[153]. P1WI это аббревиатура словосочетания «Р element induced w/mpy testis» («индуцированная по родительской линии ослабленная мужская половая железа»). Если нкРНК PIWI и белки PIWI не взаимодействуют должным образом, половые железы у плода мужского пола не могут сформироваться.
Мы продолжаем встречать все больше и больше случаев пересечений и взаимодействий между нкРНК и эпигенетическими явлениями. Вспомните, что «генетические контрабандисты», ретротранспозоны, обычно метилируются в эмбриональной линии, что препятствует их активации. И PIWI принимают активное участие в определении мишеней этого метилирования ДНК[154][155]. Значительное количество эпигенетических белков способны взаимодействовать с РНК. Связывание некодирующих РНК с геномом может являться общим механизмом, позволяющим направлять эпигенетические модификации на нужную хроматиновую область в определенном типе клеток[156].
Недавно нкРНК нашли свое место в теории Ламарка, в основе которой лежит концепция передачи унаследованных характеристик. В одном из экспериментов в оплодотворенные мышиные яйцеклетки были введены миРНК, мишенью которых был ключевой ген, отвечающий за рост ткани сердца. У мышей, развившихся из этих яйцеклеток, оказались увеличенные сердечные мышцы (кардиальная гипертрофия) вследствие того, что введение миРНК на ранних стадиях развития нарушило его нормальные процессы. Примечательно, что потомство этих мышей также продемонстрировало высокий процент кардиальной гипертрофии. Вероятно, это было вызвано тем, что аномальная экспрессия миРНК была восстановлена в процессе вырабатывания сперматозоидов у этих мышей. Изменений кода ДНК у них не наблюдалось, так что это был явный случай эпигенетического наследования при помощи миРНК[157].
Но раз нкРНК настолько важны для функционирования клеток, мы, несомненно, сможем обнаружить целый ряд заболеваний, связанных с нарушением их деятельности. Разве не должны окружать нас многочисленные примеры того, что отклонения в производстве и экспрессии нкРНК ведут к клиническим расстройствам, отличным от болезней, связанных с импринтингом или репрессией хромосомы X? И да, и нет. Так как эти нкРНК являются в первую очередь регуляторными молекулами, действующими в сети, насыщенной компенсаторными механизмами, то их дефекты могут проявляться лишь в относительно легкой степени. Проблема, вытекающая из этого для исследователей, состоит в том, что большинство генетических экспериментов эффективны для идентификации явных фенотипов, вызываемых мутациями белков, но они оказываются менее пригодными для выявления менее очевидных отклонений.
Есть такая короткая нкРНК под названием ВС1, которая экспрессируется у мышей в определенных нейронах. Когда исследователи из университета Мюнстера в Германии удалили у мышей эту нкРНК, те продолжали выглядеть вполне здоровыми. Затем ученые перевели животных-мутантов из строго контролируемых лабораторных условий в более естественную для них среду. И тогда обнаружилось, что мутанты сильно отличаются от своих обычных родственников. Животные с большой неохотой исследовали территорию и демонстрировали сильное беспокойство[158]. Если бы ученые просто оставили их в клетках, то мы бы никогда и не узнали, что утрата нкРНК ВС1 в действительности оказывает огромное влияние на поведение. Это еще одно подтверждение уже известной нам истины: то, что мы видим, зависит от того, как мы на это смотрим.
Связь нкРНК с клиническими состояниями постепенно становится все более очевидной, подтверждением чему являются, по крайней мере, некоторые примеры. Есть такая порода овец, которая называется тексель, и наиболее ласковой характеристикой ее представительниц будет определение «коренастые». Овцы породы тексель славятся обилием мышечной массы, что делает честь животным, предназначенным для того, чтобы стать пищей. Своей мускулистостью эта порода обязана, по меньшей мере отчасти, изменению места присоединения миРНК к 3’ НТР определенного гена. Белок, кодируемый этим геном, называется миостатин, и обычно он замедляет рост мышечной ткани[159]. Результат, полученный при изменении единственного основания, показан на рисунке 10.4. Для наглядности размер овцы тексель намеренно преувеличен.
