Си Цюнь Сюй орудовал иголкой, ловко перенося крошечных круглых червей из чашки Петри на слой липкого агара, размазанного по предметному стеклу микроскопа. Если бы в июне 1997 г. вы стояли рядом и заглядывали ему через плечо, то усомнились бы, что там можно что-либо забирать и пересаживать: черви были прозрачными[206], тоньше человеческой ресницы и всего миллиметр длиной, так что нужно было обладать острым зрением просто для того, чтобы их хотя бы заметить. Выложив 10 червей в ряд на предметное стекло, Си Цюнь, не отрывавшийся от микроскопа, с помощью ультратонкой стеклянной иглы проткнул кожу первого червя и ввел ему в гонаду (половую железу) мельчайший объем растворенной РНК. Перемещая иглу, он повторил инъекцию каждому из червей. Этот процесс был значительно сложнее, чем вдевание нитки в иголку, но за несколько лет до того, как стать научным сотрудником лаборатории Энди Файера в балтиморском Институте Карнеги, Си Цюнь занимался на родине, в Китае, акупунктурой, и это была подходящая тренировка для выполнения нынешней задачи[207].
С помощью введения РНК Си Цюнь и Энди надеялись решить проблему, которая вызывала недоумение у биологов, занимавшихся червями. Начиная с 1984 г. антисмысловая РНК, с которой мы уже встречались, когда говорили про лечение спинальной мышечной атрофии, стала популярным инструментом для изменения экспрессии генов[208]. Идея заключалась в том, чтобы помешать выработке белка, вводя РНК, которые были комплементарными (антисмысловыми) к мРНК этих белков. Основания из антисмысловой цепочки будут образовывать пары с нужной мРНК, перекрывая кодоны и предотвращая синтез белка. Способность точно выключать гены может быть мощным инструментом, позволяющим выяснять функции разных генов и, может быть, даже деактивировать вредные или мутантные гены.
Но когда антисмысловые РНК стали использовать при работе с популярным экспериментальным организмом – круглым червем Caenorhabditis elegans, это не привело к ожидаемым результатам. Целый ряд биологов, изучавших червей, пытались использовать антисмысловые РНК, и некоторые, в том числе и Энди Файер, заметили нечто странное. В качестве контроля эксперимента исследователи вводили вместо антисмысловой РНК смысловую РНК, то есть полную копию участка с целевой последовательностью мРНК. Не было причин предполагать, что он будет образовывать связи с основаниями из мРНК, потому что С не спаривается с С, А не спаривается с А и т. д. Не было сомнений, что введение смысловой РНК не даст никакого эффекта. Однако ученые с удивлением обнаружили, что смысловая РНК также прерывала экспрессию генов[209]. Трудно было смириться с фактом, что смысловая и антисмысловая последовательности влияют одинаково.
Энди искал путь решения этой загадки. Он проходил стажировку в лаборатории Фила Шарпа в Массачусетском технологическом институте, поэтому был знаком с РНК. Кроме того, он знал, насколько сложно получить чистую смысловую или чистую антисмысловую РНК, поскольку ферменты, используемые в лаборатории для транскрипции РНК с ДНК, иногда в процессе добывания (синтеза) нужной РНК ошибочно вырабатывали и комплементарную цепочку. Возможно ли, что все препараты смысловой и антисмысловой РНК были активны, потому что содержали некоторое количество двуцепочечной РНК?
Энди признал эту гипотезу «несколько притянутой за уши»[210]. Ведь, в сущности, в двуцепочечной РНК нити уже спарены друг с другом, и не означает ли это, что они будут не способны спариваться с чем-то еще и, следовательно, не смогут вмешиваться в работу мРНК? Но черви стоят недорого, а у Си Цюня и Энди уже был опыт инъекций червям, поэтому они решили попробовать. Они очень тщательно очистили смысловые и антисмысловые РНК, чтобы избежать перекрестного загрязнения, а затем одной группе червей ввели смысловую РНК, второй группе – антисмысловую, а третьей – смесь смысловой и антисмысловой в равном количестве, чтобы получить двойную спираль РНК.
