Поразительный пример такой роли обнаружили, инактивируя режущий фермент в переднем мозге взрослой мыши19. Экспрессия малых РНК при этом подавляется. Поначалу кажется, что для зверьков это даже хорошо. Примерно в течение 3 месяцев грызуны даже смышленее, чем обычно. Они лучше выполняют тестовые задания, основанные и на опасении наказания, «кнута», и на ожидании вознаграждения, «пряника». Навыки, связанные с памятью, у них значительно усовершенствуются. Но если кому-нибудь вдруг захочется попробовать проделать это в домашних условиях (в наши дни многие очень серьезно готовятся к экзаменам), имейте в виду: тут не все так безоблачно. Интеллектуальное созвездие поумневших мышей сияло ярко, но недолго. На четвертый месяц после того, как мышкам инактивировали режущий фермент, мозг маленьких пушистых умников начал деградировать.
Подобного рода отсроченную реакцию обнаружили и в другом случае, когда также удалось показать, что малые РНК играют важную роль в мозгу. (Возможно, это означает, что малые РНК мозговых клеток довольно стабильны и отмирают не сразу.) Инактивировали режущий фермент в клетках мозга двухнедельной мыши — в зоне мозга, участвующей в процессах контроля движения. Как и ожидалось, это привело к сильному падению экспрессии малых РНК. Поначалу, казалось, мыши пребывали в отличном состоянии. Но через 11 недель у них появились двигательные расстройства. Анализ мозга подопытных грызунов показал, что у них отмерли нейроны, утратившие способность вырабатывать малые РНК20.
Малые РНК могут играть роль в самых неожиданных ситуациях. Одна из мишеней алкоголя в нашем мозгу — белок, который регулирует характер прохождения сигналов через клеточные мембраны[72]. Информационная РНК для этого белка может встречаться в виде множества разных вариаций, в зависимости от того, каким образом при сплайсинге объединяются вместе участки, кодирующие аминокислоты. Алкоголь вызывает экспрессию определенной малой РНК, которая способна связываться с нетранслируемой областью на конце некоторых из этих вариантных информационных РНК. Это приводит к избирательному разрушению информационных РНК, кодирующих определенные вариации белков. Такое изменение в составе популяции белков приводит к искажению картины отклика нейронов на алкоголь. Оно существенно влияет на устойчивость организма к воздействию алкоголя, а эта устойчивость во многом определяет степень алкогольной зависимости21. Соответствующий механизм схематически показан на рис. 18.3. Есть предположения, что малые РНК играют роль и в реакции организма на другие вещества, вызывающие привыкание: например, на кокаин22.
Малые РНК и рак
Как полагают ученые, неверная экспрессия малых РНК служит одной из причин целого ряда заболеваний, очень серьезно влияющих на здоровье множества людей во всем мире. В числе таких заболеваний — сердечно-сосудистые23 и онкологические24. Что касается последних, то это неудивительно: рак свидетельствует об аномалиях в развитии клеток и в их судьбе, а малые РНК играют важнейшую роль в соответствующих процессах. Вот один из весьма показательных примеров огромного влияния, которое малые РНК оказывают на организм при онкологических заболеваниях. Речь идет о злокачественной опухоли, для которой характерна неверная экспрессия тех генов, которые действуют в период первоначального развития организма, а не в постнатальный период. Это разновидность детской опухоли мозга, обычно появляющаяся еще до двухлетнего возраста. Увы, это очень агрессивная форма рака, и прогноз здесь неблагоприятен даже при интенсивном лечении[73]. Онкологический процесс развивается вследствие неправильного перераспределения генетического материала в клетках мозга. Промотор, который обычно вызывает сильную экспрессию одного из генов, кодирующих белки, претерпевает рекомбинацию с определенным кластером малых РНК. Затем весь этот перестроенный участок проходит амплификацию: иными словами, создается множество его копий в геноме. А следовательно, малые РНК, расположенные «ниже по течению», чем перемещенный промотор, экспрессируются гораздо сильнее, чем следует. Уровень содержания активных малых РНК при этом примерно в 150-1000 раз выше нормы.
Рис. 18.3. Малые РНК, активированные алкоголем, могут соединяться с информационными РНК, не влияющими на устойчивость организма к воздействию алкоголя. Но эти малые РНК не соединяются с молекулами информационной РНК, способствующими такой устойчивости. Это приводит к относительному преобладанию доли молекул информационной РНК, кодирующих вариации белка, связанные с устойчивостью к алкоголю.
Данный кластер кодирует более 40 различных малых РНК. Собственно, это вообще самый крупный из подобных кластеров, имеющихся у приматов. Обычно он экспрессируется лишь на ранней стадии человеческого развития, в первые 8 недель жизни эмбриона. Сильная активация его в мозгу младенца приводит к катастрофическому воздействию на генетическую экспрессию. Одно из последствий — экспрессия эпигенетического белка, добавляющего модификации к ДНК. Это приводит к широкомасштабным изменениям во всей картине метилирования ДНК, а значит, и к аномальной экспрессии всевозможных генов, многие из которых должны экспрессироваться, лишь когда незрелые клетки мозга делятся в ходе ранних этапов развития организма. Так в клетках младенца и запускается раковая программа25.
