Эпигенетика

Глава 10. Одной информации недостаточно

Одним из наиболее фундаментальных трудов по философии науки считается книга Томаса Куна «Структура научных революций», опубликованная в 1962 году. В этой работе, среди прочего, Кун утверждает, что наука не развивается по упорядоченному, линейному и спокойному пути, на котором все открытия сопровождаются громом восторженных оваций. Напротив, в науке всегда господствует превалирующая теория. Когда накапливаются противоречащие ей сведения, эта теория отнюдь не сразу рушится. Она может лишь чуть поколебаться, но ученые слишком часто продолжают верить в ее незыблемость и следовать ей даже после появления достаточного количества доказательств ее несовершенства.

Если образно представить себе теорию как какое-то здание, то новые, противоречащие ей данные можно сравнить с обломками строительного камня самой причудливой формы, зацементированные на его крыше. Мы можем добавлять новые камни на крышу, и некоторое время она будет справляться с их весом, но рано или поздно наступит такой момент, когда все это сооружение просто рухнет под непомерной тяжестью. Именно так происходит и в науке, когда выдвигается новая теория, когда все многочисленные обломки камней используются для строительства фундамента нового здания.

Этот процесс ломки старого и возведения нового Кун назвал сменой парадигмы, введя термин, ставший речевым штампом для пишущих на темы науки журналистов. Смена парадигмы не основывается исключительно на рационализме. Она невозможна без эмоциональных и социологических изменений в умах приверженцев доминирующей теории. За много лет до появления книги Томаса Куна великий немецкий ученый Макс Планк, обладатель Нобелевской премии по физике за 1918 год, высказался на эту тему более категорично, когда заявил, что «научные теории не меняются вследствие того, что старые ученые меняют свои убеждения; они меняются, так как старые ученые умирают[122]».

Сейчас мы находимся как раз в середине такой смены парадигмы в биологии.

В 1965 году Нобелевская премия в области физиологии и медицины была присуждена Франсуа Жакобу, Андре Львову и Жаку Моно «за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов». Эта формулировка включала в себя и открытие матричной РНК (мРНК), с которой мы уже познакомились в Главе 3. мРНК является относительно недолговечной молекулой, которая переносит информацию с нашей хромосомной ДНК и действует как промежуточная матрица для продукции белков.

Уже многие годы известно, что в наших клетках присутствуют и другие разновидности РНК, специфические молекулы, которые называются транспортными РНК (тРНК) и рибосомными РНК (рРНК). тРНК представляют собой маленькие молекулы РНК, способные удерживать на одном своем конце определенную аминокислоту. Когда молекула мРНК «прочитывается» для продукции белка, тРНК доставляет свою аминокислоту в нужное место на растущей белковой цепочке. Все это происходит в крупных структурах клеточной цитоплазмы, которые называются рибосомами. Рибосомная РНК является главным компонентов рибосом, где она играет роль огромных строительных лесов, удерживающих на своих местах различные другие молекулы РНК и белков. Мир РНК, таким образом, представляется вполне простым и понятным. В нем есть структурные РНК (тРНК и рРНК) и есть матричная РНК.

На протяжении десятилетий главными звездами подиума молекулярной биологии были ДНК (основной код) и белки (функциональные и трудолюбивые молекулы клетки). РНК отводилась второстепенная роль относительно безынтересной молекулы-посредника, курьера, доставляющего информацию от конструкторов и инженеров в рабочие цеха.

Все, кто сколько-нибудь серьезно занимается молекулярной биологией, признают, что белки чрезвычайно важны. Они осуществляют огромный объем функций, благодаря которым становится возможной сама жизнь. Следовательно, гены, кодирующие белки, также невероятно важны. Даже самые незначительные изменения в этих кодирующих белки генах могут привести к катастрофическим последствиям, таким как мутации, вызывающие гемофилию или муковисцидоз.

Но эта общепринятая точка зрения делает видение ситуации научным сообществом несколько ограниченным. Тот факт, что белки и, как следствие, кодирующие белки гены жизненно важны, не подразумевает, что все остальное в геноме не имеет никакого значения. Тем не менее, именно такая теоретическая концепция главенствует вот уже в течение десятилетий. И это весьма странно, учитывая, что уже многие годы мы располагаем данными, подтверждающими, что одними только белками дело далеко не ограничивается.

Пару десятилетий тому назад ученые установили, что программа развития «редактируются» клетками перед тем, как она будет передана «исполнителям». Происходит это благодаря интронам, с которыми мы познакомились в Главе 3. Они представляют собой последовательности, копирующиеся из ДНК в мРНК, а затем сплайсирующиеся, прежде чем матрица будет переведена в последовательность белка рибосомами. Интроны были обнаружены в 1975 году[123], и Нобелевская премия за их открытие была присуждена в 1993 году Ричарду Робертсу и Филлипу Шарпу.

Еще в далеких 1970-х ученые пытались сравнивать простые одноклеточные организмы и такие сложные творения как человек. Количество ДНК в их клетках оказалось, как это ни удивительно, сопоставимым, особенно если учесть их несхожесть. Это подразумевало, что некоторые геномы должны содержать множество незадействованных ДНК, что, в свою очередь, позволило сформировать идею «бесполезной ДНК»[124] — последовательностей хромосом, не выполняющих никаких значимых функций, поскольку они не кодируют белки. Приблизительно в то же время в нескольких лабораториях были получены доказательства того, что многие геномы млекопитающих содержат в себе последовательности ДНК, которые повторяются снова и снова и не кодируют белки (повторяющаяся ДНК). Поскольку эти ДНК не кодируют белки, был сделан вывод, что никакой роли они в клетках и не играют. Выглядело это так, как будто они существуют сами по себе[125][126]. Френсис Крик и группа исследователей для описания этих областей придумали неологизм «эгоистичная ДНК». Эти две структуры, «бесполезная ДНК» и «эгоистичная ДНК», недавно с легкой иронией были охарактеризованы, как «неожиданное подтверждение того, что геном является структурой, сильно перенасыщенной всевозможным генетическим хламом и эволюционным мусором»[127].

Мы, люди, удивительные создания, обладающие триллионами клеток, сотнями типов клеток, многообразием тканей и органов. Давайте сравним себя (возможно, несколько самодовольно) с нашим дальним родственником, микроскопическим круглым червем, нематодой Caenorhabditis elegans. С. elegans, как его обычно принято называть, достигает в длину всего лишь около одного миллиметра и живет в почве. Этот червь обладает многими органами, присущими высшим животным, такими как кишечник, рот и гонады, но его организм состоит где-то из 1000 клеток, примечателен тем, что благодаря ему ученые получили возможность точно узнать, как развивается каждая из его клеток.

