Готовая версия РНК (1113531), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

В нормально работающей клетке каждый ген выполняет собственную, строго определенную функцию, например, отвечает за выработку белка, мРНК, или за взаимодействие с другими регуляторными белками. При этом говорят о нормальной экспрессии (от лат. expressus - выразительный, явный) гена в клетке. Если же количество продукта данного гена (например, белка) снижается, то говорят о снижении экспрессии данного гена. Эффект "гашения" экспрессии определенных генов малыми РНК получил название РНК - интерференции, а молекулы, вызывающие его, назвали siRNA (small interfering RiboNucleic Acids - малые интерферирующие рибонуклеиновые кислоты; мы решили использовать для этих заметок англоязычное сокращение термина, так как соответствующая русская аббревиатура пока не является общепринятой - прим. автора).

С открытием siRNA - интерференции стало ясно, что этот феномен может иметь огромное практическое значение.

Почему же именно малые РНК вызвали столь бурный всплеск интереса? Ведь в распоряжении биологов имеется целый набор других молекул и других методов, позволяющих заставить ген "замолчать": от антисмысловых олигонуклеотидов, рибозимов и химических блокаторов до возможности "выключить" ген во всем организме путем внесения необходимой мутации в зиготу (оплодотворенную яйцеклетку). Ответ на этот вопрос мы найдем, познакомившись с их структурой и свойствами более детально.

В класс малых РНК включают молекулы, содержащие от 20 до 300 нуклеотидов. За эффект РНК - интерференции отвечают самые короткие из них - siRNA, состоящие всего из 21-28 (у млекопитающих из 21-23) нуклеотидов. Особенностью этих молекул является то, что они, в отличие от большинства других клеточных РНК, состоящих всего из одной цепи нуклеотидов, являются двунитчатыми. Нуклеотиды с противоположных нитей (цепей) siRNA спариваются друг с другом по тем же законам комплементарности, которые формируют двунитчатые цепи ДНК в хромосомах. Кроме того, по краям каждой из цепей siRNA всегда остается два неспаренных нуклеотида (см. рисунок 1).

Структуру siRNA определили, выделив их из клетки. Но как siRNA появляются в клетке, например, после введения дополнительной копии гена, как это было в случае с петунией? Очевидно, в клетке должен существовать некий молекулярный механизм, который обеспечивал бы синтез siRNA, их накопление в клетке и позволял бы им выключать гены. Исходя из этих предположений, а также теоретически определив круг наиболее вероятных участников процесса РНК - интерференции, ученые приступили к поиску реальных компонентов, отвечающих за ее исполнение. И хотя все детали этого процесса до сих пор неизвестны, один из главных бастионов был взят: ученым удалось выявить систему ферментов, которая во многом схожа у всех многоклеточных и некоторых одноклеточных организмов. Вот как она выглядит на схеме:

Механизм работы siRNA в клетках растений и животных (пояснения - в тексте).

Если молекула siRNA по тем или иным причинам (например, по воле исследователя) появляется в клетке, ее сразу же "берет в оборот" специальная клеточная система белков, для которых появление siRNA является сигналом к немедленному действию.

На первом этапе с молекулой siRNA связываются белки-ферменты хеликаза и нуклеаза, формируя комплекс RISC (RNA-induced silencing complex; silence - англ. молчать, замолкать; silencing - замолкание, так в англоязычной и специальной литературе называют процесс "выключения" гена). Хеликаза раскручивает нити siRNA, в результате чего они расходятся (этап 2). Одна из этих нитей, к которой прикреплен фермент нуклеаза, может теперь связаться с комплементарным (строго соответствующим ей) участком однонитчатой мРНК (этап 3), позволяя нуклеазе разрезать ее. Разрезанные же участки мРНК подвергаются действию других клеточных РНКаз, которые до-разрезают их на более мелкие куски (этап 4).

