Рибонуклеиновая кислота
Из Википедии — свободной энциклопедии
Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и выражении генов.
Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.
Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так, малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.
Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы), у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.
Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.
Жизнь начиналась с РНК
Исследования нуклеиновых кислот являются одной из самых «горячих точек» в биологии. Благодаря уникальным свойствам РНК находят все более широкое применение в медицине и технике. Но знает об этом пока лишь узкий круг специалистов.
Рибонуклеиновой кислоте, иначе – РНК – не повезло. Она не пользуется такой широкой известностью, как ее близкий «родственник» – ДНК, несмотря на большое химическое сходство. Однако открытия последних двадцати лет радикально поменяли наши взгляды на роль и функции этих, как выяснилось, очень «умелых» молекул. Плодом этих открытий стала принципиально новая идея о том, что современной жизни предшествовал совершенно самодостаточный древний «мир РНК».
Как это обычно бывает, новое знание, расширяя горизонт, породило и массу новых вопросов. Каковы были механизмы «эволюции» в мире РНК? Зачем, откуда и как появились ДНК и белки? Как произошел переход от «мира РНК» к современному миру? О поисках, которые ведутся в этом направлении, читателям рассказывают академик Валентин Викторович Власов и его сын, кандидат химических наук, Александр Власов.
Почему в цикле статей, посвященных проблеме возникновения жизни, появляется статья об РНК, а не о других, более известных органических молекулах — ДНК или белках? Возможно, наши читатели слышали и об РНК, но вот что? Уверены, ничего примечательного — по одной простой причине: пока лишь специалисты-биологи знают, что именно РНК являются «волшебными» молекулами, давшими начало жизни. Что когда-то в древности, на только что остывшей Земле, возник и существовал загадочный «мир РНК»…
Прежде чем отправиться к «началу начал», давайте запасемся необходимыми знаниями о строении нуклеи-новых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). По своему химическому составу РНК является двойняшкой, хотя и не полным близнецом, ДНК, основного хранителя генетической информации в живой клетке. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные макромолекулы, состоящие из отдельных звеньев — нуклеотидов. Скелетом макромолекулы являются молекулы пятиуглеродного сахара, соединенные остатками фосфорной кислоты. К каждой молекуле сахара присоединяется одно азотистое основание. Нуклеотиды, которые различаются между собою только разными азотистыми основаниями, обозначаются буквами A, U, G, C (в РНК) и A, T, G, C (в ДНК).
Честно говоря, насчет РНК никто не задумывался долгие годы. Существовала догма, что вот есть клетка, есть хромосомы, в которых есть ДНК — хранитель генетической информации.
В конце концов, на рибосомах синтезируются белки. А РНК — она где-то в промежутке, переносчик информации от ДНК — и только. А потом посыпались открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК Главное отличие нуклеиновых кислот заключается в их углеводной компоненте. В РНК сахар — рибоза, а в ДНК — дезоксирибоза: там, где у ДНК имеется атом водорода (Н), у РНК стоит оксигруппа (ОН). Результаты таких незначительных, на неискушенный взгляд, различий поражают. Так, ДНК существуют в основном в форме всем известных жестких спиралей, в которых две цепи ДНК удерживаются вместе за счет образования водородных связей между комплементарными нуклеотидами.
РНК также могут формировать спирали из двух цепочек, похожие на спирали ДНК, однако в большинстве случаев РНК существуют в виде сложных структур-клубков. Структуры эти формируются не только за счет образования упомянутых водородных связей между разными участками РНК, но и благодаря оксигруппе рибозы, которая может образовывать дополнительные водородные связи и взаимодействовать с фосфорной кислотой и ионами металлов. Глобулярные структуры РНК не только внешне напоминают белковые структуры, но и приближаются к ним по свойствам: они могут взаимодействовать с самыми разными молекулами, как маленькими, так и полимерными.
Кого Считать «Живым»?
Почему же именно РНК мы называем праматерью ныне существующей жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, где проходит граница между живым и неживым.
