Есть данные, показывающие, что в тканях организма человека стволовые клетки и зрелые клетки обладают разной картиной экспрессии малых РНК. Но информацию об экспрессии всегда трудно интерпретировать из-за досадной проблемы с причинно-следственной связью. Различие в характере экспрессии малых РНК порождает различия в активности и функционировании клетки? Или же эти различия в экспрессии — просто побочный результат клеточных изменений? Оказывается, на протяжении эволюции практически в неизменности сохраняются предсказанные нами процессы образования пар между нуклеотидными последовательностями некоторых малых РНК и нуклеотидными последовательностями нетранслируемых областей по меньшей мере половины всех молекул информационных РНК. Этот факт заставляет предположить, что какая-то причинно-следственная связь здесь все-таки есть12. Чтобы взяться за решение этой проблемы, ученые частенько обращались к нашим близким родичам — мышкам.
Специалисты разработали способы выключения генов лишь в зрелых тканях, но и эти методики послужили весьма мощным исследовательским инструментом. Мышиный организм при этом развивается обычным порядком, поэтому нам не приходится беспокоиться о том, что причиной симптомов являются биологические пути и сети, в которых в ходе развития что-то пошло не так. Данный подход использовался и для выяснения того, что же происходит, если фермент, требуемый для производства малых РНК (на рис. 18.1, напомним, его изображают ножницы), в зрелых клетках инактивирован. Такая инактивация помешает производству всех малых РНК, а значит, покажет, где они играют важную роль. Однако таким путем мы не сумеем узнать, какие именно малые РНК задействованы.
Выключив режущий фермент во всех тканях взрослых мышей, ученые обнаружили дефекты в костном мозге, а кроме того, в селезенке и тимусе. Все эти три вида тканей производят клетки, необходимые для борьбы с инфекцией. Ожидалось, что в этих тканях обнаружится значительная популяция стволовых клеток. Полученные результаты подтверждали, что системы малых РНК играют заметную роль в управлении стволовыми клетками. Все подопытные мыши скоро передохли, но их гибель произошла из-за массированного разрушения кишечного тракта. Впрочем, это также подтверждало роль малых РНК в работе стволовых клеток. Наш кишечник постоянно теряет клетки, которые отшелушиваются от его внутренней поверхности в ходе непрестанной деятельности пищеварительной системы. Эти клетки должны ежедневно заменяться новыми. Поэтому вполне можно ожидать, что там будет иметься весьма активная популяция стволовых клеток13. Однако ученые так и не смогли толком понять, каким образом утрата режущего фермента приводит к столь значительному повреждению кишечника. Возможно, это связано с какими-то аномалиями в обработке мышиным организмом жиров пищи.
Да, эффекты оказались весьма серьезными, но это не значит, что малые РНК играют важную роль лишь в перечисленных нами тканях. Сравнительно быстрая гибель подопытных мышей могла замаскировать более тонкие симптомы, возникавшие в других тканях. Чтобы изучить этот вопрос, можно воспользоваться более избирательной методикой подавления экспрессии в зрелых тканях. С ее помощью удается инактивировать ген, отвечающий за выработку режущего фермента (назовем его для простоты режущим геном), лишь в выбранных экспериментаторами тканях взрослой мыши.
Многие результаты, полученные таким способом, вполне отвечали гипотезе о мощном влиянии малых РНК на популяции стволовых клеток. Так, когда режущий ген инактивировали в клетках волосяного фолликула взрослой мыши, мех у нее после выдергивания не отрастал как полагается14.
Есть искушение предположить на основании этих данных, что сети малых РНК требуются для того, чтобы стволовые клетки нормально выполняли свою работу по возмещению утраченных специализированных клеток. Но это чересчур упрощенный вывод. Все мы обычно стараемся растянуть полученное жалованье до ближайшего дня зарплаты. Вот и наш организм должен устроить так, чтобы стволовые клетки не расходовались чересчур поспешно. Они драгоценны. И если они исчезают, то исчезают навсегда. Вот почему некоторые сети малых РНК как раз и препятствуют стволовым клеткам необратимо превращаться в зрелые клетки тканей. Здесь надо поддерживать равновесие (см. рис. 18.2).
Рис. 18.2. При делении стволовая клетка может породить либо другую стволовую (которая также продолжит делиться, образуя новые стволовые клетки), либо дифференцированную клетку (которая уже не даст новых стволовых клеток).
