Отсутствие цвета из-за молчащих генов

Отсутствие цвета из-за молчащих генов

Цвет позволяет «увидеть» генетические эффекты. Начало этому положил Грегор Мендель, который открыл принципы генетики и, наблюдая за окраской душистого горошка, вывел законы. Барбара Макклинток, изучив цвет кукурузных зерен, выявила принципы эпигенетики. Полоски на лепестках тюльпанов указывают на наличие вирусов и эпигенетических эффектов. Цвет – это прекрасно, ибо он позволяет невооруженным глазом «увидеть» очень сложные генетические эффекты. Существует определенная информация: вирус изменяет цвет своего хозяина, а его противовирусная защита тоже приводит к изменению цвета. Показательным примером такой защиты являются фиолетовые петуньи, которыми украшают балконы в летнее время и на которых часто бывают симметричные мозаичные узоры. Если лепестки белые, значит, цвет исчез. Симметричные мозаичные узоры свидетельствуют о том, что потеря цвета произошла на начальном этапе формирования соцветий. Мозаичные узоры – результат действия противовирусной системы. Отсутствие цвета означает «отсутствие экспрессии генов цвета», что свидетельствует о выключении гена цвета, что ученые называют «сайленсинг». Данный термин не вполне подходит, поскольку речь идет о выключении не звука, а цвета. (.) Сайленсер – это сайленсерные РНК, или «малые интерферирующие» РНК (миРНК или siRNA). Это похоже на название вышеупомянутого интерферона, что правильно, поскольку данные механизмы взаимосвязаны. Если миРНК поражает ген цвета или промотор гена цвета, можно наблюдать эффект сайленсинга, а именно потерю цвета. Результат довольно прост, несмотря на довольно сложный молекулярный механизм, стоящий за ним. Сайленсинг способен поразить любой ген, причем ген цвета лишь один из множества генов, которые могут быть поражены. Проникающие в клетку вирусы могут также подвергаться сайленсингу. Англичанин Дэвид Болкомб описал сайленсинг генов в растениях, но генетика растений – очень сложная дисциплина, которая многим оказалась не под силу. Макклинток также столкнулась с этим в ходе исследования кукурузных зерен, ценность которого никто не понял. Сайленсинг генов как способ иммунной защиты был тщательно изучен у червей , и в результате Эндрю Файер и Крейг Мелло, но без Болкомба, в 2006 г. стали лауреатами Нобелевской премии. С тех пор сайленсинг генов стал одним из предпочтительных и наиболее информативных лабораторных экспериментов. Когда человеку хочется подтвердить функции генов, нет ничего лучше, чем выключить их, то есть осуществить сайленсинг и посмотреть, что произойдет при отсутствии гена. «Потеря функции» – технический термин. Сейчас это стало стандартной лабораторной процедурой. Многие университеты даже предлагают услуги по выключению генов на контрактной основе. И не нужно думать об иммунных системах и противовирусной защите – просто закажите в какой-нибудь компании ретровирус с заданной последовательностью, чтобы получить желаемую сайленсерную миРНК. Затем можно использовать вирусный вектор, чтобы инактивировать заданный ген и посмотреть, что произойдет. Лучше сразу оговорить с компанией выключение гена, поскольку не все гены можно полностью выключить. Иногда в результате «нецелевого» эффекта инактивируется не тот ген – еще один недостаток такого метода. Однажды две группы ученых одновременно проводили эксперименты по выключению генов, используя ВИЧ-инфицированные клетки, и получили очень сильно отличающиеся результаты. В связи с этим отметим, что метод нуждается в стандартизации и совершенствовании.

В Цюрихе после рождественской вечеринки в доме Тоби Дельбрюка (сына Макса) мы проводили эксперимент со сайленсингом. Мои коллеги хотели выяснить, почему поют птицы, и в своей лаборатории с соответствующим уровнем безопасности мы помогали подготовить вирус для малых интерферирующих РНК различных генов. Мы проверили, какие именно гены привели к сайленсингу у птиц. Среди них был и FoxP2-подобный транскрипционный фактор, влияющий на способность говорить. Мы выясним, какой ген позволяет птицам петь и лишает этой способности.

Сайленсинг генов у червей осуществляется путем их соответствующего кормления. Черви могут питаться малыми интерферирующими РНК, обусловливающими сайленсинг. Мы использовали малые синтетические интерферирующие РНК и поместили их в чашку для культивирования. В природе черви секретируют миРНК в качестве защитных противовирусных сигналов, чтобы предупредить других червей в популяции. Многие черви живут в земле и ведут себя практически как единый организм, поэтому диффузии миРНК вполне достаточно. Этот секретируемый сигнал напоминает интерферон, который покидает клетку, подвергшуюся опасности, предупреждая соседние клетки о вторжении. Система интерферонов и система сайленсинга siRNA имеют некоторое сходство, это похожие механизмы, действующие в мире РНК и белка!

Секретированные малые интерферирующие РНК есть у филярий (черви), грибов, растений и даже у млекопитающих, где мы их и выявили (). Черви – удивительные организмы. У них обнаружили противовирусные миРНК, но не обнаружили вирусов. Неужели вирусы червей «заглушены» навсегда? В этом случае черви могли бы стать единственной биологической системой на планете, которая совершенно свободна от вирусов. Недавно во Франции в питомниках, расположенных под Парижем, у червей был обнаружен вирус . Но выяснилось, что это был лабораторный вид с дефектной иммунной системой, поэтому у них не наблюдалось миРНК-защитной системы. Только так вирус мог проникнуть в организм червей и реплицироваться. Сегодня все вирусы, как правило, выводятся из клетки. Однако в стволовых клетках этих червей примерно 12% транспозируемых вирусоподобных элементов, в основном транспозоны. Предполагается, что их источником являются ранее имевшие место инфекции – должно быть, ранее черви столкнулись с ними и произошла интеграция. Я не верю в то, что это «единичные исключения»: разве могут быть черви единственным видом живых существ на Земле, у которых нет вирусов? Возможно, их уже нет, или нам такие вирусы пока неизвестны. В этой области необходимо проводить дополнительные исследования. Показательный пример обитания  – парижские фруктовые сады, где эти нематоды приобрели алкогольную зависимость, питаясь гниющими яблоками. Это стоит запомнить, потому что в заключительной главе упомянутый факт приведет к еще большему сюрпризу.