Крошечный червь представляет собой прекрасный экспериментальный инструмент, поскольку может служить дорожной картой клеточного и тканевого развития. Исследователи могут менять экспрессию какого-либо гена, а затем с предельной точностью изучать последствия, к которым при нормальном развитии приводит мутация этого гена. Более того, С. elegans заложил базу для такого числа открытий и научных прорывов в биологии развития, что в 2002 году Нобелевский комитет присудил свою премию в области физиологии и медицины Сиднею Бреннеру, Роберту Хорвицу и Джону Салстону именно за работы, проведенные с этим организмом.

И хотя трудно переоценить пользу, которую С. elegans принес науке, мы все же должны признать, что он представляет собой значительно менее сложный организм, чем мы с вами. Но зачем в нас столько сложностей? Учитывая важность белков для функционирования клеток, исходное допущение было таковым, что такие сложные организмы как млекопитающие обладают большим количеством кодирующих белки генов, нежели такие простые существа как С. elegans. Это была абсолютно разумная гипотеза, но ей суждено было разбиться о феномен, описанный Томасом Генри Хаксли. Яростный сторонник Дарвина, Хаксли еще в XIX веке заявил, что «вечная трагедия науки в том, что уродливые факты убивают красивые гипотезы».

По мере того как технологии секвенирования становились все дешевле и эффективнее, многочисленные лаборатории по всему миру начали исследовать последовательность геномов у самых разнообразных организмов. Ученые пользовались самыми современными компьютерными программами, стремясь определить способных к кодировке белков гены в этих разных геномах. Но то, что они узнали, оказалось поистине удивительным. Выяснилось, что кодирующих белки генов значительно меньше, чем предполагалось. Прежде, чем был расшифрован геном человека, ученые полагали, что таких генов должно насчитываться свыше 100000. Теперь нам известно, что их реальное количество колеблется между 20000 и 25000[128]. Еще более странным выглядит то, что у С. elegans около 20200 генов[129] — разница между ним и нами не слишком бросается в глаза.

И дело не только в том, что у нас и С. elegans приблизительно одинаковое число генов; значительно любопытнее то, что эти гены кодируют практически те же самые белки. Под этим мы подразумеваем, что, если мы будем анализировать последовательность какого-либо гена в человеческих клетках, то сможем найти ген с приблизительно подобной последовательностью и у червя нематоды. Получается, что фенотипические различия между червями и людьми вызваны не тем, что у Homo sapiens больше генов, или эти гены другие, или они чем-то «лучше».

Не приходится сомневаться в том, что более сложные организмы сплайсируют свои гены более разнообразно, чем это делают простые существа. Если мы еще раз используем в качестве аналогии наш пример слова CARDIGAN из Главы 3, то можно сказать, что С. elegans создает только белки DIG и DAN, тогда как у млекопитающих клетки способны синтезировать не только эти два белка, а также CARD, RIGA, CAIN и CARDIGAN.

Несомненно, что это дает возможность организму человека воспроизводить значительно большее разнообразие белков, чем червю длиною в один миллиметр, но тогда перед нами возникает новая проблема. Каким образом более сложные организмы регулируют свои более сложные схемы сплайсинга? Такая регулировка, теоретически, могла бы контролироваться исключительно белками, но это влечет за собой новые сложности. Чем больше клетке требуется регулировать белков для обеспечения их сложного и отлаженного взаимодействия, тем их больше нужно клетке для осуществления этого процесса. Математические модели свидетельствуют, что это может быстро привести к ситуации, когда количество необходимых нам белков начнет превышать число белков, которыми мы реально обладаем, то есть складывается патовое положение.

Есть ли у нас альтернатива? Конечно, и она продемонстрирована на рисунке 10.1.

^{Рис. 10.1. Этот график демонстрирует, что сложность живых организмов в значительно большей степени определяется процентом генома, не участвующего в кодировании белков (черные колонки), нежели количеством пар оснований, кодирующих белки в геноме (белые колонки). Данные взяты из «Маттик, Дж. (2007),Эксп. Биол. 210: 1526-1547»}

На одной границе шкалы у нас располагаются бактерии. У бактерий очень маленький и в высшей степени компактный геном. Их кодирующие белки гены насчитывают около 4 000 000 пар оснований, что составляет почти 90 процентов всего генома. Бактерии очень простые организмы и довольно инертные в плане контроля экспрессии генов, но ситуация меняется по мере того, как мы продвигаемся вверх по эволюционному древу.

Кодирующие белки гены С. elegans содержат почти 24 000 000 пар оснований, но это охватывает всего лишь около 25 процентов их генома. Остальные 75 процентов генов не кодируют белки. Анализируя те же показатели у человека, мы обнаруживаем, что кодирующие белки области составляют около 32 000 000 пар оснований, но это является лишь почти 2 процентами всего генома. Существуют различные способы подсчета кодирующих белки областей, но все они дают удивительно схожий конечный результат. Около 98 процентов генома человека не участвуют в кодировании белков. Весь наш геном, за исключением каких-то 2 процентов, является «бесполезным».

Другими словами, ни количество генов, ни их размеры не определяют сложность организма. Единственная отличительная особенность генома, которая увеличивается по мере того, как организмы становятся более сложными, это его область, не кодирующая белки.

Так чем же занимаются эти некодирующие области генома, и почему они так важны? Только начиная задумываться над этим, мы замечаем, насколько сильное влияние оказывает язык и терминология на мыслительную деятельность человека. Эти области называются некодирующими, но подразумеваем под этим мы лишь то, что они не кодируют белки, и это вовсе не значит, что они не кодируют вообще ничего.

В ученом мире бытует весьма интересная поговорка: отсутствие доказательства это не то же самое, что доказательство отсутствия. Например, как только в астрономии были изобретены телескопы, способные обнаруживать инфракрасное излучение, ученые смогли открыть тысячи звезд, остававшихся прежде «невидимыми». Эти звезды и раньше были там, но мы не могли быть абсолютно уверены в их существовании, пока не появились инструменты для получения доказательств. В качестве более часто встречающегося примера можно привести сигналы мобильных телефонов. Эти сигналы постоянно окружают нас, но убедиться в этом мы не сможем, если у нас нет мобильного телефона. Иначе говоря, то, что мы находим, в большой мере зависит от того, как мы ищем.