Поскольку над проблемой происхождения жизни работают ученые из разных областей, каждый оперирует терминами близкой ему науки. Химики обязательно вспомнят слово «катализатор», математики — «информация». Биологи будут считать живой систему, содержащую вещество (генетическую программу), которое может копироваться (или, по-простому, размножаться). При этом необходимо, чтобы в ходе такого копирования могли происходить некоторые изменения наследственной информации и возникать новые варианты систем, т. е. должна существовать возможность эволюции. Еще биологи обязательно заметят, что такие системы должны быть пространственно обособлены. Иначе возникшие более прогрессивные системы не смогут воспользоваться своими преимуществами, поскольку их более эффективные катализаторы и другие продукты будут беспрепятственно «уплывать» в окружающую среду.
Каким же образом первые молекулярные системы были обособлены от окружающей среды? Колонии молекул могли, например, удерживаться вместе за счет адсорбции на какой-нибудь минеральной поверхности или пылевых частицах. Однако возможно, что уже самые примитивные системы располагали, подобно современным живым клеткам, настоящей мембранной оболочкой. Дело в том, что такая «протоклетка» с липидной мембраной может образоваться очень просто. Многие молекулы с заряженными группами (например, жирные кислоты) в водной среде образуют микроскопические пузырьки — липосомы. Это слово должно быть хорошо известно прекрасной половине наших читателей: липосомы широко используются в косметических кремах — крохотные жировые капсулы начиняются витаминами и другими биологически активными веществами. А вот чем были наполнены древние «протоклетки»? Оказалось, что на роль «начинки» претендуют именно РНК.
РНК умеет все?
Жизнь, без сомнения, должна была начаться с образования «умелых» молекул, которые могли бы сами себя размножать и выполнять все другие «хозяйственные работы», необходимые для существования клетки. Однако на роль таких умельцев не подходит ни ДНК, ни белок. ДНК — отличный хранитель генетической информации, но сама себя размножать не умеет. Белки — непревзойденные катализаторы, но не могут работать в качестве «генетических программ». Возникает парадокс курицы и яйца: ДНК не может образоваться без белка, а белок — без ДНК. И только РНК, как выяснилось, может ВСЕ. Но не будем забегать вперед.
Рассмотрим давно известные функции РНК, связанные с работой (экспрессией) гена в клетке. При включении гена сначала происходит локальное расплетение ДНК и синтезируется РНК-копия генетической программы. В результате сложных обработок ее специальными белками получается матричная РНК (мРНК), которая и явля-ется программой для синтеза белка. Эта РНК переносится из ядра в цитоплазму клетки, где она связывается со специальными клеточными структурами — рибосомами, настоящими молекулярными «машинами» для синтеза белка. Белок синтезируется из активированных аминокислот, присоединенных к особым транспортным РНК (тРНК), причем каждая из аминокислот присоединена к своей специфической тРНК. Благодаря тРНК аминокислота фиксируется в каталитическом центре рибосомы, где она «пришивается» к синтезируемой белковой цепи. Из рассмотренной последовательности событий видно, что молекулы РНК играют ключевую роль в декодировании генетической информации и биосинтезе белка.
Чем больше углублялись в изучение различных биосинтетических процессов, тем чаще обнаруживали ранее неизвестные функции РНК. Оказалось, что кроме процесса транскрипции (синтеза РНК путем копирования участка ДНК) в ряде случаев, наоборот, может происходить синтез ДНК на РНК-матрицах. Этот процесс, названный обратной транскрипцией, используют в ходе своего развития многие вирусы, в том числе печально известные онкогенные вирусы и ВИЧ-1, вызывающий СПИД.
Таким образом, выяснилось, что поток генетической информации не является, как первоначально считалось, однонаправленным — от ДНК к РНК. Роль ДНК как изначально главного носителя генетической информации стала подвергаться сомнению. Тем более что многие вирусы (гриппа, клещевого энцефалита и другие) вообще не используют ДНК в качестве генетического материала, их геном построен исключительно из РНК. А далее посыпались одно за другим открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК.
