Космологи усиленно пытаются понять природу темной материи и темной энергии. С момента Большого взрыва Вселенная расширяется. Но звезды оказывают друг на друга гравитационные воздействия, поэтому со временем скорость космического расширения должна была замедляться. Однако астрономы обнаружили, что темпы расширения Вселенной ускоряются. Чтобы объяснить это аномальное движение, они предположили, что нам удается наблюдать лишь 5% Вселенной. Остальная, невидимая, часть состоит из темной материи (27%) и темной энергии (68%)[340].
И хотя мы не можем увидеть темную материю, мы знаем, что она важна, по крайней мере когда речь идет о космологии. Но как обстоит дело с биологией? Оказывается, наш геном тоже в значительной степени состоит из «темной материи». Кодирующие участки всех наших генов, от которых зависит строение белков, занимают всего около 2% нашего генома. Если мы добавим к ним интроны – участки, вставленные посреди кодирующих областей и вырезающиеся после того, как прошла транскрипция ДНК и образовалась молекула предшественника мРНК, то получим еще 24%. Оставшиеся примерно три четверти генома и будут «темной материей». На протяжении десятилетий этими почти 75% пренебрегали, обозначая их совокупность как «мусорную ДНК»[341], поскольку их функции, если они вообще существовали, оставались для нас невидимыми.
Однако по мере развития технологии секвенирования РНК оказалось, что многие из участков «темной материи» ДНК транскрибируются на РНК. Какая-то часть этой ДНК копируется на РНК в мозге, какая-то часть – в мышцах, сердце или половых органах. Только когда мы сложим вместе все РНК во всех тканях организма, мы сможем увидеть истинное разнообразие человеческих РНК. Общее количество РНК, образованных с «темной материи» ДНК, оценивается в несколько сотен тысяч[342]. Это не матричные РНК, а некодирующие, к которым относятся также рибосомные РНК, транспортные РНК, теломеразные РНК и микроРНК. Но что делают многие некодирующие РНК, до сих пор остается загадкой.
РНК, образовавшиеся из этой «темной материи», называют длинными некодирующими РНК (днкРНК)[343]. Их особенно много у человека, но они в изобилии встречаются и у других млекопитающих, в том числе у лабораторных мышей. В некоторых случаях у них явно есть биологическая функция. Например, днкРНК под названием Firre нужна для нормального развития клеток крови у мышей. Избыток Firre нарушает у мышей способность противостоять бактериальной инфекции[344], поскольку их врожденный иммунитет не работает. Другая днкРНК, под названием Tug1[345], необходима самцам мышей для сохранения плодовитости. Но такие подтвержденные функции известны лишь для очень небольшой доли днкРНК. Для основной части некодирующих РНК их функции остаются неясными.
В результате многие ученые не разделяют моего энтузиазма по поводу этих РНК. Они считают, что РНК-полимераза – фермент, который синтезирует РНК на основе ДНК, – допускает ошибки и порой делает мусорную РНК-копию мусорной ДНК. Более корректно было бы сказать, что такие РНК возникают за счет «транскрипционного шума», поскольку, опять же, РНК-полимераза работает не идеально. Иногда она садится не на тот участок ДНК и копирует его на РНК, и у такой РНК может не быть никаких функций. Я вполне допускаю, что некоторые днкРНК действительно могут представлять собой шум, лишенный функций и ничего не значащий.
Однако надо заметить, что в недалеком прошлом мы не понимали, зачем нужны теломеразные РНК, микроРНК и каталитические РНК. Про их функции ничего не было известно. Их тоже можно было бы отбросить как «шум» или «мусор». Но теперь сотни исследователей собираются на ежегодные конференции для обсуждения этих РНК, а биотехнологические компании пытаются использовать их для разработки фармакологических препаратов. Безусловно, один из уроков, который мы извлекли из истории РНК, – никогда не стоит недооценивать ее способности. Поэтому днкРНК, вероятно, еще дадут богатый материал для будущих глав в книге про РНК.
Не исследованные пока РНК могут быть не только у мышей и людей. В мире полно существ, биологические особенности которых до сих пор не изучены. Вспомните о связанных с РНК открытиях, которые описаны в этой книге, и о незаметных организмах, на которых были сделаны открытия. Например, при изучении тетрахимены – микроскопического обитателя прудовой тины – была обнаружена не только каталитическая РНК, но и теломеразная, и это помогло нам понять главные процессы, лежащие в основе старения и развития рака у человека. Благодаря инфузории эуплотес мы узнали про белок TERT, партнера теломеразной РНК, а ген соответствующего белка у человека оказался третьим по частоте мутирования при всех видах рака. Изучая, как бактерии защищаются от вирусов, мы узнали о широких возможностях редактирования генома с помощью CRISPR. Вирус кишечной палочки бактериофаг T7 оказался источником РНК-полимеразы, с применением которой сейчас создаются спасительные мРНК-вакцины. Благодаря червям мы узнали про совершенно неожиданный способ регуляции генов – РНК-интерференцию, которая существовала и у людей, но оставалась незамеченной.
