Ученые корректируют базовые представления о молекулярной биологии
Авторитетный журнал BMC Biology в прошедшие выходные опубликовал обзор, посвященный «генетической темной материи». Так авторы назвали фрагменты ДНК, которые не отвечают за синтез белков и долгое время считались чем-то вроде генного мусора. Во все школьные учебники вошла центральная «догма» молекулярной биологии — с участков молекулы ДНК, генов, копируются молекулы РНК. А РНК задают последовательность сборки конкретных белков из аминокислот. ДНК согласно этой «догме» нужна для синтеза белков, от банального коллагена до какого-нибудь фоторецептора,
позволяющего колбочке в сетчатке улавливать кванты синего света. Кавычки над словом «догма» не случайны, ибо довольно быстро выяснилось, что эта схема далеко не полна.
Лишь около 1% ДНК приходится на кодирующие белок гены. Конечно, есть еще специальные молекулы РНК, которые входят в состав рибосом, есть транспортные РНК, но это капля в море. Неужели почти 99% нашего генома завалено каким-то мусором? Часть исследований указывала на то, что паразитных фрагментов действительно предостаточно. Но другая часть, которой посвящена новая заметка британских генетиков, свидетельствует о том, что мы просто не понимаем еще всего богатства собственной ДНК. За последнее десятилетие биологами было найдено множество молекул РНК, которые синтезируются на основе тех самых «темных» участков за пределами обычных генов и которые явно имеют свои функции — зачастую неизвестные науке.
Недоступная ранее часть генома может раскрыть тайну клеточных механизмов, ответственных за самые разные события, от деления до запрограммированной гибели клеток, от их роста до коммуникации с другими клетками. Эти знания будут иметь универсальный характер, подобно тому как сама клеточная теория продвинула вперед сразу всю медицину с биологией, а не просто какие-то отдельные разделы. «Регуляция экспрессии генов» — это не узкотеоретический вопрос молекулярной биологии, а возможность управлять всеми метаморфозами клетки и соответствующими процессами в организме. Превращение группы стволовых клеток в новый орган, поражение нейронов при болезнях Альцгеймера и Паркинсона, формирование злокачественных опухолей, целый ряд врожденных заболеваний, атеросклероз и диабет — конкретные механизмы могут отличаться, но универсальный принцип «вместо одних генов стали активны другие» будет оставаться в силе.
Молекулярные биологи сейчас открывают новый мир, в котором еще многое неясно. Даже то, сколько на самом деле «темных» РНК, не кодирующих белки, остается вопросом. Все согласны с тем, что такие молекулы есть, но разные методы их поиска дают разные результаты. Сегодня мы расскажем о том, как ищут загадочную часть нашего генома, что может означать уже найденное и чем это нам всем «грозит».
Вопрос количества
В своем кратком обзоре авторы BMC Biology ссылаются на обстоятельную статью в журнале PLoS Biology, тоже появившуюся совсем недавно (12 июля 2011 года) и посвященную сопоставлению двух разных методов поиска некодирующей РНК. Эта работа, выполненная международной группой ученых из Австралии, Великобритании, Германии, США и Японии, служит примером того, как чисто технические детали могут влиять на получение новых знаний.
В случае с биологической наукой в XX веке роль новых методов исследования, новых инструментов и даже отдельных реактивов переоценить сложно. Разглядеть внутреннее устройство клетки и обнаружить вирусы было бы невозможно без электронного микроскопа — детища 1930-х годов. Без тонких методов химического анализа не удалось бы узнать роль ДНК и РНК. Без рентгеноструктурного анализа не вышло бы определить структуру этих молекул, равно как и форму молекул белка. Фантастические произведения, в которых есть биотехнологии, но нет привычной нам техники, по этой причине малоубедительны, путевку в мир генов и внутриклеточных механизмов открыли именно приборы из стали, пластиков и полупроводников.