На Все «Молекулы» Мастер
Наиболее удивительным было открытие каталитической способности РНК. Прежде считалось, что катализировать реакции умеют только белки, ферменты. Ученые, например, никак не могли выделить ферменты, осуществляющие разрезание и сшивание некоторых РНК. После длительных исследований выяснилось, что РНК прекрасно справляются с этим сами. Структуры РНК, действующие подобно ферментам, назвали рибозимами (по аналогии с энзимами, белками-катализаторами). Вскоре было обнаружено множество разнообразных рибозимов. Особенно широко их используют для манипулирования своими РНК вирусы и другие простые инфекционные агенты. Таким образом, РНК оказались мастерами на все руки: они могут выступать в роли носителей наследственной информации, могут служить катализаторами, транспортными средствами для аминокислот, образовывать высокоспецифичные комплексы с белками.
Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Ученые рассчитывали обнаружить там белок, катализирующий сшивание аминокислот в белковую последовательность. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в каталитическом центре рибосом белковых структур нет совсем, что он полностью построен из РНК! Оказалось, что все ключевые стадии биосинтеза белка осуществляются молекулами РНК. Точка в дискуссии о возможности существования «мира РНК» как особой стадии биологической эволюции была поставлена.
Конечно, полную картину еще предстоит реконструировать — осталось много нерешенных вопросов. Например, в современной клетке активацию аминокислот и их присоединение к соответствующим тРНК осуществляют специфичные белки-ферменты. Возникают вопросы: могла ли эта реакция осуществляться без участия белков, только с помощью РНК? Могли ли сами РНК катализировать синтез РНК из нуклеотидов или присоединение азотистых оснований к сахару? В общем-то, после открытия рибозимов такие потенциальные способности РНК уже не вызывали особых сомнений. Но наука требует, чтобы гипотезы экспериментально подтверждались.
Дарвиновская Эволюция в Пробирке
Хороший метод зачастую позволяет осуществить революцию в науке. Именно так можно сказать о методе полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Для размножения ДНК в методе ПЦР используются ферменты ДНК- полимеразы, т. е. те самые ферменты, которые при размножении клеток синтезируют из активированных мономеров-нуклеотидов комплементарные цепочки ДНК.
При методе ПЦР в пробирку с ДНК вносят смесь активированных нуклеотидов, фермент ДНК-полимеразу и так называемые праймеры — олигонуклеотиды, комплементарные концам размножаемой ДНК. При нагревании раствора цепи ДНК расходятся. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. Фермент присоединяет к праймерам нуклеотиды и собирает цепочку, комплементарную цепочке исходной ДНК. В результате реакции из одной двуцепочечной ДНК получается две. Если повторить процесс, получится четыре цепочки, а после n повторений — 2 n молекул ДНК. Все очень просто.
Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами (так называемая молекулярная библиотека), а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством.
Библиотеки нуклеиновых кислот — это смеси молекул, имеющих одинаковую длину, но отличающихся последовательностью нуклеотидов. Получить их можно в том случае, если при химическом синтезе на авто-матическом синтезаторе добавлять на каждой стадии удлинения нуклеотидной последовательности одно-временно все четыре нуклеотида. Каждый из них будет включаться в растущую нуклеиновую кислоту с равной вероятностью, в результате чего на каждом этапе присоединения будет получаться 4 варианта последовательностей. Если таким образом синтезировать нуклеиновую кислоту длиной в n звеньев, то разнообразие полученных молекул составит 4 в степени n. Поскольку обычно используются участки длиной 30—60 мономеров, то в результате синтеза получается от 4 30 до 4 60 разных молекул! Цифры, привычные разве что для астрономов.
