Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Как клетка распутывает запутанную РНК

Мобильные генетические элементы могут превратить клеточную РНК в перепутанный клубок, из которого невозможно извлечь никакую информацию – однако у клетки есть специальные белки, которые такой клубок могут легко распутать.

Как известно, лишь небольшая доля нашей ДНК кодирует белки, а основная часть генома как будто и не нужна. Эту якобы ненужную часть в свое время назвали «мусорной» ДНК – в ней видели просто балласт, накопившийся по каким-то причинам за миллионы лет эволюции. Однако сейчас на самом деле так уже никто не думает – в некодирующей ДНК есть масса генетических элементов, которые, пусть и не несут никакой белковой информации, но все же играют в жизни клетки огромную роль.

В «мусорной» ДНК есть довольно много транспозонов – так называют особые последовательности нуклеотидов, которые перепрыгивают из одного места генома в другое. Транспозонов существует несколько разновидностей. Некоторые из них перемещаются с помощью механизма «вырезать и вставить» – транспозон физически уходит из одного места, чтобы вставить себя в другой участок ДНК. Другие поступают иначе, рассеивая свои копии по геному (механизм «копировать и вставить»). Считается, что, по крайней мере, часть транспозонов произошла от вирусов, которые некогда попали в клетку, да так в ней и остались.

В ДНК человека одни из самых многочисленных транспозонов – это Alu-элементы, которые распространяются по механизму «копировать и вставить». Их насчитывается более 1,1 млн копий, что в сумме составляет 10,7% человеческого генома. Большинство из них уже неактивны, то есть уже никуда не «прыгают», однако те, что еще работают, могут доставить большие неприятности.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Легко понять, что если транспозон попадет в какой-нибудь важный ген, то он его просто испортит – и действительно, Alu-элементы могут стать причиной таких заболеваний, как гемофилия, рак молочной железы и некоторых других. С другой стороны, известно, что те же Alu-элементы бывают полезны с эволюционной точки зрения. Их последовательности часто встают рядом, так что между одним транспозоном и другим оказывается какой-то ген или несколько генов.

Фокус тут в том, что такие стоящие рядом транспозоны при самокопировании захватывают и то, что находится между ними. В результате в геноме появляется лишняя копия какого-то гена, которая может свободно меняться, пока «исходник» продолжает выполнять необходимые для организма функции.

Считается, что именно благодаря Alu-элементам у некоторых обезьян – в том числе и у тех, которые были предками человека – заново появилось прежде утраченное трехцветное зрение, то есть способность видеть синий, красный и зеленый. В какой-то момент транспозоны в геноме приматов сделали копию гена фоточувствительного белка опсина, и эта копия впоследствии «освоила» третий цвет. (Другой характерный пример, о котором мы писали два года назад – как транспозоны научили млекопитающих беременности.)

То есть активные транспозоны могут быть как хорошими (помогая биологическому виду обзавестись новыми удачными свойствами), так и плохими (становясь причиной опасных мутаций). Однако как с активными, так и со спящими прыгающими последовательностями может возникнуть одна существенная проблема. Напомним, что ДНК сама по себе только хранит информацию, а чтобы эта информация заработала, нужна молекула-посредник – РНК.

На разных участках ДНК синтезируются сравнительно короткие РНК, которые служат шаблоном для сборки белковых молекул. Из-за огромного количества Alu-элементов в геноме часто бывает так, что РНК, скопированная с ДНК, кроме собственно информационной нуклеотидной последовательности, несет на себе еще и последовательности транспозонов. Эти последовательности транспозонов не обязательно портят смысл главного сообщения, они могут находиться, например, по бокам от него, или в бессмысленных промежутках между смысловыми кусками.

Однако проблема в том, что нуклеотидные последовательности Alu-элементов легко слипаются друг с другом. В результате РНК из более-менее ровной, хорошо читаемой «нитки» превращается в нечитаемый ком – молекулярные машины, которые готовят РНК к синтезу белка и которые сами синтезируют белок, просто не могут работать с такой перепутанной структурой.

Но у клетки, конечно, есть инструменты и на такой случай. Исследователи из Института иммунобиологии и эпигенетики Общества Макса Планка пишут в своей статье в Nature про белок DHX9. Это хеликаза, то есть фермент, занимающийся распутыванием нуклеиновых кислот; хеликаз есть много, одни из них специализируются на ДНК, другие – на РНК, и DHX9 принадлежит как раз к тем, кто работает с РНК. Если DHX9 выключить, то в клетке станут накапливаться те самые нечитаемые комки РНК, и начнется нехватка тех белков, информация о которых содержится в запутанных РНК.

DHX9 целенаправленно узнает Alu-элементы в РНК и распутывает их. Но если бы хеликаза работала в одиночку, то, наверно, это было бы не так уж и продуктивно. У DHX9 есть, по меньшей мере, один помощник: особый белок, который редактирует РНК – иными словами, он химически модифицирует нуклеотиды, которые входят в Alu-последовательность, и после такой редактуры Alu-элементы становятся безопасны.

Конечно, тут само собой возникает предложение вообще избавиться от Alu-элементов прямо в ДНК – что было бы более эффективно, чем следить за постоянно синтезирующимися РНК и расплетать те, которые оказались запутанными. Однако либо такой молекулярный аппарат создать слишком сложно, либо же такие транспозоны, несмотря на все хлопоты, с ними связанные, представляют важный источник генетической изменчивости, от которого с эволюционной точки зрения было бы глупо отказываться.

Разумеется, это далеко не единственная молекулярная уловка, которую нашим клеткам пришлось выдумать в связи с транспозонами. Для примера – какое-то время назад мы рассказывали о том, что в геноме приматов есть более полутора сотен белков, чья задача – по крайней мере, раньше – состояла в том, чтобы держать орду транспозонов под контролем.

Автор: Кирилл Стасевич

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)

Статьи по теме