Ученые идентифицируют гены, которые экспрессируются в определенных типах клеток, с помощью анализа молекул РНК. Для этого вся РНК извлекается из клеток, а затем подвергается всестороннему анализу с использованием разнообразных техник, позволяющих создать базу данных всех имеющихся молекул РНК. Когда в 1980-х годах исследователи только начинали определять, какие гены экспрессируются в данных типах клеток, инструментарий, которым они располагали, был относительно нечувствительным. Их приборы были также предназначены для идентификации только молекул мРНК, поскольку именно они считались наиболее важными. Эти методики были хороши для определения активно экспрессирующихся мРНК, но оказывались довольно неэффективными при поиске последовательностей с менее бурной экспрессией. Еще одним недостатком было то, что программы, применявшиеся для анализа мРНК, были написаны таким образом, что игнорировали сигналы, поступавшие от повторяющейся, то есть «бесполезной» ДНК.

Эти техники хорошо послужили нам профилирования мРНК, которая всех так интересовала, т. е. анализа молекул мРНК, кодирующих белки. Но, как мы уже убедились, они составляют всего лишь около 2 процентов нашего генома. И только тогда, когда новые технологии исследований получили в свое распоряжение резко возросшие мощности компьютеров, мы начали в полной мере осознавать, что в оставшихся 98 процентах, в той самой некодирующей части нашего генома, происходит нечто очень интересное.

Вооружившись усовершенствованными методиками исследований, ученый мир постепенно стал понимать, что в участках генома, не кодирующих белки, на самом деле идут мощные процессы транскрибирования. Сначала они были отметены как некие «транскрипционные помехи». Выдвигались предположения, что существует общий фоновый шум, возникающий как результат экспрессии со всего генома, когда эти участки ДНК периодически продуцируют молекулы РНК, достигающих порога их обнаружения. Согласно этой теории, мы могли выявлять эти молекулы при помощи нового, более чувствительного оборудования, но биологической ценности они собой не представляли.

Словосочетание «транскрипционные помехи» предполагает некое случайное, беспорядочное явление. Однако схемы экспрессии этих некодирующих белки РНК оказались разными для различных типов клеток, а это заставляло предположить, что их транскрипция далеко не случайна[130]. Например, такая экспрессия в больших масштабах была зафиксирована в головном мозге. Теперь мы знаем, что в разных участках головного мозга схемы экспрессии различны[131]. И этот феномен оказывается воспроизводимым, когда мы сравниваем различные регионы мозга разных индивидуумов. А это совсем не то, чего следовало ожидать, если бы эта низкоуровневая транскрипция РНК представляла собой исключительно беспорядочный процесс.

Постепенно становится все более очевидным то, что эта транскрипция с генов, не участвующих в кодировании белков, в действительности является крайне важной для функционирования клеток. Но, как ни странно, мы по-прежнему остаемся в плену лингвистической ловушки собственного изготовления. РНК, продуцируемая в этих областях, РНК, которой прежде мы уделяли настолько пристальное внимание, так и продолжает называться некодирующей РНК (нкРНК). Это довольно неточное наименование, так как на самом деле мы имеем в виду, что это не кодирующая белки РНК. В действительности же нкРНК кое-что кодирует — она кодирует саму себя, функциональную молекулу РНК. В отличие от зрелой мРНК, служащей лишь промежуточным звеном между РНК и белком, нкРНК сама по себе является конечным результатом.

Это и есть смена парадигмы. На протяжении 40 с лишним лет молекулярные биологи и генетики сосредоточивались почти полностью на генах, кодирующих белки, и на самих белках. Случались, конечно, и исключения, но мы склонны были рассматривать их как строительный мусор на крыше здания. Наконец наступает тот момент, когда некодирующие РНК стали по праву занимать свое законное место в одном ряду с белками как полностью функциональные молекулы. Другие, но равные по значимости.

Эти нкРНК встречаются по всему геному. Одни из них продуцируются из интронов. Раньше считалось, что сплайсированные от интронов частички мРНК разрушаются клетками. Теперь же представляется более вероятным, что, по крайней мере, некоторые из них (если не большинство) в действительности обрабатываются клеткой и становятся полноправными функциональными нкРНК. Другие накладываются на гены, часто транскрибируемые с противоположной цепочки кодирующей белки мРНК. Третьи присутствуют в областях, где вообще нет кодирующих белки генов.

В предыдущей главе мы познакомились с двумя нкРНК — Xist и Tsix, которые необходимы для подавления хромосомы X. Обе эти нкРНК очень длинные и состоят из нескольких миллионов оснований. По существующим на настоящий момент оценкам, в клетках высших млекопитающих присутствуют тысячи таких молекул, причем более 30 000 «длинных» нкРНК (определяемых как имеющие длину свыше 200 оснований) обнаружено у мышей[132]. Длинные нкРНК могут даже превышать по численности кодирующие белки мРНК.

Как выясняется, помимо участия в подавлении хромосомы X, длинные нкРНК, играют важную роль в импринтинге. Многие области импринтинга содержат участок, кодирующий длинную нкРНК, которая подавляет экспрессию соседних генов. Происходит приблизительно то же, что мы наблюдаем при воздействии Xist. Кодирующие белки мРНК подавляются на копии хромосомы, которая экспрессирует длинную нкРНК. Например, нкРНК под названием Air экспрессируется в плаценте исключительно с унаследованной от самца мыши хромосомы 11. Экспрессия нкРНК Air репрессирует соседний ген Igf2r, но только на той же хромосоме[133]. Этот механизм гарантирует, что Igf2r будет экспрессироваться только с унаследованной от матери хромосомы.

Благодаря нкРНК Air ученые смогли разобраться в том, как эти длинные нкРНК подавляют экспрессию генов. нкРНК остается локализованной в определенной области пучка импринтинговых генов и действует подобно магниту, притягивающему эпигенетический фермент под названием G9a. G9a накладывает репрессирующую метку на белки гистона H3 в нуклеосомах этой области ДНК. Такая гистоновая модификация создает репрессивную хроматиновую среду, подавляющую гены.

Это открытие оказалось чрезвычайно важным, поскольку оно позволило приоткрыть завесу тайны над вопросом, давно озадачивавшим эпигенетиков. Каким образом модифицирующие гистоны ферменты, которые накладывают или убирают эпигенетические метки, локализуются на определенных участках генома? Если ферменты, модифицирующие гистоны, неспособны непосредственно определять конкретные последовательности ДНК, то, как они оказываются в нужном месте генома?

Схемы гистоновых модификаций привязаны к различным генам в разных типах клеток, а это приводит к исключительно отлаженной и жестко регулируемой экспрессии генов. Например, фермент, известный как EZH2, метилирует аминокислоту под названием лизин в позиции 27 на гистоне H3, но в клетках других типов его мишенью оказываются другие молекулы гистона H3. Проще говоря, он может метилировать белки гистона H3, расположенного на гене А в лейкоцитах, но не в нейронах. Или он может метилировать белки гистона H3, находящегося на гене Б в нейронах, но не в лейкоцитах. В обоих типах клеток это один и тот же фермент, но направления его действий различны.