Они решили выбрать ген, потеря активности которого была бы хорошо заметна. Ген назывался unc, сокращенно от uncoordinated (нескоординированный), и был необходим для правильного развития нервной системы червя. При мутации или выключении этого гена червь бесконтрольно дергается. Си Цюня и Энди интересовало потомство червей, которым сделали инъекцию, – будет нервная система развиваться правильно или не будет. Удобно, что червей не надо было уговаривать спариваться, потому что они гермафродиты, вырабатывают одновременно яйцеклетки и сперматозоиды и производят внутреннее самооплодотворение.
Через день после введения РНК черви отложили яйца, из которых появилось следующее поколение. Когда Си Цюнь и Энди по очереди заглянули в микроскоп, они увидели нечто захватывающее и неожиданное. Во-первых, лишь потомки червей с введенной двуцепочечной РНК дергались все поголовно как сумасшедшие[211]. Ни смысловая, ни антисмысловая РНК по отдельности не давали такого эффекта[212], действовало только введение двуцепочечной молекулы, поэтому можно предположить, что в предыдущих экспериментах, где смысловая или антисмысловая РНК по отдельности нарушала экспрессию гена у червей, на самом деле происходило загрязнение комплементарными цепочками. Исследователи не только обнаружили, что двуцепочечная РНК может каким-то образом выключать экспрессию генов, по крайней мере у червей, но и показали, что система обладает потрясающей точностью. Двойная спираль РНК воздействовала исключительно на целевой ген unc.
Ученым понадобилось несколько лет, чтобы объяснить эти загадки. Но в тот момент, когда Энди Файер наблюдал извивающихся червей, он смотрел на будущую Нобелевскую премию. Его работа и труды его соавтора Крейга Мелло из онкологического центра Массачусетского университета в Вустере положили начало совершенно новой области молекулярной биологии, получившей название РНК-интерференция.
Вскоре ученые обнаружили, что РНК-интерференция – важный регуляторный процесс в природе, позволяющий организмам снижать активность групп мРНК после того, как они были транскрибированы. Хотя эта система работает у множества животных, от червей до человека, ее заметили, только когда она проявилась в экспериментах Энди Файера и Крейга Мелло с двуцепочечной РНК. Итак, РНК-интерференция еще один поразительный пример биологической роли РНК. Более того, поскольку у больных РНК служит матрицей для синтеза белка, так же как и в здоровом организме, подавление определенных мРНК является новым фармакологическим подходом, поэтому вскоре РНК-интерференцию начали применять и в медицине. Это история про большие перспективы и некоторые трудности, которыми сопровождалось применение РНК. А все началось с непритязательного червячка.
Почему именно червь? Такой выбор организма для экспериментов многим покажется странным, может быть, кто-то даже решит, что это шутка. Но для Сиднея Бреннера все было логично. В 1960-х гг., после того как он помог раскрыть секрет РНК, Сидней занялся другой важнейшей проблемой в биологии – работой нервной системы. Нервная система состоит из головного мозга, спинного мозга и периферических нейронов, связанных со спинным мозгом, в том числе мотонейронов, контролирующих мышцы. Нервная система управляет движением, памятью, принятием решений и поведением.
Чтобы приступить к разгадке ее тайн, Сиднею нужно было выбрать объект для экспериментов. Раньше его любимым организмом была кишечная палочка, но тут она не годилась, поскольку у нее нет мозга. Выбор пал на круглого червя – нематоду C. elegans, так как это давало множество преимуществ. Среди организмов, имеющих мозг, C. elegans[213] – одно из самых простых животных. В организме взрослой нематоды всего около 1000 клеток, из них около 300 – нейроны, клетки нервной системы. Кроме того, эти нематоды прозрачные, а потому клетки разных типов и все их связи легко наблюдать в микроскоп. Наконец, эти черви маленькие: если выложить их одного за другим, чтобы получить цепочку длиной 1 дюйм (2,54 см), понадобится 25 червей. Они начинают размножаться уже в возрасте 3,5 дней, а еще дешевы и просты в содержании.
