Клетки по всему древу жизни обмениваются «СМСками» с помощью РНККлетки по всему древу жизни обмениваются «СМСками» с помощью РНК
Давно известная как мессенджер внутри клеток, РНК все чаще рассматривается как молекулярная система коммуникации - даже между организмами, широко разделенными эволюцией.
Для молекулы РНК мир - опасное место. В отличие от ДНК, которая может сохраняться миллионы лет в своей удивительно стабильной двухцепочечной форме, РНК не создана для длительного существования - даже в пределах клетки, которая ее создала. Если она не связана с более крупной молекулой, РНК может разрушиться за несколько минут или меньше. А за пределами клетки? Об этом можно забыть. Прожорливые ферменты, разрушающие РНК, есть везде, они выделяются всеми формами жизни для защиты от вирусов, которые записывают свою генетическую идентичность в РНК-коде.
И все же есть один способ, с помощью которого РНК может выжить вне клетки: в крошечном защитном пузырьке. На протяжении десятилетий исследователи замечали, как клетки выделяют из клеточной мембраны пузырьки, называемые внеклеточными везикулами (EVs), в которых находятся деградировавшие РНК, белки и другие молекулы. Но эти мешочки считались не более чем мусорными пакетами, которые вытряхивают из клетки разложившийся молекулярный хлам во время обычной уборки.
Затем, в начале 2000-х годов, эксперименты под руководством Хади Валади, молекулярного биолога из Университета Гетеборга, показали, что РНК внутри некоторых EV не похожа на мусор. Коктейль последовательностей РНК значительно отличался от тех, что находятся внутри клетки, и эти последовательности были неповрежденными и функциональными. Когда сотрудники Валади подвергли человеческие клетки воздействию EV из мышиных клеток, они были потрясены тем, что человеческие клетки приняли сообщения РНК и «прочитали» их, создав функциональные белки, которые иначе не смогли бы создать.
Валади пришел к выводу, что клетки упаковывают нити РНК в везикулы специально для того, чтобы общаться друг с другом. «Если я вышел на улицу и увидел, что идет дождь, - пояснил он, - я могу сказать вам: «Если вы выходите на улицу, возьмите с собой зонтик». Аналогичным образом, по его мнению, клетка может предупредить своих соседей о воздействии патогена или вредного химического вещества еще до того, как они сами столкнутся с опасностью.
С тех пор появилось множество доказательств, подтверждающих эту теорию, благодаря усовершенствованию технологии секвенирования, позволяющей ученым обнаруживать и расшифровывать все более мелкие сегменты РНК. С тех пор как Валади опубликовал результаты своих экспериментов, другие исследователи также заметили, что EV наполнены сложными комбинациями РНК. Эти последовательности РНК могут содержать подробную информацию о клетке, которая их создала, и вызывать специфические эффекты в клетках-реципиентах. Полученные результаты заставили некоторых исследователей предположить, что РНК может быть "молекулярным жаргоном", который преодолевает традиционные таксономические границы и поэтому может кодировать сообщения, которые остаются понятными на всем древе жизни.
В 2024 году новые исследования раскрыли дополнительные пласты этой истории, показав, например, что наряду с бактериями и эукариотическими клетками археи также обмениваются связанной с везикулами РНК, что подтверждает универсальность этого явления для всех трех доменов жизни. Другое исследование расширило наши представления о межцарственной клеточной коммуникации, показав, что растения и заражающие их грибки могут использовать пакеты РНК, вызывающие хаос, в качестве формы коэволюционной информационной войны: вражеская клетка считывает РНК и строит саморазрушающиеся белки с помощью своего собственного молекулярного механизма. «Я была в восторге от того, на что способна РНК», - поделилась Эми Бак, биолог РНК из Эдинбургского университета. По ее мнению, понимание РНК как средства коммуникации «выходит за рамки оценки сложности и динамичности РНК внутри клетки». Передача информации за пределы клетки может быть одной из ее врожденных функций.
Молекулярные СМСки
Микробиолог Сюзанна Эрдманн изучает вирусные инфекции у Haloferax volcanii, одноклеточного организма, который процветает в невероятно соленой среде, такой как Мертвое море или Большое соленое озеро. Известно, что одноклеточные бактерии широко обмениваются EV, но H. volcanii - это не бактерия, а архея, представитель третьей эволюционной ветви жизни, клетки которой устроены иначе, чем у бактерий или эукариот вроде нас. Поскольку EV имеют тот же размер и плотность, что и вирусные частицы, которые изучает группа Эрдманн в Институте морской микробиологии Макса Планка в Германии, они «всегда всплывают, когда вы выделяете и очищаете вирусы», - говорит она. В конце концов, ее группе стало интересно, и она решила посмотреть, что находится внутри.