Так как в зависимости от состава нуклеиновые кислоты сворачиваются в разные пространственные структуры, синтез статистических последовательностей дает огромное множество молекул, различающихся по свойствам. С образовавшихся ДНК — с помощью фермента РНК-полимеразы — считывается РНК. В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. Далее производится процедура отбора: раствор РНК пропускается через колонку, в которой находится нерастворимый носитель с химически присоединенными молекулами-мишенями, чтобы «выловить» так называемый будущий аптамер, т. е. РНК, способную связывать определенные молекулы. Затем колонку промывают для удаления несвязавшихся РНК, а затем смывают РНК, задержавшиеся на колонке за счет связывания с целевыми молекулами (это можно сделать, например, нагревая колонку).
С выделенных РНК с помощью обратной транскрипции делают ДНК-копии и получают из них обычные двуцепочечные молекулы ДНК. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем — размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах. Конечно, так происходит в идеальном случае, на практике все получается сложнее. Обычно исходный препарат РНК содержит огромный избыток «по-сторонних» молекул, избавиться от которого трудно. Поэтому полученную РНК вновь и вновь пропускают через колонку, чтобы выделить РНК, образующие самые прочные комплексы с целевыми молекулами.
С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами.
Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами. Например, были получены РНК, способные катализировать реакции синтеза РНК и белков: присоединение азотистых оснований к рибозе, полимеризацию активированных нуклеотидов на цепочках РНК, присоединение аминокислот к РНК. Эти исследования еще раз подтвердили, что в условиях предбиологической эволюции из случайных полимеров могли возникать молекулы РНК
со специфическими структурами и функциями.
Делайте Ваш Заказ!
Метод молекулярной селекции обладает очень большими возможностями. С его помощью можно решать задачи поиска нужных молекул даже в том случае, если исходно нет идеи, как такие молекулы должны быть устроены. Однако, если придумать процедуру отбора, их можно выделить по принципу требуемых свойств, а затем уже заняться и вопросом, как эти свойства достигаются. Продемонстрируем это на примере выделения РНК, способных связываться с клеточными мембранами и модулировать их проницаемость.
Древние рибоциты должны были поглощать «питательные» вещества из окружающей среды, удалять продукты метаболизма и делиться в ходе размножения.
И все эти процессы требуют управления проницаемостью мембран. Поскольку мы полагаем, что никаких других функциональных молекул, кроме РНК, в рибоцитах не было, какие-то РНК обязательно должны были взаимодействовать с мембранами. Однако с химической точки зрения они совершенно не подходят для роли регуляторов проницаемости мембран.
Мембраны современных клеток и липосом, построенные из жирных кислот, несут отрицательный заряд. Поскольку РНК также заряжены отрицательно, то по закону Кулона они должны отталкиваться от липидной поверхности и тем более не могут проникать в глубь липидного слоя. Единственный известный способ взаимодействия нуклеиновых кислот с поверхностью мембран — через двухзарядные ионы металлов. Эти положительно заряженные ионы могут играть роль мостиков, располагаясь между отрицательно заряженными группами на поверхности мембраны и фосфатными группами нуклеиновой кислоты. Поскольку такие мостиковые взаимодействия достаточно слабые, с мембраной может связаться только очень большая нуклеиновая кислота благодаря множеству слабых связей с поверхностью мембраны. Так маленькие враги привязали Гулливера к земле множеством тоненьких веревок.
Тут и помог исследователям метод молекулярной селекции. Из библиотеки РНК удалось выделить не-сколько молекул, которые очень успешно связывались с мембранами, а при достаточно высокой концентрации — даже разрывали их! Эти РНК обладали необычными свойствами. Они как бы помогали друг другу: смесь молекул разных сортов связывалась с мембранами гораздо лучше, чем молекулы одного сорта. Все стало ясным после изучения вторичных структур этих РНК. Оказалось, что в них имеются петли с комплементарными участками. За счет этих участков «мембранные» РНК могут формировать комплексы-сообщества, которые способны образовывать множественные контакты с мембраной и делать то, что одной молекуле РНК не под силу.