Существуют и другие свидетельства того, что, по меньшей мере, некоторые направления эпигенетических модификаций могут быть объяснены взаимодействиями с длинными нкРНК. Джинни Ли с коллегами недавно проводила исследования длинных нкРНК, связанных с определенным комплексом белков. Этот комплекс под названием PRC2 вызывает репрессивные модификации на гистонах. PRC2 включает в себя несколько белков, и одним из них, взаимодействующим с длинными нкРНК, по всей видимости, является, EZH2. Исследователи обнаружили, что в эмбриональных стволовых клетках мышей комплекс PRC2 связан, без преувеличения, с тысячами разных молекул длинных нкРНК[134]. Эти длинные нкРНК могут действовать подобно приманке. Они остаются привязанными к той области генома, где были продуцированы, и притягивают к себе репрессивные ферменты для подавления экспрессии генов.

Это происходит по той причине, что в комплексах репрессивных ферментов содержатся белки, подобные EZH2, которые способны связываться с ДНК.

Ученые любят выстраивать теории, и одна из них, весьма привлекательная, была предложена и для длинных нкРНК. Выдвигалась гипотеза, что они связываются с областями, с которых транскрибируются, и подавляют экспрессию генов на этой же самой хромосоме. Но если мы вернемся к нашей аналогии, с которой начиналась эта глава, то должны будем признать, что уже построили маленький симпатичный домик и нагромоздили на его крышу довольно много мусора.

Есть такое примечательное семейство генов, которые называются генами НОХ. Когда у плодовых мушек эти гены мутируют, то в результате появляются невероятные фенотипы, например с лапками, растущими на голове[135]. Одна из длинных нкРНК под названием HOTAIR регулирует область генов, известную как пучок НОХ-D. Подобно длинной нкРНК, которую исследовала Джинни Ли, HOTAIR связывается с комплексом PRC2 и создает хроматиновый регион, отмеченный репрессивными гистоновыми модификациями. Но HOTAIR не транскрибируется с позиции НОХ-D на хромосоме 12. На самом деле она кодируется в другом пучке генов, называемом НОХ-С, на хромосоме 2[136]. И никому не известно, как и почему HOTAIR связывается с позицией HOX-D.

Подобная загадка существует и в отношении Xist — наиболее изученной из всех длинных нкРНК. нкРНК Xist распространяется почти по всей репрессированной хромосоме X, но нам неизвестно, каким образом она это делает. Молекулы РНК обычно не обволакивают хромосомы. Нет никаких очевидных причин, по которым РНК Xist могла бы таким образом связаться с хромосомой, но нам известно, что это не имеет никакого отношения к последовательности хромосомы. Эксперименты, о которых рассказывалось в предыдущей главе (где Xist могла подавить всю аутосому при условии, что она обладала центром репрессии X), подтвердили, что Xist, оказавшись на хромосоме, просто продолжает перемещаться по ней. Ученые в большинстве своем по-прежнему недоумевают по поводу таких фундаментальных характеристик этой наиболее полно изученной из всех нкРНК.

А вот и еще один удивительный факт. До самого недавнего времени ученые считали, что все нкРНК подавляют экспрессию генов.

В 2010 году профессор Рамин Шикхаттар из Института Уистара в Филадельфии идентифицировал в некоторых типах клеток человека свыше 3 000 длинных нкРНК. Эти длинные нкРНК демонстрировали различные схемы экспрессии в разных типах клеток, а это заставляло предположить, что им отведены особые роли. Профессор Шикхаттар с коллегами исследовали небольшое количество длинных нкРНК с целью определения их функций. Они воспользовались проверенными и надежными экспериментальными методиками для подавления экспрессии тестируемых нкРНК, а затем проанализировали экспрессию соседних с ними генов. Предполагаемые и реальные результаты этого эксперимента показаны на рисунке 10.2.

^{Рис. 10.2. Считалось, что нкРНК подавляют экспрессию генов-мишеней. Если бы эта гипотеза была верна, то понижение экспрессии определенной нкРНК привело бы к повышению экспрессии этого гена, так как его репрессия уменьшилась. Это продемонстрировано в центре схемы. Однако, как выяснилось, большое число нкРНК в действительности усиливают экспрессию своих генов-мишеней. Это подтверждается экспериментами, в ходе которых понижение экспрессии нкРНК привело к результатам (см. на рис. справа)}

Протестировав двенадцать нкРНК, в семи случаях ученые получили результаты, показанные справа. Это противоречило ожиданиям, поскольку, как оказалось, около 50 процентов длинных нкРНК могут на самом деле повышать экспрессию соседних генов, а не понижать ее[137].

Авторы статьи, в которой описывались эти эксперименты, однозначно заявили: «Точный механизм, с помощью которого наши нкРНК способны усиливать экспрессию генов, неизвестен». И с этим мнением трудно не согласиться. Оно заслуживает уважения, так как недвусмысленно дает понять, что на настоящий момент мы просто не представляем себе, как это происходит. Работа Рамина Шикхаттара убедительно продемонстрировала, что о длинных нкРНК наука знает еще очень мало, поэтому не следует спешить с принятием новых теорий.

Не менее осмотрительны должны мы быть и в предположении, что все решает размер и что чем он больше, тем лучше. Несомненно, что длинные нкРНК играют важную роль в функциях клетки, но есть и другой, не менее важный класс нкРНК, оказывающий на клетку существенное влияние. Принадлежащие к этому классу нкРНК короткие (длиною обычно в 20-24 основания), и их мишенями являются не ДНК, а молекулы мРНК. Впервые они были обнаружены у уже полюбившихся нам червей С. elegans.

Как мы уже говорили, С. elegans представляет собой очень удобную системную модель, потому что нам точно известно, как должны развиваться все его клетки. Временные рамки и последовательность различных стадий развития очень жестко отрегулированы. Одним из ключевых регуляторов является белок под названием LIN-14. Ген LIN-14 экспрессируется очень активно (продуцируя белок UN-14 в больших количествах) на самых ранних стадиях эмбрионального развития, но подвергается понижающей регуляции, когда из личиночной стадии 1 червь переходит в личиночную стадию 2. Если ген LIN-14 мутирует, нарушаются временные рамки прохождения различных стадий развития. Если белок LIN-14 продолжает вырабатываться слишком долго, червь начинает повторять ранние стадии развития. Если продукция белка UN-14 прекращается слишком рано, червь преждевременно переходит на более поздние личиночные стадии. В любом случае, его нормальное развитие становится невозможным.