«Я ожидала увидеть ДНК», - вспоминает Эрдманн в связи с сообщениями о том, что другие виды архей упаковывают ДНК в EV. Вместо этого ее лаборатория обнаружила целый шведский стол из РНК - в частности, некодирующих РНК, загадочных участков нуклеотидов с неизвестными функциями у архей. Эти некодирующие РНК были гораздо более многочисленны в EV, чем в самих архейских клетках. «Мы впервые обнаружили РНК в EV архей», - говорит она.
Эрдманн задалась вопросом, есть ли какая-то цель у архейских EV. Клетка может спонтанно создавать везикулы, когда ее мембрана сжимается, образуя маленький пузырек, который затем отделяется. Однако другие механизмы предполагают более активные и целенаправленные процессы, подобные тем, которые перемещают молекулы внутри клетки. Группа Эрдманн идентифицировала архейный белок, который необходим для производства РНК-содержащих EV. Это позволило ей предположить, что РНК попадает в EV не случайно и что этот процесс - не просто утилизация отходов. «Вполне вероятно, что [археи] используют их для межклеточной коммуникации», - говорит она. «Иначе зачем тратить столько энергии на выброс случайной РНК в везикулы?» Эрдманн не знает, почему Haloferax заполняют свои везикулы РНК, в то время как другие виды архей предпочитают ДНК. Но она подозревает, что это связано с тем, насколько чувствительны ко времени молекулярные сообщения.
«РНК - это другой язык, чем ДНК, - считает она, - и он служит принципиально иным целям как внутри, так и вне клеток».
ДНК организма должна быть стабильной и относительно неизменной на протяжении всей его жизни. В ней могут возникать спонтанные мутации или даже дополнительные гены, но для того чтобы временные изменения в последовательности ДНК закрепились в популяции, требуется несколько поколений естественного отбора. РНК, с другой стороны, постоянно находится в движении, реагируя на динамичные условия внутри и вне клетки. Сигналы РНК длятся недолго, но это и не нужно, ведь они могут так быстро потерять актуальность.
Как сообщение, РНК скоротечна. Это особенность, а не недостаток: она может оказывать лишь кратковременное воздействие на другие клетки, прежде чем разрушится. А поскольку РНК внутри клетки постоянно меняется, «сообщение, которое вы можете послать соседней клетке», тоже может очень быстро измениться, говорит Эрдманн. В этом смысле она больше похожа на СМСку или электронную почту, предназначенную для передачи своевременной информации, чем, скажем, на высеченные на камне руны или официальную записку на фирменном бланке.
Похоже, что соседние археи принимают и усваивают EV от своих собратьев, но пока неясно, влияют ли эти сообщения на них самих. Эрдманн также задается вопросом, что происходит с этими везикулами в природе, где множество различных организмов могут быть в пределах досягаемости сообщений, которые они несут. «Сколько других организмов в той же среде могут воспринять это сообщение?» - задается она вопросом. «И просто ли они едят его, используя РНК в качестве пищи, или же они действительно обнаруживают сигнал?» Хотя для Haloferax это все еще остается загадкой, другие исследователи продемонстрировали, что клетки разных видов, царств и даже областей жизни могут отправлять и получать удивительно четкие молекулярные послания.
Биологический перекрестный диалог
Несмотря на то, что РНК недолговечна, она проявила себя как молекулярное чудо, меняющее форму. Наиболее известна она тем, что помогает клеткам производить новые белки, копируя инструкции ДНК (в виде мессенджерной РНК, или мРНК) и доставляя их на рибосому для строительства. Однако гибкая основа позволяет РНК складываться в различные формы, которые могут влиять на биологию клетки. Она может действовать как фермент, ускоряя химические реакции внутри клеток. Она также может связываться с ДНК, чтобы активировать или заглушить экспрессию генов. А конкурирующие нити РНК могут запутывать инструкции мРНК в процессе, называемом РНК-интерференцией, который препятствует производству новых белков.