Ни в одном из этих случаев мы не знали заранее, к чему именно приведут наши изыскания. Как правило, мы не ожидали, что в результате нашей работы будет создано лекарство от болезни или появится новый инструмент для биотехнологии. Нами двигало главным образом любопытство, мы пытались понять фундаментальные биологические явления. Мы выбирали для работы необычные виды, изучая которые можно было лучше рассмотреть сложное явление или получить какое-либо дополнительное практическое преимущество в лаборатории. Затем, поскольку мы верили в эволюцию, а именно в то, что все живые существа связаны между собой, как ветви великого древа жизни, мы знали, что все, что мы обнаружим в малоизвестном организме, будет проявляться и в других организмах.
Хотя за последние полвека наука о РНК, а также с ее помощью медицина и биотехнология получили огромную пользу от изучения малоизвестных существ, финансирующие организации сокращают поддержку таких исследований. Более того, в последние десятилетия уменьшилось финансирование любых фундаментальных, то есть служащих для удовлетворения любознательности, исследований. Национальные институты здравоохранения США – крупнейший в мире источник финансирования биомедицинских исследований с годовым бюджетом более чем 30 млрд долларов – прекратили выделение средств на большинство проектов, работающих с такими животными, как тетрахимена. Сейчас это ведомство сосредоточилось в первую очередь на связанных с заболеваниями исследованиях, которые проводятся на пациентах, клетках человека или на мышах, и совсем скудно финансируются опыты на дрожжах, червях и дрозофилах. Я знаю ученых, которые, разочаровавшись, ушли из науки или рано вышли на пенсию, потому что прудовая тина, которой они занимались, была сочтена чем-то слишком далеким, чтобы рассказать что-либо про биологию человека.
Понятно, почему легко поддерживать исследования заболеваний. Члену конгресса или лицу, работающему в органах государственной власти, гораздо проще продвигать увеличение финансирования исследований рака груди или простаты, чем изучения мелких водных животных, грибов и червей. Но история РНК показывает, что многие из наших самых многообещающих лекарств и способов лечения появились в результате исследований, направленных исключительно на удовлетворение научного любопытства. Я считаю, что, если лучше сбалансировать приоритеты, мы сможем заниматься и конкретными заболеваниями, и фундаментальными научными вопросами. Это надо сделать, смиренно признав, что следующий крупный медицинский прорыв может снова произойти в неожиданном месте.
Природа не единственное место, где можно обнаружить новые типы РНК. Продолжая уникальные работы таких ученых, как Сол Шпигельман, исследователи смогли ускорить процесс эволюции в пробирке, открыв новые возможности РНК, не ограниченные существующими в природе.
Среди этих РНК есть так называемые аптамеры, способные сворачиваться в формы, которые специфически связываются с определенным белком или с небольшой молекулой, подобно тому как белковое антитело связывается со своей мишенью. В 1990 г. Крейг Туерк и Ларри Голд[346] из Колорадского университета в Боулдере, а также Энди Эллингтон и Джек Шостак[347] из Гарварда независимо друг от друга показали, что можно создать огромную коллекцию различных РНК-последовательностей, а затем выделить из них одну чрезвычайно редкую, которая будет связываться с выбранной мишенью. В их эксперименте используется двойственная природа РНК как функциональной и вместе с тем информационной молекулы.
Эти эволюционные методы в пробирке начинаются с более триллиона различных последовательностей РНК. Такие, которые могут связываться с мишенью, например с белком из оболочки вируса, вылавливаются, а молекулы-неудачники, неспособные к связыванию, смываются. Проблема в том, что почти все из этого триллиона РНК – неудачники, неспособные справиться с задачей, и очень редко РНК складывается в нужную структуру. Так как же найти этого победителя, одного на триллион? Используя информационные свойства РНК. С помощью полимеразы можно многократно копировать РНК-победителя в процессе полимеразной цепной реакции (ПЦР). Вскоре одинокая РНК-победитель оказывается окружена миллионом одинаковых копий, и тогда можно определить у нее последовательность оснований А, Г, Ц, У.
РНК так хорошо складывается в огромное количество форм, что Ларри Голд основал компанию SomaLogic[348], которая превратила эти аптамеры в инструменты для диагностики. Они создали 7000 аптамеров, каждый из которых распознаёт определенный человеческий белок и помогает оценить его количество в капле крови. Исследователи всего мира используют эти аптамеры для отслеживания изменений количества определенных белков, по которым можно заранее судить о развитии заболеваний сердца и разных видов онкологических заболеваний[349]. Фармацевтические компании применяют информацию, полученную с помощью аптамеров, для выявления новых белковых мишеней, которые можно использовать для лечения определенных заболеваний.