Сидней был столь харизматичен, умен, обаятелен и общителен, что некоторые наиболее смелые и талантливые молодые ученые того времени двинулись за ним в мир червей. Среди таких последователей были Энди Файер и Крейг Мелло. Энди работал с червями, когда был в постдокторантуре у Сиднея в Кембридже в середине 1980-х гг., а затем он вернулся в США и основал собственную лабораторию в Институте Карнеги. Крейг познакомился с нематодами в 1982 г. в Колорадском университете в Боулдере благодаря моему коллеге Дэвиду Хиршу[214], еще одному из учеников Сиднея.
Благодаря экспериментам с червями исследователи в лабораториях Файера и Мелло обнаружили, что двуцепочечная РНК обладает могущественной способностью вмешиваться в экспрессию генов. Поначалу, однако, не были понятны механизмы этого процесса (как именно двуцепочечная РНК может распознать нужную одноцепочечную РНК) и предстояло выяснить, происходят ли такие явления в естественных условиях.
Ответ на первый вопрос вскоре был получен благодаря новым лабораторным экспериментам в разных концах мира. Ученые описали группу ранее неизвестных (или по крайней мере недооцененных) белков, посредством которых двуцепочечная РНК может заставить замолчать гены. Одним из таких белков был фермент, получивший соответствующее название Dicer («ломтерезка»), который рассекает длинную двуцепочечную РНК на мелкие фрагменты – малые интерферирующие РНК (миРНК). Затем с ними связывается другой фермент и доставляет их к месту действия, его исследователи назвали Argonaute в честь французского пятидесятипушечного линейного корабля 1708 г.
Название показалось подходящим, поскольку белок Argonaute несет мощную артиллерию и, подобно военному кораблю, перемещается в поисках своей цели. В случае с белком цель поисков задается с помощью РНК. Он ищет матричную РНК с последовательностью, комплементарной «ведущей цепи» – одной из цепей миРНК. При загрузке в Argonaute вторая, «пассажирская», цепь миРНК удаляется, оставляя одноцепочечную ведущую цепь открытой для соединения с комплементарными последовательностями целевой мРНК. Затем в бой вступает артиллерия: белок Argonaute – это фермент, способный расщеплять и таким образом инактивировать беспомощную целевую мРНК, которая удерживается на месте за счет связей с основаниями миРНК. Можно сравнить миРНК с системой наведения ракеты, направляющей боеголовку Argonaute к месту атаки.
Вероятно, белки Dicer и Argonaute не плавали внутри червей просто так, ожидая, пока придут исследователи и введут двуцепочечную РНК. У РНК-интерференции должна была быть естественная биологическая функция. Но какая? Оказалось, что ответ уже известен, нужно было просто связать одно с другим. В 1993 г. специалист по биологии развития из Гарварда Виктор Эмброс и генетик из Массачусетской больницы общего профиля Гэри Равкан обнаружили у нематод чрезвычайно мелкие РНК[215], названные микроРНК, которые играют важную роль в эмбриональном развитии организма, выключая выработку определенных белков в нужный момент. Эти микроРНК изначально образовывались в организме в составе более крупных РНК, которые комплементарно соединялись сами с собой, так что получались длинные двуцепочечные участки, подобно тому как складываются плечи при образовании трилистника тРНК. Затем их обрабатывал белок Dicer и они присоединялись к Argonaute, чтобы подавлять активность мРНК, вырабатываемых в организме. Именно поэтому у червей уже был готовый механизм для работы с миРНК, введенными экспериментаторами.
В начале РНК-интерференции длинная двуцепочечная РНК расщепляется клеточным ферментом Dicer, и в результате образуется миРНК длиной 23 нуклеотида, состоящая в основном из спаренных оснований. После связывания с белком ArgonauteР(сокращенно Ago) одна из двух цепей (пассажирская) удаляется, а другая (ведущая) перемещается вместе с Ago и связывается с соответствующими последовательностями мРНК. Затем фермент Ago расщепляет («нарезает на кусочки») мРНК и таким образом инактивирует ее
Природа прошла долгий путь, чтобы создать системы для выработки сложных белков, так зачем ей понадобились микроРНК и РНК-интерференция для разрушения плодов этого нелегкого труда? По мере развития организма из эмбриона до взрослой особи нужно построить различные органы, такие как мозг, кишечник, кожа, репродуктивная система. Клеткам, чтобы разойтись по таким разным путям развития, недостаточно просто начать производство белков новых типов. Они, клетки, должны еще и перестать вырабатывать белки, которые были нужны раньше. Именно такова роль микроРНК в организме: они контролируют трансляцию определенных мРНК.