Для поиска некодирующей РНК применяют два метода. Первый основан на том, что сначала выделяют все множество синтезированных клеткой молекул РНК, которые потом при помощи специальных ферментов многократно размножают, превращают в короткие фрагменты ДНК и анализируют на биочипе, позволяющем искать определенные последовательности. Второй метод также предусматривает превращение РНК в ДНК, но для прочтения ее последовательности (секвенирования; от английского sequence — «последовательность») и последующего сопоставления результата с уже известными данными.
Оба метода позволяют определить долю «темной» РНК, но итоговые оценки заметно отличаются. В 2010 году группа канадских ученых во главе с Харм Ван-Бекелем попробовала применить метод полного прочтения РНК и пришла к выводу, что доля некодирующих белки молекул сильно преувеличена. Сейчас дополнительный анализ, выполненный международным коллективом, говорит о том, что дело в недостатках канадского метода — дескать, это не наша оценка неверная, а метод оппонентов дает ошибку в другую сторону за счет неполного охвата генома. Те, впрочем, не сдаются и пишут ответ, в котором ссылаются на другие, более полные исследования с аналогичным результатом.
Эта полемика, что особенно примечательно, идет на страницах научного журнала со свободным доступом — аббревиатура PLoS в его названии обозначает Public Library of Science, «публичная научная библиотека». Кто именно окажется прав, судить сложно (обе группы достаточно авторитетны, их работы не содержат явных недочетов). Но очевидно, что техническое обеспечение молекулярной биологии совершенствуется очень быстро. Стоимость исследований падает, а точность растет; уже сейчас вопрос звучит не как «есть ли некодирующая РНК?», а «сколько ее на самом деле?»
Вопрос качества
То, что произошло в генетике, можно сравнить (и авторы свежего обзора в журнале BMC Biology так и делают) с ситуацией в астрономии. В середине прошлого века у ученых сложилась некая общая картина как жизни клетки, так и устройства вселенной. Но ближе к концу века произошла настоящая революция.
Астрофизики набрали достаточно данных, которые говорят в пользу того, что привычная нам материя составляет жалкие несколько процентов от массы наблюдаемого мира. Все остальное мы попросту не видим: это «темная материя», которую пока не поймал ни один детектор, но гравитационное действие которой играет ключевую роль в нашей вселенной. Молекулярные биологи, которые ранее построили четкую цепочку ДНК–РНК–белок, тоже столкнулись с тем, что их схема верна лишь в отношении одного процента ДНК — все остальное это некодирующие элементы и всевозможный мусор.
Доля мусора, то есть остатков вирусов вкупе с паразитными последовательностями, многократно скопировавших себя по всему геному, пока подлежит уточнению, равно как и доля осмысленных, но не до конца изученных фрагментов. А пока сразу множество разных коллективов добывает те самые более точные данные, другие группы работают над выяснением возможных функций той самой «генетической темной материи».
Для чего нужно то, что не позволяет собирать белки, основу наших организмов? Один из вариантов ответа на этот вопрос — для управления работой клетки. Одни РНК, которые можно назвать традиционными, содержат информацию о том, как именно собрать цепочку аминокислот в белок, а так называемые малые ядрышковые РНК отвечают за «доведение до ума» основы молекулярных машин по производству белка, рибосом. Другие РНК позволяют с одного гена производить разные белки, по-разному соединяя вместе несколько фрагментов той самой «традиционной» РНК. Есть специфические последовательности, которые играют роль стоп-сигналов для строго определенных белков, есть гипотезы о роли РНК в регуляции активности генов. Уже накоплено немало свидетельств в пользу того, что часть некодирующих РНК каким-то образом связана с развитием раковых опухолей — их подробно рассматривают, например, в августовском номере журнала Clinical Science.