В 1993 году две работавшие независимо друг от друга лаборатории продемонстрировали, как контролируется экспрессия LIN-14[138][139]. К всеобщему удивлению оказалось, что ключевым фактором этого процесса было связывание короткой нкРНК с молекулой мРНК LIN-14. Это показано на рисунке 10.3. Это пример посттранскрипционного сайленсинга (глушения) гена, при котором мРНК вырабатывается, но не может продуцировать белок. Это совершенно иной способ контроля экспрессии генов в отличие от того, каким пользуются длинные нкРНК.

^{Рис. 10.3. Схематическое изображение того, как экспрессия микроРНК на определенных стадиях развития можетрадикально изменить экспрессию гена-мишени}

Важность этой работы заключается в том, что она заложила фундамент для совершенно новой модели регуляции экспрессии генов. Короткие нкРНК, как нам теперь известно, являются механизмом, которым пользуются организмы всего растительного и животного мира для контроля экспрессии генов. Существуют разнообразные виды коротких нкРНК, но мы уделим внимание в основном микроРНК (миРНК).

В клетках млекопитающих идентифицировано, по меньшей мере, 1 000 различных миРНК. В длину миРНК насчитывают около 21 нуклеотида (основания), иногда они могут быть чуть длиннее или короче, и большинство из них выступают, как представляется, в роли посттранскрипционных регуляторов экспрессии генов. Они не останавливают продукцию мРНК — вместо этого они регулируют ее «поведение». Обычно для этого они связываются с нетранслируемой областью 3’ (3’ НТР) молекулы мРНК. Эта область показана на рисунке 10.3. Она присутствует в зрелой мРНК, но не кодирует никакие аминокислоты.

Когда геномная ДНК копируется для продукции мРНК, оригинальный транскрипт обычно бывает очень длинным, поскольку он содержит в себе и экзоны (которые кодируют аминокислоты), и интроны (которые аминокислоты не кодируют). Как мы узнали из главы 3, интроны удаляются во время сплайсинга для продукции мРНК, кодирующей белок, но при описании этого процесса в главе 3 мы кое-что опустили. На РНК есть такие участки — в ее начале (называемый 5’ НТР) и в конце (3’ НТР), — которые не кодируют аминокислоты, но также и не сплайсируются, подобно интронам. Напротив, эти некодирующие области сохраняются на зрелой мРНК и действуют как регуляторные последовательности. Одна из функций 3’ НТР, в частности, состоит в том, чтобы связывать регуляторные молекулы, включая миРНК.

Как миРНК связывается с мРНК, и что происходит после этого? миРНК и 3’ НТР мРНК взаимодействуют только в том случае, если узнают друг друга. Для этого они пользуются спариванием оснований, довольно подобным тому, что мы встречали на двойных цепочках ДНК. Г может связаться с Ц, А может связаться с У (место Т в РНК занимает У). Хотя длина миРНК обычно составляет 21 основание, совсем не обязательно весь ее набор из 21 нуклеотида должен соответствовать мРНК. Ключевая область на миРНК занимает положение от 2 до 8.

Иногда соответствие на позициях от 2 до 8 оказывается не идеальным, но достаточно близким для того, чтобы две молекулы образовали пару. В таких случаях связывание миРНК препятствует трансляции мРНК в белок (именно это и произошло в ситуации, показанной на рис. 10.3). Если же соответствие полное, связывание миРНК с мРНК инициирует разрушение мРНК ферментами, прикрепленными к миРНК[140]. Пока нам еще не ясно, влияют ли позиции с 9 по 21 на миРНК менее непосредственным образом на то, как эти маленькие молекулы определяют свои мишени и к чему оно приводит. Однако мы знаем совершенно точно, что единственная миРНК может регулировать более чем одну молекулу мРНК. Из Главы 3 мы узнали, что один ген способен кодировать множество различных молекул белка, меняя способы сплайсирования матричной РНК. Единственная миРНК может одновременно оказывать влияние на многие из этих по-разному сплайсированных версий. Кроме того, единственная миРНК способна влиять и на совершенно неродственные белки, закодированные разными генами, но имеющие похожие последовательности 3’ НТР.

Все это существенно усложняет точное определение истинной роли миРНК в клетке, так как результаты ее деятельности варьируются в широких пределах в зависимости от типа клетки и других генов (кодирующих и не кодирующих белок), которые экспрессирует клетка в каждый момент времени. Проникновение в эти тайны имеет не только огромное экспериментальное значение, но и важные последствия для понимания природы самых разных заболеваний. Например, в ситуациях, присутствует аномальное число хромосом, меняется не только количество кодирующих белок генов. Здесь наблюдается и аномальная продукция нкРНК (длинных и коротких). Так как миРНК, в частности, способна регулировать множество других генов, то последствия нарушений в количестве копий миРНК могут быть очень разнообразными.

Тот факт, что 98 процентов человеческого генома не кодирует белки, заставляет предположить, что эволюция приложила колоссальные силы для разработки сложных регуляторных процессов, протекающих с помощью нкРНК. Некоторые авторы заходят настолько далеко, что выдвигают гипотезы о том, что именно нкРНК являются генетическими факторами, предопределившими появление и развитие главной отличительных характеристик Homo sapiens — наших высших мыслительных процессов[141].

Геном шимпанзе, наших ближайших родственников, был описан в 2005 году[142]. Не существует какой-либо единственной и универсальной цифры, которую мы могли бы привести, чтобы продемонстрировать, насколько близки геномы шимпанзе и человека. Обобщить статистические данные невероятно сложно, потому что необходимо принимать во внимание различные области генома (например, повторяющиеся участки и единственная копия кодирующего белок гена), которые по-разному влияют на статистические показатели. Однако есть два фактора, в которых мы можем быть совершенно уверены. Первый из них заключается в том, что белки человека и шимпанзе удивительно похожи. Около трети всех белков абсолютно одинаковы у нас и наших длинноруких собратьев, а остальные отличаются лишь одной или двумя аминокислотами. Вторая наша общая отличительная черта состоит в том, что свыше 98 процентов наших геномов не кодируют белки. Это говорит о том, что оба вида используют нкРНК для создания сложных регуляторных сетей, которые управляют экспрессией гена и белка. Но между людьми и шимпанзе есть и существенное отличие, которое может иметь очень большое значение. Заключается оно в том, как обходятся с нкРНК клетки человека и шимпанзе.

Связано это с процессом, который называется редактированием. Складывается впечатление, что клетки человека просто не могут жить спокойно, особенно когда дело касается нкРНК[143]. Как только нкРНК начинает продуцироваться, клетки тут же начинают всячески модифицировать ее с помощью самых разнообразных механизмов. В частности, они часто меняют основание А на основание, которое называется И (инозин). Основание А может соединяться с Т в ДНК или с У в РНК. А основание И способно составлять пары и с А, и с Ц, и с Г. Это меняет последовательности, с которыми может соединяться нкРНК.

