Мрнк что это такое простыми словами в медицине
Что необходимо знать о мРНК-вакцинах: 5 позиций
В результате беспрецедентной скорости в разработке новых вакцин, миру были представлены первые клинически одобренные мРНК-вакцины
В результате беспрецедентной скорости в разработке новых вакцин, миру были представлены первые клинически одобренные мРНК-вакцины для борьбы с пандемией Covid-19 – одна из них произведена Pfizer и BioNTech, другая – компанией Moderna. Испытания показали эффективность этих вакцин на уровне не менее чем 94%.
1. Технология мРНК вакцин не так молода, как кажется
Классический механизм работы вакцин (например, против полиомиелита и гриппа) заключается в презентации иммунной системе инактивированных частиц вируса. Другие вакцины (например, против гепатита B) используют отдельно взятый белок, являющийся частью инфекционного агента, чтобы вызвать схожий иммунный ответ.
мРНК-вакцины работают по другому принципу, «обманывая» иммунную систему таким образом, что РНК (в основном матричная мРНК) кодирует белок, который продуцируется в клетке путем трансляции и представляется иммунной системе; он действует как антиген. Иммунная система учится избирательно бороться с клетками, экспрессирующими такие антигены, такими как клетки-хозяева, инфицированные вирусами, или опухолевые клетки.
Хотя вакцины от Pfizer/BioNTech и Moderna – первые препараты, одобренные в клинической практике, сама технология мРНК-вакцин существует относительно давно. Первые испытания в онкологии с использованием схожих технологий берут свое начало еще в 2011 году.
2. мРНК-вакцины не изменяют ДНК
Существуют абсолютно необоснованные опасения, что мРНК-вакцины способны изменять ДНК. На самом же деле мРНК не входит в ядро клетки, а после своего введения биодеградирует в течение нескольких дней. Именно поэтому для формирования полноценного иммунного ответа необходимо 2 инъекции препарата.
3. мРНК-вакцины имеют высокую специфичность
Вирус SARS-CoV-2 имеет достаточно сложную структуру и его различные части стимулируют иммунную систему на образование нейтрализующих антител, которые не всегда способны эффективно элиминировать инфекцию. мРНК-вакцины стимулируют иммунный ответ к спайк-белку вируса, являющегося только частью вирусной мембраны.
4. Разработчики и эксперты не «срезали углы» во время клинических испытаний
Испытания вакцин начались с доклинической фазы, проводимой на животных, а затем постепенно переходили на 1-ую, 2-ую и 3-ю фазы. Например, 3-я фаза вакцины от Pfizer/BioNTech включает более 40 000 человек, исследования эффективности и безопасности будут продлжаться следующие 2 года.
Основные проблемы, связанные с использованием вакцины, обычно возникают в первые 2 месяца. Тем не менее, не исключены редкие побочные эффекты на больших выборках в миллионы людей, поэтому за вакцинированными необходимо пристальное наблюдение, особенно с учетом инновационной природы технологии.
5. Вакцина запускает воспалительные реакции
Частично вакцина работает путем индуцирования локальных иммунных реакций, поэтому воспалительные признаки в месте инъекции и небольшой дискомфорт в первые дни – вполне нормальное явление.
Что такое ДНК и РНК человека простыми словами
Что такое ДНК и РНК человека простыми словами: Pixabay
В клетках всех живых организмов содержится структура, название которой не выговорить с первого раза. Дезоксирибонуклеиновая кислота содержит генетический код и информацию о РНК и белки. Можно ли назвать ДНК главной структурой в организме и зачем ей сопровождение в виде РНК?
Что такое ДНК человека?
Аббревиатуру ДНК используют для обозначения молекулы под названием дезоксирибонуклеиновая кислота. Она состоит из повторяющихся блоков, называемых нуклеотидами (органические соединения), поэтому на картинке выглядит как спираль с поперечными полосками.
В этих частичках содержится генетический код, который определяет характеристики человека — телосложение, рост, цвет глаз, волос. У каждого человека уникальная ДНК. Она идентична только у однояйцевых близнецов. Своя ДНК есть у животных и растений.
Какая структура ДНК человека? Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из четырех видов нуклеотидов:
Эти блоки склеиваются между собой по определенным правилам: аденин может связываться только с тимином, а цитозин — только с гуанином. Притяжение между нуклеотидами связывает две нити, входящие в состав ДНК. Таким образом, по одной части цепи молекулы всегда можно восстановить вторую: напротив аденина находится тимин, напротив гуанина — цитозин. Такое взаимосоответствие называется комплементарностью.
Что такое ДНК человека: Pixabay
Именно так кодируется информация обо всех признаках организма. От комбинации нуклеотидов зависит, как будет выглядеть человек. Совокупность генетического материала называется геномом человека. Хранение, реализация и передача наследственной информации — задача хромосомы (структура в клеточном ядре).
ДНК как химическое вещество было открыто Фридрихом Мишеров в 1869 году, как указано в статье Петтера Портина. Ученые научились расшифровывать генетическую информацию только в конце ХХ века. Затем ученые сумели извлечь из хромосомы ДНК, разрезать ее на части и сшить произвольным образом, используя ферменты.
Так зародилась генная инженерия, началось производство новых организмов со встроенными чужими генами — ГМО (генетически модифицированный организм). Что касается безопасности продуктов с ГМО, то мнения ученых расходятся, как объясняет Брунильда Назарио из WebMD.
Что такое РНК человека?
РНК — рибонуклеиновая кислота, одна из трех молекул, содержащихся в клеточном ядре. Она участвует в кодировании и выражении генов. Состоит она из длинной цепи, звенья которой называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из рибозы, азотистого основания и фосфатной группы. Генетическая информация зашифрована в последовательности нуклеотидов.