Каждая микроРНК помогает найти и выключить не одну мРНК, а целую группу совместно работающих мРНК. В результате получается чрезвычайно сложная и запутанная регуляторная сеть. Представим себе, что речь идет не о снижении активности работы генов, а о перекрытии транспортного потока через Ист-Ривер в Нью-Йорке. Движение в Манхэттен и обратно осуществляется с помощью многочисленных мостов, в том числе знаменитого Бруклинского. Аналогично в эмбриональной клетке работает множество генов, активность которых должна быть подавлена, чтобы эта клетка превратилась в клетку мозга. Движение по каждому из мостов может быть замедлено из-за событий, происходящих в Манхэттене: ремонта путей, дорожно-транспортных происшествий или внезапной снежной бури. Влияние таких событий аналогично воздействию микроРНК на активность генов. На движение по каждому из мостов событие повлияет в разной степени, в зависимости от места расположения и других факторов. Влияние будет суммироваться: сочетание заглохшего грузовика и внезапной снежной бури полностью перекроет движение. Точно так же и в случае с РНК-интерференцией: от количества сайтов связывания у микроРНК и распространенности этих конкретных микроРНК зависит, насколько будет подавлен синтез белка с мРНК.
Это были интересные и абсолютно новые сведения, но в конце 1990-х гг. они все еще в основном ограничивались данными, полученными на червях. Чтобы использовать миРНК для выключения генов в медицинских целях, сначала нужно было проверить, применима ли та же самая магия к более сложным организмам, особенно к людям.
Благодаря таланту и целеустремленности Тома Тушля надежды на использование РНК-интерференции в медицинских целях превратились в реальность и спасение жизней. Мы познакомились в 1989 г., когда он, студент из Регенсбургского университета в Баварии, обучался в рамках программы по обмену в моей лаборатории. Он показался мне трудолюбивым и смышленым, но я и предположить не мог, насколько важными окажутся его будущие открытия. В 1999 г. он занимался РНК-интерференцией в лаборатории Фила Шарпа в Массачусетском технологическом институте. Они первыми показали, что миРНК выключает целевую мРНК не каким-то тонким воздействием, а просто разрезая ее на кусочки[216].
Затем Том вернулся в Германию и быстро сделал значимые открытия, заложившие основу для создания лекарств на базе РНК-интерференции. Важно было понять, существуют ли микроРНК у человека. Если они есть, то должны присутствовать и механизмы их использования, в том числе белок-«нарезчик» Argonaute. В таком случае можно было бы попытаться управлять этим механизмом, вводя двуцепочечную РНК, нацеленную на вовлеченную в какое-либо заболевание мРНК. Это было бы мощное новое лекарство.
Однако сначала ученым надо было подтвердить, что микроРНК работают не только в червях. Для этого Том выделил все РНК из самых разных организмов, затем разделил РНК с помощью электрофореза в геле, как это делал Арт Зауг, работая в моей лаборатории с рибозимом тетрахимены. Взяв бритву, он вырезал тот участок геля, где были действительно маленькие РНК, состоящие примерно из 21–23 пар оснований, чтобы отделить их от более крупных – рибосомных, матричных и транспортных РНК. В итоге он обнаружил десятки ранее не замеченных микроРНК[217] из клеток дрозофил, рыб, мышей и, главное, человека. Теперь стало ясно, что природа широко использует РНК-интерференцию для снижения активности генов.
Как же эти микроРНК оставались незамеченными, если еще год назад, в 2000 г., была закончена черновая расшифровка генома человека, а все эти РНК закодированы в нем? В науке все происходит так же, как и в повседневной жизни, когда вы ищете пропавшие ключи от машины под фонарем, потому что там светлее всего. Бóльшая часть энергии ученых была направлена на изучение генов, кодирующих белки, хотя такие белок-кодирующие последовательности составляют лишь 2% от всего человеческого генома[218]. Эти островки, кодирующие белки, были окружены океаном другой ДНК. Поэтому крошечные пятнышки генов микроРНК легко было не заметить.
