа та американського мікробіолога О.Ейвері, які говорили про те, що принаймні у пневмококів, що викликають пневмонію, і у бактеріофагів роль носія спадкової інформації виконує ДНК .
Але повернемося до сайленсингу генів та регуляції їхньої активності. У хромосомах ядра клітини є численні ділянки, що не кодують, які не відповідають за синтез білків. З цих послідовностей ДНК малої протяжності синтезуються короткі РНК, що утворюють дволанцюгові структури. Рентгеноструктурний аналіз з роздільною здатністю менше 3 ангстрем дозволив побачити, що ці пре-мікроРНК (miR) утворюють комплекс з ядерним білком та ферментом, що розщеплює енергоносій типу АТФ. Природно, що білок, що здійснює «експорт» miR через пори ядерної оболонки, отримав назву експортін. Для захисту коротких РНК у протеїновій молекулі є тунель, що надійно вкриває молекулу від «перетравлення» ферментами РНКазами. Потрапивши в цитоплазму, miR піддаються дії РНК-ази - ферменту, що розщеплює РНК, - що отримала назву "Дайсер" (Dicer - дослівно "формувач"), дія якого аналогічна діям, зробленим папою Карло над поленом, з якого він вирізав симпатичного Буратіно. Формоутворення сирої заготівлі miR необхідне її зв'язування з протеїном «Аргонавт» ^go), у якому коротка РНК " впливає» в РИЗИК (RISC - RNA-Induced Silencing Complex).протеїновий комплекс сайленсингу активності генів, функція якого вмикається РНК. Центральна роль Аргонавта в цьому комплексі полягає в тому, що саме цей протеїн пов'язує воєдино специфічну інформаційну РНК - копію даного гена-мішені - і miR, що її розпізнає. Зведення всіх компонентів стародавньої внутрішньоклітинної захисної системи призводить до того, що іРНК піддаються ферментативному розщепленню і гени команди не доходять до рибосом. Функція гена таким чином «замовчується», при цьому сам ген із геному не елімінується. Знаменита ремарка Пушкіна «Народ мовчить» найкраще ілюструє суть роботи коротких РНК, оскільки люди насправді голосу не втратили.