Что такое РНК человека: Pixabay
РНК синтезируется в клетках всех живых организмов. Они выполняют функцию трансляции генетической информации в белки, а также дополнительные задачи — транспортировка аминокислот в рибосомы, синтез белка и другие. Поддержку стабильности генома в процессе передачи и синтеза обеспечивают РНК-связывающие белки.
Что общего у ДНК и РНК человека? Обе структуры — это большие молекулы, состоящие из нуклеотидов. В них содержится генетическая информация. Их функции взаимосвязаны. ДНК передает генетическую информацию в цитоплазму (внутреннюю среду) клетки, где при участии РНК происходит синтез белка.
Между ДНК и РНК есть несколько отличий:
ДНК и РНК — нуклеиновые кислоты, сходные по составу, но различные по функциям. Первая структура отвечает за хранение наследственной информации, вторая — за кодирование информации и передачу информации к месту синтеза белка.
Внимание! Материал носит лишь ознакомительный характер. Не следует прибегать к описанным в нем методам лечения без предварительной консультации с врачом.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
мРНК-вакцины: развеиваем мифы
Журналист, редактор thePharmaMedia
Пандемия COVID-19 дала старт беспрецедентным по своей скорости разработкам вакцин. Особенный интерес вызывают новейшие препараты на основе матричной РНК (мРНК). А поскольку они не прошли полный комплекс клинических исследований, то вопросов к ним много.
Стоит сразу отметь, что РНК-вакцины появились не в одночасье и не разрабатывались спешно «на коленке». Возможность использования этой технологии была показана еще в конце XX века, то есть почти тридцать лет назад. При этом до сих пор ни одна вакцина, основанная на использовании бактериальных плазмид и мРНК, не нашла применения в практике здравоохранения для профилактики инфекционных заболеваний. Но, несмотря на это, интерес к вакцинам, действующим веществом которых являются рекомбинантные нуклеиновые кислоты, всегда сохранялся из-за возможности их быстрой разработки, малозатратного производства, безопасности технологии и возможности активации и клеточного, и гуморального иммунитета. Кроме того, мРНК-вакцины против инфекционных заболеваний могут использоваться как с профилактической, так и с терапевтической целью.
Непростой путь к признанию
Биохимик Каталин Карико – ключевая фигура, стоявшая у истоков научных исследований матричной РНК (мРНК), технологии, которая сегодня является основой антиковидных вакцин Pfizer-BioNTech и Moderna. В 1985 она вместе с семьей эмигрировала из Венгрии в США, чтобы получить больше шансов для развития своей научной карьеры.
Впрочем, на новом месте не все шло гладко. Каталин Карико настойчиво убеждала ученых-коллег из различных научных сообществ в том, что мРНК-вакцины могут быть эффективным инструментом для защиты человека от опасных вирусов. Однако, несмотря на все усилия, долгое время технология считалась не просто сомнительной, а даже маргинальной. Биохимик Карико, рискуя карьерой, в течение десятилетий отстаивала свои научные наработки, но ей неизменно отказывали в получении грантов, а коллеги просто поднимали ее на смех. В конце 80-х технология РНК подвергалась всеобщей критике, поскольку главными проблемами были нестабильность молекулы и неэффективность ее доставки. А это значит, что она будет с большой долей вероятности разрушена до того момента, когда достигнет своих клеток-мишеней. Высказывались опасения и о возможном слишком бурном иммунном ответе, который может сделать опасным применение препаратов для некоторых пациентов. Впрочем, несмотря на то, что коллеги мало верили в будущее этих научных наработок и не разделяли энтузиазм Каталин Карико, она была уверена: все эти проблемы вполне реально решить.
Так оно и случилось. Прошло немного времени и в 2004 году Карико совместно с иммунологом Дрю Вейсманом удалось создать гибридную мРНК с измененным нуклеозидом. Она способна внедряться в клетки, не провоцируя сигнала тревоги у естественных защитных сил организма, следовательно, воспалительной реакции не вознивает, что делает терапию с помощью мРНК абсолютно безопасной. На этом совершенствование технологии не закончилось. Ученые смогли разработать и создать специальную липидную оболочку, которая помогает информационной РНК не разрушиться раньше срока, легко и прицельно входить в нужную клетку-мишень.
С этого момента начался быстрый прогресс в исследованиях. Сейчас мРНК можно производить синтетическим путем посредством внеклеточной реакции ферментативной транскрипции.
Наработки и открытия Карико-Вейсмана стали базой для создания РНК-вакцин против ковида Pfizer-BioNTech и Moderna. Сейчас мРНК-вакцина показывает эффективность свыше 90%, а Каталин Карико претендует на получение Нобелевской премии в области химии.
Как работает мРНК в организме и что известно о ее эффективности
Задача любой вакцины – познакомить иммунную систему с возбудителем болезни таким образом, чтобы не вызвать саму болезнь, но научить иммунитет вырабатывать защитную реакцию. Разные типы вакцин выполняют эту задачу различными способами и имеют как свои недостатки, так и преимущества, касающиеся медицинской или экономической составляющих.
Итак, и Pfizer, и Moderna являются препаратами, созданными на основе мРНК, их механизм действия принципиально отличается от предыдущих поколений вакцин. Все традиционные технологии предполагали, что в вакцине должен быть белок вируса. Новизна РНК-вакцины в том, что она не содержат в себе этого белка. Вместо этого она имеет генетическую инструкцию, которая учит наш организм эти белки выделять, а заодно вырабатывать защитные антитела, чтобы побороть возбудитель, с которым мы можем встретиться.
Под генетической инструкцией имеется в виду молекула РНК, которая кодирует шиповидный белок вируса, выглядящий так же, как и те, которые расположены на поверхности вируса SARS-CoV-2, вызывающего COVID-19. Когда на поверхности клеток появляются такие шиповидные белки, наш организм распознает их в качестве инородных и вырабатывает иммунную реакцию, включающую выработку антител, противодействующих этому конкретному шиповидному белку.