Мы, люди, в значительно большей степени редактируем свои молекулы нкРНК, нежели какие-либо другие виды. Даже другие приматы не могут сравниться с нами в этом[144]. Особенно активно редактирование производится в головном мозге. Это заставляет предположить, что именно процессами редактирования нкРНК можно объяснить, почему мы настолько сильно отличаемся в мыслительных способностях от своих ближайших родственников-приматов, даже несмотря на удивительное подобие наших матриц ДНК.

В некотором смысле, в этом и заключается прелесть нкРНК. Они предоставляют организмам относительно безопасный инструмент изменения разнообразных аспектов регуляции клеток. Эволюция отдала предпочтение этому механизму, наверное, просто по той причине, что пытаться повысить функциональность путем изменения белков слишком рискованно. Белки, видите ли, это для клеток, совсем как Мэри Поппинс для своих учеников, они также — «само совершенство».

Все молотки, в принципе, похожи друг на друга. Они могут быть большими, они могут быть маленькими, но, что касается устройства, то вряд ли вы сможете внести в молоток какие-либо изменения, которые сделали бы его существенно лучше. Это же справедливо и в отношении белков. Белки наших организмов эволюционировали на протяжении миллиардов лет. Давайте обратимся всего лишь к одному примеру. Гемоглобин — это пигмент в эритроцитах, переносящий кислород по нашему организму. Он прекрасно приспособлен к тому, чтобы собирать кислород из легких и выпускать его в тканях, где в нем существует потребность. Никому и никогда не удавалось в лабораторных условиях создать измененную версию гемоглобина, которая справлялась бы с этой работой лучше, чем натуральный белок.

К сожалению, создать молекулу гемоглобина хуже природной на удивление легко и просто. В действительности, именно это и происходит при таких нарушениях как серповидно-клеточная анемия, когда в результате мутаций вырабатываются бедные гемоглобином белки. И то же самое можно сказать о подавляющем большинстве белков. Так что, если условия окружающей среды не меняются кардинальным образом, какие-либо изменения белка могут привести только к худшему. Большинство белков и без того хороши настолько, насколько это можно себе представить.

Так как же эволюция решила задачу создания более сложных и совершенных организмов? В первую очередь, изменением регуляции белков, а не изменением самих белков. А этого можно достичь с помощью разветвленной сети молекул нкРНК, определяющих, как, когда и до какой степени должны экспрессироваться конкретные белки, и мы располагаем доказательствами того, что все происходит именно так.

миРНК играют главные роли в регуляции плюрипотентности клеток и их дифференциации. Если изменить культуральные условия среды, то ЭС клетки можно стимулировать к дифференциации в клетки других типов. Когда они начинают дифференцироваться, крайне важно, чтобы ЭС клетки подавили экспрессию генов, которые в обычных условиях позволяют им продуцировать дополнительные ЭС клетки (самообновление). В этом процессе репрессии важное место занимает семейство миРНК под названием let-7[145].

Одним из механизмов, которым пользуется для этого семейство let-7, является понижающая регуляция белка под названием Lin28. Отсюда следует, что Lin28 является белком, способствующим поддержанию плюрипотентности, поэтому не приходится удиатяться тому, что Lin28 может действовать как фактор Яманаки. Чрезмерная экспрессия белка Lin28 в соматических клетках повышает шансы перепрограммирования их в iPS клетки[146].

С другой стороны, существуют и иные семейства миРНК, которые помогают ЭС клеткам оставаться плюрипотентными и самообновляющимися. В отличие от let-7, эти миРНК сохраняют состояние плюрипотентности. В ЭС клетках ключевые факторы плюрипотентности, такие как Oct4 и Sox2, связанные с промоторами этих миРНК, активируют их экспрессию. Когда ЭС клетки начинают дифференцироваться, промоторы миРНК утрачивают эти факторы, которые перестают индуцировать их экспрессию[147]. Как и белок Lin28, эти миРНК также способствуют перепрограммированию соматических клеток в iPS клетки[148].

Когда мы сравниваем стволовые клетки с их дифференцировавшимися потомками, то обнаруживаем, что они экспрессируют самые разные «популяции» молекул мРНК. На первый взгляд, этому есть веские причины, так как стволовые и дифференцированные клетки экспрессируют разные белки. Но некоторым мРНК для распада в клетке требуется относительно много времени. Это значит, что когда стволовая клетка начинает дифференцироваться, в течение некоторого времени она все еще содержит в себе многие мРНК стволовой клетки. К счастью, уже в самом начале дифференциации стволовая клетка активизирует новый набор мРНК, который направляется на остаточные мРНК стволовой клетки и ускоряет их разрушение. Быстрое уничтожение первичных мРНК гарантирует, что клетка перейдет в дифференцированное состояние необратимо и как можно скорее[149].

Это важная защитная характеристика. Для клеток совсем неполезно сохранять совершенно неуместные для них признаки стволовой клетки — это повышает шансы того, что они могут направиться по пути развития раковых клеток. Этот механизм еще более активно используется у видов, отличающихся стремительным эмбриональным развитием, таких как дрозофилы или полосатые данио. У этих видов, когда оплодотворенная яйцеклетка превращается в плюрипотентную зиготу,[150] именно благодаря этому процессу унаследованные по материнской линии через яйцеклетку транскрипты мРНК быстро уничтожаются.

миРНК также жизненно необходимы для важнейшей фазы импринтингового контроля — формирования первичных половых клеток. Ключевой стадией в продукции первичных половых клеток является активация белка Blimp1, с которым мы встречались в Главе 8.

Экспрессия белка Blimp1 контролируется сложным взаимодействием активности Lin28 и let-7[151]. Белок Blimp1 также регулирует, метилирующий гистоны фермент и класс белков PIWI. Белки PIWI, в свою очередь, связаны с другим типом коротких нкРНК, которые называются РНК PIWI[152]. нкРНК и белки PIWI, по-видимому, не играют большой роли в соматических клетках, но они требуются для продукции мужской эмбриональной линии клеток[153]. P1WI это аббревиатура словосочетания «Р element induced w/mpy testis» («индуцированная по родительской линии ослабленная мужская половая железа»). Если нкРНК PIWI и белки PIWI не взаимодействуют должным образом, половые железы у плода мужского пола не могут сформироваться.

Мы продолжаем встречать все больше и больше случаев пересечений и взаимодействий между нкРНК и эпигенетическими явлениями. Вспомните, что «генетические контрабандисты», ретротранспозоны, обычно метилируются в эмбриональной линии, что препятствует их активации. И PIWI принимают активное участие в определении мишеней этого метилирования ДНК[154][155]. Значительное количество эпигенетических белков способны взаимодействовать с РНК. Связывание некодирующих РНК с геномом может являться общим механизмом, позволяющим направлять эпигенетические модификации на нужную хроматиновую область в определенном типе клеток[156].