Подобное общение между малыми РНК и эпигенетической аппаратурой клетки может оказывать существенное влияние и на другие ситуации, когда в клетках развивается предрасположенность к раку. Данный механизм, вероятно, приводит к тому, что воздействие нарушения экспрессии малых РНК усиливается путем изменения эпигенетических модификаций, которые передаются дочерним клеткам от материнской. Так может складываться схема потенциально опасных изменений в характере экспрессии генов.
Пока ученые разобрались не во всех этапах взаимодействия малых РНК с эпигенетическими процессами, но кое-какие намеки на особенности происходящего все-таки удается получить. К примеру, выяснилось, что определенный класс малых РНК, усиливающий агрессивность рака груди, таргетирует в информационных РНК определенные ферменты, удаляющие ключевые эпигенетические модификации. Это изменяет картину эпигенетических модификаций в раковой клетке и еще больше нарушает генетическую экспрессию26.
Многие формы рака отслеживать у пациента довольно трудно. Онкологические процессы могут идти в труднодоступных местах, что осложняет процедуру отбора проб. В таких случаях врачу нелегко следить за развитием ракового процесса и реакцией на лечение. Часто медики вынуждены полагаться на косвенные измерения — скажем, на томографическое сканирование опухоли. Некоторые исследователи полагают, что молекулы малых РНК могли бы помочь создать новую методику наблюдения за развитием опухоли, позволяющую также изучать ее происхождение. Когда раковые клетки погибают, при разрыве клетки ее покидают малые РНК. Эти небольшие мусорные молекулы часто образуют комплексы с клеточными белками или же завертываются во фрагменты клеточных мембран. Благодаря этому они очень стабильны в жидких средах организма, а значит, такие РНК можно выделить и проанализировать. Поскольку их количества невелики, исследователи вынуждены будут использовать весьма чувствительные методы анализа. Впрочем, тут нет ничего невозможного: чувствительность секвенирования нуклеиновых кислот постоянно повышается27. Опубликованы данные, подтверждающие перспективность такого подхода применительно к раку груди28, раку яичников29 и ряду других онкологических заболеваний. Анализ малых циркулирующих РНК у больных раком легких показал, что эти РНК помогают провести различие между пациентами с одиночным легочным узелком (не требующие терапии) и пациентами, у которых образуются злокачественные узелки-опухоли (требующие лечения)30.
Мертвые лошади и умолкшие гены
Итак, малые РНК проявляют себя в самых неожиданных ситуациях. Существует ужасное заболевание, возбудитель которого — вирус восточного североамериканского лошадиного энцефалита. Болезнь передается через укусы комаров. Вирус заражает лошадь, после чего животное умирает. С людьми ситуация ненамного лучше: человеческая смертность от этого заболевания составляет 30-70%. Больные умирают из-за того, что вирус проникает в центральную нервную систему и вызывает острое воспаление мозговых оболочек31. Геном вируса, вызывающего инфекцию, состоит не из ДНК, а из РНК.
Когда вирус при укусе комара попадает в кровеносную систему человека, за него берутся белые кровяные тельца, лейкоциты. Это первый рубеж обороны организма, призванный отслеживать возможных захватчиков. Но затем происходит нечто странное. Малая РНК, которую обычно вырабатывают лейкоциты, соединяется с концом РНК-генома вируса и мешает ему кодировать белок.
Может показаться, что это хорошо. На самом деле все обстоит иначе. Обычно наши лейкоциты умеют определять, попал ли к нам нежданный гость, вирус. В результате клетки запускают целую серию реакций: температура тела повышается, вырабатываются разнообразные антивирусные вещества. Все это позволяет отвадить крошечных агрессоров.
Но когда малая РНК белых кровяных телец соединяется с геномом вируса лошадиного энцефалита, вирус затихает. А следовательно, иммунная система не замечает, что в организм вторгся враг. Поэтому все аналогичные вирусные частицы могут преспокойно циркулировать в организме. Если некоторые из них доберутся до центральной нервной системы, они могут спровоцировать летальную реакцию в тканях мозга32.
Исследователи описали процесс так: вирус перехватывает управление малой РНК. Судя по всему, данный процесс — не единственный пример такого перехвата. Вирус гепатита С также имеет РНК-геном. Когда этот вирус заражает клетки печени, вирусная РНК связывается с малой РНК, естественным образом экспрессируемой этими клетками. В данном случае такое связывание стабилизирует вирусный геном, затрудняя его разрушение. А значит, вырабатывается больше вирусных белков, и инфекция становится более опасной и агрессивной