После третьего этапа испытаний, в котором принимало участие 30 тысяч волонтеров, компания Moderna заявила, что ее препарат предотвращает заражение SARS-Cov-2 в 90% случаев и 95% защищает от тяжелого течения болезни. В третей фазе клиниспытаний вакцины фармацевтической компании Pfizer учавствовало 43 тысяч добровольцев, и результаты показали, что эта вакцина может защитить от заражения в 95% случаев.
А если заглянуть в состав?
Состав РНК вакцины не засекречен. Это, собственно, молекула РНК (матричная рибонуклеиновая кислота; тип РНК, который отвечает за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК до мест синтеза белков). А также калий хлорид, калия дигидрофосфат, хлорид натрия (кухонная соль), сахароза, натрия гидрофосфат. Гидрофосфаты работают как буферные растворы, которые поддерживают необходимый уровень кислотности (pH). Хлориды несут ответственность за ионную силу раствора, чтобы сохранить биомолекулу от разрушения. Сахароза поддерживает стойкость молекул мРНК, а также работает в качестве консерванта.
А вот чего точно нет в составе мРНК вакцин, так это солей ртути и алюминия, остатков яичного белка и 5G-чипов.
Что известно о возможных побочных реакциях
мРНК несет всего лишь временную информацию. После создания шиповидных белков ваш организм разрушает мРНК таким образом, чтобы она не могла задержаться у нас в организме. Она не смешивается ни с каким генетическим кодом и не может проникнуть в нашу ДНК. Сегодня можно однозначно ответить: мРНК абсолютно не влияют и не изменяют нашу ДНК.
Кроме того, РНК-вакцина безопаснее, чем вакцины других типов, ведь она не содержит инфекционного агента. Конечно, побочные эффекты могут присутствовать, но это типичные реакции на введение вакцины: повышение температуры тела, недомогание, боль и отек в месте инъекции.
Когда началась массовая вакцинация в разных странах, появилась информация о развитии сильных аллергических реакций. И хотя такие явления случаются очень редко, от двух до пяти случаев на миллион, ученые активно изучают их причину. На данный момент предполагается, что патологическую реакцию вызывают липидные частицы, которые используют для доставки вакцин в организм.
В поисках недостатков
Поскольку молекула РНК очень хрупкая, быстро разрушается и распадается на бесполезные фрагменты, недостатком мРНК вакцин можно считать особенные требования к их хранению при сверхнизких температурах. Создать устойчивую к относительно высоким температурам мРНК-вакцину задачка не из простых. Ученые считают, что достичь желаемого результата можно двумя способами: с помощью специальных химических «надстроек» либо усовершенствовать «упаковку» молекул. В первом варианте существует риск оказания влияния на распознавание РНК клеткой: не все химические модификации она воспримет как свои и может не произвести необходимый белок.
А вот ученые немецкой компании CureVac говорят о том, что смогли найти безопасную и правильную «упаковку» для молекулы РНК. Однако испытания этого этапа продолжаются и еще далеки от завершения, а значит, пока рано говорить о преимуществах.
Развенчиванием мифы и домыслы
Вакцины против коронавируса делались в спешке и не прошли важные этапы тестирования.
Действительно, вакцины от COVID-19 были разработаны и выпущены в рекордно короткие сроки, однако это связано с тем, что фармацевтические компании проводили работы и исследования параллельно, а не поэтапно, как это делалось ранее.
мРНК-вакцины могут повлиять на ДНК человека.
Доказано, что мРНК недолговечны и не способны проникнуть в ядро клеток, где содержится ДНК.
Никто не знает долгосрочного влияния мРНК-вакцин на организм человека.
Такое утверждение, действительно, касается абсолютно всех новых вакцин. Вместе с тем, известно, что побочные реакции появляются в течение первых месяцев после проведения массовых вакцинаций. Обязательное требование FDA – пристальное наблюдение за участниками испытаний перед одобрением. В отчетах, предоставленных организацией, нет свидетельств смертей, которые имели бы связь с вакцинацией.
Сообщений о побочных реакциях вакцин против вируса SARS-CoV-2, в том числе и новейшие мРНК, гораздо больше, чем сообщений, которые касаются прививок против сезонного гриппа.
Сравнивать эти вакцины некорректно. Сегодня вопрос вакцинации, является приоритетным для всех стран мира, поэтому число сообщений ежедневно увеличивается в геометрической прогрессии. Впрочем, это не означает, что вся информация достоверна. Поскольку процесс вакцинации имеет беспрецедентно массовый и масштабный характер, некоторые люди заболеют и умрут после проведения процедуры, однако такие случаи никак не будут взаимосвязаны с проведением самой вакцинации.
Биологическая роль ДНК и РНК
ДНК – самая важная молекула для всех живых существ, даже растений. Она определяет наследование, кодирования белков и содержит инструкции для развития и размножения всего организма и каждой его клетки в отдельности. Достижения генетики позволили раскрыть информацию, содержащуюся в ДНК, и использовать ее с пользой для людей. Теперь каждый может сделать конфиденциальный ДНК-тест, чтобы получить ответы на самые сложные вопросы. Давайте узнаем больше, как работает и какова биологическая роль ДНК.
Какие функции выполняет ДНК в организме
ДНК несет ответственность за рост и поддержание жизни, что выражается в выполнении этой молекулой трех функций.
Таким образом, на что влияет ДНК в организме? Размеры ее влияния огромны – эта молекула содержит инструкции, необходимые организму для развития, жизни и размножения. Эти инструкции находятся внутри каждой клетки и передаются от обоих родителей их детям.
