За последнее десятилетие РНК вышла из безвестности на передний край биотехнологий.
Стало ясно, что эта молекула - многогранный игрок в эволюции и клеточной биологии, обладающий целым рядом функций. В книге «Катализатор» лауреат Нобелевской премии химик Томас Чех рассказывает об открытиях, которые привели РНК в центр современных лабораторных методов, методов редактирования генов и терапевтических средств.
В первой половине книги рассказывается о том, как в середине XX века растущие знания о генетическом коде привели к открытию мессенджерной РНК - промежуточной молекулы, транскрибируемой из ДНК, которая используется в качестве шаблона для производства белков. Шестнадцать лет спустя исследователи обнаружили, что гены растений, грибов и животных фрагментированы и часто содержат кажущиеся бессмысленными внутренние последовательности, называемые интронами, которые вырезаются из транскриптов до того, как мРНК переводится в белок. Это открытие стало, пожалуй, самым большим сюрпризом в истории молекулярной биологии - никто не предполагал, что последовательность генов не будет точно соответствовать последовательности белков.
Чех, работающий сейчас в Университете Колорадо, рассказывает увлекательную историю своей работы, которая в 1989 году принесла ему Нобелевскую премию, разделенную с покойным молекулярным биологом Сиднеем Альтманом, за открытие того, что РНК может обладать каталитическими свойствами. В конце 1970-х годов Чех начал изучать транскрипцию генов у крошечного водного организма Tetrahymena thermophila, сосредоточившись на простом гене, который содержал один интрон. В то время было принято считать, что все ферменты - катализаторы химических реакций - являются белками. Но он неожиданно обнаружил один, который таковым не являлся. Фермент Tetrahymena, который вырезал интроны, был сделан из РНК.
Автор провел год, тщательно проверяя свой результат и исключая одно за другим альтернативные объяснения в процессе, который Чех называет «выщипыванием лепестков маргаритки». Его подробное описание их детального расследования - свидетельство того, как тщательные эксперименты и открытые умы могут преодолеть мертвый груз догм.
Tetrahymena thermophila, водный организм, в котором был обнаружен рибозим. Фото: Dennis Kunkel Microscopy/SPL
Показав, что РНК может обладать каталитической активностью, открытие Чеха подтвердило идею о том, что РНК предшествовала белкам в зарождении жизни. Есть два ключевых требования к жизни: молекула должна быть способна хранить генетическую информацию и воспроизводить себя, что требует каталитических реакций. Уже было ясно, что РНК отвечает первому требованию; открытие Чеха указывает на то, что она может отвечать и второму. Дженнифер Дудна, ныне биохимик из Калифорнийского университета, которая работала постдоком в лаборатории Чеха, и Джек Сзостак, ныне химик из Чикагского университета в Иллинойсе - оба они позже получат Нобелевские премии за другие открытия - принялись за работу, чтобы показать, что РНК-фермент Чеха, который назвали рибозимом, может не только разрезать РНК, но и заставлять ее реплицироваться. Специалисты до сих пор спорят, могла ли жизнь начаться с РНК, но сейчас эта молекула широко признана ключевым игроком.
Во второй половине книги рассматривается, как РНК может регулировать активность генов, и рассказывается о том, как благодаря фундаментальным исследованиям многочисленных функций РНК были разработаны инструменты редактирования генов и терапевтические средства.
Чех описывает, как «микроРНК» и «малые интерферирующие» РНК направляют белковые ферменты, называемые аргонавтами, чтобы разрезать - и таким образом инактивировать - определенные последовательности мРНК для контроля их экспрессии. Эти РНК адаптируются для лечения неврологических расстройств и аналогичный подход изучается для инактивации токсичных мРНК, которые накапливаются в мозге при изнурительных нейродегенеративных заболеваниях, таких как боковой амиотрофический склероз.
мРНК-вакцины, которые победили COVID-19, были разработаны менее чем за год. Но они были созданы на основе десятилетий работы над способами модификации РНК для доставки их в клетки. Подобные вакцины сейчас разрабатываются для борьбы с респираторно-синцитиальным вирусом и раком.
Одно из самых распространенных применений РНК - система редактирования генов CRISPR-Cas, впервые созданная в 2012 году Дудной и другими учеными. В бактериях РНК CRISPR действует как направляющая, которая ведет фермент - Cas - для разрезания и уничтожения ДНК вторгшихся вирусов. Технологии редактирования генов используют этот защитный механизм для целенаправленного редактирования ДНК в любой клетке любого вида. Чуть более чем за десять лет использование CRISPR для редактирования генов стало настолько повсеместным, что, как отмечает Чех, «это стало чем-то вроде выражения „гуглить“». Сегодня модифицированные CRISPR-системы используются в самых разных областях - от сельского хозяйства до синтетической биологии - и одобрены для лечения некоторых генетических заболеваний, включая серповидно-клеточную анемию.
В заключение Чех рассказывает о важности исследований основанных на любопытстве. Он раскрывает тайну «длинных некодирующих» РНК - сотни тысяч из них производятся на низком уровне в клетках и тканях человека, а у более простых видов их число намного меньше. Некоторые ученые склонны отвергать эти РНК как бессмысленные случайности транскрипции. Но, как отмечает автор, каталитические и микроРНК еще не так давно можно было бы с легкостью отбросить как ненужный мусор. Действительно, спрашивает Чех, может быть, эти загадочные РНК содержат ключ к пониманию того, что делает нас людьми? Поиск ответа, по его мнению, возможно, заполнит «будущие главы в книге о РНК».
Книга «Катализатор» проделывает великолепную работу по объяснению сложных концепций и экспериментальных методик. Чех призывает читателей заглянуть за пределы учебников, в будущее. Как подчеркивается в его захватывающей книге, мы «никогда не должны недооценивать РНК».