Поскольку аптамеры связываются с широким спектром разных молекул и могут быть быстро распознаны, их используют в качестве биосенсоров[350]. Например, РНК-аптамеры, связывающиеся со ртутью или свинцом, могут применяться для выявления этих токсичных элементов в природных пробах. В сельскохозяйственной промышленности аптамеры, связывающиеся с молекулами на поверхности патогенной кишечной палочки, с вирусами или антибиотиками, могут использоваться для проверки сырых продуктов или мясного фарша на наличие таких вредных загрязнений. И, наконец, способность РНК-аптамеров связываться с определенными белками, наподобие того как это делают антитела, означает возможность использовать их для лечения. Первый терапевтический аптамер был одобрен Администрацией по контролю за продуктами питания и лекарственными препаратами в 2004 г. для лечения возрастной макулодистрофии – одной из основных причин потери зрения. Макуген, РНК-аптамер из 27 нуклеотидов, связываясь, инактивирует фактор роста, VEGF[351], который запускает патологический рост кровеносных сосудов в сетчатке глаза. При введении непосредственно в глаз каждые шесть недель Макуген улучшил зрение примерно у трети участников клинических исследований. Это доказало, что аптамеры могут применяться в качестве лекарственных средств[352], хотя вскоре препарат заменили более эффективными ингибиторами VEGF.
Вместе с тем в 1990 г. Джерри Джойс из Института Солка первым использовал метод эволюции в пробирке для поиска искусственных РНК, способных решать новые каталитические задачи; он искал рибозимы, но непохожие на те, что встречаются в природе. Общая организация эксперимента отчасти напоминала то, что делали Ларри Голд и Джек Шостак при поиске аптамеров. Огромному количеству случайных РНК-последовательностей предлагалось конкретное задание. В данном случае это было расщепление молекулы ДНК в определенном месте, и те редкие молекулы, которые смогли это сделать, отбирались и амплифицировались[353][354]. Другие ученые использовали тот же подход, чтобы найти искусственные рибозимы, которые могут сами создавать свои структурные элементы – нуклеотиды[355] – или действовать как РНК-полимеразы[356] либо присоединять аминокислоты к РНК[357]. Благодаря этим новым рибозимам видно, что каталитические способности РНК еще более разнообразны, чем ранее казалось. Это подтверждает гипотезу, что жизнь на Земле могла возникнуть в форме РНК-мира.
Таким образом, в будущих главах книги про РНК появятся молекулы не только естественного, но и искусственного происхождения. У нас есть огромный запас неизученных РНК естественного происхождения, притаившихся внутри разнообразных животных и в бездонных глубинах человеческого генома. Кроме того, мы нашли методы получения новых РНК, способных выполнять такие фокусы, которые, насколько нам известно, не встречаются в природе. Как мы уже усвоили ранее, никогда нельзя недооценивать РНК.
Я старался так написать эту книгу, чтобы РНК оставалась главной героиней тех драм, свидетелем которых я стал. В сущности, РНК – непревзойденный катализатор. РНК может катализировать собственную перестройку, когда выполняет самосплайсинг, она катализирует разные варианты сплайсинга РНК, позволяя людям делать столь многое при нашем весьма ограниченном геноме. РНК катализирует создание всех белков, которые формируют структуры или выступают в роли ферментов во всех клетках каждого человека и любого другого существа на Земле. РНК вместе с белками катализирует удлинение теломер – концов наших хромосом, позволяя человеческим эмбрионам развиваться, а стволовым клеткам, как и, к сожалению, опухолевым, продолжать делиться. РНК вместе с белками катализирует РНК-интерференцию – прекращение экспрессии гена. Другой РНК-белковый комплекс под названием CRISPR катализирует уничтожение бактериальных вирусов и предоставляет нам невиданные ранее возможности редактирования нашей ДНК. РНК используется человеческими вирусами, но в то же время, упакованная в липидные пузырьки, она в виде мРНК-вакцин обеспечивает нам защиту от тех же самых вирусов. Мы предполагаем, что РНК катализирует жизнь с момента ее появления, выступая одновременно в качестве фермента и молекулы, хранящей информацию.
Я старался сосредоточить внимание на РНК, но ее история пересекается с моей собственной, поэтому иногда я отступал от роли рассказчика и ненадолго сам выходил на сцену. Исследования, которые я выполнял в аспирантуре и постдокторантуре, были сконцентрированы исключительно на ДНК, я и представить себе не мог, что скоро все мои усилия и помыслы будут направлены на РНК. Я был не единственным ученым, полностью переключившимся с ДНК на РНК, в самом начале развития этой области такой путь прошли многие. В то же самое время РНК выходила из тени, выяснялось, что она не просто инструмент на службе у ДНК, а чудесная молекула с безграничными возможностями. Для меня большая честь, что я смог пройти с ней весь этот путь.