Этот селекционный эксперимент подсказал, что у РНК есть дополнительный способ приобретения новых свойств путем образования сложных надмолекулярных комплексов. Этот механизм мог использоваться и для удерживания эволюционирующих систем РНК в виде колоний на поверхностях еще до того, как эти системы обзавелись изолирующей мембраной.
«Мир РНК»: Был, Есть и Будет!
Множество данных свидетельствует о том, что «мир РНК» действительно существовал. Правда, не совсем ясно — где. Некоторые специалисты полагают, что начальные этапы эволюции происходили не на Земле, что на Землю были занесены уже функционально активные системы, которые приспособились к местным условиям. Однако с химической
и биологической точки зрения это не меняет сути дела. В любом случае остается загадкой — в результате каких процессов в окружающей среде рибоциты образовались и за счет каких компонентов существовали. Ведь требуемые для жизни рибоцитов нуклеотиды — сложные молекулы. Трудно представить, что эти вещества могли образовываться в условиях пребиотического синтеза.
Вполне возможно, что древние РНК значительно отличались от современных. К сожалению, следов этих древних РНК экспериментально обнаружить нельзя, речь идет о временах, удаленных от нас на миллиарды лет. Даже скалы тех времен давно «рассыпались в песок». Поэтому речь может идти только об экспериментальном моделировании процессов, которые могли протекать на самых ранних стадиях молекулярной эволюции.
Почему произошел переход от «мира РНК» к современному миру? Белки, располагающие гораздо большим набором химических групп, чем РНК, являются лучшими катализаторами и структурными элементами. По-видимому, некоторые древние РНК стали использовать белковые молекулы в качестве «орудий труда». Такие РНК, способные к тому же синтезировать для своих целей полезные молекулы из окружающей среды, получали преимущества в размножении. Естественным путем отбирались соответствующие аптамеры и рибозимы.
А затем эволюция сделала свое дело: возник аппарат трансляции, и постепенно ответственность за катализ перешла к белкам. Орудия оказались столь удобными, что вытеснили своих «хозяев» из многих сфер деятельности.
Читатель вправе спросить: а зачем вообще нужно исследовать эволюцию РНК, ведь древний «мир РНК» исчез? Неужели только ради «чистого искусства», удовлетворения интересов фанатичных исследователей? Однако, не зная прошлого, нельзя понять настоящее. Изучение эволюции и возможностей РНК может подсказать новые направления поиска процессов, протекающих в современных живых клетках. Например, совсем недавно были обнаружены мощные системы регуляции активности генов с участием двуцепочечных РНК, с помощью которых клетка защищает себя от вирусных инфекций. Эта древняя система клеточной защиты, вероятно, скоро найдет применение в терапии.
Поэтому неудивительно, что в наше время исследования нуклеиновых кислот продолжают оставаться одной из самых «горячих точек» в молекулярной биологии. Благодаря уникальным свойствам РНК находят все более широкое применение в медицине и технике. Возникший в незапамятные времена «мир РНК» будет не только продолжать незримо существовать
в наших клетках, но и возрождаться в виде новых биотехнологий.
Редакция благодарит сотрудников Института химической биологии и фундаментальной медицины
СО РАН к. х. н. В. В. Коваля, к. х. н. С. Д. Мызину и к. х. н. А. А. Бондаря за помощь в подготовке статьи
Биоинформатика в мире РНК-структур
Понимание, как формируется пространственная конфигурация РНК, необходимо для разработки методов предсказания вторичных структур молекул и определения выполняемых ими функций в клетке живых организмов
рисунок А.В. Головина
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Амбициозный проект «Геном человека», завершившийся в 2003 году, был призван расшифровать всю ДНК, содержащуюся в человеческом геноме. Считалось, что проект поможет понять, как функционируют гены, каким образом они определяют состояние клетки и организма человека в целом, а также даст толчок развитию медицины и биологических наук. Однако исследования показали, что вся сложность клетки как целостной системы не сводится к одному лишь геному. Функционирование и роль молекулы РНК в регуляции клеточных процессов во многом зависят от ее пространственной организации, изучение которой — сложная задача, справиться с которой под силу только биоинформатике.