Представление о ДНК, которое может сложиться после школьной программы биологии, уже необратимо устарело. Клетка не просто использует ДНК как набор чертежей для производства белков, и РНК — это не просто молекулы, которые переносят «чертежи» к «сборочным цехам» рибосом, а заодно подтаскивают аминокислоты и служат важной деталью тех самых рибосом. Более адекватным описанием реальности была бы метафора сложной компьютерной системы, где ключевую роль играет обработка информации. Клетка постоянно реагирует на сигналы извне, обменивается сообщениями с соседями и реагирует как полноценный живой организм, зачастую перестраиваясь под новые условия довольно радикальным образом. Некодирующие РНК — это часть клеточного «мозга», который позволяет откликаться на изменения более точно и демонстрировать сложное поведение — например, при эмбриональном развитии, где невзрачный комок одинаковых с виду стволовых клеток превращается в сложнейшие органы, где сами клетки переползают с места на место и выстраивают трехмерную сеть кровеносных сосудов или нервных волокон.
Согласно одной из наиболее признанных на сегодня гипотез жизнь началась именно с молекул РНК, так как те совмещали способность ДНК хранить информацию в доступной для копирования форме со способностью белков вступать в химические реакции. Далее на протяжении трех миллиардов лет эволюции жизнь была одноклеточной и механизмы, основанные на этих молекулах, отработались до совершенства. Сейчас мы начинаем их понимать и даже использовать на практике.
Вопрос практики
Ранее неизвестная часть генома уже перестала быть экзотикой, которая интересна лишь самим молекулярным биологам и генетикам. Сейчас ею активно занимаются медики — не проходит и недели без соответствующей публикации в специальных журналах.
Причем на первом месте онкологи. Вот подборка новых статей: обзор в Clinical Science, сообщение в Hepatology об обнаружении специфической для определенных опухолей микроРНК, статья про использование тех же микроРНК при диагностике и прогнозировании рака предстательной железы в Oncogene, еще один обзор по опухолям мозга в Molecular Neurobiology — и это только часть июльских выпусков медицинской периодики! Если смотреть шире и поднять все публикации на тему некодирующей РНК и рака, то их по всему миру наберется около 18 тысяч.
Почему? Есть такой инструмент, как биочип. Биочипы позволяют определить наличие определенных молекул, среди которых могут быть в том числе те самые некодирующие РНК. Таким образом, исследователи получают возможность сначала выявить характерные для той или иной опухоли комбинации, а потом использовать эти знания для диагностики. Поскольку каждый вид раковых опухолей отличается по своей восприимчивости к лекарствам и облучению, а также по способности давать метастазы, такая информация оказывается жизненно важной для пациентов. Имея точную информацию, онкологи могут, с одной стороны, наносить наиболее эффективные удары по раковым клеткам, а с другой — избегать «ковровых бомбардировок» препаратами, которые дают зачастую тяжелейшие побочные эффекты.
Таким образом, даже без вскрытия фундаментальных причин рака «темная материя генетики» может быть использована во благо. А если еще и разобраться в роли всех молекул, это еще больше расширит наши возможности. К примеру, если знать, что определенные РНК необходимы клеткам для согласованного построения кровеносных сосудов, их можно попытаться заблокировать лекарствами: опухоль, лишенная новых сосудов, как минимум замедлит свой рост, а там подоспеет химио- и лучевая терапия.
Специалистов по стволовым клеткам некодирующие РНК привлекают тем, что именно эти молекулы могут быть ответственны за серию переключений активности генов, благодаря которым универсальная стволовая клетка становится специализированным нейроном, гепатоцитом или превращается в красные кровяные клетки. Детали этого процесса важно знать по двум причинам: во-первых, без их учета есть риск неожиданных осложнений (вместо нового органа получить опухоль), во-вторых, процесс специализации неплохо бы уметь обращать вспять. Если научиться перепрограммировать произвольные клетки обратно в стволовые, а из тех получать уже нужные медикам, из одного кусочка кожи или одной пробирки крови можно будет восстановить пораженную печень, помочь мозгу после инсульта или даже вырастить новую конечность. Конечно, вряд ли это случится в ближайшие несколько лет. Но ничего принципиально невозможного в самой этой идее нет.