ДНК помогает синтезу РНК
Матричная РНК, или мРНК, – это одноцепочечная промежуточная молекула, которая переносит генетическую информацию от ДНК в ядре к цитоплазме, где она служит шаблоном в образовании полипептидов. мРНК синтезируется в ядре с использованием нуклеотидной последовательности ДНК в качестве матрицы.
Процесс создания мРНК из ДНК называется транскрипцией и происходит в ядре. мРНК направляет синтез белков, который происходит в цитоплазме. мРНК, образованная в ядре, транспортируется из ядра в цитоплазму, где она присоединяется к рибосомам. Белки собираются на рибосомах с использованием нуклеотидной последовательности мРНК в качестве инструкции. Таким образом, мРНК несет «сообщение» от ядра к цитоплазме. Сообщение закодировано в нуклеотидной последовательности мРНК, которая комплементарна нуклеотидной последовательности ДНК, служившей матрицей для синтеза мРНК. Создание белков из мРНК называется трансляцией. В этом заключается биологическая роль РНК.
Молекулярные болезни и связь молекул ДНК
Молекулярное, или генетическое, заболевание – это любое заболевание, вызванное сбоем на молекулярном уровне, то есть в молекуле ДНК. Генетическая аномалия может варьироваться от незначительной до крупной – от одной мутации в единственном основании в ДНК до грубой хромосомной аномалии, включающей изменение количества или набора хромосом. Мутации могут происходить либо случайно, либо из-за воздействия окружающей среды.
Существует ряд различных типов генетических нарушений обмена, в том числе:
Однако далеко не все мутации в генах – это приговор. Гены могут включаться и выключаться при определенных условиях среды. Поэтому даже имея предрасположенность к тому или иному заболеванию, для предупреждения их развития человек может соблюдать назначенный врачом план питания и тренировок, отказываясь от вредных привычек.
Строение и действие гена РНК
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК – рибонуклеиновая кислота. Хотя и ДНК, и РНК несут генетическую информацию и имеют связь между собой, между ними довольно много различий. Что общего между ДНК и РНК и в чем отличия?
Функции ДНК и РНК в организме разные. ДНК отвечает за хранение и передачу генетической информации, в то время как РНК непосредственно кодирует аминокислоты и выступает в качестве посредника между ДНК и рибосомами для производства белков.
Преимущества проведения анализов в лаборатории Медикал Геномикс Украина
Лаборатория Медикал Геномикс Украина – крупнейшая в стране английская лаборатория генетических исследований. Здесь вы можете пройти любой генетический тест, в том числе для установления родственных отношений, а также медицинские, генеалогические исследования.
Мы работаем быстро и качественно, гарантируя конфиденциальность и высокую точность результата, поскольку используем передовое оборудование, а каждый тест проверяется двумя независимыми группами ученых.
Позвоните нам, если у вас есть вопросы – наши консультанты ответят на них и помогут оформить заказ. Сдать биоматериалы можно в одном из наших 78 пунктов приема образцов по всей Украине или заказав набор для домашнего забора материала.
Большие дела небольших молекул: как малые РНК дирижируют генами бактерий
Большие дела небольших молекул: как малые РНК дирижируют генами бактерий
рисунок автора статьи и Копаевой Е.А.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В последние годы РНК — а особенно ее «неклассические» разновидности — приковывает внимание биологов всего мира. Выяснилось, что регуляция с помощью некодирующих РНК широко распространена — начиная от вирусов и бактерий и заканчивая человеком. Изучение разнообразия малых бактериальных РНК-регуляторов ясно показало их важную роль как в промежуточном метаболизме, так и в адаптивных реакциях. В этой статье описаны разновидности малых РНК бактерий и механизмы регуляции, осуществляемые с их помощью. Особый акцент сделан на роли этих молекул в жизнедеятельности бактериальных агентов, вызывающих особо опасные инфекции.
Конкурс «био/мол/текст»-2013
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Лучший обзор».
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.
РНК: больше, чем просто копия ДНК
Со школьной скамьи большинству читателей этого сайта известны основные механизмы работы живой клетки. В курсе биологии, начиная с законов Менделя и заканчивая ультрасовременными проектами по секвенированию геномов, красной нитью проходит идея магистральной генетической программы развития организма, известная профессиональным биологам как центральная догма молекулярной биологии. Она гласит, что молекула ДНК выступает носителем и хранителем генетической информации, которая через посредника — матричную РНК (мРНК), и при участии рибосомальной (рРНК) и транспортной РНК (тРНК), — реализуется в виде белков. Последние определяют видовой и индивидуальный фенотип.
Несложно заметить, что РНК при таком подходе отводится второстепенная роль: проводя юридическую аналогию, можно сказать, что РНК (матричная, в частности) — что-то вроде копии важного документа, не имеющей самостоятельной законной силы. На общем фоне выделяются некоторые вирусы (например, ВИЧ, вирусы простуды и гриппа, а также вызывающие кишечные инфекции энтеровирусы) — самые настоящие генетические «еретики», хранящие генетическую информацию в форме РНК (а не ДНК, как положено). Но вирусы — форма жизни сама по себе весьма экстравагантная и, благодаря крайней степени паразитизма, часто очень несуразная. В частности, они лишены клеточного строения, неизменно присутствующего у всех остальных организмов. По этой причине можно относиться к ним просто как к органическому веществу, хотя и сложно устроенному — нуклеопротеиду, способному к самовоспроизведению при попадании в клетку.
