Нобелевская премия в области физиологии и медицины в этом году была присуждена двум ученым за открытие фундаментального принципа, определяющего, как регулируется активность генов. Оказалось, ключевую роль в этом процессе играют микроРНК. Этот новый класс крошечных молекул и был открыт нынешними лауреатами, когда они более 30 лет назад пытались описать РНК нематоды Caenorhabditis elegans.
Виктор Эмброс родился в 1953 году в Ганновере, США. В 1979-м получил степень доктора философии в Массачусетском технологическом институте (MIT), где проводил постдокторанские исследования в 1979–1985 годах. В 1985-м стал главным исследователем в Гарвардском университете. С 1992-го по 2007-й был профессором Дартмутской медицинской школы. В настоящее время является профессором естественных наук в Медицинской школе Массачусетского университета.
Гэри Равкан родился в 1952 году в Беркли, США. Получил степень доктора философии в Гарвардском университете в 1982-м,
а затем до 1985 года был постдокторантом MIT в Кембридже. В 1985-м стал главным исследователем в Массачусетской больнице общего профиля и Гарвардской медицинской школе, где в настоящее время является профессором генетики.
В научном мире существует убеждение (почти аксиома), что для того, чтобы стать обладателем Нобелевской премии в естественных науках, нужно «получить крещение» у лауреата прошлых лет. В преддверии нобелевской недели журнал Nature опубликовал любопытную статью, где с опорой на статистику был представлен гипотетический портрет «среднестатистического» нобелиата. Так вот, одним из условий была названа работа в лаборатории нобелевского лауреата (за всю историю только 32 лауреата были, что называется, со стороны, остальные принадлежали к «большой академической семье»), а вторым — ожидание премии в среднем около 20 лет. Наверное, для того, чтобы значимость открытия как следует «настоялась».
Нынешние лауреаты обоим этим условиям соответствуют. Еще в конце 1980-х они были постдокторантами в MIT у Роберта Хорвица, который получил Нобелевскую премию в 2002 году. А Виктор Эмброс еще и выходец из лаборатории Дейвида Балтимора (Нобель 1975-го за открытие взаимодействия между онкогенными вирусами и генетическим материалом клетки). И свою настоящую победу они отпраздновали, когда в 1993 году в научном журнале Cell опубликовали две статьи, посвященные гену lin-4, найденному в геноме нематоды C. elegans, и тому, как мутации в нем нарушали развитие червя. Правда, отпраздновали — это слишком громко сказано. Никто в научном сообществе этих работ тогда даже не заметил…
Очарованные C. elegans
В лаборатории Роберта Хорвица изучали относительно непритязательного круглого червя C. elegans длиной всего 1 мм. Популярным модельным объектом эта «изящная» нематода стала c 1974 года после работ Сиднея Бреннера.
Несмотря на свой малый размер, C. elegans обладает многими специализированными типами клеток, например, нервными и мышечными, которые встречаются у более крупных и сложных животных, что делает его идеальной моделью для изучения развития тканей в многоклеточных организмах.
Эмброс и Равкан работали с двумя мутантными линиями lin-4 и lin-14 и заинтересовались генами, которые контролировали время активации различных генетических программ, обеспечивая развитие разных типов клеток в нужное время. Очевидно, что мутации в определенных генах не позволяли эмбрионам червей развиваться правильно. Эмброс обнаружил, что ген lin-4 каким-то образом блокирует активность гена lin-14, но было неясно, прямой это эффект или косвенный. Эмброс задался целью клонировать ген, отвечающий за lin-4, в то время как Равкан первоначально сосредоточился на lin-14.
Когда Эмброс идентифицировал ген lin-4, он с удивлением обнаружил, что тот не кодирует белок, но вместо этого производит завораживающе короткую нить рибонуклеиновой кислоты.
Работа Равкана над геном lin-14, который действительно кодирует белок, дополнила картину. Он показал, что lin-4 не ингибирует продукцию мРНК lin-14. Это означало, что регуляция происходит на более поздней стадии — мРНК синтезируется, но белок не вырабатывается.
Так исследователи обнаружили, что нить РНК lin-4, позже названная микроРНК, прикрепляется к участку матричной РНК lin-14, препятствуя созданию белка в процессе, известном как транскрипция.
Транскрипционные факторы были открыты еще 1960-е годы — определенные белки связываются с регуляторными участками гена и контролируют активность транскрипции (синтеза матричной РНК, или мРНК). То есть генетическая информация, заложенная в ДНК, передается в мРНК с помощью процесса, называемого транскрипцией, после чего используется в ходе трансляции в роли матрицы для синтеза белков.
Но только в 1990-е выяснилось, что есть и другой уровень регуляции — посттранскрипционный, мишенью которого является сама мРНК. Клетки не синтезируют белок непосредственно с ДНК, сначала они создают мРНК-копию гена этого белка; мРНК синтезируется в ядре, выходит в тело клетки, где с нее синтезируется белок. А количество того или иного белка на уровне мРНК регулируют микроРНК.
Связывание микроРНК с мРНК приводит к подавлению синтеза белка или деградации мРНК. За открытие РНК-интерференции — пути подавления экспрессии, в котором важную роль играют микроРНК, — в 2006 году получили Нобелевскую премию Эндрю Файер и Крейг Мелло.