Конкурс «био/мол/текст»-2014
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Биоинформатика и молекулярная эволюция».
Главный спонсор конкурса — дальновидная компания «Генотек».
Конкурс поддержан ОАО «РВК».
Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.
Вторичная структура РНК
У прокариот процесс транскрипции и трансляции обычно сопряжен в пространстве и во времени. — Ред.
Дело в том, что РНК, подобно белковым молекулам [4], не существуют в виде простой цепочки. Нуклеотиды РНК взаимодействуют друг с другом, объединяясь в пары по принципу комплементарности, в результате чего молекула нуклеиновой кислоты приобретает причудливую конфигурацию: возникают петли, шпильки, псевдоузлы и другие формы (рис. 1). Если первичная структура — это просто последовательность нуклеотидов, то подобные образования относятся к вторичной структуре. И этот уровень организации молекулы также несет информацию, которая используется в регуляции таких процессов, как транскрипция ДНК, сплайсинг РНК, изменение активности генов с помощью микроРНК, а также транспорт транскриптов в определенные области клетки [5].
Рисунок 1. Разнообразие вторичных структур РНК: а — шпилька с внутренней петлей; б — дуплекс с двумя выступами; в — псевдоузел; г — молотовидный рибозим (hammerhead ribozyme) PDB: 1NYI; д — тРНК PDB: 1J1U; е — РНК из белок-РНКовго комплекса, узнающего и осуществляющего доставку на мембрану синтезируемых на рибосоме мембранных белков (SRP RNA) PDB: 1Z43. Справа от каждой структуры показана ее 3D-модель: предсказанные с помощью вычислительных методов (синий цвет) и полученные экспериментально (желтый цвет).
Вторичная структура также влияет на взаимодействие РНК с молекулами, например, со специфическими белками RBP (RNA binding proteins). Они связываются с РНК с образованием рибонуклеопротеиновых комплексов и регулируют сплайсинг, трансляцию и другие процессы. Если участок связывания «закрыт» петлей, белок не сможет провзаимодействовать с молекулой [6]. Роль вторичной структуры можно также проиллюстрировать воздействием мутаций. В работе Мэтью Халворсена (Matthew Halvorsen), опубликованной в журнале PLoS Genetics в 2010 году, изучались мутации, связанные с заболеваниями человека и находящиеся в регуляторных участках РНК, называемых 5′- и 3′-нетранслируемыми областями. Эти области отвечают за регуляцию процесса трансляции, деградацию РНК, участвуют в РНК-интерференции и при этом сильно структурированы. Мутации могут вызвать серьезные структурные перестройки, что становится причиной таких заболеваний, как наследственный синдром гиперферритинемии-катаракты, ретинобластома или гипертензия [7].
Рисунок 2. Вторичная структура РНК большой рибосомной субъединицы Escherichia coli
При наличии определенных факторов конфигурация РНК может изменяться, что, в свою очередь, влияет на регуляцию генов. Один из лучших примеров специфичности и динамичности вторичной структуры — РНК-переключатели (riboswitch), имеющиеся в клетках бактерий, дрожжей, водорослей и высших растений. Это участки мРНК, которые способны получать информацию о внутриклеточных условиях, связываясь с лигандами. Обычно РНК-переключатели состоят из двух доменов — аптамера, который взаимодействует с лигандами, и домена экспрессии. Как только лиганд (аминокислота, нуклеотиды, ионы металлов) связывается с аптамером, происходят изменения во вторичной структуре примыкающего к аптамеру домена экспрессии, что имеет значение для дальнейшей судьбы мРНК. Например, возникновение шпилек может воспрепятствовать транскрипции или синтезу белка в рибосомах [5]. Структура аптамера, подобно устройству дверного замка, подходит только определенному лиганду, который играет роль ключа
РНК-структуромика
Весь клеточный набор вторичных РНК-структур называется «РНК-струтурóмом» (по аналогии с генóмом или транскриптóмом) [2]. Исследование структурома позволяет ученым понять, как определенные разновидности (мотивы) укладки молекул РНК связаны с участием в различных клеточных процессах, таких как транскрипция, сплайсинг, локализация в клетке, трансляция и регуляция транскриптов. Здесь ученые сталкиваются с определенными проблемами. Недостаточно высокая эффективность методов изучения структуры РНК и сложность получения длинных фрагментов РНК — существенные препятствия на пути к полному описанию структурома. Однако буквально за последние годы технологии секвенирования совершили огромный скачок в развитии. Появились инструменты секвенирования нового поколения, которые позволяют с высокой точностью и относительно быстро определить последовательности ДНК и РНК. Очень важно также использование вычислительных методов, которые сильно продвинулись в своей способности точно предсказывать структуру РНК. При этом все же золотым стандартом определения структуры РНК был и остается эксперимент [5].