Такое положение дел и отведение РНК роли второстепенного участника молекулярного спектакля сохранялось в научной среде вплоть до 80-х годов прошлого века. Пристальнее присмотреться к РНК заставили работы Т. Чека, показавшего, что РНК может выступать в роли катализатора химических реакций. Прежде считалось, что ускорение химических процессов в клетке — прерогатива ферментов, имеющих исключительно белковую природу. Открытие каталитической активности у РНК имело далеко идущие следствия — вкупе с более ранними теоретическими работами К. Вёзе [1] и М. Эйгена, оно позволило нарисовать возможную картину пребиотической эволюции на нашей планете. Дело в том, что с момента открытия у ДНК функции носителя генетической информации дилемма о том, что появилось в ходе эволюции раньше — ДНК или белок, необходимый для воспроизводства ДНК, — казалась почти столь же философской (то есть, беспредметной), как и вопрос о первенстве появления курицы или яйца. После открытия Т. Чека решение обрело вполне реальные очертания — была найдена молекула, обладающая свойствами как носителя информации, так и биокатализатора (пусть и в зачаточном виде). Со временем эти исследования переросли в целое направление в биологии, изучающее возникновение жизни через призму так называемого «мира РНК» [2, 3].
Так стало очевидно, что древний мир РНК мог иметь отношение к зарождению и расцвету первичной жизни. Тем не менее, из этого вовсе не следует автоматически, что РНК у современных организмов — не архаизм, адаптированный под нужды внутриклеточных молекулярных систем, а действительно важный участник молекулярного ансамбля клетки. Лишь развитие молекулярных методов — в частности, секвенирования нуклеиновых кислот [4, 5], — показало, что РНК истинно незаменимы в клетке, причем не только в виде канонической троицы «мРНК, рРНК, тРНК». Уже первые обширные данные по секвенированию ДНК указали на показавшийся поначалу труднообъяснимым факт — большая часть ее оказалась некодирующей — то есть, не несущей информацию о молекулах белка или «стандартных» РНК. Конечно, частично это можно приписать «генетическому мусору» — «выключенным» или утративших свою функцию фрагментам генома. Но сохранять такое количество «приданого» для биологических систем, старающихся тратить энергию экономно, кажется нелогичным.
И действительно, более детальные и тонкие методы исследования позволили обнаружить целый класс РНК-регуляторов экспрессии генов, частично заполняющих межгенное пространство. Еще до прочтения полных последовательностей геномов эукариот у круглого червя С. elegans были выделены микроРНК — молекулы небольшой длины (около 20 нуклеотидов), которые могут специфично связываться с участками мРНК по принципу комплементарности [6]. Несложно догадаться, что в таких случаях с мРНК уже не прочесть информацию о кодируемых белках: рибосома просто не может «пробежаться» по такому, внезапно ставшему двухцепочечным, участку. Этот механизм подавления экспрессии гена, называемый РНК-интерференцией, уже был разобран на «биомолекуле» достаточно подробно [7, 8, 9]. На сегодняшний день открыты тысячи молекул микроРНК и других некодирующих РНК (piRNA, snoRNA, nanoRNA и др.). У эукариот (в том числе, и у человека) они расположены в межгенных участках. Установлена важная их роль в клеточной дифференцировке, канцерогенезе, иммунном ответе и других процессах и патологиях [7].
Малые РНК — «троянский конь» для бактериальных белков
Несмотря на то, что некодирующие белок РНК у бактерий были открыты гораздо раньше первых аналогичных регуляторов у эукариот, их роль в метаболизме бактериальной клетки долгое время была завуалирована для научной общественности. Это объяснимо — традиционно бактериальная клетка считалась более примитивной и менее таинственной для исследователя структурой, сложность которой не идет ни в какое сравнение с нагромождением структур в клетке эукариотической. Более того, в геномах бактерий содержание некодирующей информации составляет лишь несколько процентов от общей длины ДНК, достигая максимум 40% у некоторых микобактерий. Но, учитывая, что микроРНК обнаружены даже у вирусов, у бактерий они должны играть важную регуляторную роль и подавно.
Оказалось, у прокариот существует довольно много малых РНК-регуляторов [10]. Условно все они могут быть разделены на две группы:
В первой группе выделяют малые РНК, для которых связывание с белком возможно, но необязательно. Известный пример — РНКаза Р (RNAse P), действующая как рибозим на «созревающую» тРНК. Однако если РНКаза Р может функционировать без белкового компонента, то для других малых РНК в этой группе связывание с белком обязательно (а сами они являются, по сути, кофакторами). Например, tmРНК активирует сложный белковый комплекс, выступая в роли «отмычки» для «застрявшей» рибосомы — в случае, если матричная РНК, с которой ведется считывание, подошла к концу, а стоп-кодон так и не повстречался.
Рисунок 1. Биоинформатически предсказанная вторичная структура малой РНК CsrB из Vibrio cholerae M66-2. Малые РНК — одноцепочечные молекулы, но, как и для других РНК, сворачивание (фолдинг) в стабильную пространственную структуру сопровождается формированием участков, где молекула гибридизуется сама на себя. Многочисленные изгибы на структуре в виде разомкнутых колец называются шпильками. В некоторых случаях комбинация шпилек позволяет РНК играть роль «губки», нековалентно связывая определенные белки. Но чаще молекулы такого типа интерферируют с ДНК или РНК; при этом пространственная структура малой РНК нарушается, и образуются новые участки гибридизации уже с молекулой-мишенью. Тепловая карта отражает вероятность того, что соответствующая пара нуклеотидов действительно будет связана внутримолекулярной водородной связью; для неспаренных участков — вероятность образовать водородные связи с какими-либо участками внутри молекулы. Изображение получено с помощью программы RNAfold.
Малые РНК бактерий интерферируют. и весьма успешно!
Механизм, по которому действуют регуляторы второй группы, в общем-то, схож с таковым у регуляторных РНК эукариот — это та же РНК-интерференция путем гибридизации с мРНК, только сами цепочки малых РНК зачастую подлиннее — до нескольких сотен нуклеотидов (см. рис. 1). В результате, из-за малой РНК рибосомы не могут считать информацию с мРНК. Хотя зачастую, похоже, не доходит и до этого: образовавшиеся комплексы «малая РНК — мРНК» становятся мишенью РНКаз (типа РНКазы Р) [10].