Итак, основная "специальность" siRNA в клетке - это блокирование тех генов, участок которых соответствует одной из цепочек внутри siRNA. Но зачем механизм РНК - интерференции существует в клетках? Какие процессы призван регулировать? Что из себя представляют те мРНК, на которые направлено жало малых РНК, и почему их необходимо уничтожать? С помощью siRNA клетка может защищать себя от проникновения вирусов.

Геном некоторых из этих опасных варваров состоит из ДНК, у некоторых же - из РНК, причем, против обычных правил, РНК у вирусов может быть как одно-, так и двунитчатой. Сам процесс разрезания чужеродной (вирусной) мРНК происходит путем активации комплекса ферментов RISC. Однако для большей эффективности растения и насекомые изобрели своеобразный путь усиления защитного действия. Присоединяясь к цепи мРНК, участок siRNA может с помощью комплекса ферментов, называемого DICER, сначала достроить вторую цепочку мРНК, а затем разрезать ее в разных местах, создавая таким образом разнообразные "вторичные" siRNA. Они, в свою очередь, формируют RISC и проводят мРНК через все стадии, о которых шла речь выше, вплоть до ее полного уничтожения. Такие "вторичные" молекулы смогут специфично связываться не только с тем участком вирусной мРНК, к которому была направлена "первичная" молекула, но также и с другими участками, что резко усиливает эффективность клеточной защиты.

Таким образом, у растений и низших животных организмов siRNA являются важным звеном своеобразного "внутриклеточного иммунитета ", позволяющего распознавать и быстро уничтожать чужую РНК. В том случае, если в клетку проник РНК - содержащий вирус, такая система защиты не даст ему размножиться. Если же вирус содержит ДНК, система siRNA будет мешать ему производить вирусные белки (так как необходимая для этого мРНК будет распознаваться и разрезаться), и с помощью этой стратегии замедлит его распространение по организму.

У млекопитающих же, в отличие от насекомых и растений, работает и другая система защиты. При попадании в "зрелую" (дифференцированную) клетку млекопитающего чужой РНК, длина которой больше 30 нуклеотидов, клетка начинает синтез интерферона. Интерферон, связываясь со специфическими рецепторами на клеточной поверхности, способен стимулировать в клетке целую группу генов. В результате в клетке синтезируется несколько видов ферментов, которые тормозят синтез белков и расщепляют вирусные РНК. Кроме того, интерферон может действовать и на соседние, еще не зараженные клетки, блокируя тем самым возможное распространение вируса.

Как можно заметить, обе системы во многом схожи: у них общая цель и "методы" работы. Даже сами названия "interferon" и "(RNA) interference" происходят от общего корня. Но есть у них и одно очень существенное различие: если интерферон при первых признаках вторжения просто "замораживает" работу клетки, не позволяя (на всякий случай) производство многих, в том числе и "невиновных" белков в клетке, то система siRNA отличается чрезвычайной разборчивостью: каждая siRNA будет распознавать и уничтожать только свою, специфическую мРНК. Замена всего лишь одного нуклеотида внутри siRNA ведет к резкому снижению эффекта интерференции.

В этом и заключается основное преимущество "находки 2002 года": ни один из блокаторов генов, известных до сих пор, не обладает такой исключительной специфичностью по отношению к своему гену-мишени.

Однако, как видно на примере многих опасных вирусных заболеваний у людей, ни иммунная, ни интерфероновая защита не всесильны, так что нам самое время позаимствовать у кого-нибудь передовой опыт в борьбе с вирусами. Почему бы не у растений или у насекомых? Ни те, ни другие не обладают системой специфического иммунитета. Чтобы выжить, растения были вынуждены "изобрести" РНК - интерференцию, которая до сих пор успешно защищает их клетки от внедрения вирусов. Появляется вполне закономерный вопрос: нельзя ли применить этот же подход в отношении клеток животных и людей?