Исследования с использованием компьютерных методов привели ко многим открытиям. Например, транспортные РНК обладают структурными особенностями, которые соответствуют их функциям. Для поиска тРНК существуют различные инструменты, например, программа tRNAscan-SE, написанная на популярном среди биоинформатиков языке Perl. Она занимается поиском «подозрительных» участков в геноме, которые могут кодировать тРНК. После тщательного «просеивания» этих участков, остаются гены, которые являются истинными тРНК с вероятностью в 99–100%. Программа ориентируется не только на последовательность нуклеотидов, которая может различаться у разных тРНК, но также на вторичную структуру, являющейся общей для всех тРНК и напоминающей лист клевера. Кроме этого, tRNAscan-SE сравнивает гены-кандидатов с последовательностью, структура которой известна. Если гены-кандидаты формируют такую же структуру, значит они с высокой вероятностью являются тРНК [8].
Естественный отбор имеет значение
Как узнать, что на данной последовательности образуется структура? Для этого нужно, чтобы замена нуклеотида на одном участке последовательности обязательно сопровождалась компенсаторной заменой нуклеотида на другом участке последовательности [9]. Это значит, что оба нуклеотида участвуют в формировании структуры, к примеру, образуя пару G—C или A—U. Структура сохранится, если пара G—C заменится на пару A—U или наоборот. Когда в распоряжении есть достаточное количество гомологов, то, исходя из расположения многих консервативных пар, можно вывести вторичную структуру РНК (рис. 3).
Рисунок 3. Консервативность пар оснований в гомологичных последовательностях является основой для предсказания вторичной структуры. Стрелочками указаны взаимодействующие друг с другом нуклеотиды, которые могут быть различными в ряду последовательностей, однако сохраняющие конфигурацию молекулы (справа).
Вездесущая термодинамика
Когда в распоряжении исследователя имеется не ряд гомологов, а только одна последовательность, имеет смысл воспользоваться термодинамическим моделированием. Предполагается, что молекула РНК правильной структуры находится в состоянии термодинамического равновесия [10]. На основе энергетических параметров данной молекулы, полученных экспериментально, строятся всевозможные конфигурации вторичной структуры. Среди них ищут наиболее устойчивую, которая и будет правильным решением. Для коротких цепочек, длиной менее 700 пар оснований, данный метод корректно определяет структуру для 70% пар. Однако если цепочка длиннее, точность падает вплоть до 20%. Альтернативный подход — использование алгоритмов, основанных на вероятностном моделировании, — к сожалению, сильно уступает термодинамическим методам. Другая возможная стратегия — объединение термодинамического моделирования и машинного обучения [11]. Также с помощью PARS-метода можно выяснить, какие нуклеотиды являются непарными, чтобы исключить их из алгоритма и улучшить точность предсказания.