Компактность и плотность упаковки прокариотического генома дает о себе знать: если у эукариот большинство регуляторных РНК записаны в отдельных (чаще всего не кодирующих белок) локусах, то многие малые РНК бактерий могут кодироваться в том же участке ДНК, что и подавляемый ген, но на противолежащей цепи! Такие РНК называются цис-кодируемыми (антисмысловыми), а малые РНК, лежащие на некотором удалении от подавляемого участка ДНК — транс-кодируемыми. По-видимому, расположение цис-РНК можно считать торжеством эргономичности: они могут считываться с противолежащей цепи ДНК в момент ее расплетения одновременно с транскриптом-мишенью, что позволяет тонко управлять количеством синтезируемого белка.
Малые РНК в транс-положении эволюционируют независимо от целевой мРНК, и последовательность регулятора сильнее меняется в результате мутаций. Возможно, такой расклад бактериальной клетке только «на руку», поскольку малая РНК приобретает активность в отношении ранее несвойственных ей мишеней, что сокращает время и энергетические затраты на создание других регуляторов. С другой стороны, давление отбора не позволяет транс-малой РНК мутировать слишком сильно, поскольку она потеряет активность. Тем не менее, для гибридизации с матричной РНК большинству транс-малых РНК необходим помощник — белок Hfq. По-видимому, в противном случае неполная комплементарность малой РНК может создавать проблемы для связывания с мишенью.
По-видимому, потенциально реализуемый механизм регуляции по принципу «одна малая РНК — множество мишеней» помогает интегрировать метаболические сети бактерии, что крайне необходимо в условиях короткой одноклеточной жизни. Можно продолжить спекуляцию на тему и предположить, что с помощью транс-кодируемых малых РНК осуществляется пересылка экспрессионных «предписаний» из функционально связанных, но физически удаленных локусов. Необходимостью в подобного рода генетической «перекличке» логично объясняется большое количество малых РНК, обнаруженных у патогенных бактерий. Например, несколько сотен малых РНК найдено у рекордсмена по этому показателю — холерного вибриона (Vibrio cholerae). Это микроорганизм, который умеет выживать и в окружающей водной среде (как пресной, так и соленой), и на водных моллюсках, и в рыбе, и в кишечнике человека — тут без комплексной адаптации с помощью регуляторных молекул никак не обойтись!
CRISPR на страже бактериального здоровья
Нашлось применение малым РНК и в решении другой насущной для бактерий задаче. Даже самые злостные патогенные кокки и палочки могут оказаться бессильны перед лицом опасности, исходящей от особых вирусов — бактериофагов, способных молниеносно истребить бактериальную популяцию. У многоклеточных организмов для защиты от вирусов существует специализированная система — иммунная, средствами клеток и выделяемых ими веществ охраняющая организм от незваных гостей (в том числе, вирусной природы). Бактериальная клетка — одиночка, но она не так уязвима, как может показаться на первый взгляд. Хранителями рецептов для поддержания противовирусного иммунитета бактерий выступают локусы CRISPR — кластерные регулярно-прерывистые короткие палиндромные повторы (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) (рис. 2; [11]). В геномах прокариот каждая CRISPR-кассета представлена лидерной последовательностью длиной несколько сотен нуклеотидов, за которой следует серия из 2–24 (иногда до 400) повторов, разделенных спейсерными участками, схожими между собой по длине, но уникальными по нуклеотидной последовательности. Длина каждого спейсера и повтора не превышает сотню пар нуклеотидов [12].
Рисунок 2. CRISPR-локус и процессинг соответствующей ему малой РНК до функционального транскрипта. В геноме CRISPR-кассета представлена перемежающимися между собой спейсерами (на рисунке обозначены как Сп), частично гомологичными участкам фаговой ДНК, и повторами (По) длиной 24–48 п.н., демонстрирующими диадную симметрию. В противоположность повторам, спейсеры внутри одного локуса одинаковы по длине (у разных бактерий это может быть 20–70 нуклеотидов), но отличаются по нуклеотидной последовательности. Участки «—спейсер—повтор—» могут быть достаточно протяженными и состоять из нескольких сотен звеньев. Вся структура фланкируется с одной стороны лидерной последовательностью (ЛП, несколько сотен пар оснований). Неподалеку находятся Cas-гены (CRISPR—associated), организованные в оперон. Белки, считываемые с них, выполняют ряд вспомогательных функций, обеспечивая процессинг транскрипта, считанного с CRISPR-локуса, его успешную гибридизацию с фаговой ДНК-мишенью, встраивание новых элементов в локус и т.д. Образующаяся в результате многоэтапного процессинга СrRNA гибридизуется с участком ДНК (нижняя часть рисунка), впрыскиваемой фагом в бактерию. Это заставляет «замолчать» транскрипционную машину вируса и останавливает его размножение в прокариотической клетке.
Из гипотезы формирования спейсеров неясно, зачем между ними нужны повторы, внутри одного локуса незначительно отличающиеся по длине, но практически идентичные по последовательности? Здесь открывается широкий простор для фантазии. Быть может, без повторов было бы проблематично осуществить разбиение генетических данных на смысловые фрагменты, подобные секторам на жестком диске компьютера, и тогда доступ транскрипционной машины к строго определенным участкам CRISPR-локуса стал бы затруднительным? А быть может, повторы упрощают рекомбинационные процессы при встраивании новых элементов фаговой ДНК? Или же они — «знаки препинания», без которых не обойтись при процессинге CRISPR? Как бы то ни было, биологическая причина, объясняющая поведение бактериальной клетки на манер гоголевского Плюшкина, в свое время будет найдена.