Недавно нкРНК нашли свое место в теории Ламарка, в основе которой лежит концепция передачи унаследованных характеристик. В одном из экспериментов в оплодотворенные мышиные яйцеклетки были введены миРНК, мишенью которых был ключевой ген, отвечающий за рост ткани сердца. У мышей, развившихся из этих яйцеклеток, оказались увеличенные сердечные мышцы (кардиальная гипертрофия) вследствие того, что введение миРНК на ранних стадиях развития нарушило его нормальные процессы. Примечательно, что потомство этих мышей также продемонстрировало высокий процент кардиальной гипертрофии. Вероятно, это было вызвано тем, что аномальная экспрессия миРНК была восстановлена в процессе вырабатывания сперматозоидов у этих мышей. Изменений кода ДНК у них не наблюдалось, так что это был явный случай эпигенетического наследования при помощи миРНК[157].

Но раз нкРНК настолько важны для функционирования клеток, мы, несомненно, сможем обнаружить целый ряд заболеваний, связанных с нарушением их деятельности. Разве не должны окружать нас многочисленные примеры того, что отклонения в производстве и экспрессии нкРНК ведут к клиническим расстройствам, отличным от болезней, связанных с импринтингом или репрессией хромосомы X? И да, и нет. Так как эти нкРНК являются в первую очередь регуляторными молекулами, действующими в сети, насыщенной компенсаторными механизмами, то их дефекты могут проявляться лишь в относительно легкой степени. Проблема, вытекающая из этого для исследователей, состоит в том, что большинство генетических экспериментов эффективны для идентификации явных фенотипов, вызываемых мутациями белков, но они оказываются менее пригодными для выявления менее очевидных отклонений.

Есть такая короткая нкРНК под названием ВС1, которая экспрессируется у мышей в определенных нейронах. Когда исследователи из университета Мюнстера в Германии удалили у мышей эту нкРНК, те продолжали выглядеть вполне здоровыми. Затем ученые перевели животных-мутантов из строго контролируемых лабораторных условий в более естественную для них среду. И тогда обнаружилось, что мутанты сильно отличаются от своих обычных родственников. Животные с большой неохотой исследовали территорию и демонстрировали сильное беспокойство[158]. Если бы ученые просто оставили их в клетках, то мы бы никогда и не узнали, что утрата нкРНК ВС1 в действительности оказывает огромное влияние на поведение. Это еще одно подтверждение уже известной нам истины: то, что мы видим, зависит от того, как мы на это смотрим.

Связь нкРНК с клиническими состояниями постепенно становится все более очевидной, подтверждением чему являются, по крайней мере, некоторые примеры. Есть такая порода овец, которая называется тексель, и наиболее ласковой характеристикой ее представительниц будет определение «коренастые». Овцы породы тексель славятся обилием мышечной массы, что делает честь животным, предназначенным для того, чтобы стать пищей. Своей мускулистостью эта порода обязана, по меньшей мере отчасти, изменению места присоединения миРНК к 3’ НТР определенного гена. Белок, кодируемый этим геном, называется миостатин, и обычно он замедляет рост мышечной ткани[159]. Результат, полученный при изменении единственного основания, показан на рисунке 10.4. Для наглядности размер овцы тексель намеренно преувеличен.

^{Рис. 10.4. Точечная мутация участка гена миостатина, не кодирующего белок, тем не менее оказывает мощное влияние на фенотип овцы породы тексель. Замена основания Г на А в миостатиновой мРНК приводит к связыванию двух определенных микроРНК. Это меняет экспрессию миостатина, в результате чего у овцы начинается бурный рост мышечном массы}

Синдром Туретта является расстройством центральной нервной системы, при котором тикообразные подергивания мышц лица, шеи и плеч и непроизвольные движения губ и языка сочетаются с частым покашливанием и оплевыванием. При исследовании двух независимых пациентов, страдающих этим нарушением, обнаружилось одинаковое изменение единственного основания в 3’ НТР гена под названием SLITRKP[160]. Ген SLITRK1 необходим, следовательно, для нормального неврологического развития. Изменение основания у больных синдромом Туретта происходило на участке связывания с короткой нкРНК, которая называется miR-189. Это позволяет нам предполагать, что в критические моменты развития экспрессия SLITRK1 могла быть аномально понижена на этом участке связывания. Подобное изменение наблюдается всего лишь в нескольких случаях синдрома Туретта, но оно заставляет сделать вывод, что и у других пациентов, вероятно, происходило нарушение регуляции участков связывания миРНК на иных нейронных генах.

Ранее в этой главе мы упоминали теорию, согласно которой нкРНК могут играть решающую роль в формировании и развитии у человека сложнейших мозговых функций. Если эта теория верна, то мы можем предположить, что мозг будет крайне восприимчив к любым нарушениям в активности и функциональности нкРНК. Действительно, синдром Туретта, описанный в предыдущем абзаце, может служить подтверждением такой точки зрения.

При другом заболевании, которое называется синдромом Ди Джорджи, в одной из двух копий хромосомы 22 утрачивается участок, включающий в себя около 3 000 000 оснований[161]. В этом участке содержится более 25 генов. Вероятно, не приходится удивляться тому, что у пациентов, страдающих этим расстройством, оказываются пораженными самые разнообразные системы органов, в том числе мочеполовая, сердечнососудистая и скелетная. У 40 процентов больных синдромом Ди Джорджи наблюдаются эпилептические припадки, а у 25 процентов взрослых пациентов развивается шизофрения. Также среди них довольно широко распространено слабоумие в слабых и средних формах. Один из этих генов называется DGCR8, а белок DGCR8 необходим для нормальной продуции миРНК. В лабораторных условиях были выведены генетически модифицированные мыши, имевшие только одну функциональную копию Dgcr8. У этих мышей наблюдались когнитивные расстройства, особенно ярко проявлявшиеся в обучении и пространственном восприятии[162]. Эти факты подтверждают гипотезу о том, что продукция миРНК является важным фактором неврологической деятельности.

Мы знаем, что нкРНК необходимы для контроля плюрипотентности клетки и их дифференциации. Отсюда рукой подать до предположения, что миРНК могут играть важную роль в развитии рака. Рак представляет собой заболевание, при котором клетки могут разрастаться путём новообразований, что характерно также для стволовых клеток. Кроме того, при раке опухоли часто выглядят под микроскопом относительно недифференцированными и неорганизованными. Это разительно отличает их от полностью дифференцированных и строго организованных клеток нормальной, здоровой ткани. Сейчас мы располагаем довольно весомыми доказательствами, что нкРНК играет важную роль в развитии рака. Эта роль может заключаться в утрате одних миРНК или повышенной экспрессии других миРНК, как показано на рисунке 10.5.