Напомним, что в 2023 году Нобелевской премией в области физиологии и медицины были отмечены исследования Каталин Карико и Дрю Вайсмана, которые изобрели технологию синтеза мРНК. Их открытие касалось модификаций нуклеотидных оснований, что сделало возможной разработку мРНК вакцин, в т. ч. от COVID-19. Вот почему возникла некоторая неразбериха, когда, освещая решение Нобелевского комитета о вручении премии этого года, в СМИ нещадно путали два эти разных понятия — мРНК и микроРНК, — вызывая недоумение общественности: неужели премию дважды дали за одно и то же открытие?
Когда Эмброс и Равкан сопоставили полученную информацию, стало ясно, что РНК lin-4 частично комплементарна именно необходимому для ингибирования сегменту мРНК lin-14. В дальнейших экспериментах они продемонстрировали, что связывание действительно происходит и блокирует продукцию белка lin-4. Таким образом, они открыли новый принцип генетической регуляции. И что? А ничего! Вместо бурных оваций — оглушительное молчание…
Переломный момент
На протяжении многих лет это открытие рассматривалось как причуда, характерная только для круглых червей и не имеющая особого отношения к другим организмам. Это мнение было разрушено в 2000 году, когда команда Равкана идентифицировала другую микроРНК C. elegans (регуляторная РНК let-7), которая, в отличие от lin-4, встречалась у разных таксонов животных и у человека. В последующие годы были найдены сотни микроРНК.
На пресс-конференции Равкан вспомнил момент, когда он обнаружил, что микроРНК не являются уникальными для червей. Когда ему нужно было отвлечься от написания очередной заявки на грант, он воспользовался медленным адаптерным (теперь уже архаичным) модемом, чтобы проверить, содержится ли в проекте генома человека — в то время он еще находился в разработке — вторая микроРНК, описанная его лабораторией. «И когда dial-up-модем нашел совпадение с человеческим геномом, я глазам своим не поверил, это было что-то вроде «Бог ты мой, да быть этого не может, это так здорово!», — рассказал ученый.
МикроРНК — это огромный регуляторный механизм, работающий в клетках и определяющий, какие гены будут проявляться, а какие — нет. Эти короткие последовательности РНК, комплементарные или почти комплементарные определенным последовательностям мРНК, играют важную роль в том, почему одни клетки становятся клетками сердца, другие — мозга, третьи — легких, четвертые — иммунными... Они заставляют одни гены работать, а другие молчать, и в каждом типе клеток молчащие и работающие гены должны быть разными.
Когда в последующие годы микроРНК нашли почти у всех организмов на Земле, ученым открылась поразительная картина. Вся многоклеточная жизнь стала возможной лишь потому, что такие «выключатели» появились еще сотни миллионов лет назад. Именно этот механизм позволил эволюционировать все более сложным организмам. Важнейшая задача микроРНК— запрет на работу каких-то белков. И чем сложнее устроены животные, тем больше в их генах записано «выключателей». У млекопитающих больше, чем у рыб, а у людей больше, чем у всех других организмов.
Хотя геном человека содержит сотни микроРНК (около 600 отдельных), Равкана просто завораживает тот факт, что люди и другие млекопитающие, похоже, избавились от многих малых молекул РНК, присутствующих в таких организмах, как скорпионы, клещи, моллюски и, конечно, муза его лаборатории C. elegans. Они находятся в «самых крутых организмах на планете — и это делает наших маленьких червей очень крутыми», — говорит нобелевский лауреат. Не менее интригует тот факт, что одна микроРНК может регулировать экспрессию множества генов и один ген может регулироваться разными микроРНК.
Но при чем же тут медицина? Из генетических исследований теперь известно, что клетки и ткани не могут нормально развиваться без микроРНК. Сбои в их регуляции могут способствовать аномалиям развития и возникновению рака, а мутации в генах, кодирующих микроРНК, были обнаружены у людей, страдающих врожденной потерей слуха, заболеваниями глаз и скелета.
Первым заболеванием человека, для которого описали связь с микроРНК, был хронический лимфолейкоз, и микроРНК в этом случае могут работать и как супрессоры опухолей, и как онкогены. Мутации в одном из белков, необходимых для производства микроРНК (аутосомно-доминантная мутация в гене DICER1, продукт которого расщепляет пре-микроРНК, чтобы получились микроРНК), приводят к синдрому DICER1 — редкому, но тяжелому заболеванию, при котором повышен риск развития доброкачественных и злокачественных опухолей в легких, почках, яичниках, щитовидной железе.
Огромным потенциалом будет обладать терапия, нацеленная на эти маленькие молекулы, — ученые пытаются разработать лекарства, которые запускали бы эти природные «выключатели». Работа уже ведется, но доставка молекул РНК в клетки пока является проблемой.
Член Нобелевского комитета Олле Кемпе, эндокринолог из Каролинского института, во время объявления премии подчеркнул важность любознательности в исследованиях:
«Только представьте, эти двое просто наблюдали за двумя червями, которые выглядели немного забавно, и решили понять почему. А потом они открыли совершенно новый механизм регуляции генов. Ну разве это не удивительно?»