Новый рубеж в исследовании регуляции активности генов

Мы уже привыкли, когда говорят, что ХХI век будет веком биологии. Это признают не только биологи, но и ученые далеких от биологии специальностей.

Биология ХХ века совершила гигантский скачок в понимании природы жизни, ее молекулярных и химических основ. Вершиной этих громадных усилий всего мирового научного сообщества стала расшифровка строения наследственного аппарата человека, который представ­ляет собой совокупность генов и внегенных участков ДНК – главной молекулы жизни. Всю совокупность ДНК, где записана наследственная информация о данном организме, называют геномом. На рубеже третьего тысячелетия человечество раскрыло одну из важнейших для него тайн – структуру генома человека.

Все геномы содержат, по крайней мере, два вида информации: это кодированная информация о структуре молекул-посредников – РНК и белка. Информация, записанная в генах, – это своего рода инструкция для изготовления белков. Гены несут ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью, без них не функционирует ни один орган. Однако для полной характеристики работы генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков, нужны еще данные об элементах генетичес­кого аппарата клетки, которые принимают участие в регуляции активности генов, регулируют их проявление на разных этапах развития организма в норме и при патологических процессах.

В разных тканях присутствуют одни и те же гены, но в каждой ткани вырабатываются разные белки, так как они выполняют различные функции. Электричес­кие импульсы нервных клеток отличаются от ритмичного биения сердечных клеток. Клетки печени, являющиеся мощным центром обмена веществ, отличаются от клеток почек, которые фильтруют мочевину из крови. Светочувствительные способности клеток сетчатки глаза отличаются от навыков клеток, вырабатывающих антитела для борьбы с инфекцией. Такое разнообразие может возникнуть из одного и того же исходного материала благодаря экспрессии генов.

Что же определяет, какие гены будут активны в разных клетках? Одним из механизмов регуляции, оказалось, являются маленькие молекулы – микроРНК. МикроРНК – это небольшие некодирующие молекулы РНК, которые имеют длину обычно
20–25 нуклеотидов. Для сравнения: геном человека состоит из около трех мил­лиардов нуклеотидов.

Нобелевская премия по физио­логии и медицине в 2024 году присуждена двум американским ученым – Виктору Эмбросу и Гэри Равкану, открывшим молекулы микроРНК и новый принцип регуляции активности генов. Они выяснили, что мик­роРНК – это новый класс крошечных молекул рибонуклеиновой кислоты, которые могут блокировать считывание информации с информационной или матричной РНК (мРНК), таким образом предотвращая синтез определенных белков. Хотя первая микроРНК была обнаружена более 30 лет тому назад, значимость этого открытия стала очевидна только со временем.

Эмброс и Равкан начали генетичес­кие исследования в конце 1980-х, будучи постдокторантами в лаборатории американского биолога, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 2002 года Роберта Хорвица в Массачусетском технологичес­ком институте США. Тогда они исследовали гены, контролирую­щие время активации различных генетических программ, на модели двух мутантных штаммов круглых червей – нематод Caenorhabditis elegans с целью идентифицировать мутировавшие гены и понять их функцию.

Они работали с двумя генетическими линиями червей, у которых были мутант­ные гены lin-4 и lin-14. Они давали дефекты активации генетических программ в период развития. Эмброс показал, что ген lin-4 производил необычно короткую молекулу РНК, в которой отсутствовал код для производства белка. Вышло, что эта небольшая РНК из lin-4 отвечала за «вык­лючение» lin-14. Равкан же выяснил, что lin-4 не ингибирует производство мРНК из lin-14. Регулирование, по-видимому, происходит на более поздней стадии процесса экспрессии гена, через прекращение производства белка. Эксперименты также позволили ему выделить сегмент в мРНК lin-14, который был необходим для его подавления с помощью lin-4.

Два лауреата сравнили свои результаты, что привело к прорывному открытию. Короткая последовательность lin-4 была комплементарна последовательностям в критически важном сегменте мРНК lin-14. Ученые доказали, что микроРНК lin-4 «выключает» lin-14, связываясь с его мРНК и блокируя производство белка. Так был открыт абсолютно новый принцип регуляции генов, опосредованный ранее неизвестным типом РНК, – микроРНК.

Результаты были опубликованы в 1993 году в двух статьях в журнале Cell. Первоначально это открытие касалось только червей, поэтому его не считали особенно важным. Червь Caenorhabditis еlegans состоит всего из 1 000 клеток, но имеет разные ткани – от нервной до пищеварительной системы. Необычный механизм регуляции генов считался особенностью червя Caenorhabditis elegans, вероятно, не имеющей отношения к людям и другим более сложным организмам. Однако за 31 год с момента открытия микроРНК выяснилось, что механизмы регуляции генов с помощью микроРНК важны для всех многоклеточных организмов, включая человека, и играют ключевую роль в развитии и возникновении болезней.