Поскольку исследователи все больше понимают, как РНК изменяет активность клеток, они изучают стратегии использования этой маленькой молекулы в качестве экспериментального инструмента, средства лечения заболеваний и даже основы для мРНК-вакцины против Covid-19. Все эти применения требуют переноса РНК в клетки, но, похоже, эволюция нас опередила: EV передают РНК даже тем клеткам, которые, возможно, не хотят получать сообщения.
Около 10 лет назад молекулярный генетик Хайлинг Джин и ее лаборатория в Калифорнийском университете обнаружили, что два организма из разных царств - растение и грибок - обмениваются РНК в качестве формы ведения войны. Джин изучала Botrytis cinerea, пушистую серую плесень, которая уничтожает такие культуры, как клубника и томаты, когда увидела, что во время заражения она обменивается РНК с растением Arabidopsis (кресс-салат). Грибок Botrytis поставлял РНК, которая мешала растению бороться с инфекцией. Позднее было показано, что клетки растения могут ответить собственным залпом РНК, которая повреждает уже грибок.
В этой «коэволюционной гонке вооружений», как описывает ее Джин, оба организма использовали EV в качестве транспортных средств для этих тонких, но разрушительных РНК-посланий. По словам Джин, раньше ученые, интересующиеся динамикой взаимодействия хозяина и патогена, в основном фокусировались на белках и метаболитах, поскольку эти молекулы легче изучать. Но, по ее словам, вполне логично, что у организмов есть несколько способов противостоять вызовам окружающей среды, включая использование РНК для взаимодействия с дальними эволюционными родственниками.
За последнее десятилетие все больше ученых обнаружили примеры межцарственного обмена РНК в качестве наступательной стратегии во время инфекции. Паразитические черви, живущие в кишечнике мышей, выделяют РНК в EV, которые отключают защитные иммунные белки хозяина. Бактерии могут передавать человеческим клеткам сообщения, которые подавляют антибактериальный иммунный ответ. Грибок Candida albicans даже научился использовать послания из человеческих EV в своих интересах: он использует человеческую РНК для стимулирования собственного роста.
Межцарственная переписка - это не всегда письма ненависти. По словам Джин, такие взаимодействия наблюдаются и в дружественных (или нейтральных) отношениях. Например, бактерии, симбиотически живущие в корнях бобовых, посылают РНК-сообщения, чтобы способствовать нодуляции - росту маленьких бугорков, в которых живут бактерии и фиксируют азот для растения.
Как РНК с одной ветви древа жизни может быть понята организмами на другой? Это общий язык, поясняет Бак. РНК, скорее всего, существовала с самого начала зарождения жизни. В то время как организмы развивались и диверсифицировались, их механизмы считывания РНК в основном оставались неизменными. «РНК уже имеет свое значение в каждой клетке», - говорит Бак. «И это довольно простой код».
На самом деле он настолько прост, что клетка-получатель может открыть и интерпретировать сообщение, прежде чем поймет, что оно может быть опасным, как мы можем инстинктивно нажать на ссылку в электронном письме, прежде чем заметим подозрительный адрес отправителя. Действительно, в начале этого года лаборатория Джин показала, что клетки растений Arabidopsis могут посылать, казалось бы, безобидные инструкции РНК, которые оказывают неожиданное воздействие на вражеский грибок. В ходе экспериментов сотрудники лаборатории Джин увидели, как грибок Botrytis считывает мРНК вторжения вместе со своими собственными молекулами и невольно создает белки, которые наносят ущерб его инфекционным способностям.
По словам Джин, растения как будто создают «псевдовирус» - маленькие пакеты РНК, которые заражают клетку и затем используют ее механизмы для производства белков. «Это довольно мощный механизм», - говорит она. «Одна мРНК может быть переведена во многие, многие копии белков. ... Это гораздо эффективнее, чем транспортировка самого белка». Джин говорит, что она впервые видит свидетельства того, что организмы разных царств обмениваются сообщениями мРНК и преобразуют их в белки. Но она считает, что, скорее всего, это будет наблюдаться и во многих других системах, как только люди начнут их искать.
По мнению Бак, эта область еще молода, что не может не радовать. Еще многое предстоит узнать: например, помогают ли другие молекулы, упакованные в EV, доставлять РНК-послания. «Разгадать все это - увлекательная задача», - говорит она. «Нас должно вдохновлять то, какой невероятно мощной и динамичной является РНК, и то, что мы все еще открываем все способы, которыми она формирует и регулирует жизнь».