CRISPR, будучи «летописью» взаимоотношений бактерии с фагом, может использоваться в филогенетических исследованиях. Так, недавно осуществленное типирование по CRISPR позволило окинуть взглядом эволюцию отдельных штаммов чумного микроба (Yersinia pestis). Исследование их CRISPR-«родословных» пролило свет на события полутысячелетней давности, когда штаммы проникли в Монголию с территории, в настоящее время относящейся к Китаю [13]. Но не для всех бактерий, и, в частности, патогенов, данный метод применим. Несмотря на недавние сведения о предсказанных CRISPR-обрабатывающих белках у возбудителей туляремии (Francisella tularensis) и холеры, сами CRISPR, если и присутствуют в их геноме, то немногочисленны. Возможно, фаги, учитывая их положительный вклад в приобретение вирулентности патогенными представителями бактериального царства, не так уж вредны и опасны, чтобы обороняться от них с помощью CRISPR? Или же вирусы, атакующие эти бактерии, слишком многообразны, и стратегия «интерферирующего» РНК-иммунитета в отношении них бесплодна?
Рисунок 3. Некоторые механизмы работы рибосвитчей. Рибосвитчи (рибопереключатели) встроены в матричную РНК, но отличаются большой свободой конформационного поведения, зависящего от специфичных лигандов, что дает основание считать рибосвитчи самостоятельными единицами малых РНК. Изменение конформации экспрессионной платформы влияет на сайт посадки рибосомы на мРНК (RBS), и, как следствие, определяет доступность всей мРНК для считывания. Рибосвитчи в известной степени аналогичны операторной области в классической модели lac-оперона — но только аптамерные участки обычно регулируются низкомолекулярными веществами и осуществляют переключение работы гена на уровне мРНК, а не ДНК. а — В отсутствие лигандов рибосвитчи btuB (кобаламинового транспортера) и thiM (тиаминпирофосфат-зависимый), осуществляющие ненуклеолитическую репрессию мРНК, «включаются» (ON) и позволяют рибосоме заняться своим делом. Связывание лиганда с рибосвитчем (OFF-положение) приводит формированию шпильки, делающей этот участок недоступным для рибосомы. б — Лизиновый рибосвитч lysC при отсутствии лиганда также включен (ON). Выключение рибосвитча блокирует рибосоме доступ к мРНК. Но в отличие от описанных выше рибосвитчей, в лизиновом при выключении «оголяется» участок, разрезаемый специальным РНКазным комплексом (degradosome), и вся мРНК утилизируется, распадаясь на мелкие фрагменты. Репрессия рибосвитчем в данном случае называется нуклеолитической (nucleolytic) и необратима, поскольку, в отличие от примера (а), обратное переключение (снова в ON) уже невозможно. Важно отметить, что таким образом может достигаться утилизация группы «ненужных» мРНК: рибосвитч похож на деталь детского конструктора, и схожие по структуре переключатели могут иметься у целой группы функционально связанных матричных молекул.
Рибосвитч — датчик для бактерии
Итак, есть белок-ассоциирующие малые РНК, есть малые РНК, интерферирующие с собственными мРНК бактерий, а также РНК, захваченные бактериями из вирусов и подавляющие фаговую ДНК. Разве можно вообразить какой-нибудь еще механизм регуляции с помощью малых РНК? Оказывается, да. Если проанализировать описанное выше, то обнаружится, что во всех случаях антисмысловой регуляции наблюдается интерференция малой РНК и мишени как результат гибридизации двух отдельных молекул. А почему бы не расположить малую РНК в составе самого транскрипта? Тогда можно, изменяя конформацию такого «засланного казачка» внутри мРНК, менять доступность всей матрицы для считывания при трансляции или же, что энергетически еще более целесообразно, регулировать биосинтез мРНК, т.е. транскрипцию!
Такие структуры широко представлены в бактериальных клетках и известны как рибосвитчи (riboswitch). Они располагаются перед началом кодирующей части гена, на 5′-конце мРНК. Условно в составе рибосвитчей можно выделить два структурных мотива: аптамерный участок, ответственный за связывание с лигандом (эффектором), и экспрессионную платформу, обеспечивающую регуляцию экспрессии гена посредством перехода мРНК в альтернативные пространственные структуры [14]. Например, такой переключатель («выключающего» типа) используется для функционирования лизинового оперона: при избытке лизина он существует в виде «запутанной» пространственной структуры, блокирующей считывание с оперона, а при его нехватке рибосвитч «расплетается», и синтезируются белки, необходимые для биосинтеза лизина [10] (рис. 3).
Описанная принципиальная схема устройства рибосвитча — не канон, существуют варианты. Любопытный «включающий» тандемный рибосвитч обнаружен у холерного вибриона: экспрессионной платформе предшествуют сразу два аптамерных участка. Очевидно, это обеспечивает бóльшую чувствительность и более плавный ответ на появление в клетке еще одной аминокислоты — глицина. Возможно, косвенно причастен к высокой выживаемости бактерии схожий по принципу действия, но «двойной» рибосвитч в геноме возбудителя сибирской язвы (Bacillus anthracis). Он реагирует на входящее в состав минимальной среды жизненно важное для этого микроба соединение — тиаминпирофосфат [15].
Помимо переключения метаболических путей в зависимости от доступного для бактериальной клетки «меню», рибосвитчи могут быть датчиками гомеостаза бактерии. Так, они были замечены в регуляции доступности гена для считывания при нарушении функционирования трансляционной системы внутри клетки (например, такие сигналы как появление «незаряженных» тРНК и «неисправных» (stalled) рибосом), либо при изменении факторов внешней среды (например, повышении температуры) [14].
Не нужно белков, дайте нам РНК!