Со временем у человека описали около 500 различных микроРНК. Было показано, что они участвуют во многих важных процессах, в том числе играют роль в правильном развитии рук и ног, формировании сердечной мышцы, правильном производстве клеток крови, в частности иммунных клеток, в развитии плаценты и протекании беременности[219]. Нарушения в микроРНК приводят к развитию разных заболеваний. Так, опухолевые клетки обычно находят способы уменьшить количество микроРНК, тем самым повысив активность генов, способствующих росту новообразования. Например, одна микроРНК в норме контролирует гены, способствующие делению клеток. В раковых клетках производится меньше этой микроРНК, и потому клетки начинают делиться с нормальной интенсивностью[220].
Если изменения в РНК-интерференции могут приводить к заболеваниям, может быть, удастся использовать ее и для борьбы с болезнями?
В том же году, когда Том Тушль обнаружил микроРНК у человека, он выяснил, что для прекращения работы генов достаточно маленькой двуцепочечной РНК, состоящей из 21 пары оснований или около того. Следовательно, не было необходимости вводить в клетки двуцепочечные молекулы длиной в сотни пар оснований, чтобы Dicer обрезал их до нужного размера, – именно так делали ученые с тех пор, как впервые услышали о работе Энди Файера и Крейга Мелло. Можно было сразу ввести короткую двуцепочечную РНК. Поскольку Том учился в Геттингене у химика Фрица Экштейна, специализировавшегося на нуклеиновых кислотах, он смог получить эти РНК с помощью химического синтеза. Это было важно, потому что, если миРНК можно было синтезировать химическим путем, они становились очень похожими на лекарство. Том заложил научную основу для превращения РНК в лекарственное средство[221], способное воздействовать на мРНК, синтезированную (транскрибированную) с вредоносных генов.
В 2002 г. Том Тушль, Фил Шарп и бывшие коллеги Шарпа по лаборатории Дэйв Бартел и Фил Замор основали компанию Alnylam Pharmaceuticals. Alnylam (Альнилам) – это яркая звезда пояса Ориона, и подобно тому, как Полярная звезда указывает путь на север, эта звезда из созвездия Ориона, надеюсь, укажет компании путь к новому классу лекарственных препаратов.
Чем же так привлекательны миРНК в качестве возможных лекарственных средств? Подумайте о том, что при разработке любого потенциального лекарства необходимо прояснить ряд вопросов. Насколько точно оно бьет по своей мишени, не сильно ли оно затрагивает другие, полезные, процессы? Каковы его побочные эффекты, переносимы ли они? Какова эффективная терапевтическая доза? Как часто его надо принимать? Традиционные лекарственные препараты – небольшие органические молекулы, такие как аспирин, который мы используем как обезболивающее, и аторвастатин (липитор), который мы принимаем, чтобы снизить уровень холестерина. Для проверки безопасности и эффективности таких препаратов требуются долгие дорогостоящие исследования и разработки, которые должны начинаться заново для каждой новой молекулы. Существует большая вероятность, что разработка лекарственного средства потерпит неудачу, что оно не сумеет пройти все положенные испытания. Теоретически для миРНК этот процесс мог бы стать значительно проще. Конечно, в первый раз все это еще сопряжено с многочисленными трудностями: надо стабилизировать миРНК, найти способ ее доставки в соответствующие ткани организма, убедиться в ее безопасности и эффективности. Но если эти проблемы будут решены для одного заболевания, то для борьбы с другим достаточно будет заменить последовательность оснований А, У, Г, С в миРНК, чтобы она соответствовала другой мРНК. Проблемы стабилизации, доставки и безопасности в значительной степени будут решены уже заранее.
