Какие функции выполняют в клетке основные макромолекулы: ДНК, РНК и белки? Мир обеспокоен, может ли на их состав и активность существенно влиять окружающая среда и, в частности, съедаемая пища?
Что говорят об РНК в школе
При чтении школьного учебника биологии рисуется примерно такая картина. Белки выполняют подавляющее большинство основных функций: из них построены многие структуры, например, цитоскелет, они катализируют все реакции, происходящие в клетке, регулируют жизнедеятельность клетки, передают сигналы. Генетическая информация хранится закодированной в виде молекул ДНК, а роль трех существующих видов РНК (мРНК – матричной, тРНК – транспортной и рРНК – рибосомальной) сводится к посредничеству при превращении информации, закодированной с помощью ДНК, в белки. Съедаемые человеком биополимеры под действием агрессивной среды в желудке распадаются на мономеры (аминокислоты, рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды) и в таком виде попадают в кровоток и дальше в клетки, не неся уже никакой информации. В клетках из них синтезируются новые РНК, ДНК и белки. На состояние организма, кроме объема съедаемой пищи, может существенно влиять только исчезновение из рациона некоторых микроэлементов, витаминов или незаменимых аминокислот.
В течение последних десятилетий некоторые из этих взглядов были частично пересмотрены, и начали появляться данные, заставляющие задуматься о пересмотре других.
Особенно много нового стало известно о возможностях РНК. Были обнаружены молекулы РНК, обладающие каталитическими свойствами (Нобелевская премия по химии 1989 года), и молекулы РНК, способные регулировать интенсивность синтеза белка, кодируемого каким-либо геном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 2006 года).
РНК катализирует
По химическому составу РНК несильно отличается от ДНК, но эти различия в структуре приводят к заметной разнице в физических свойствах. ДНК легко образует двойные спирали особого типа, они очень стабильны и как нельзя лучше подходят для долговременного хранения генетической информации. Структуры, образуемые молекулами РНК менее стабильны, но куда более разнообразны.
Именно на основании сложности и многообразия структур РНК Карлом Вёзе было впервые выдвинуто предположение, что не только белки, но и РНК могут быть катализаторами. Экспериментального подтверждения эта гипотеза ждала 13 лет. За прошедшее с тех пор время были найдены РНК, способные, созревая, сами вырезать из себя ненужные части, способные разрезать и снова сшивать другие РНК, а в лаборатории даже была подобрана молекула РНК, синтезирующая из отдельных нуклеотидов при наличии затравки молекулу РНК, комплементарную существующей.
Когда появились подходящие методы, и стало возможным подробнее изучить структуру и работу рибосом, стало понятно, что активный центр, в котором происходит синтез белка, состоит преимущественно из РНК.
РНК завоевывает мир
Если объединить все эти данные, становится понятно, что спектр функций РНК очень широк. РНК может не только хранить генетическую информацию, но и катализировать реакции, например, что особенно важно, реакцию синтеза новой цепи РНК, комплементарной уже существующей. Получается, что одна молекула РНК может копироваться без участия белков, а только с помощью другой молекулы РНК. Более того, синтез белка совершенно невозможен без участия транспортных и рибосомальных РНК. На этом факте основывается так называемая «гипотеза мира РНК», в которой предполагается, что давным-давно из всех макромолекул существовала только РНК. В виде РНК хранилась генетическая информация, и все остальные функции, например синтез новых молекул, выполняли тоже молекулы РНК. Позднее хранением информации стала заниматься более стабильная ДНК, а каталитические функции стали выполнять белки, в синтезе которых РНК и по сей день играет ключевую роль. Эта гипотеза никак не объясняет, откуда взялась РНК, но сильно упрощает картину, потому что уж очень сложно представить себе, что белки, РНК и ДНК появились одновременно, сразу со всеми своими взаимодействиями.