http://www.mn.ru/newspaper_science/20110802/303689814.html
Авторитетный журнал BMC Biology в прошедшие выходные опубликовал обзор, посвященный «генетической темной материи». Так авторы назвали фрагменты ДНК, которые не отвечают за синтез белков и долгое время считались чем-то вроде генного мусора. Во все школьные учебники вошла центральная «догма» молекулярной биологии — с участков молекулы ДНК, генов, копируются молекулы РНК. А РНК задают последовательность сборки конкретных белков из аминокислот. ДНК согласно этой «догме» нужна для синтеза белков, от банального коллагена до какого-нибудь фоторецептора,
позволяющего колбочке в сетчатке улавливать кванты синего света. Кавычки над словом «догма» не случайны, ибо довольно быстро выяснилось, что эта схема далеко не полна.
Лишь около 1% ДНК приходится на кодирующие белок гены. Конечно, есть еще специальные молекулы РНК, которые входят в состав рибосом, есть транспортные РНК, но это капля в море. Неужели почти 99% нашего генома завалено каким-то мусором? Часть исследований указывала на то, что паразитных фрагментов действительно предостаточно. Но другая часть, которой посвящена новая заметка британских генетиков, свидетельствует о том, что мы просто не понимаем еще всего богатства собственной ДНК. За последнее десятилетие биологами было найдено множество молекул РНК, которые синтезируются на основе тех самых «темных» участков за пределами обычных генов и которые явно имеют свои функции — зачастую неизвестные науке.
Недоступная ранее часть генома может раскрыть тайну клеточных механизмов, ответственных за самые разные события, от деления до запрограммированной гибели клеток, от их роста до коммуникации с другими клетками. Эти знания будут иметь универсальный характер, подобно тому как сама клеточная теория продвинула вперед сразу всю медицину с биологией, а не просто какие-то отдельные разделы. «Регуляция экспрессии генов» — это не узкотеоретический вопрос молекулярной биологии, а возможность управлять всеми метаморфозами клетки и соответствующими процессами в организме. Превращение группы стволовых клеток в новый орган, поражение нейронов при болезнях Альцгеймера и Паркинсона, формирование злокачественных опухолей, целый ряд врожденных заболеваний, атеросклероз и диабет — конкретные механизмы могут отличаться, но универсальный принцип «вместо одних генов стали активны другие» будет оставаться в силе.
Молекулярные биологи сейчас открывают новый мир, в котором еще многое неясно. Даже то, сколько на самом деле «темных» РНК, не кодирующих белки, остается вопросом. Все согласны с тем, что такие молекулы есть, но разные методы их поиска дают разные результаты. Сегодня мы расскажем о том, как ищут загадочную часть нашего генома, что может означать уже найденное и чем это нам всем «грозит».
Вопрос количества
В своем кратком обзоре авторы BMC Biology ссылаются на обстоятельную статью в журнале PLoS Biology, тоже появившуюся совсем недавно (12 июля 2011 года) и посвященную сопоставлению двух разных методов поиска некодирующей РНК. Эта работа, выполненная международной группой ученых из Австралии, Великобритании, Германии, США и Японии, служит примером того, как чисто технические детали могут влиять на получение новых знаний.
В случае с биологической наукой в XX веке роль новых методов исследования, новых инструментов и даже отдельных реактивов переоценить сложно. Разглядеть внутреннее устройство клетки и обнаружить вирусы было бы невозможно без электронного микроскопа — детища 1930-х годов. Без тонких методов химического анализа не удалось бы узнать роль ДНК и РНК. Без рентгеноструктурного анализа не вышло бы определить структуру этих молекул, равно как и форму молекул белка. Фантастические произведения, в которых есть биотехнологии, но нет привычной нам техники, по этой причине малоубедительны, путевку в мир генов и внутриклеточных механизмов открыли именно приборы из стали, пластиков и полупроводников.