^{Рис. 10.5. Понижение уровней одних микроРНК или повышение уровней других микроРНК может в итоге одинаково негативно сказаться на экспрессии генов. Конечным результатом может стать увеличение экспрессии генов, переводящих клетки в состояние активного разрастания, что повышает опасность развития рака}

Самой распространенной разновидностью лейкемии у человека является хроническая лимфоцитарная лейкемия. Приблизительно в 70 процентах случаев этого вида рака[163] у больных обнаруживается отсутствие нкРНК, которые называются miR-15a и miR-16-1. Рак представляет собой многоступенчатое заболевание, и довольно много нарушений должно возникнуть в отдельной клетке, прежде чем она станет раковой. Тот факт, что в столь высоком проценте этого вида лейкемии, самой распространенной у человека лейкемии, оказываются утраченными именно эти миРНК, заставляет предположить, что потеря этих последовательностей происходит на ранних стадиях развития заболевания.

Примером альтернативного механизма — чрезмерной экспрессии миРНК при раке — может являться пучок miR-17-92. Этот пучок экспрессируется слишком активно при целом ряде разновидностей рака[164]. В действительности, на настоящий момент уже опубликовано достаточно много сообщений об аномальной экспрессии миРНК при раке[165]. Кроме того, ген TARBP2 оказывается мутировавшим при некоторых видах рака, передаваемых по наследству[166]. Белок TARBP2 важен для нормального функционирования миРНК. Это еще больше убеждает нас в той решающей роли, которую играют миРНК в возникновении и развитии у человека определенных видов рака.

Учитывая постоянно увеличивающееся количество свидетельств о ведущей роли миРНК в развитии рака, не приходится удивляться тому, что ученые начали исследовать возможности использования этих молекул для лечения рака. Идея заключалась в том, чтобы восполнить отсутствующие миРНК или подавить те, которые экспрессируются слишком бурно. Существовала надежда, что этого можно достичь, вводя больным раком дополнительные миРНК или их искусственные заменители. Эта методика также могла найти применение и в лечении других заболеваний, при которых экспрессия миРНК становится аномальной.

Крупные фармацевтические компании вкладывают значительные средства в эти исследования. Корпорации «Санофи-Авентис» и «ГлаксоСмитКляйн» заключили многомиллионные контракты на научные разработки с компанией «Регулус Терапевтике» из Сан-Диего. Они активно изучают возможности использования заменителей или подавителей миРНК для лечения самых разнообразных заболеваний — от рака и до аутоиммунных нарушений.

Существуют молекулы очень похожие на миРНК, которые называются малыми интерферирующими РНК (siRNA — small interfering RNA). Они пользуются во многом теми же самыми процессами, что и миРНК, для подавления экспрессии генов, особенно при разрушении мРНК. Малые интерферирующие РНК оказались очень удобным инструментом для проведения исследований, поскольку их легко можно ввести в клетки в культуре для репрессии какого-либо гена в экспериментальных целях. В 2006 году ученые, ставшими первооткрывателями этой технологии, Эндрю Файер и Крейг Мелло, были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Фармацевтические компании проявляли большой интерес к использованию малых интерферирующих РНК в качестве потенциальных лекарственных средств. Теоретически молекулы малых интерферирующих РНК могут применяться для подавления экспрессии любого белка, провоцирующего развитие того или иного заболевания. В тот же год, когда Файер и Мелло получили Нобелевскую премию, гигантский фармацевтический концерн «Мерк» заплатил свыше одного миллиарда долларов США за калифорнийскую компанию «Сирна Терапевтикс», занимающуюся исследованиями малых интерферирующих РНК. Другие крупные фармацевтические корпорации делали не менее существенные инвестиции в научные работы.

Но в 2010 году фармацевтическая промышленность стала проявлять первые признаки разочарования, и ее интерес к научным разработкам начал угасать. Крупнейший швейцарский фармацевтический концерн «Рош» объявил о замораживании программ исследования малых интерферирующих РНК, несмотря на то, что за три с лишним года в них было вложено свыше 500 миллионов долларов. Другая швейцарская корпорация, «Новартис», прекратила сотрудничество с компанией «Алнилам» из Массачусетса, занимающейся исследованиями малых интерферирующих РНК. Есть, правда, и много других компаний, по-прежнему остающихся в игре, но справедливости ради стоит заметить, что перспективы этой технологии сегодня представляются менее обещающими, чем еще несколько лет назад.

Одна из самых главных проблем, связанных с терапевтическим применением малых интерферирующих РНК, объясняется довольно просто. Нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК, очень сложно превратить в эффективные препараты. Большинство прекрасно зарекомендовавших себя лекарственных средств — ибупрофен, виагра, антигистамины — имеют некоторые общие характеристики, проглатывают, они проникают через стенки кишечника, распространяются по организму, не слишком быстро разрушаются печенью, захватываются клетками и оказывают свое воздействие на молекулы в клетках или на них. На первый взгляд все это выглядит довольно просто, но простота эта кажущаяся и требующая огромных капиталовложений при разработке новых лекарств. Компании затрачивают, по меньшей мере, десятки миллионов долларов для достижения такой простоты применения и эффективности лекарств, но, как это ни удивительно, и сегодня мы продолжаем пользоваться преимущественно методом проб и ошибок.

Эта проблема становится еще более серьезной при попытках создать лекарственные средства на основе нуклеиновых кислот. Отчасти она обусловлена их размерами. Молекула малой интерферирующей РНК в среднем более чем в 50 раз больше таблетки ибупрофена. При создании лекарств (особенно принимаемых орально, а не вводимых с помощью инъекций) действует общее правило — чем меньше, тем лучше. Чем больше лекарственная форма, тем сложнее доставить в организм пациента достаточно эффективные дозы препарата, которые бы сохраняли свои свойства там достаточно продолжительный срок. Возможно, в том числе и по этой причине в компании «Рош» пришли к мнению, что деньги можно более эффективно потратить где-нибудь в другом месте. Это не значит, что малые интерферирующие РНК никогда не будут применяться для лечения заболеваний; это означает только то, что инвестиции в них — слишком рискованное для бизнеса предприятие. С миРНК проблемы, по сути, те же самые, поскольку все нуклеиновые кислоты очень похожи друг на друга.

К счастью, и из тупика иногда можно найти выход, и в следующей главе мы узнаем, как лекарственные средства, воздействующие на эпигенетические ферменты, уже успешно применяются при лечении сложных разновидностей рака.