В методах предсказания вторичной структуры существуют существенные ограничения. Конформационные изменения РНК-переключателей в результате взаимодействия с лигандом настолько сложно смоделировать, что существующие алгоритмы оказываются бесполезными. Также большие трудности вызывает предсказание псевдоузлов, состоящих из двух совмещенных особым образом шпилек (рис. 1). Псевдоузлы встречаются в рРНК, тРНК, а также в геномах вирусных РНК, где они участвуют в процессах трансляции [12]. Для их поиска разрабатывают специальные методы, которые ориентированы на отдельные типы псевдоузлов. Однако с увеличением длины последовательности экспоненциально растет время, затрачиваемое алгоритмом на решение данной задачи. В этих условиях эксперимент становится необходим, позволяя ученым улучшить существующие алгоритмы и разработать новые стратегии поиска.
В игру вступает параллельное секвенирование
В параллельном анализе структуры РНК (или PARS-методе) применяются инструменты секвенирования нового поколения, которые позволяют получить миллионы расшифрованных последовательностей за один единственный эксперимент. Сначала образцам РНК позволяют свернуться с образованием вторичной структуры, затем их подвергают воздействию рибонуклеаз — ферментов, катализирующих расщепление связи между нуклеотидами. В PARS-методе используют два типа рибонуклеаз — V1 и S1. Первая расщепляет спаренные участки, вторая — простую цепь. Полученные фрагменты конвертируют в ДНК и секвенируют. Те фрагменты, которые были обработаны V1, в большинстве случаев обрываются на том нуклеотиде, который участвовал в образовании вторичной структуры. Сравнение большого числа копий одной РНК, позволяет судить об интенсивности расщепления на определенных участках молекулы и определить, формируется ли на этом участке вторичная структура [5].
С помощью PARS в 2010 году Кертес и его коллеги изучили вторичную структуру транскриптома дрожжей, проанализировав приблизительно 4,2 миллиона нуклеотидов в 3 тысячах транскриптов. Ими были обнаружены регуляторные мотивы, например, участок внутренней посадки рибосомы URE2, который позволяет начать синтез белка не с одного из концов мРНК, а с середины молекулы. Это исследование, опубликованное в журнале Nature [13], показало, что PARS-метод способен пролить свет на глобальную структурную организацию мРНК. Было открыто преимущественное расположение вторичных структур в кодирующих участках по сравнению с нетранслируемыми областями, а также их роль в регуляции процесса трансляции, который протекает тем активнее, чем менее структурирован сайт инициации трансляции. Объединение параллельного анализа с программными средствами предсказания конфигурации, а также термодинамическим моделированием, дает в руки ученых мощный инструмент для более глубокого постижения мира РНК-структур, что способствует появлению новых гипотез и открытий, касающихся регуляции клеточных процессов.
Стóит отметить, что данный метод дает весьма приблизительную и косвенную информацию о вторичной структуре РНК. На данный момент разработаны более «продвинутые» экспериментальные методики, основанные на химической модификации неспаренных нуклеотидов и позволяющие получать данные более высокого разрешения (напр. SHAPE). — Ред.
Самая большая РНК-лаборатория в мире
Моделирование вторичной структуры РНК, несмотря на большое количество методов, до сих пор остается сложной задачей. Не все принципы известны, а экспериментальные данные настолько обширны, что на анализ, который проводят небольшие группы ученых, уходит много труда и времени. Чтобы решить эту проблему, в университете Карнеги-Меллон и Стэнфордском университете разработали краудсорсинговый проект EteRNA.
В последние годы все больше серьезных научных проектов идут «в народ» в форме онлайн-игр. Такое явление получило название «гражданской науки». Примером аналогичной инициативы служит аркадная игра FoldIt, нацеленная на предсказание строения белковых молекул: «Тетрис XXI века» [14]. — Ред.
Концепция «мусорной ДНК» неоднократно сильно менялась: лет 10 назад бытовало мнение, что ДНК «активна лишь на 10%», а всё остальное является бесполезным кладбищем генов. В последнее время эти воззрения сильно модифицировались, в который раз подтверждая, что не все так просто: «Сколько сора в нашей ДНК» [16]. — Ред.