РНК-кэш потеснил Дарвина

Группа ученых из Принстонского университета сумела раскрыть новый биологический механизм, отвечающий за внутриклеточные процессы. Наиболее важным результатом данного исследования является его прямая связь с эпигенетическим развитием организмов, позволяющим живым системам обойти наследственный код ДНК и передать своему потомству признаки, приобретенные в ходе жизнедеятельности.

Такое направление теории эволюции с начала XIX века развивалось французским ботаником Жаном Батистом Ламарком. Хрестоматийный пример здесь – длинная шея жирафа, позволяющая ему питаться сочными верхними побегами деревьев: Ламарк утверждал, что она сформировалась вовсе не в ходе случайной рекомбинации генов, отделившей животных с короткой шеей от длинношеих созданий, а в ходе направленной активности, «упражнений», в ходе которых доисторическим предкам приходилось тянуться к кронам растений.

Существует расхожее мнение, что Дарвину удалось опровергнуть Ламарка, однако от некоторых ламаркистских «поправок» в учении Дарвина, по-видимому, никуда не деться: эта концепция может сработать там, где традиционный дарвинизм сталкивается с существенными затруднениями.

Принстонское исследование, кроме того, впоследствии может привести к созданию новых методик контроля внутриклеточных процессов, таких как сплайсинг (вырезание участков) ДНК, а так же пролить свет на естественные регуляторные механизмы внутри клетки – в частности, прояснить закономерности сохранения одних участков ДНК и потерю других в ходе эволюционного развития живых систем.

Задачей биологов Мариуша Новацки, Викрама Виджаяна и Лауры Лэндвебер, руководившей исследованием, по сути, являлась расшифровка механизма реорганизации генома, которую клетка осуществляет, не затрагивая исходный генетический код, доставшийся конкретной особи от предков. Поэтому объектом своего исследования ученые выбрали хищный одноклеточный брюхоресничный организм Oxytricha trifallax.

Эти простейшие – обитатели пресных водоемов – являются идеальными системами для изучения эпигенетических процессов. В отличие от клеток млекопитающих, имеющих единственное ядро, несущее в себе генетическую информацию и контролирующее все внутриклеточные процессы, эти организмы имеют два ядра.

Одно из ядер содержит в себе активную цепочку ДНК, необходимую для поддержания всех не репродуктивных процессов внутри клетки, таких как метаболизм. Второе, зародышевое ядро, как и в половых клетках млекопитающих, необходимо для осуществления процесса полового размножения.

При слиянии двух клеток Oxytricha trifallax в ходе размножения активное ядро подвергается полному разложению, однако впоследствии в клетках отпрысков оно должно быть полностью восстановлено для возобновления жизненной активности. Зародышевое ядро содержит избыточную ДНК, 95% которой попросту игнорируется в процессе образования нового активного ядра. В ходе этого процесса происходит своего рода сжатие довольно большого генома, составляющего примерно одну треть от человеческого, в компактное образование. В результате только 5 процентов зародышевой ДНК остаются доступными для процесса кодирования.

Удивительно, но этот сравнительно небольшой набор участков ДНК всегда выбирается корректно. Процесс, в ходе которого он собирается и расшифровывается клеткой для формирования нового полноценного рабочего генома, даже прозвали «геномной акробатикой». Механизм этих акробатических этюдов до сих пор остается невыясненным, однако ход их всегда остается безупречно точным.

Каким образом клетке удается восстановить полноценную ДНК, имея лишь одну двадцатую часть генома – ключевой вопрос исследования, успешно осуществленного принстонскими специалистами.

Лэндвебер и её коллеги предположили, что это запрограммированное преобразование фрагментов ДНК происходит при участии так называемой кэшированной информации в форме ДНК или РНК, полученной зародышем от родительского организма. В мире вычислительных машин кэшем называют выделенную область оперативной памяти, в которой хранится самая важная и наиболее часто востребованная информация. Наличие её в быстром доступе существенно ускоряет работу машин: считывание её из более объемных, но менее скоростных устройств хранения технически невыгодно.

Предположение о существовании дополнительных инструкций в форме РНК или ДНК, необходимых молодому организму для формирования новой полноценной клетки, уже давно витало в воздухе. Оно возникло еще при изучении растительных организмов, однако оказалось неверным.

В своей серии экспериментов группа ученых провела проверку гипотезы существования дополнительных инструкций для сборки соматической ДНК, закодированных в виде цепочечных молекул, а также попыталась установить, из какого типа молекул – ДНК или РНК – состоит этот шаблон. С одной стороны, ДНК – главный переносчик генетического материала в клетках подавляющего большинства организмов, с другой же стороны, известно, что различные типы РНК могут осуществлять массу разнообразных функций в клетке, а также являются ключевыми игроками в процессе декодирования информации из ДНК в процессе формировании новых белковых молекул.

Для проверки гипотезы РНК-кэша сотрудники Лэндвебер внедрили в клетки организмов специфические химические агенты, ингибирующие одноцепочечные РНК, прямо перед процессом слияния материнских организмов. Механизм такого ингибирования называется РНК-интерференцией.

У принстонских специалистов это привело к срыву процесса развития зародыша и в некоторых случаях остановило процесс восстановления активной ДНК.

В следующем опыте учеными было обнаружено существование шаблонов для сборки новой ДНК на самых ранних стадиях развития зародышевого организма. Как оказалось, эти молекулы РНК существуют в клетке достаточно долго для поддержания процесса восстановления геномной цепочки.

В ходе завершающей серии экспериментов исследователи дерзнули вмешаться в процесс реконструкции активной цепочки ДНК и перепрограммировать кэш, перемешав тем самым гены в новой ДНК по своему предпочтению.

Сотрудники лаборатории Лэндвэбер создали рукотворные шаблоны на основе ДНК и РНК, кодирующие новую последовательность генов во вновь создаваемой молекуле ДНК. Как и ожидалось, внедренные в клетки развивающихся организмов инструкции в форме цепочечных молекул послужили набором новых правил для расшифровки фрагментов активного ядра и привели к образованию новой его структуры.

Комментируя открытие американских коллег, директор тайваньского Института молекулярной биологии Мэнчао Яо отметил, что их исследование впервые показало существование в клетке дополнительных молекул РНК, отвечающих за ход процесса рекомбинации ДНК, приводящего к новой генетической последовательности, необходимой организму в определенный период его развития или жизнедеятельности.

Таким образом, наследственная информация может передаваться от поколения к поколению не только в форме двойных спиралей ДНК, но и с помощью молекул РНК. Механизм изменения РНК, число молекул которой в каждой клетке огромно, существенно более гибок и доступен для использования в течение жизни каждой особи – только РНК напрямую участвуют в синтезе белков, непосредственно соприкасаясь с жизнью организма.

А значит, и возможность передачи приобретённых признаков от поколения к поколению – вполне в духе Жана Батиста Ламарка – получает некоторое обоснование на молекулярном уровне.

Команда исследователей полагает, что в случае наличия подобного механизма у млекопитающих он сможет послужить новым методом манипуляции генами наряду с рутинными методиками, применяемыми в генной инженерии в наши дни. Кроме того, его можно использовать для создания новых генетических последовательностей или восстановления функциональной целостности клеток, отклонившихся в своем развитии от нормального пути.

Результаты работы ученых публикуются в выходящем на этой неделе выпуске журнала Nature.