Компания Alnylam решила заняться проблемой редких заболеваний; к этой категории относят болезни, встречающиеся менее чем у 200 000 человек в США. Такие расстройства еще называют орфанными[222] заболеваниями, поскольку количество пациентов с каждым из этих недугов слишком мало, чтобы фармацевтическим компаниям было выгодно тратить миллиарды долларов на разработку лекарств и проведение клинических испытаний на людях. Однако в совокупности от орфанных заболеваний страдает огромное количество людей, а их потребности в медицинской помощи остаются не удовлетворены. Установлено, что более 3000 наследственных заболеваний вызваны мутацией в единственном гене[223] и в одних только Соединенных Штатах от таких расстройств страдает более 25 млн человек. Если создавать 3000 разных лекарств для 3000 орфанных заболеваний невыгодно, может быть, разработать одно миРНК-лекарство, а затем настроить его последовательность на 3000 разных мишеней? И помочь всем, кто остался в одиночестве со своим редким заболеванием?
Первая проблема, которую надо было решить команде Alnylam, чтобы превратить миРНК в эффективное средство лечения, заключалась в том, как доставить ее к пораженным клеткам. РНК сама по себе слишком нестабильна, чтобы быть хорошим лекарством; она легко разрушается рибонуклеазами, которые в изобилии присутствуют во всех тканях человека, поскольку они разрушают РНК, содержащуюся в пище, которую мы едим, или помогают клеткам менять набор экспрессирующихся генов. Кроме того, РНК не может пройти сквозь защитный мембранный слой, ограждающий клетки от незваных гостей. Поэтому ученые из Alnylam позаимствовали трюк, который постоянно используют РНК-вирусы: они завернули РНК в оболочку из липидов, которая сливается с клеточной мембраной человека таким образом, что РНК заходит внутрь клетки. Эта же оболочка защищает РНК от рибонуклеаз.
Первые клинические испытания миРНК в оболочке Alnylam провела для заболевания под названием «наследственный ATTR» или «транстиретиновый (TTR) наследственный амилоидоз». Белок TTR вырабатывается в печени и в норме выполняет роль переносчика, помогая поддерживать нормальный уровень гормонов щитовидной железы, витамина А и других веществ[224]. Но при заболевании иногда важно не чем должен заниматься нормальный белок, а как ведет себя мутантная форма. Передающиеся по наследству мутации в гене TTR приводят к тому, что белок TTR сворачивается неправильно и в виде фибрилл – тонких нитевидных структур – накапливается в нервах и в сердце. Большинство из нас никогда не слышало о такой болезни, потому что она редкая: в мире существует всего около 50 000 людей с этим заболеванием. Но для этих 50 000 их состояние – катастрофа: они страдают от сердечно-сосудистых и неврологических проблем и часто не могут ходить. Смерть обычно наступает примерно через десять лет после изначальной постановки диагноза.
Препарат миРНК компании Alnylam накапливается в печени, где производится мРНК белка TTR, и не дает образовываться мутантному TTR белку[225]. В 2018 г. клинические исследования миРНК были завершены и принесли хорошие новости: состояние больных с ATTR, получавших лекарство, стабилизировалось, они даже стали лучше ходить, тогда как состояние больных из контрольной группы, получавших плацебо, продолжало ухудшаться[226].
Однако при разработке лекарств часто бывает так, что вы решаете одну проблему, а на ее месте возникает другая. В случае с миРНК-препаратами лекарство в виде наночастиц надо было вводить внутривенно ежемесячно, для этого пациентам нужно было приходить в больницу или в специальный медицинский центр и сидеть там в течение часа, пока препарат медленно поступал из капельницы через иглу в руке. Это было дорого, утомительно и часто болезненно для пациента. Чтобы избежать внутривенного введения, ученые из Alnylam нашли способ введения миРНК с помощью подкожных инъекций, добавив кое-что к двуцепочечной РНК. Они сделали своеобразную «ручку», которая цепляется за рецептор на поверхности клеток печени. Хотя этот прием работал только для клеток печени, теперь можно было вводить миРНК простым уколом в плечо, как при вакцинации, без использования капельницы.
Как и надеялись ученые из Alnylam, успешная разработка миРНК-лечения для ATTR значительно облегчила разработку лекарств для борьбы с другими заболеваниями. В 2018–2023 гг. Администрация по контролю за продуктами питания и лекарственными препаратами одобрила предложенное Alnylam лечение еще для четырех редких и очень тяжелых заболеваний печени. Если на разработку первого препарата понадобилось 16 лет, то на следующие в среднем уходит по одному году. Но поскольку моногенных заболеваний около 3000, предстоит еще долгая работа.
