На протяжении десятилетий центральной догмой молекулярной биологии было утверждение, что ДНК создаёт РНК, РНК создаёт белок, а белок определяет фенотип. Эта модель служила основой для понимания наследственности и болезней. Она объясняла классические менделевские признаки, например, как одиночные мутации ДНК в кодирующих белок областях могут вызывать такие заболевания, как серповидноклеточная анемия. Однако эта модель объясняет лишь около 2% менделевского наследования и связанных с ним фенотипических изменений.
Подавляющее большинство мутаций, влияющих на фенотип, — фактически почти все они — обнаруживаются не в кодирующих белок областях, а в регуляторных областях и среди обширной популяции некодирующих РНК. Эти РНК, многие из которых не кодируют большие белки, играют решающую роль в контроле экспрессии генов и, в конечном итоге, фенотипов.
Есть две причины для этого. Во-первых, количество РНК огромно. Во-вторых, даже некоторые РНК, которые долгое время считались «некодирующими», на самом деле производят сотни тысяч малых пептидов, по подсчётам — до 200 000. С генетической точки зрения это означает, что функциональных генов более чем в десять раз больше, чем мы думали ранее.
Я подозревал об этом ещё тогда, когда руководил научными исследованиями в Human Genome Sciences. После того как мы нашли первые 20 000 кодирующих белок генов, мы продолжали находить больше РНК — более чем в десять раз больше — длинных, стабильных, полиаденилированных, кэппированных РНК. В то время мы предположили, что они могут иметь значение.
Теперь мы знаем: многие из них являются функциональными РНК, и при мутации они могут приводить к определённым фенотипам. Некоторые из этих длинных некодирующих РНК даже производят малые пептиды, и мутации в них также могут вызывать фенотипические изменения.
Мы можем представить это в виде LEGO. Вы можете построить простую или сложную конструкцию из одного и того же набора деталей LEGO. Белки — это блоки, иногда разных цветов, представляющих варианты, но инструкции, регуляторные РНК, — это то, что делает разницу. Вот почему у червя и человека может быть примерно одинаковое количество генов, но человек гораздо сложнее. Сложность исходит от инструкций, а не только от строительных блоков.
Некодирующие РНК, включая микроРНК, длинные некодирующие РНК и другие, а также кодируемые ими пептиды, являются инструкциями. Они определяют, когда, где и сколько каждого белкового «кирпича» будет построено. Они делают это, контролируя экспрессию генов на нескольких уровнях. Эти РНК могут подавлять гены, ремоделировать хроматин и направлять химические модификации как ДНК, так и РНК.
Через редактирование, метилирование и другие модификации РНК могут изменять свою функцию или функцию своих мишеней, не изменяя при этом основную последовательность ДНК. Мутации в этих РНК или кодируемых ими пептидах могут привести к специфическим фенотипам и заболеваниям, увеличивая количество функциональных генов как минимум на порядок.
Давайте рассмотрим несколько примеров из реальной жизни. Во-первых, учтите, что любая РНК может играть регуляторную роль, и один и тот же участок ДНК может производить как кодирующую белок РНК, так и регуляторную РНК. Например, когда клетки подвергаются воздействию ультрафиолетового света, они переключаются с производства типичной кодирующей белок РНК на более короткую некодирующую версию того же гена. Эта новая РНК помогает клетке восстановиться от повреждения ДНК, действуя почти как противовес белку, производимому этим геном.
Другой увлекательный поворот: некоторые так называемые «некодирующие» РНК на самом деле содержат крошечные инструкции для производства коротких пептидов — небольших белковых фрагментов, которые могут оказывать большое влияние. Эти микропептиды могут влиять на всё: от роста и выживания клеток до развития мозга, прогрессирования рака. Некоторые из них даже действуют как гормоны. Другими словами, то, что мы когда-то считали «мусором» или «молчаливой» РНК, часто оказывается совсем не таким.
Роль РНК как носителя наследственной информации не ограничивается её промежуточной функцией. В некоторых вирусах РНК является основным генетическим материалом. Ретровирусы и ретротранспозоны используют РНК для генерации ДНК, тем самым интегрируя новые генетические элементы в геном — процесс, который сформировал примерно половину генома человека и продолжает влиять на старение и рак.
Расширенная догма теперь признаёт многонаправленный поток генетической информации. Эта модель отражает не только традиционный поток от ДНК к РНК, но и способность РНК направлять модификации ДНК, регулировать экспрессию генов и даже служить шаблоном для синтеза ДНК в некоторых вирусах и клеточных процессах. Влияние РНК выходит за пределы клетки: РНК могут передаваться между клетками и даже между видами через внеклеточные везикулы, влияя на иммунитет, развитие и болезни.
Новая догма признаёт, что биологические системы по своей природе избыточны и гибки. Молекулы РНК могут имитировать, взаимодействовать и взаимодействовать беспорядочно, позволяя одному генотипу давать множество фенотипов, а одному фенотипу возникать из разных генотипов. Эта пластичность лежит в основе эволюции, адаптации и устойчивости к болезням.
Это не просто техническое обновление; это концептуальный скачок. РНК лежит в основе биологической сложности. Практическое влияние огромно. Вакцины и методы лечения на основе РНК уже меняют медицину. РНК-интерференция и технологии на основе CRISPR продвигают сельское хозяйство и синтетическую биологию. Задача сейчас состоит в том, чтобы разработать РНК, которые были бы стабильными, специфичными и безопасно доставлялись в целевые клетки — задачи, требующие глубокого понимания структурного и функционального разнообразия РНК.
Как человек, ставший свидетелем эволюции молекулярной биологии, я одновременно смирен и воодушевлён этой революцией РНК. Это напоминание о том, что наука не статична; наши модели условны, наши догмы подлежат пересмотру. Геном — это не фиксированный план, а динамическая и отзывчивая система с РНК в центре. Принимая сложность и универсальность РНК, мы готовы открыть новые методы лечения, глубже понять болезни и оценить истинное богатство молекулярного механизма жизни.