Так что же означает присутствие такого разнообразия малых РНК-регуляторов внутри бактерии? Свидетельствует ли это об отказе от концепции, когда главными «управленцами» являются белки, или мы наблюдаем очередной модный тренд? Видимо, ни то, и ни другое. Конечно, некоторые малые РНК являются глобальными регуляторами метаболических путей — как упомянутая CsrB, участвующая, вкупе с CsrС, в регуляции запасания органического углерода. Но, принимая во внимание принцип дублирования функций в биологических системах, малые РНК бактерий можно сравнить скорее с «антикризисным менеджером», чем с генеральным директором. Так, в условиях, когда для выживания микроорганизма нужно быстро перенастроить внутриклеточный метаболизм, их регуляторная роль может оказаться решающей и более эффективной, чем у белков с аналогичными функциями. Таким образом, РНК-регуляторы отвечают, скорее, за экспресс-реагирование, менее стойкое и надежное, чем в случае с белками: не следует забывать, что малая РНК поддерживает свою 3D-структуру и удерживается на ингибируемой матрице слабыми водородными связями.
Косвенным подтверждением этих тезисов могут стать уже упоминавшиеся малые РНК холерного вибриона. Для этой бактерии попадание в организм человека — не желанная цель, а, видимо, чрезвычайная ситуация. Выработка токсинов и активация других, связанных с вирулентностью, путей в данном случае — всего лишь защитная реакция на агрессивное противодействие среды и клеток организма «чужакам». «Спасателями» здесь выступают малые РНК — например Qrr, помогающие вибриону в стрессовых условиях модифицировать стратегию выживания, изменяя коллективное поведение. Косвенно подтвердить эту гипотезу может также открытие малой РНК VrrA, активно синтезирующейся при нахождении вибрионов в организме и подавляющей наработку мембранных белков Omp [16]. «Спрятанные» мембранные белки в начальной фазе инфицирования, возможно, помогают избежать мощного иммунного ответа со стороны организма человека (рис. 4).
Рисунок 4. Малые РНК в реализации патогенных свойств холерного вибриона. а — Холерный вибрион хорошо чувствует себя и прекрасно размножается в водной среде. Организм человека, вероятно, не является основной экологической нишей для этого микроба. б — Попадая по водному или пищевому пути передачи инфекции в агрессивную среду — тонкий кишечник человека, — вибрионы по организованности поведения начинают напоминать псевдоорганизм, основная задача которого — сдержать иммунный ответ и создать себе благоприятную среду для колонизации. Большое значение в координации действий внутри популяции бактерий и их взаимодействия с организмом отводится мембранным везикулам. До конца неизученные факторы среды в кишечнике являются сигналами для экспрессии в вибрионах малых РНК (например, VrrA). В результате запускается механизм образования везикул, являющихся неиммунногенными при низком числе клеток вибриона в кишечнике. Дополнительно к описанному эффекту малые РНК помогают «спрятать» потенциально провокационные для иммунной системы человека мембранные белки Omp. При косвенном участии малых РНК Qrr1—4 запускается интенсивная выработка холерного токсина (не показано на рисунке), что дополняет спектр адаптивных реакций холерного вибриона. в — Уже через несколько часов количество бактериальных клеток возрастает, а пул малых РНК VrrA уменьшается, что, вероятно, приводит к экспонированию мембранных белков. Количество «пустых» везикул также постепенно уменьшается, и на этом этапе они заменяются на иммунногенные, доставляемые в энтероциты. Видимо, это часть «плана» по реализации комплексного сигнала, смысл которого — спровоцировать эвакуацию вибрионов из организма человека. NB: соотношение размеров бактериальных клеток и энтероцитов не соблюдено.
рисунок автора статьи и Копаевой Е.А.
Видимо, роль малых РНК у всех бактериальных патогенов велика, но в особенности это верно для тех, у которых паразитизм — факультативная экологическая ниша, либо у которых патогенность — эволюционно молодое приспособление. В этом смысле показательным может стать чумной микроб, произошедший от псевдотуберкулезной палочки несколько тысяч лет назад. Установлено высокое сходство геномов псевдотуберкулезной и чумной бактерий, и, в то же время, различия в нуклеотидных последовательностях у более чем половины общих для них малых РНК-регуляторов. Резонно полагать, что малые РНК послужили формированию физиологических механизмов, приведших к появлению высоковирулентного чумного микроба, вызвавшего печально известные эпидемии «черной смерти». Но во многих других случаях малые РНК — все же «актеры второго плана», ведь разнообразие функциональных белковых молекул из 20 типов аминокислот трудно сравнить с аналогичным у РНК, имеющих в своем арсенале лишь четыре типа нуклеотидов.
Интересно проследить, как изменятся наши представления о малых РНК-регуляторах, когда будут получены новые данные на платформах RNAseq, в том числе, по свободноживущим и некультивируемым формам. Недавние работы с использованием «глубокого секвенирования» уже дали неожиданные результаты, указав на наличие микроРНК-подобных молекул у мутантных стрептококков [17]. Конечно, такие данные нуждаются в тщательной перепроверке, но, как бы то ни было, можно с уверенностью утверждать, что изучение малых РНК у бактерий преподнесет немало сюрпризов.
Благодарности
Оригинальные идеи и композиционное оформление при создании заглавного рисунка, а также рисунка 4 принадлежат выпускнице ИархиИ ЮФУ Копаевой Е.А. Наличие в статье рисунка 2 — заслуга доцента каф. зоологии ЮФУ Г.Б. Бахтадзе. Он же осуществил научную корректуру и доработку заглавного рисунка и рисунка 4. Автор выражает им огромную признательность за терпение и творческий подход к делу. Отдельная благодарность коллеге, с.н.с. лаб. биохимии микробов Ростовского противочумного института Сорокину В.М. за обсуждение текста статьи и высказанные ценные замечания.