Мой коллега из Москвы Алексей Мацкевич обнаружил, что у людей в клетках все еще сохраняется слабая система сайленсинга на основе малых интерферирующих РНК. Это довольно неожиданно, поскольку у нас, как уже отмечалось, «более совершенные» и хорошо развитые иммунные системы: интерфероны и иммуноглобулины. Малые «интерферирующие» РНК называются почти так же, как интерфероны, и это верно. Система сайленсинга существует, но она слабая и перекрывается другими, более сильными ().

Мы опубликовали эти удивительные результаты. Через восемь лет наш коллега опубликовал такие же данные, но «по рассеянности» не обратил внимания на наши, понадеявшись, что рецензенты этого не заметят. И они действительно не заметили. Время покажет, как долго такое будет оставаться безнаказанным (у этого исследователя в настоящее время есть некоторые проблемы из-за других «забытых» фактов).

Однажды я обратила внимание, что у вирусов и системы сайленсинга для противовирусной защиты схожи не только «ножницы», но и весь набор инструментов, состоящий из 12 компонентов. В 2007 г. на симпозиуме в Колд-Спринг-Харбор я рассказала об этом Дж. Уотсону. Незадолго до этого на обложке был опубликован снимок структуры защитных «ножниц», которая свидетельствует о сходстве между вирусными и противовирусными «ножницами» (). Уотсона сразу же убедили мои наблюдения относительно сходства между системами защиты у вирусов и противовирусной защитой. Он уловил смысл моей идеи и тут же сказал: «Представьте рукопись, я поговорю с Брюсом». Он имел в виду Брюса Стилманна, который сменил его на посту руководителя лаборатории. И действительно, Уотсон поговорил с ним в тот же день, и рано утром на следующий день Брюс взял мою рукопись, чтобы включить ее в авторитетный сборник материалов симпозиума. Как здорово! Никогда ранее мою рукопись не брали в печать так быстро – как правило, личное приглашение направляется задолго до публикации. И что лучше всего, я не провела ни одного эксперимента, а лишь сравнительный анализ. И до сих пор не написала полную статью.

Как хорошо для читателя, все просто – вирусная и противовирусная защита тесно взаимосвязаны. Кто у кого научился? (Полагаю, что изобретателями являются вирусы.) Интересно отметить, что трудно проследить взаимоотношения двух пар «ножниц» из их генетических последовательностей, скорее это можно сделать на основе их структур. Это не вполне верно, поскольку существует очень небольшое число структурообразующих связей, сформированных тремя типичными консервативными аминокислотами (D, D, E), которые, однако, трудно найти среди других 120 аминокислот. По крайней мере мы не смогли их обнаружить, хотя и искали. Таким образом, структура гораздо важнее последовательности, и об этом стоит помнить! Подобные функции называются «ортологические». В настоящее время «ножницы» РНКазы считаются самой часто встречающейся укладкой белка и доменами в биологии вообще, о чем свидетельствует открытие, сделанное специалистом по эволюционному развитию и биоинформатике Густаво Каэтано-Аноллесом из Иллинойса, которое удивило меня. РНКаза Н – самые древние «ножницы» в мире! При анализе данных по многочисленным образцам, собранным в 2015 г. во время экспедиции Tara Oceans, было изучено несколько миллионов последовательностей организмов планктона, и оказалось, что РНКаза и обратная транскриптаза – самые распространенные белкиПредположительно это объясняется тем, что ретровирусы, ретротранспозоны и противовирусная защита настолько распространены, что наблюдаются даже в океаническом планктоне. Все были удивлены. (.)

Таким образом, для «ножниц» существует много названий. Как они появились? Обычно разрезание носит не специфический характер, а РНКазы Н надо направить на специфические участки, где с высокой точностью происходит расщепление. Они почти похожи на настоящие ножницы, поскольку расщепляют реально существующие химические связи. Первоначально РНКаза Н распознавала и расщепляла только родственные (знакомые) возбудители, но со временем приобрела универсальный характер. «Ножницы» проявляют активность внутри клетки, и в свое время они попали в клетку вместе с первым вирусом-возбудителем. Возможно, белковые «ножницы» стали результатом расщепления РНК, и в эволюции известны следующие тенденции: РНК – белок, рибозимы – РНКаза Н, РНК-«ножницы» – белковые «ножницы». Для того чтобы заниматься анализом такого сценария, мне пришлось уйти в отставку. Существует около 10 типов молекулярных «ножниц», РНКаз Н, и в силу ряда исторических причин у них разные названия. Я открыла ретровирусную РНКазу Н и изучала ее несколько десятилетий. Эта тема занимала мои мысли много лет, но я упустила из вида все остальное.

Довольно удручающий, хотя и занимательный результат. А все из-за специализации и повседневных забот, обусловленных работой в штате, – это я говорю в свое оправдание, – которые для меня внове и забирают много времени. И тем не менее… Как я могла всего этого не заметить? Ведь эти открытия могла бы сделать я, но не сделала!