Нобелевская премия по медицине 2024 года, как сообщает Nobel Foundation, вручена двум американским ученым, которые решили ключевую проблему генетики: как наш организм способен создавать столь разнообразные клетки и ткани, несмотря на то, что все клетки содержат одинаковую ДНК. Этот важный процесс был открыт Виктором Амбросом (Victor Ambros) и Гэри Равканом (Gary Ruvkun) в ходе их исследований на нематодах (Caenorhabditis elegans).
Этот тандем ученых в 1993 году установил, что микроРНК блокируют производство ненужных белков, и что в нашем геноме содержится тысячи генов, кодирующих такие микроРНК.
Молекула ДНК содержит инструкции для всех белков, которые строят наши клетки и ткани, регулируют обмен веществ и управляют работой мозга. Однако все это начинается с одной единственной клетки — оплодотворенной яйцеклетки. Ее генетическая информация присутствует в каждой клетке нашего тела, будь то клетка кожи, нейрон или эритроцит.
Как из идентичного генетического кода могут возникать столь различные ткани и клетки? В 1960-х годах полагали, что отвечают транскрипционные факторы — специальные белки, которые связываются с генетическим материалом и могут блокировать считывание определенных генов. Однако только их было недостаточно для объяснения наблюдаемых различий.
Молекулярный биолог и генетик, профессор Массачусетского университета в Вустере Виктор Амброс и его коллега Гэри Равкан из Гарварда обнаружили еще одну, ранее незамеченную, ступень регуляции генов. Этот процесс происходит не в ДНК ядра, а уже после считывания генов и производства мРНК, содержащей соответствующие инструкции для синтеза белков, что они выяснили в своих экспериментах на нематодах.
Обычно мРНК с инструкциями для белка перемещается из ядра в цитоплазму, где рибосомы, производственные "фабрики" клетки, считывают ее. Они собирают необходимые аминокислоты в соответствии с генетическим кодом, создавая таким образом белок. В своих экспериментах американские ученые обнаружили мутацию, которая блокировала производство определенного белка под названием Lin-14.
Изучая причину этой блокировки, ученые заметили, что транскрипция мРНК Lin-14 у мутированных нематод проходила корректно. Однако в клетках червей существовали короткие кусочки РНК, которые связывались с этой мРНК и тем самым мешали ее считыванию рибосомами. Дальнейшие исследования показали, что последовательность оснований этих микроРНК точно соответствовала последовательности мРНК Lin-14.
Вскоре исследовательская группа Рувкуна обнаружила еще одну микроРНК, которая блокировала формирование другого белка, что подтвердило, что такие РНК-кусочки встречаются не только у нематод, но и у всех животных, включая человека.
"Это революционное открытие Амброса и Равкана стало неожиданным и открыло новую грань регуляции генов, жизненно важную для всех форм жизни", — отметил Нобелевское комитет.
Открытие микроРНК подтверждает, что помимо генетических переключателей и химических добавок, контролирующих считывание наших генов, существует еще один механизм управления, действующий уже на уровне готовой мРНК. Многие из этих микроРНК способны связываться с несколькими различными мРНК, что позволяет одновременно регулировать синтез множества белков. Напротив, одно и то же белок может блокироваться несколькими разными микроРНК.
Таким образом, этот механизм обеспечивает эффективное и тонкое регулирование нашей генетической активности и синтеза белков — именно это позволяет нашему организму на основе единого генетического кода создавать разнообразные типы клеток и тканей.
"Регуляторная роль микроРНК охватывает тайминг эмбрионального развития, формирование и стабильность клеточных линий, физиологию и гомеостатическое равновесие", — подчеркивает Нобелевский комитет.
Сегодня известно, что наш геном содержит тысячи генов микроРНК. Они играют важную роль в дифференциации клеток, влияют на ритм нашей внутренней часовни, защищают кровеносные сосуды и могут даже оказывать влияние на наши способности к обучению. В то же время микроРНК могут способствовать тому, что клетки начинают перерождаться, что ведет к раку.
Но микроРНК также важны в другом аспекте: они могли сыграть ключевую роль в эволюции и развитии жизни.
"Появление и распространение генов микроРНК тесно связано с эволюцией все более сложных организмов", — отмечает Нобелевский комитет.
Хотя некоторые микроРНК уже существовали у первых простейших многоклеточных организмов, многие другие появились только в процессе эволюции. Недавно ученые обнаружили, что осьминоги и другие головоногие моллюски, вероятно, обязаны своим большим мозгом и высоким уровнем интеллекта именно богатству и активности своих микроРНК.