РНК регулирует
Кроме каталитической, молекулы РНК могут выполнять регуляторную функцию. У эукариот есть играющая большую роль в регуляции активности генов сложная и точная система, основанная на взаимодействии по принципу комплементарности матричных РНК и специальных коротких регуляторных РНК. Это явление получило название РНК-интерференции, и за объяснение его механизма в 2006 году была присуждена Нобелевская премия. Впервые явление такого рода было замечено в экспериментах с растениями. Для того, чтобы придать цветкам петунии более насыщенный фиолетовый цвет, в них вводили гены, кодирующие белок, который синтезирует пигмент. Результат был парадоксален: цветки не только не стали ярче, они стали светлее, и даже частично белыми. Как выяснилось, это произошло благодаря присутствующей в клетках системе подавления чужеродных генов. Система подавляла активность введенных искусственно в клетку генов, но, поскольку собственный ген белка, синтезирующего пигмент, ничем не отличается от вводимого, его активность тоже подавлялась. Узнавание гена как раз и происходит за счет РНК. Короткие одноцепочечные РНК, комплементарные матричной РНК гена-мишени взаимодействуют с несколькими белками. РНК узнает по принципу комплементарности соответствующую матричную РНК, и она лишается возможности служить матрицей для синтеза белка.
По всей видимости, в ходе эволюции этот механизм появился для защиты от инфекций, в первую очередь, вирусных, но со временем все больше разных процессов стали регулироваться таким образом. Особенно значительную роль РНК-интерференция играет в развитии, морфогенезе и поддержании клеток в недифференцированном состоянии.
Открытие РНК-интерференции также очень облегчило жизнь исследователей, изучающих функции определенных генов. Теперь можно просто синтезировать РНК, соответствующую гену, ввести ее в клетку и посмотреть, как будет себя чувствовать клетка, когда этот ген выключен.
РНК вызывает споры
Недавно группой китайских ученых в очень авторитетном журнале Cell Research была опубликована работа, заставляющая задуматься о том, насколько соответствуют действительности наши представления о возможном влиянии съедаемой пищи на организм. Основной объект исследования в этой работе – как раз регуляторные РНК. Регуляторные РНК самых разных видов были обнаружены авторами в плазме крови людей и других млекопитающих. Особенно в большом количестве в плазме крови китайцев обнаруживалась одна из регуляторных РНК риса. До сих по считалось, что такое невозможно и что содержащаяся в пище РНК переваривается в желудочно-кишечном тракте. Авторы и сами признают, что механизм попадания целых и невредимых РНК в кровь им не понятен, но факт остается фактом. Более того, в экспериментах с мышами было показано, что эта регуляторная РНК может взаимодействовать с рецепторами липопротеинов низкой плотности, подавлять их синтез и влиять таким образом на метаболизм холестерина в организме. Работа вызвала оживленную дискуссию в научном сообществе, и даже подозрения в фальсификации результатов. Авторам даже пришлось признать, что некоторые рисунки в итоговый вариант статьи были вставлены некорректно.
Однако статья показалась крайне интересной, а эксперименты были не слишком трудоемки, и вскоре другой группой авторов была опубликована работа, подтверждающая выводы первой. В ней было показано, что значительная часть регуляторных РНК в крови принадлежат живущим в желудочно-кишечном тракте симбиотическим бактериям. Кроме того, были обнаружены РНК кукурузы, риса, ячменя, сои, винограда и некоторых других видов, традиционно входящих в рацион европейцев. Также утверждалось, что набор регуляторных РНК в крови зависит от рациона, что чужеродные регуляторные РНК способны могут попадать из крови в клетки и там вести себя как свои собственные, и что некоторые регуляторные РНК, обнаруживаемые в крови, попав в клетки, могут оказывать влияние на процессы, происходящие в организме. Но и эта работа проливает мало света на то, каким образом РНК попадают из ЖКТ в кровь. Возможно, это помогут выяснить дальнейшие исследования.
Если факты, приведенные в этих двух работах, подтвердятся, это будет значить, что мы имеем дело с принципиально новым способом передачи сигналов в организме млекопитающих. Более того, это не только новый способ, но и принципиально новое направление передачи информации: от съедаемой пищи или от симбиотических бактерий ЖКТ к организму человека.