Компания Alnylam доказала возможность использовать миРНК для лечения редких наследственных заболеваний. А как насчет тяжелых болезней, встречающихся гораздо чаще? По мере развития медицины все меньше людей умирает от инфекционных заболеваний. Даже смертность от онкологических заболеваний снижается: в период 2001–2020 гг. смертность от них в США сократилась более чем на четверть, с 197 до 144 смертных случаев на 100 000 человек в год[227]. Но поскольку люди живут всё дольше, у них чаще возникают такие ужасные нейродегенеративные расстройства, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона[228] или боковой амиотрофический склероз (БАС). Уровень смертности от болезней Альцгеймера и Паркинсона стремительно вырос: более чем в два раза за те же 20 лет, когда снижалась смертность от рака[229], и смертность от БАС тоже растет[230]. Эти заболевания не только наносят ущерб здоровью людей, они разрушают семьи, принося страх и горе, когда близкий человек меняется до неузнаваемости.
РНК непосредственно связана со всеми этими недугами. Так может ли какая-либо разновидность технологии миРНК использоваться и для борьбы с всплеском нейродегенеративных заболеваний? Рассмотрим, например, БАС, который называют также болезнью Лу Герига, в честь бейсболиста, страдавшего от нее. БАС особенно разрушителен, поскольку проявляется внезапно у здоровых, казалось бы, людей, а затем быстро прогрессирует, поражая двигательные нейроны. Я дважды был свидетелем того, как эта болезнь поражала людей из числа моих друзей и коллег. Эти люди находились на пике своей продуктивности, а затем неуклонно теряли способность есть, говорить, ходить и, наконец, дышать. В одном случае паралич и смерть наступили через пять лет после появления симптомов, а в другом – через год.
Хотя часто БАС возникает спорадически, то есть при отсутствии этого заболевания в семейном анамнезе, бывают также наследственные случаи. Такие семейные истории болезни особенно интересны ученым, занимающимся биологической медициной, поскольку возникает возможность выявить генетические причины заболевания. Наиболее распространенная генетическая причина БАС связана с геном, обозначаемым в духе технической документации, – C9orf72[231]. Обычно этот ген содержит несколько повторов определенной последовательности нуклеотидов: ГГГГЦЦ. Но при БАС ошибки в репликации ДНК приводят к существенному увеличению количества повторов, так что ген содержит тысячи копий одной и той же последовательности ГГГГЦЦ. Когда эта ненормальная ДНК затем транскрибируется, в РНК повторы сохраняются. Ученые до сих пор продолжают выяснять все те последствия, которые возникают из-за такой неправильной РНК. Основная проблема, видимо, связана с тем, что эта ненормальная РНК привлекает и удерживает белки (в том числе белок под обозначением hnRNP H), необходимые для правильного сплайсинга РНК. Когда к повторам РНК прилипает так много белков, нужных для сплайсинга РНК, им сложно выполнять свою обычную работу – и нарушается альтернативный сплайсинг, который должен происходить в нейронах[232]. В итоге нейроны погибают и организм больного теряет способность передавать сигналы от центральной нервной системы к периферическим мышцам.
Может быть, с помощью РНК-интерференции ученые когда-нибудь смогут разрушать патогенную РНК, способствующую развитию БАС, и остановят прогрессирование заболевания или даже предотвратят его возникновение? Пока это просто теоретические рассуждения. Например, доставка миРНК в моторные нейроны может оказаться гораздо сложнее, чем в печень. К такому органу, как печень, можно добраться, введя лекарство в кровоток. А вот добраться до мозга – более сложная задача. Это связано с наличием естественной защитной системы – гематоэнцефалического барьера, стены из плотно расположенных клеток, которая сформировалась в процессе эволюции, чтобы не допустить в мозг ядовитые вещества и другие вредные элементы. Такой барьер отфильтрует любое лекарство на основе РНК, прежде чем оно проникнет в мозг, следовательно, его придется доставлять туда другим способом, например вводя в спинномозговую жидкость, а это инвазивная и дорогостоящая процедура. Кроме того, поскольку разрушение патогенной РНК не восстановит нормальную работу гена, лечение с помощью миРНК может оказаться неэффективным. Однако, учитывая научную перспективность этого метода и возрастающую потребность в лечении упомянутых заболеваний, исследователи не отказываются от идеи направить терапию миРНК на мозг. В борьбе с БАС и другими нейродегенеративными заболеваниями надо использовать все возможные средства.