Для поиска некодирующей РНК применяют два метода. Первый основан на том, что сначала выделяют все множество синтезированных клеткой молекул РНК, которые потом при помощи специальных ферментов многократно размножают, превращают в короткие фрагменты ДНК и анализируют на биочипе, позволяющем искать определенные последовательности. Второй метод также предусматривает превращение РНК в ДНК, но для прочтения ее последовательности (секвенирования; от английского sequence — «последовательность») и последующего сопоставления результата с уже известными данными.
Оба метода позволяют определить долю «темной» РНК, но итоговые оценки заметно отличаются. В 2010 году группа канадских ученых во главе с Харм Ван-Бекелем попробовала применить метод полного прочтения РНК и пришла к выводу, что доля некодирующих белки молекул сильно преувеличена. Сейчас дополнительный анализ, выполненный международным коллективом, говорит о том, что дело в недостатках канадского метода — дескать, это не наша оценка неверная, а метод оппонентов дает ошибку в другую сторону за счет неполного охвата генома. Те, впрочем, не сдаются и пишут ответ, в котором ссылаются на другие, более полные исследования с аналогичным результатом.
Эта полемика, что особенно примечательно, идет на страницах научного журнала со свободным доступом — аббревиатура PLoS в его названии обозначает Public Library of Science, «публичная научная библиотека». Кто именно окажется прав, судить сложно (обе группы достаточно авторитетны, их работы не содержат явных недочетов). Но очевидно, что техническое обеспечение молекулярной биологии совершенствуется очень быстро. Стоимость исследований падает, а точность растет; уже сейчас вопрос звучит не как «есть ли некодирующая РНК?», а «сколько ее на самом деле?»
Вопрос качества
То, что произошло в генетике, можно сравнить (и авторы свежего обзора в журнале BMC Biology так и делают) с ситуацией в астрономии. В середине прошлого века у ученых сложилась некая общая картина как жизни клетки, так и устройства вселенной. Но ближе к концу века произошла настоящая революция.
Астрофизики набрали достаточно данных, которые говорят в пользу того, что привычная нам материя составляет жалкие несколько процентов от массы наблюдаемого мира. Все остальное мы попросту не видим: это «темная материя», которую пока не поймал ни один детектор, но гравитационное действие которой играет ключевую роль в нашей вселенной. Молекулярные биологи, которые ранее построили четкую цепочку ДНК–РНК–белок, тоже столкнулись с тем, что их схема верна лишь в отношении одного процента ДНК — все остальное это некодирующие элементы и всевозможный мусор.
Доля мусора, то есть остатков вирусов вкупе с паразитными последовательностями, многократно скопировавших себя по всему геному, пока подлежит уточнению, равно как и доля осмысленных, но не до конца изученных фрагментов. А пока сразу множество разных коллективов добывает те самые более точные данные, другие группы работают над выяснением возможных функций той самой «генетической темной материи».
Для чего нужно то, что не позволяет собирать белки, основу наших организмов? Один из вариантов ответа на этот вопрос — для управления работой клетки. Одни РНК, которые можно назвать традиционными, содержат информацию о том, как именно собрать цепочку аминокислот в белок, а так называемые малые ядрышковые РНК отвечают за «доведение до ума» основы молекулярных машин по производству белка, рибосом. Другие РНК позволяют с одного гена производить разные белки, по-разному соединяя вместе несколько фрагментов той самой «традиционной» РНК. Есть специфические последовательности, которые играют роль стоп-сигналов для строго определенных белков, есть гипотезы о роли РНК в регуляции активности генов. Уже накоплено немало свидетельств в пользу того, что часть некодирующих РНК каким-то образом связана с развитием раковых опухолей — их подробно рассматривают, например, в августовском номере журнала Clinical Science.