Механизм регуляции генов микроРНК существует уже сотни миллио­нов лет, обеспечивая эво­люцию более сложных организмов. Генетические исследования показали, что клетки и ткани не могут нормально развиваться без микроРНК, а их аномальная регуляция может вызывать рак. При этом у людей, например, с врожденной потерей слуха, заболеваниями глаз и скелета были обнаружены мутации в генах, кодирующих микроРНК. В итоге оказалось, что крошечные РНК имеют огромное значение для здоровья людей.

За 31 год исследований выявлено множество заболеваний, связанных с нарушениями регуляции микроРНК. Это и редкие врожденные заболевания, такие как глухота или дефекты развития, сердечно-сосудистые болезни и онкологические заболевания.

«Основополагающее открытие Эмброса и Равкана на примере небольшого червя Caenorhabditis elegans оказалось неожиданным и открыло новое измерение в регуляции генов, необходимое для всех сложных форм жизни», – отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета. Информация о новых принципах регуляции активности генов с помощью
микроРНК позволила ученым по-новому взглянуть на онкологические заболевания. Знание о механизмах, контролирующих эти процессы, открыло перед ними возможности для разработки новых подходов к терапии рака.

В этом контексте следует отметить, что в лаборатории молекулярной генетики Института клеточной биологии и биотехнологии и на кафедре общей биологии и геномики Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева под моим руководством, в одной из первых в Казахстане и в целом на постсоветском пространстве, проводилось активное изу­чение микроРНК в качестве биомаркеров для неинвазивной диагностики рака легкого. Этот вид рака является самой распространенной формой злокачественной неоплазии, отличается высокой смертностью и сложностью диагностики, что требует эффективных биомаркеров для раннего выявления болезни.

Исследования по изучению роли микроРНК были начаты в ЕНУ более 15 лет назад. Одной из ключевых тем для научно-исследовательской группы в составе молодых ученых Ольги Булгаковой, Аси Кусаи­новой и Акмарал Ариповой стала роль микроРНК в диагностике онкологических заболеваний. Ими были проведены исследования, показывающие, что микроРНК являются перспективными био­маркерами, способными выявлять патологические изменения на ранних стадиях рака легкого под действием канцерогенных факторов окружающей среды, в частности радона. Радон является вторым после курения фактором развития рака легкого.

Они также изучали микроРНК при бронхиальной астме и хроничес­кой обструктивной болезни легких, что позволило получить важные данные о роли микроРНК в различных патофизиологичес­ких процессах при бронхолегочных патологиях. Результаты этих исследований были опубликованы в ведущих зарубежных журналах и получили высокие оценки специалистов.

Исследования данной команды ученых также привели к идентификации микроРНК miR-29a-3p как ключевого «игрока» в радиацион­но-индуцированном старении. Было установлено, что мик­роРНК могут выступать в качестве био­маркеров на уровне популяции, что открывает возможности для их использования в машинном обучении для скрининга групп населения, подверженных воздействию радона. В настоящее время огромную значимость и актуальность имеет решение проблемы обработки больших массивов биологических данных о механизмах реализации генетической информации, генных мутаций и их регуляции при формировании патологичес­кого фенотипа на уровне живой клетки.

Главная проблема состоит в том, как превратить гигантский объем новых знаний о геноме в новое качество жизни – здоровье, долголетие, победу над болезнями. Для улучшения качества обработки данных в настоящее время используется новый метод машинного обучения, работающий на основе искусственно соз­данных человеком нейронных сетей. Именно их чаще всего имеют в виду, когда говорят об искусственном интеллекте.

Сегодня ИИ стремительно проникает во все области науки. В значительной степени это стало возможно благодаря работам нобелевских лауреатов 2024 года по физике Джона Хопфилда и Джеффри Хинтона за открытия и изобретения, обеспечившие возможность машинного обучения нейросетей. Их работы помогли созданию современных систем искусственного интеллекта. Применение нейросетевых методов является перспективным подходом для поиска генов-маркеров, генов-мишеней и предсказания экспрессионного ответа клеток на терапию лекарственными препаратами. Применение глубокого обучения для анализа данных секвенирования генов отдельных клеток позволяет получать более точные результаты по сравнению с данными секвенирования РНК, выделенной из популяции клеток, ввиду дополнительного учета гетерогенности клеток в популяции.

Интересно, что одна микроРНК может регулировать экспрессию различных генов, и наоборот, один ген может регулироваться несколькими микроРНК, тем самым координируя и настраивая целые сети генов. Молекулярно-генетические исследования по регуляции экспрессии и редактированию генов и геномов позволят лечить множество заболеваний человека, включая вирусные инфекции, онкологические, а также наследственные заболевания. Ученые ЕНУ убеждены, что микроРНК имеют огромный потенциал для применения в молекулярной диагностике и персонализированной медицине.