Как клетка распутывает запутанную РНК

Мобильные генетические элементы могут превратить клеточную РНК в перепутанный клубок, из которого невозможно извлечь никакую информацию – однако у клетки есть специальные белки, которые такой клубок могут легко распутать.

Как известно, лишь небольшая доля нашей ДНК кодирует белки, а основная часть генома как будто и не нужна. Эту якобы ненужную часть в свое время назвали «мусорной» ДНК – в ней видели просто балласт, накопившийся по каким-то причинам за миллионы лет эволюции. Однако сейчас на самом деле так уже никто не думает – в некодирующей ДНК есть масса генетических элементов, которые, пусть и не несут никакой белковой информации, но все же играют в жизни клетки огромную роль.

В «мусорной» ДНК есть довольно много транспозонов – так называют особые последовательности нуклеотидов, которые перепрыгивают из одного места генома в другое. Транспозонов существует несколько разновидностей. Некоторые из них перемещаются с помощью механизма «вырезать и вставить» – транспозон физически уходит из одного места, чтобы вставить себя в другой участок ДНК. Другие поступают иначе, рассеивая свои копии по геному (механизм «копировать и вставить»). Считается, что, по крайней мере, часть транспозонов произошла от вирусов, которые некогда попали в клетку, да так в ней и остались.

В ДНК человека одни из самых многочисленных транспозонов – это Alu-элементы, которые распространяются по механизму «копировать и вставить». Их насчитывается более 1,1 млн копий, что в сумме составляет 10,7% человеческого генома. Большинство из них уже неактивны, то есть уже никуда не «прыгают», однако те, что еще работают, могут доставить большие неприятности.

Легко понять, что если транспозон попадет в какой-нибудь важный ген, то он его просто испортит – и действительно, Alu-элементы могут стать причиной таких заболеваний, как гемофилия, рак молочной железы и некоторых других. С другой стороны, известно, что те же Alu-элементы бывают полезны с эволюционной точки зрения. Их последовательности часто встают рядом, так что между одним транспозоном и другим оказывается какой-то ген или несколько генов.

Фокус тут в том, что такие стоящие рядом транспозоны при самокопировании захватывают и то, что находится между ними. В результате в геноме появляется лишняя копия какого-то гена, которая может свободно меняться, пока «исходник» продолжает выполнять необходимые для организма функции.

Считается, что именно благодаря Alu-элементам у некоторых обезьян – в том числе и у тех, которые были предками человека – заново появилось прежде утраченное трехцветное зрение, то есть способность видеть синий, красный и зеленый. В какой-то момент транспозоны в геноме приматов сделали копию гена фоточувствительного белка опсина, и эта копия впоследствии «освоила» третий цвет. (Другой характерный пример, о котором мы писали два года назад – как транспозоны научили млекопитающих беременности.)

То есть активные транспозоны могут быть как хорошими (помогая биологическому виду обзавестись новыми удачными свойствами), так и плохими (становясь причиной опасных мутаций). Однако как с активными, так и со спящими прыгающими последовательностями может возникнуть одна существенная проблема. Напомним, что ДНК сама по себе только хранит информацию, а чтобы эта информация заработала, нужна молекула-посредник – РНК.

На разных участках ДНК синтезируются сравнительно короткие РНК, которые служат шаблоном для сборки белковых молекул. Из-за огромного количества Alu-элементов в геноме часто бывает так, что РНК, скопированная с ДНК, кроме собственно информационной нуклеотидной последовательности, несет на себе еще и последовательности транспозонов. Эти последовательности транспозонов не обязательно портят смысл главного сообщения, они могут находиться, например, по бокам от него, или в бессмысленных промежутках между смысловыми кусками.

Однако проблема в том, что нуклеотидные последовательности Alu-элементов легко слипаются друг с другом. В результате РНК из более-менее ровной, хорошо читаемой «нитки» превращается в нечитаемый ком – молекулярные машины, которые готовят РНК к синтезу белка и которые сами синтезируют белок, просто не могут работать с такой перепутанной структурой.

Но у клетки, конечно, есть инструменты и на такой случай. Исследователи из Института иммунобиологии и эпигенетики Общества Макса Планка пишут в своей статье в Nature про белок DHX9. Это хеликаза, то есть фермент, занимающийся распутыванием нуклеиновых кислот; хеликаз есть много, одни из них специализируются на ДНК, другие – на РНК, и DHX9 принадлежит как раз к тем, кто работает с РНК. Если DHX9 выключить, то в клетке станут накапливаться те самые нечитаемые комки РНК, и начнется нехватка тех белков, информация о которых содержится в запутанных РНК.

DHX9 целенаправленно узнает Alu-элементы в РНК и распутывает их. Но если бы хеликаза работала в одиночку, то, наверно, это было бы не так уж и продуктивно. У DHX9 есть, по меньшей мере, один помощник: особый белок, который редактирует РНК – иными словами, он химически модифицирует нуклеотиды, которые входят в Alu-последовательность, и после такой редактуры Alu-элементы становятся безопасны.

Конечно, тут само собой возникает предложение вообще избавиться от Alu-элементов прямо в ДНК – что было бы более эффективно, чем следить за постоянно синтезирующимися РНК и расплетать те, которые оказались запутанными. Однако либо такой молекулярный аппарат создать слишком сложно, либо же такие транспозоны, несмотря на все хлопоты, с ними связанные, представляют важный источник генетической изменчивости, от которого с эволюционной точки зрения было бы глупо отказываться.

Разумеется, это далеко не единственная молекулярная уловка, которую нашим клеткам пришлось выдумать в связи с транспозонами. Для примера – какое-то время назад мы рассказывали о том, что в геноме приматов есть более полутора сотен белков, чья задача – по крайней мере, раньше – состояла в том, чтобы держать орду транспозонов под контролем.