Представление о ДНК, которое может сложиться после школьной программы биологии, уже необратимо устарело. Клетка не просто использует ДНК как набор чертежей для производства белков, и РНК — это не просто молекулы, которые переносят «чертежи» к «сборочным цехам» рибосом, а заодно подтаскивают аминокислоты и служат важной деталью тех самых рибосом. Более адекватным описанием реальности была бы метафора сложной компьютерной системы, где ключевую роль играет обработка информации. Клетка постоянно реагирует на сигналы извне, обменивается сообщениями с соседями и реагирует как полноценный живой организм, зачастую перестраиваясь под новые условия довольно радикальным образом. Некодирующие РНК — это часть клеточного «мозга», который позволяет откликаться на изменения более точно и демонстрировать сложное поведение — например, при эмбриональном развитии, где невзрачный комок одинаковых с виду стволовых клеток превращается в сложнейшие органы, где сами клетки переползают с места на место и выстраивают трехмерную сеть кровеносных сосудов или нервных волокон.
Согласно одной из наиболее признанных на сегодня гипотез жизнь началась именно с молекул РНК, так как те совмещали способность ДНК хранить информацию в доступной для копирования форме со способностью белков вступать в химические реакции. Далее на протяжении трех миллиардов лет эволюции жизнь была одноклеточной и механизмы, основанные на этих молекулах, отработались до совершенства. Сейчас мы начинаем их понимать и даже использовать на практике.
Вопрос практики
Ранее неизвестная часть генома уже перестала быть экзотикой, которая интересна лишь самим молекулярным биологам и генетикам. Сейчас ею активно занимаются медики — не проходит и недели без соответствующей публикации в специальных журналах.
Причем на первом месте онкологи. Вот подборка новых статей: обзор в Clinical Science, сообщение в Hepatology об обнаружении специфической для определенных опухолей микроРНК, статья про использование тех же микроРНК при диагностике и прогнозировании рака предстательной железы в Oncogene, еще один обзор по опухолям мозга в Molecular Neurobiology — и это только часть июльских выпусков медицинской периодики! Если смотреть шире и поднять все публикации на тему некодирующей РНК и рака, то их по всему миру наберется около 18 тысяч.
Почему? Есть такой инструмент, как биочип. Биочипы позволяют определить наличие определенных молекул, среди которых могут быть в том числе те самые некодирующие РНК. Таким образом, исследователи получают возможность сначала выявить характерные для той или иной опухоли комбинации, а потом использовать эти знания для диагностики. Поскольку каждый вид раковых опухолей отличается по своей восприимчивости к лекарствам и облучению, а также по способности давать метастазы, такая информация оказывается жизненно важной для пациентов. Имея точную информацию, онкологи могут, с одной стороны, наносить наиболее эффективные удары по раковым клеткам, а с другой — избегать «ковровых бомбардировок» препаратами, которые дают зачастую тяжелейшие побочные эффекты.
Таким образом, даже без вскрытия фундаментальных причин рака «темная материя генетики» может быть использована во благо. А если еще и разобраться в роли всех молекул, это еще больше расширит наши возможности. К примеру, если знать, что определенные РНК необходимы клеткам для согласованного построения кровеносных сосудов, их можно попытаться заблокировать лекарствами: опухоль, лишенная новых сосудов, как минимум замедлит свой рост, а там подоспеет химио- и лучевая терапия.
Специалистов по стволовым клеткам некодирующие РНК привлекают тем, что именно эти молекулы могут быть ответственны за серию переключений активности генов, благодаря которым универсальная стволовая клетка становится специализированным нейроном, гепатоцитом или превращается в красные кровяные клетки. Детали этого процесса важно знать по двум причинам: во-первых, без их учета есть риск неожиданных осложнений (вместо нового органа получить опухоль), во-вторых, процесс специализации неплохо бы уметь обращать вспять. Если научиться перепрограммировать произвольные клетки обратно в стволовые, а из тех получать уже нужные медикам, из одного кусочка кожи или одной пробирки крови можно будет восстановить пораженную печень, помочь мозгу после инсульта или даже вырастить новую конечность. Конечно, вряд ли это случится в ближайшие несколько лет. Но ничего принципиально невозможного в самой этой идее нет.
http://www.mn.ru/newspaper_science/20110802/303689814.html