Вот мы и подошли к первому ответу на вопрос, поставленный в начале рассказа о siRNA. Их открытие интересно тем, что дает новую надежду в борьбе с вирусами, в том числе СПИДа, а также с теми, кого подозревают в соучастии при развитии рака. Высокая специфичность и эффективность вкупе с низкой токсичностью будут здесь как нельзя кстати. Как ожидается, применяя терапию siRNA вместе с традиционной антивирусной терапией, можно достичь эффекта потенцирования, когда два воздействия приводят к более выраженному лечебному эффекту, чем простая сумма каждого из них, применяемого по отдельности.

Для того, чтобы использовать механизм siRNA - интерференции в клетках млекопитающих, внутрь клеток нужно ввести уже готовые двухцепочечные молекулы siRNA. Оптимальный размер таких синтетических siRNA при этом составляет те же 21-28 нуклеотидов. Если увеличить ее длину - клетки ответят выработкой интерферона и снижением синтеза белка. Синтетические siRNA могут попасть как в зараженные, так и в здоровые клетки, и снижение выработки белков в незараженных клетках будет крайне нежелательным. С другой стороны, если попытаться применять siRNA меньшие, чем 21 нуклеотид, резко снижается специфичность ее связывания с нужной мРНК и способность к формированию комплекса RISC.

Если удастся тем или иным способом доставить siRNA, обладающую способностью связываться с каким-либо участком генома ВИЧ (который, как известно, состоит из РНК), можно попытаться не допустить его встраивания в ДНК клетки хозяина. Кроме того, ученые разрабатывают пути воздействия на различные этапы размножения ВИЧ в уже зараженной клетке. Последний подход не обеспечит излечение, однако может существенно уменьшить скорость размножения вируса и дать загнанной в угол иммунной системе шанс "отдохнуть" от вирусной атаки, и самой попытаться расправиться с остатками заболевания. На рисунке 2 те два этапа размножения ВИЧ в клетке, которые, как надеются ученые, можно заблокировать с помощью siRNA, отмечены красными крестами (этапы 4-5 - встраивания вируса в хромосому, и этапы 5-6 - сборка вируса и выход из клетки).

Рис.2. Этапы ВИЧ - инфекции, на которых ее возможно заблокировать с помощью siRNA (показаны красными крестами).

Ученые полагают, что так же, как и ВИЧ, можно блокировать на молекулярном уровне и другие заболевания, в том числе опухолевые и инфекционные. На данный момент уже известна структура генов и, соответственно, мРНК многих мутантных молекул, которые участвуют, а иногда, как предполагается, и запускают развитие некоторых видов рака. Блокировав мРНК таких молекул с помощью РНК - интерференции, можно добиться по крайней мере ослабления прогрессии заболевания.

На сегодняшний день, правда, все вышесказанное относится лишь к области теории. На практике терапия siRNA встречается с затруднениями, обойти которые ученым пока не удается. Например, в случае антивирусной терапии именно высокая специфичность siRNA может сыграть злую шутку: как известно, вирусы обладают способностью быстро мутировать, т.е. изменять состав своих нуклеотидов. Особенно преуспел в этом ВИЧ, частота изменений которого такова, что у человека, заразившегося одним подтипом вируса, через несколько лет может быть выделен абсолютно непохожий на него подтип (немного подробнее о биологии ВИЧ смотрите эту заметку). В этом случае измененный штамм ВИЧ автоматически станет нечувствительным к siRNA, подобранной в начале терапии.

Учитывая эти затруднения, ученые разрабатывают альтернативные варианты противовирусной siRNA - терапии. В случае ВИЧ, например, они продемонстрировали, что блокирование одной из молекул-рецепторов на клеточной поверхности, необходимых для прикрепления вируса к клетке (CCR5, этап 6b на рисунке 2), также может предотвращать заражение ВИЧ. Преимуществом данного подхода является то, что ген CCR5 и, соответственно, его мРНК, отличается (по сравнению с ВИЧ) гораздо большей стабильностью своего состава, а, значит, подобрать для нее эффективную siRNA гораздо легче.

Характеристики

Список файлов учебной работы