Сопровождающаяся деменцией болезнь Альцгеймера – другое ужасное нейродегенеративное заболевание, которое можно было бы лечить с помощью миРНК. В 2021 г. только в США более 6 млн человек жили с болезнью Альцгеймера, и, поскольку население стареет, количество таких больных ежегодно растет. В мозге у них образуются два типа белковых скоплений – амилоидные бляшки и клубки тау-белка; считается, что они препятствуют нормальной работе нейронов. В первом случае белок, который называется предшественником бета-амилоида, расщепляется ферментами мозга и в результате образуется побочный продукт – пептид бета-амилоид. Этот материал накапливается между нейронами, подобно налету между зубами. Во втором случае тау-белок накапливается не вокруг нейронов, а внутри, образуя клубки, из-за которых нарушается работа рецепторов. Как и все человеческие белки, предшественник бета-амилоида и тау-белок кодируются мРНК, которая управляет их синтезом. Поэтому кажется правдоподобным, что введение миРНК, которая запускала бы разрезание одной из этих мРНК или даже обеих, позволило бы уменьшить количество соответствующих белков и могло бы оказывать лечебное действие.
В 2022 г. компания Alnylam объявила о новой программе по борьбе с болезнью Альцгеймера в сотрудничестве с биотехнологической компанией Regeneron, получившей известность благодаря своему препарату с антителами против COVID–19. В частности, эти компании совместно разрабатывают миРНК, направленные на мРНК белка – предшественника амилоида. Ученые ожидают, что уменьшение количества этого белка соответствующим образом приведет к замедлению образования бета-амилоидных бляшек. «Ручку», которая была приделана к миРНК и нацелена на печень, заменили на новую, и с помощью полученного препарата удалось эффективно и безопасно снизить выработку белка – предшественника амилоида в центральной нервной системе у мышей[233].
От демонстрации эффективности терапии на мышах до создания эффективного лечения для людей лежит долгий путь с многочисленными препятствиями, но нам всем надо надеяться на лучшее. В конце концов, ставки очень высоки: это возможность обратить вспять нейродегенеративное заболевание, которое на сегодняшний день представляет собой, пожалуй, самую сложную и актуальную медицинскую проблему человечества.
От экспериментов на скромнейших червячках мы пришли к лечению с помощью миРНК. Это, конечно, замечательная история, но, к счастью, она вовсе не уникальна. Самые большие прорывы в биомедицине почти всегда совершаются на основе фундаментальных исследований, которые выполнялись с целью понять, как устроена природа, а не ради каких-либо медицинских целей. Энди Файер и Крейг Мелло хотели изучать гены, контролирующие поведение крошечного прозрачного червя, предполагая, что механизм, работающий у червя, будет применим и к другим многоклеточным организмам, в том числе к людям. Они хотели усовершенствовать набор инструментов, помогающих остановить производство определенных белков, и антисмысловые РНК показались им перспективными. Они творчески подошли к планированию экспериментов, и к тому же им здорово повезло: в итоге они обнаружили, что выигрышной оказывается не одноцепочечный, а двуцепочечный вариант РНК. Это потрясающее открытие распахнуло дверь в совершенно новую область исследований: оказалось, что микроРНК регулируют генетические системы во всех сложных организмах, в том числе у людей, и так появился принципиально новый тип лекарств.
Теперь мы немного понимаем, какой вред может нанести РНК, если она работает неправильно. Но вызывают беспокойство не только хорошие РНК, которые испортились, вроде тех, что способствуют возникновению и развитию нейродегенеративных заболеваний. Некоторые РНК изначально плохие, по крайней мере с нашей точки зрения. Как мы скоро узнаем, многие вирусы, вызывающие масштабные пандемии, работают полностью за счет РНК. Но хотя у РНК есть темная сторона, если понять, как она работает, можно бороться с ней, используя ее собственные уловки.