Велике значення маленьких молекул. Як крихітні мікроРНК виграли Нобелівську премію з медицини-2024

Коли вперше виявили ці молекули, мікроРНК (microRNA, miRNA) виглядали як нікому не цікава особливість лабораторних черв’яків. Але сьогодні вже ніхто не сумнівається, що Віктор Емброс та Гері Равкун – лауреати Нобелівської премії з фізіології та медицини 2024 року – заслуговують почестей.

Пропущена сенсація

Долю будь-якої клітини визначає набір генів, з яких зчитується інформація: повний їх комплект (практично) ідентичний у будь-якій з клітин організму, а ось яка підмножина буде активною — це і визначає індивідуальність. Фрагменти генетичних послідовностей, якими за інструкцією будуть збиратися білки, переносяться в матриці мРНК. У цілому весь процес, починаючи з транскрипції РНК і закінчуючи синтезованими за ними білками, називають експресією генів. До відкриття Емброса і Равкуна вважалося, що її можуть регулювати лише білки, що впливають на зчитування інформації конкретних генів у ядрі.

Ще наприкінці 1980-х на початку своєї кар’єри Віктор Емброс і Гері Равкун експериментували з нематодою Caenorhabditis elegans, популярним для генетичних досліджень модельним організмом. Емброса зацікавили мутації в гені lin-4: через порушення експресії його білка у червʼяків не розвивалися цілі органи. Це пояснювали тим, що lin-4 слугує «перемикачем» між різними етапами розвитку Caenorhabditis elegans і через збій у його роботі деякі генетичні програми «зациклюються», в той час, як інші не запускаються зовсім. У той самий час Равкун переймався схожою проблемою, пов’язаною з геном lin-4: він з’ясував, що Caenorhabditis elegans з певними мутаціями lin-4 пропускали стадію розвитку личинки й не виростали до нормальних розмірів.

Вчені секвенували та порівняли один з одним «проблемні» гени, й це дало їм змогу виявити незвичайний збіг між певними частинами lin-4 та lin-14: деякі елементи lin-4 були частково комплементарні фрагменту lin-14. Примітно, що ці ділянки не кодували жодних білків, але саме їхні мутації відповідали за аномалії у розвитку Caenorhabditis elegans. Віктор Емброс і Гері Равкун дійшли висновку, що lin-4 пригнічував експресію lin-14, але не було зрозуміло, яким чином.

Емброс почав вивчати, що відбувається з некодуючою, але – як виявилося – все ж функціональною ділянкою lin-4. Вона була занадто короткою для кодування білка, проте синтез РНК на цій матриці все ж відбувався, отже її вже не можна було назвати некодуючою. Щоправда, синтезована РНК була короткою – завдовжки у 21 нуклеотид – тож отримала назву «мікроРНК». Збіг між фрагментами lin-4 та lin-14 вказував на те, що мікроРНК lin-4 може звʼязуватися з мРНК lin-14. Комплементарний фрагмент lin-14 не кодував білок, але матрицю мРНК з гена зчитував. Експерименти показали, що мікроРНК lin-4 може знаходити мРНК lin-14 саме завдяки цій некодуючій регуляторній частині.

Один за одним Емброс і Равкун та їхні колеги опублікували дані зі своїх досліджень у двох окремих статях в журналі Cell. Але на той час — 1993 рік — відкриття нового методу регуляції експресії генів не стало сенсацією. Знахідка вчених виглядала настільки малозначною, що мікроРНК сприйняли як особливість Caenorhabditis elegans чи просто примху природи, адже ген lin-4 було ідентифіковано тільки у цих нематод і, відповідно, таке «неістотне» відкриття не стосувалося (начебто) інших біологічних видів.

Відкриття консервативної мікроРНК

На початку нового століття Равкун опублікував дані з дослідження функцій гена let-7, який теж кодував регуляторну мікроРНК – вона перемикала Caenorhabditis elegansз зі стадії розвитку личинки. Ця робота була визнана більш значущою, оскільки на той час уже було відомо, що let-7 є у різних біологічних видів, включаючи людину. Наукове співтовариство визнало, що молекули мікроРНК слугують важливими регуляторами експресії генів не тільки у червʼяків.

Нове дослідження запустило тренд: після даних про let-7 кілька дослідницьких лабораторій намагалися ідентифікувати додаткові мікроРНК у людини та інших видів за допомогою клонування малих РНК.

У перших дослідженнях припускали, що мікроРНК впливають на експресію генів лише в багатоклітинних організмах: оскільки спочатку було встановлено, що мікроРНК слугують «перемикачами», які регулюють диференціювання клітин, вважалося, що одноклітинним організмам мікроРНК не потрібні. Однак дещо згодом виявилося, що мікроРНК керують експресією генів не тільки у бактерій, а й у вірусів – загалом їх уже ідентифікували у майже трьох сотень живих організмів різного ступня складності, включаючи рослини.

Фундаментальна праця

В геномі людини на цей час виявлено та каталогізовано дві тисячі генів із мікроРНК-послідовностями, котрі контролюють експресію більш ніж половини нашого генетичного набору. Десятки команд науковців вивчають їхні функції, щоб створити нові – ефективніші та безпечніші – перепрати від невиліковних (поки що) хвороб.

Плоди робіт Емброса і Равкуна вже застосовуються у медицині. Наприклад, надто високі, або, навпаки низькі, рівні специфічних мікроРНК слугують своєрідними сигнатурами пухлин. Також розробляються терапевтичні молекули на основі мікроРНК.

Але найважливіше те, що завдяки визначній роботі двох команд науковців було відкрито новий вимір регуляції генів. У той час як білки в ядрі регулюють транскрипцію та сплайсинг РНК, мікроРНК контролюють трансляцію та деградацію мРНК у цитоплазмі. Цей метод посттранскрипційної регуляції генів має критично важливе значення протягом усього розвитку організму та необхідний для розуміння для складного розмаїття життя.