Скелетные мышцы содержат стволовые клетки[71], которые надлежит почти все время держать в состоянии покоя, чтобы не истратить их слишком рано. Подобное истощение запаса стволовых клеток служит одной из причин некоторых форм потери мышечной массы: мы уже встречались с ними, обсуждая такие заболевания, как мышечная дистрофия Дюшенна. В стволовых клетках мышц имеются белки, которые при нормальных условиях мешают им превратиться в зрелые мышечные клетки. Однако если у здорового человека происходит серьезная травма или при дистрофическом заболевании теряются мышечные клетки, экспрессия таких белков понижается. Как организм этого достигает? Благодаря включению определенных малых РНК (или, по крайней мере, отчасти благодаря этому процессу). Малые РНК связываются с информационными РНК, несущими в себе код для указанных белков, и в результате вырабатывается меньше белка. А значит, со стволовых клеток снимаются тормоза, и эти клетки превращаются в зрелые мышцы15,16.
В сердце наблюдается похожий эффект. Сердечная мышца взрослого человека все-таки содержит некоторые стволовые клетки, хотя их число не очень велико и их трудно превратить в зрелую сердечную ткань. Это одна из причин, по которым инфаркт наносит такой большой ущерб организму. При инфаркте ткань сердечной мышцы отмирает, и нашему организму очень трудно создать ткань в замену отмершей, поэтому на сердце появляются рубцы, и этот важнейший орган больше не работает как полагается. Вот почему люди, перенесшие инфаркт чаще всего так никогда и не обретают здоровье в полной мере.
Может показаться, что это отличная идея — научиться активировать стволовые клетки сердечной мышцы, заставить их производить новую мышечную ткань. Но опыты на мышах вынуждают предположить, что ситуация здесь не столь проста и однозначна. Казалось бы, это малые РНК, присутствующие в сердце, мешают стволовым клеткам превращаться в ткань сердечной мышцы, и если режущий фермент, производящий малые РНК, во взрослом сердце отключить, оно начнет расти. К сожалению, это не так уж безопасно, поскольку такой процесс иногда приводит к заболеванию, именуемому гипертрофией сердца. Нет, при этом не развивается замечательно сильная сердечная мышца, отличающая знаменитых спортсменов. Напротив, при этом аномально утолщается сердечная стенка, как у людей с повышенным кровяным давлением. Похоже, это происходит из-за того, что отключение режущего фермента заставляет стволовые клетки перестать вести себя как зрелые клетки и запускает картину генетической экспрессии, больше напоминающую ту, что наблюдается в организме при его развитии17.
Может показаться странным, что реактивирование стволовых клеток сердца не помогает организму. Но тут, возможно, имеет место некий компромисс. С эволюционной точки зрения главная забота животных — прожить достаточно долго, чтобы успеть размножиться и передать свой генетический материал потомству. Естественный контроль развития сердца как раз и направлен на гарантирование того, что наше сердце будет в течение нужного времени находиться в хорошем состоянии, дабы мы могли дотянуть до этого ключевого момента. А если в старости мы не сможем естественным путем чинить собственное сердце, так эволюции на это, в общем, плевать. Это уж проблема человека, коль скоро мы почему-то предпочитаем жить дольше того срока, который эволюция считает для нас строго необходимым.
Малые РНК и мозг
Хотя мы обычно считаем, что у взрослого человека мозг уже полностью сформировался, недавно полученные данные показывают: даже в этом органе имеются кое-какие стволовые клетки. У животных, полагающихся на хорошо развитое обоняние, эти стволовые клетки могут активироваться, чтобы формировать нейроны, способные откликаться на новые запахи. Это позволяет животному более избирательно реагировать на улавливаемые ароматы. Один из белков стволовых клеток вынуждает их дифференцироваться, превращаясь в определенный тип нейрона восприятия и отклика. Экспрессию этого белка обычно держит под контролем одна из малых РНК. Когда исследователи подавили экспрессию этой малой РНК у мышей, белок стал экспрессироваться активнее, и стволовые клетки мозга начали специализироваться, превращаясь в обонятельные нейроны18. По-видимому, экспрессия этой малой РНК в естественных условиях подавляется, едва мышь почует что-нибудь новое. Впрочем, сигнальные пути, которые вызывают такое подавление, пока не выявлены.
Малые РНК участвуют в повседневной деятельности клеток, производя тонкую подстройку реакций организма под условия постоянно меняющейся среды. Похоже, не так-то просто будет разобраться в механизме этой подстройки, ибо каждая отдельная малая РНК оказывает на систему сравнительно небольшое воздействие. Самое важное свойство таких молекул — именно общее воздействие многочисленных малых РНК, работающих сообща в рамках чрезвычайно обширных, однако не очень заметных сетей. Уже сейчас удается получать достаточное количество интригующих данных, чтобы мы могли с уверенностью сказать: да, этот класс миниатюрных мусорных элементов оказывает реальное воздействие на организм.
Похоже, мозг особенно чувствителен к пертурбациям в ландшафте малых РНК. Влияние таких изменений может оказаться весьма различным в зависимости от затронутой области мозга и от конкретного времени. Вероятно, это отражает важную роль общения между всеми разнообразными малыми РНК, всеми информационными РНК и белками, чья экспрессия находится под жестким контролем мозга.