Нобелевскую премию по медицине дали за открытие микроРНК: почему это важно

В 2024 году лауреатами Нобелевской премии стали двое американских ученых — Виктор Эмброс и Гэри Равкин.

Их наградили за открытие микроРНК и ее роли в посттранскрипционной регуляции генов.

Рассказываем, что означает открытие и как понимание работы микроРНК помогает разобраться в принципах работы клеточных фабрик по синтезу белка.

Любое живое существо, в том числе человек, состоит из крохотных живых единиц — клеток. Каждую можно сравнить с очень маленьким биороботом. Все программы, управляющие этими биороботами, называются генами, а записаны они на молекулах-носителях — ДНК.

Хотя ДНК одинакова во всех клетках организма, половые клетки работают не так, как мышечные, а мышечные — не так, как нервные. Лауреаты Нобелевской премии по медицине 2024 года доказали, что один и тот же набор программ работает в разных биороботах по-разному в том числе и потому, что у живых организмов есть микроРНК.

Человеческая ДНК содержит почти 20 000 генов, которые служат матрицами для создания всех белков организма: от коллагена, который придает упругость коже, до инсулина, управляющего переносом глюкозы из крови в клетки. Однако сама ДНК слишком ценна, чтобы пускать ее в работу.

Чтобы создать определенный белок, клетка делает копию с конкретного гена, которая называется матричная РНК, или мРНК, — этот процесс называется транскрипция. Опираясь на мРНК, клетка будет собирать белок из аминокислот — органических молекул, которые состоят из углерода, азота, кислорода и водорода.

Но как конкретный клеточный биоробот понимает, какие белки ему копировать, а какие — нет? Для этого как раз и нужны микроРНК: у людей их открыто уже более 2000 штук. МикроРНК получили свое название, потому что гораздо короче мРНК. В отличие от мРНК, которые занимаются «переводом» ДНК в белки, каждая микроРНК способна связаться как непосредственно с ДНК, так и с мРНК.

Когда микроРНК соединяется с ДНК, это приводит к «отключению» или, наоборот, к «активации» конкретного гена. А когда микроРНК связывается с конкретными мРНК, она блокирует и их работу. Поскольку связывание микроРНК с молекулой мРНК происходит после транскрипции, такую регуляцию работы генов назвали посттранскрипционной.

Каждая микроРНК способна отключать сразу несколько разных мРНК, «запрещая» таким образом синтез целого набора белков, вовлеченных в сходные процессы в клетке. Поэтому ее можно сравнить с менеджером, управляющим конкретной задачей. А поскольку набор менеджеров в клетках разных тканей различается, в итоге половые клетки создают свой уникальный набор белков, а нервные клетки — свой.

Поскольку одна микроРНК может регулировать работу нескольких генов, если микроРНК ломается, это может приводить к возникновению серьезных болезней. Например, из-за потери всего двух микроРНК, которые обычно участвуют в блокировании роста опухолевых клеток, может развиться онкологическое заболевание, которое называется хроническим лимфоцитарным лейкозом.

Но восстановление функциональности микроРНК должно помочь излечивать многие болезни. Например, исследователи активно изучают возможность использования микроРНК в качестве лекарств от рака, болезней сердца и нейродегенеративных заболеваний. Правда, добиться прогресса пока не удалось: микроРНК быстро разрушаются и их сложно вводить именно в те клетки, в которых они нужны. Но эти проблемы преодолимы: когда-то с похожими сложностями сталкивались создатели многих эффективных вакцин.

Кроме того, некоторые микроРНК можно будет использовать для диагностики: поскольку набор этих молекул уникален для каждой клетки, они подходят для своевременного обнаружения многих типов рака. Правда, для этого ученым придется накопить больше информации о том, какие микроРНК в какой клетке присутствуют.

А если дать волю воображению, можно представить, что в относительно недалеком будущем удастся подобрать чит-код из микроРНК к каждой клетке человеческого организма. Возможно, это когда-нибудь позволит заново «запустить» синтез инсулина в клетках поджелудочной железы людей, больных сахарным диабетом первого типа. Или позволит избавлять детей от серьезных наследственных заболеваний еще до рождения, то есть внутриутробно.

Эмброс и Равкин могли никогда не сделать свое открытие, если бы не круглый червь-нематода Caenorhabditis elegans. В природе эти прозрачные животные длиной один миллиметр живут в почве. Поскольку гены и основной синтез белка у нас и у нематод очень похож, а жизненный цикл у червей настолько короткий, что за время исследования можно проследить судьбу нескольких поколений, в лаборатории их широко используют в качестве модельных организмов.

В 1970-х годах в лаборатории известного исследователя Сидни Бреннера обнаружили необычную нематоду-мутанта lin-4. Многие типы клеток у них полностью отсутствовали, а яйца накапливались прямо в теле из-за сбоя в развитии половых органов. Почти одновременно с этим в другой лаборатории, которой заведовал ученый Роберт Хорвиц, нашли второго мутанта, lin-14: эти нематоды были очень маленькими, и у них не было личиночной стадии.

Виктор Эмброс и Гэри Равкин независимо друг от друга расшифровали геномы обоих видов червей и сравнили результаты. Оказалось, что у lin-14 есть генетические нарушения скорости развития, которые были противоположны тем, которые наблюдались у мутанта lin-4. За эти нарушения «отвечали» аномальные некодирующие РНК, которые позже назвали микроРНК. Если подытожить, что именно сделали ученые, с некоторой натяжкой можно сказать, что Виктор Эмброс открыл микроРНК, и Гэри Равкин объяснил, как она работает.

Однако сразу после открытия, даже такого важного, Нобелевскую премию присуждать не принято. Это и правильно: ведь только в этом случае можно быть уверенным в том, что открытие не будет вскорости опровергнуто. Прошло много лет, прежде чем другие ученые подтвердили, что у живых существ, включая людей, действительно существует обширный класс микроРНК, которые играют важную роль в регуляции генов.