(Laguna Design/Science Photo Library)

В недавно опубликованной в журнале Nature статье ученые из Медицинского центра Университета Рочестера описали совершенно новый метод изменения генетического кода. Результаты их экспериментов имеют огромное значение: новый метод может помочь изменить течение тяжелейших генетических заболеваний, таких как кистозный фиброз, мышечная дистрофия и многие формы рака.

Генетический код – набор инструкций в гене, которые «указывают» клетке, как делать конкретный белок. Центральную роль в процессе синтеза белка играет матричная РНК (мРНК), которая получает инструкции из ДНК и руководит дальнейшими биохимическими шагами. Ученым впервые удалось искусственно модифицировать матричную РНК и, таким образом, изменить первоначальные инструкции. Конечный результат: белок, отличный от закодированного в гене.

«Возможность манипулировать выработкой белка конкретного гена – новое чудо современной медицины», – говорит доктор философии Роберт Бамбара (Robert Bambara), заведующий кафедрой биохимии и биофизики Медицинского центра Университета Рочестера (University of Rochester). «Это действительно очень мощная концепция, которую можно использовать для попыток подавить тенденцию к развитию некоторых тяжелейших и иногда фатальных генетических заболеваний, способных навсегда изменить жизнь человека».

Синтез белков далеко не идеальный процесс. Частые мутации в ДНК и матричных РНК приводят к выработке белков с нарушенной структурой, которые потенциально могут нанести вред организму. В данном исследовании ученые сосредоточили свое внимание на распространенном типе мутаций, обусловленном тем, что молекула матричной РНК содержит преждевременный стоп-сигнал, известный как преждевременный стоп-кодон. Преждевременный стоп-кодон «приказывает» клетке остановить считывание генетических инструкций в середине процесса, приводя к синтезу неполного, или укороченного, белка.

Ученым удалось изменить матричную РНК таким образом, что стоп-сигнал был преобразован в сигнал продолжения считывания. Образно выражаясь, красный свет светофора был переключен на зеленый. В результате клетка смогла прочитать генетические инструкции до конца и создать нормальный белок. Исследователи воспроизвели эти результаты как in vitro, так и in vivo – в живых клетках дрожжей.

«Это замечательный результат», – считает руководитель исследования профессор биохимии и биофизики доктор философии И-Тао Ю (Yi-Tao Yu). «Никто никогда не думал, что можно изменить преждевременный стоп-кодон таким образом, как это сделали мы, и позволить трансляции идти до конца, не прерываясь».

Роберт Бамбара (Robert Bambara),
Ph.D. (Фото: urmc.rochester.edu)

Полученные результаты трудно переоценить, так как по последним данным преждевременные стоп-кодоны, приводящие к синтезу неполных белков, являются причиной примерно трети генетических заболеваний. Новый метод позволит ученым разработать терапевтические стратегии, способные помочь организму «отменять» преждевременные стоп-кодоны и вырабатывать адекватные количества полных белков, отсутствие которых вызывает такие заболевания, как кистозный фиброз, и вносит вклад в развитие различных типов рака.

Для модификации матричной РНК профессор Ю вместе с первым автором статьи доктором философии Джоном Карийоличем (John Karijolich) использовал другой тип РНК – РНК-проводник (guide RNA, gRNA). РНК-проводник – короткая РНК, связывающаяся со специфическими последовательностями матричной РНК и позволяющая модифицировать один ее конкретный участок.

«РНК-проводники дают нам в руки огромные возможности воздействовать на конкретный участок генома и целенаправленно изменять его», – отмечает профессор Бамбара.

Ученые создали искусственную gRNA и «запрограммировали» ее: gRNA должна была найти свою мишень – конкретный стоп-кодон в одной из мРНК – и модифицировать ее.

«В предыдущих исследованиях были представлены другие способы модификации генетического кода, но наш метод уникален тем, что модификация осуществляется на уровне РНК и является высокоспецифичной. Мы может вызвать экспрессию искусственной gРНК в клетке и направить ее на модификацию отдельно взятого сайта, причем только этого сайта», – объясняет профессор Ю.

«То, что эта стратегия работает – созданная нами gРНК нашла путь к своей мишени, стоп-кодону, и вызвала желательное изменение структуры – просто замечательно. Считалось, что РНК-проводники не имеют доступа к мРНК, поэтому никто не верил, что матричная РНК может стать мишенью для модификации РНК-проводниками», – говорит Карийолич. «Наши эксперименты поднимают вопрос о том, может ли подобный процесс происходить естественным путем».

Подобная модификация матричной РНК может являться еще одним механизмом, который человеческие клетки используют для создания различных типов белков. Принимая во внимание нашу сложность, у человека удивительно мало генов. Ученым хорошо известно, что большинство генов человека кодируют больше чем один белок. Возможно, модификация мРНК является одним из тех еще непонятых способов, с помощью которого организм человека способен синтезировать такое огромное белковое разнообразие.

Профессор Ю планирует продолжить свои исследования и установить, происходит ли адресная модификация матричной РНК естественным путем и, если да, выяснить детали этого процесса.

Аннотация к статье

Converting nonsense codons into sense codons by targeted pseudouridylation

Доктор Роберт Бамбара о путях сохранения ДНК