НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 2024: МИКРОРНК — КЛЮЧ К ЗДОРОВЬЮ БУДУЩЕГО
Американские ученые Виктор Амброс и Гэри Равкан стали лауреатами Нобелевской премии по медицине и физиологии в 2024 году. В сегодняшнем выпуске мы поподробней расскажем об их открытии, почему оно получило такое признание и как это изменило взгляд на синтез белка в организме человека.
Американские ученые Виктор Амброс и Гэри Равкан получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 2024 году за новаторское открытие микроРНК (небольшие молекулы РНК) и их решающую роль в регуляции генов.
В конце 1980-х годов Виктор Эмброс (Victor Ambros) и Гэри Равкан (Gary Ruvkun) работали в лаборатории Роберта Хорвица — молекулярного генетика, который впоследствии, в 2002 году, сам получил Нобелевскую премию за открытие генов, регулирующих запрограммированную смерть клетки.
Учёные исследовали Caenorhabditis elegans (C.elegans, относится к типу круглых червей) – почвенную нематоду длиной около 1 мм. Они изучали два мутантных штамма червей, которые демонстрировали дефекты при активации генетических программ во время развития. У этого червя мало клеток (около тысячи), судьба каждой из них — даже нейронов — хорошо прослеживается, к тому же все тело у него прозрачное. Это сделало нематоду очень удобным организмом для изучения фундаментальных молекулярно-биологических процессов, управляющих развитием животных.
Учёные стремились идентифицировать мутировавшие гены и понять их функцию. В ходе экспериментов и был открыт новый принцип регуляции генов, опосредованный ранее неизвестным типом РНК – микроРНК. По словам Нобелевского комитета, их прорывное открытие раскрыло совершенно новый принцип регуляции генов, который оказался очень важным для многоклеточных организмов, в том числе людей. Регуляции генов посредством микроРНК уже сотни миллионов лет: этот механизм позволил эволюционировать сложным организмам. Благодаря генетическим исследованиям, сейчас известно, что клетки и ткани не развиваются нормально без микроРНК.
Но давайте разберёмся, что принципиально новое нашли Эмброс и Равкан. В основе реализации наследственной информации лежит центральная догма молекулярной биологии: «Наследственная информация передается в направлении ДНК⭢РНК⭢белок и никогда от белка к РНК». С 1957 года эта догма неоднократно дорабатывалась, но в целом осталась неизменной. Новое нобелевское открытие не меняет сути, но совершенно по-новому заставляет взглянуть на организацию механизмов хранения и прочтения наследственной информации.
Что же такое биосинтез? Это процесс создания сложных органических веществ в ходе биохимических реакций, протекающих с помощью биологических катализаторов (ферментов). Проще говоря, каждая клетка синтезирует необходимые ей вещества. Биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт.
Понятие «ген» можно определить более строго — как последовательность нуклеотидов ДНК, по которой будет построена последовательность нуклеотидов информационной РНК (иРНК), а затем последовательность аминокислот в белке. Здесь мы приближаемся к догме молекулярной биологии: ДНК → иРНК → белок.
По одной последовательности ДНК можно построить один или несколько вариантов иРНК, а значит, один или несколько разных белков. Гены определяют белки, а значит, и нас самих: например, цвет глаз и кожи, с какой скоростью будет выделяться слюна в ответ на приятный запах яблочного пирога из кухни и в какой момент мы будем засыпать и просыпаться.
Процесс создания иРНК по матрице ДНК называется транскрипцией. Белки состоят из 20 видов аминокислот и создаются по матрице иРНК. Процесс перевода триплетов гена в последовательность аминокислот называют трансляцией. Для каждого триплета определена аминокислота, которая ему соответствует. Этап трансляции протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков. Транскрипция происходит в ядре клетки с участием ферментов, из которых основную работу осуществляет ДНК-зависимая РНК-полимераза, или просто РНК-полимераза. В этом процессе матрицей служит молекула ДНК.
РНК-полимераза находит специальный участок гена — промотор — и начинает раскручивать двойную спираль ДНК. иРНК строится только по одной цепи ДНК. Фермент перемещается вдоль цепи ДНК и строит цепь иРНК в соответствии с принципом комплементарности. Далее по мере движения фермента растёт цепь иРНК, а двойная цепь ДНК восстанавливается. Когда фермент достигает триплета, называемого стоп-кодоном, молекула иРНК отделятся от матрицы, то есть от молекулы ДНК. Таким образом, транскрипция — это первый этап биосинтеза белка. На этом этапе происходит перевод информации, закодированной в одном гене, с цепи ДНК в иРНК.
МикроРНК — особый класс молекул, которые находятся вне клеток. Они выполняют множество функций, в том числе защитные и сигнальные. В частности, не позволяют вирусам встраиваться в геном здоровых клеток. С возрастом количество микроРНК уменьшается, и организм начинает хуже справляться с инфекцией. Аномальное состояние микроРНК может указывать на различные проблемы со здоровьем — от ожирения до психических расстройств, а самое страшное — онкологических заболеваний.
Итак, вернёмся к исследованию нобелевских лауреатов. Их открытие позволяет понять, как гены регулируются на молекулярном уровне, открывая новые возможности для понимания и лечения различных заболеваний. Ценность открытия микроРНК — по крайней мере, на данный момент, — не в медицинском применении, а в возможности приблизиться к ответу на интригующий вопрос: как вообще возникли и существуют настолько сложные многоклеточные организмы, если во всех их клетках присутствует одинаковый набор генов?
Нобелевская премия 2024 года по физиологии и медицине заслуженно подчеркивает важность исследования фундаментальных механизмов регуляции экспрессии генов не только для науки, но и для практической медицины, поскольку раскрывает причины развития многих заболеваний и дает новые мишени для фармакологии.
Анастасия Поплавская, Валентина Паутова
Визуал: Руслана Ходаковская