Рис. 10.4. Точечная мутация участка гена миостатина, не кодирующего белок, тем не менее оказывает мощное влияние на фенотип овцы породы тексель. Замена основания Г на А в миостатиновой мРНК приводит к связыванию двух определенных микроРНК. Это меняет экспрессию миостатина, в результате чего у овцы начинается бурный рост мышечном массы
Синдром Туретта является расстройством центральной нервной системы, при котором тикообразные подергивания мышц лица, шеи и плеч и непроизвольные движения губ и языка сочетаются с частым покашливанием и оплевыванием. При исследовании двух независимых пациентов, страдающих этим нарушением, обнаружилось одинаковое изменение единственного основания в 3’ НТР гена под названием SLITRKP[160]. Ген SLITRK1 необходим, следовательно, для нормального неврологического развития. Изменение основания у больных синдромом Туретта происходило на участке связывания с короткой нкРНК, которая называется miR-189. Это позволяет нам предполагать, что в критические моменты развития экспрессия SLITRK1 могла быть аномально понижена на этом участке связывания. Подобное изменение наблюдается всего лишь в нескольких случаях синдрома Туретта, но оно заставляет сделать вывод, что и у других пациентов, вероятно, происходило нарушение регуляции участков связывания миРНК на иных нейронных генах.
Ранее в этой главе мы упоминали теорию, согласно которой нкРНК могут играть решающую роль в формировании и развитии у человека сложнейших мозговых функций. Если эта теория верна, то мы можем предположить, что мозг будет крайне восприимчив к любым нарушениям в активности и функциональности нкРНК. Действительно, синдром Туретта, описанный в предыдущем абзаце, может служить подтверждением такой точки зрения.
При другом заболевании, которое называется синдромом Ди Джорджи, в одной из двух копий хромосомы 22 утрачивается участок, включающий в себя около 3 000 000 оснований[161]. В этом участке содержится более 25 генов. Вероятно, не приходится удивляться тому, что у пациентов, страдающих этим расстройством, оказываются пораженными самые разнообразные системы органов, в том числе мочеполовая, сердечнососудистая и скелетная. У 40 процентов больных синдромом Ди Джорджи наблюдаются эпилептические припадки, а у 25 процентов взрослых пациентов развивается шизофрения. Также среди них довольно широко распространено слабоумие в слабых и средних формах. Один из этих генов называется DGCR8, а белок DGCR8 необходим для нормальной продуции миРНК. В лабораторных условиях были выведены генетически модифицированные мыши, имевшие только одну функциональную копию Dgcr8. У этих мышей наблюдались когнитивные расстройства, особенно ярко проявлявшиеся в обучении и пространственном восприятии[162]. Эти факты подтверждают гипотезу о том, что продукция миРНК является важным фактором неврологической деятельности.
Мы знаем, что нкРНК необходимы для контроля плюрипотентности клетки и их дифференциации. Отсюда рукой подать до предположения, что миРНК могут играть важную роль в развитии рака. Рак представляет собой заболевание, при котором клетки могут разрастаться путём новообразований, что характерно также для стволовых клеток. Кроме того, при раке опухоли часто выглядят под микроскопом относительно недифференцированными и неорганизованными. Это разительно отличает их от полностью дифференцированных и строго организованных клеток нормальной, здоровой ткани. Сейчас мы располагаем довольно весомыми доказательствами, что нкРНК играет важную роль в развитии рака. Эта роль может заключаться в утрате одних миРНК или повышенной экспрессии других миРНК, как показано на рисунке 10.5.
Рис. 10.5. Понижение уровней одних микроРНК или повышение уровней других микроРНК может в итоге одинаково негативно сказаться на экспрессии генов. Конечным результатом может стать увеличение экспрессии генов, переводящих клетки в состояние активного разрастания, что повышает опасность развития рака
Самой распространенной разновидностью лейкемии у человека является хроническая лимфоцитарная лейкемия. Приблизительно в 70 процентах случаев этого вида рака[163] у больных обнаруживается отсутствие нкРНК, которые называются miR-15a и miR-16-1. Рак представляет собой многоступенчатое заболевание, и довольно много нарушений должно возникнуть в отдельной клетке, прежде чем она станет раковой. Тот факт, что в столь высоком проценте этого вида лейкемии, самой распространенной у человека лейкемии, оказываются утраченными именно эти миРНК, заставляет предположить, что потеря этих последовательностей происходит на ранних стадиях развития заболевания.
Примером альтернативного механизма — чрезмерной экспрессии миРНК при раке — может являться пучок miR-17-92. Этот пучок экспрессируется слишком активно при целом ряде разновидностей рака[164]. В действительности, на настоящий момент уже опубликовано достаточно много сообщений об аномальной экспрессии миРНК при раке[165]