В конце 90-х годов было открыто явление РНК-интерференции, что позволило ученым использовать это в своих дальнейших исследованиях, а также разрабатывать на основе РНК-интерференции методики лечения тяжелых заболеваний. Что такое РНК-интерференция, и почему она может стать действенным инструментом в лечении тяжелейших заболеваний?
Навигация по статье:
- КРАТКИЙ ЭКСКУРС В МОЛЕКУЛЯРНУЮ БИОЛОГИЮ
- ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
- ОТКРЫТИЕ РНК-ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
- ЛЕЧЕНИЕ РАКА, ДИАБЕТА И ДРУГИХ ТЯЖЕЛЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
- ДЛИННЫЕ НЕКОДИРУЮЩИЕ РНК - ЕЩЕ ОДНА МИШЕНЬ ДЛЯ РНК-ТЕРАПИИ
Краткий экскурс в молекулярную биологию
Последние 30 лет происходит бум в области молекулярной медицины. Ученым удалось добраться до мельчайших структур клетки, которые ответственны за программу ее жизнедеятельности. Главным образом, это касается «святая святых» клетки - ДНК. Именно эта молекула содержит всю информацию о живом организме, то есть наборе белков, который и определяет наши характеристики (например, цвет глаз, склонность к диабету и другие).
Как же это работает? Каким образом информация, заключенная в ДНК, преобразуется в белок? Для понимания этого процесса необходимы базовые понимания в молекулярной биологии, которые известны еще с уроков биологии в школе.
Молекула ДНК - это длинные молекулярные цепи, состоящие из звеньев 4 типов. Это четыре молекулы - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Ваша уникальность состоит в уникальной последовательности и комбинации этих 4 букв, которые присущи только вам, и никому другому. Вот эта самая последовательность и заключает в себе всю информацию о вас.
Принцип комплементарности
Молекула ДНК двуцепочечная, при этом напротив каждого аденина стоит тимин, а напротив каждого цитозина - гуанин. То есть, если фрагмент последовательности одной цепи выглядит как АТТГЦАТ, то второй (противолежащий) фрагмент будет иметь последовательность ТААЦГТА. Это принцип комплементарности, который был открыт Эрвином Чаргаффом - американским биологом родом из Черновцов.
Эрвин Чаргафф - один из наиболее выдающихся ученых, внесший огромный вклад в развитие молекулярной биологии. Ученый был членом Национальной академии наук США, Парижской академии наук, Академии наук Нидерландов, а также Немецкой академии естественных наук. За всю свою трудовую деятельность был награжден многими премиями и медалями, однако Нобелевской премии так и не удостоился. Умер в 2002 году в возрасте 96 лет.
Длина молекулы ДНК в клетке составляет около 2 метров, но она имеет несколько уровней компактизации, что позволяет ей уместиться в клетке. На всей протяженности ДНК располагаются ваши гены, откуда считывается информация для синтеза белков. Как это реализуется?
ДНК хранится в ядре клетки и защищено от внешнего воздействия двуслойной мембраной. Если клетке необходим синтез определенного белка, то в клетку подается определенный сигнал, и с нужного клетке гена (который кодирует нужный белок) делается копия - РНК, которая выводится из ядра клетки в цитоплазу. На РНК садятся молекулярные машины, называемыми рибосомами, которые считывают последовательность РНК и в зависимости от этой последовательности происходит синтез белка.
Центральная догма молекулярной биологии
Возникает закономерный вопрос - для чего нужна РНК? Почему информация не может считываться сразу с ДНК? Для чего в ходе эволюции возникает этот механизм, при котором посредником выступает РНК?
Все очень просто. Представьте, что вы в одно из своих путешествий сделали огромное количество фотографий, около тысячи. Они все хранятся на вашем компьютере. Однако распечатать вы хотите только 10 фотографий. Что вы будете делать? Скорее всего, вы скопируете 10 нужных вам фотографий на флешку и отнесете ее в копи-центр, где вам распечатают ваши фотографии. Вы, конечно, могли бы распечатать всю тысячу фотографий и отобрать для себя 10 нужных, но это крайне не выгодно - затратно по времени и по финансам.
Такой же принцип, как и с фотографиями, реализуется в наших клетках. В данном случае в роли компьютера с базой всех фотографий выступает ДНК. А РНК - это флешка с копиями нужных вам фотографий. Копи-центр - это уже рибосома, на которой происходит синтез конечного продукта - белка (или готовой фотографии, если проводить аналогию). Другими словами, если для продукции одного белка необходимо один или несколько генов, то нет никакого смысла считывать все 20 тысяч генов, которые расположены в ДНК. Это бы занимало огромное количество времени и ресурсов. А эволюция идет по пути наименьшего сопротивления энергии, вот мы и получили такой удивительный механизм - ДНК-РНК-белок. Эта цепочка преобразований и есть центральной догмой молекулярной биологии, которая позволяет понять базисный принцип, благодаря которому осуществляется реализация закодированной в ДНК информации.
Одинаковая ДНК, но разные клетки. Почему так?
В каждой клетке ДНК одинаковая. Но тут возникает вопрос - если ДНК клетки сердца и ДНК клетки кожи одинаковы, то почему эти клетки такие разные по внешнему признаку и по функциям, которые они выполняют? Почему в клетках кожи нет специфических белков, которые присущи только сердечным клеткам? Все очень просто… Дело в том, что гены, которые отвечают за производство специфических сердечных белков, в клетках кожи и в клетках других органов (кроме сердца) заглушены. То есть они просто не считываются, а в клетках сердца работают только те гены, которые необходимы для полноценного функционирования сердечных клеток. Такая тонкая регуляция осуществляется сложным каскадом молекулярных превращений, о котором нам знать не обязательно для понимания дальнейшей информации о методе РНК-терапии.
Открытие РНК-интерференции
В 1998 году ученые Крейг Мелло и Эндрю Файер обнаружили опубликовали статью в журнале Nature, где описали эффект сайленсинга (приглушивания) генов после введение двуцепочечной РНК у круглого червя. То есть, появилась возможность выключить определенные гены на определенное время. Для этого используются малые РНК, которые называются интерферирующими. А сам процесс подавления экспрессии гена таким образом назвали РНК-интерференцией.
Филлип ШарпАмериканский биолог, генетик, молекулярный биолог, лауреат Нобелевской премии
Если у человека дефективные микроРНК, это может иметь различные последствия, начиная от психических заболеваний, аномального развития и заканчивая множеством проблем. В частности, потеря активности микроРНК — одна из основных причин образования опухолей. В наших клетках есть биохимическая система, которая берет малые РНК и функционально соединяет их с соответствующей мРНК. Эту систему можно эффективно использовать, если удастся доставить РНК в клетку. Таким образом, если знать структуру гена, можно сделать малую РНК, которая будет подавлять его экспрессию. В наших клетках существует система для определения таких РНК и подавления экспрессии генов. Перед нами открылась великолепная возможность лечить болезни при помощи малых РНК, вводя их в клетки и подавляя экспрессию генов, вызывающих болезнь.
Открытие РНК-интерференции побудило ученых к созданию нового класса препаратав - антисенсов (антисмысловые нуклеотиды), которые представляют собой короткие нуклеотидные цепочки, способные комплементарно связываться с матричными РНК (которые ответственны за синтез белка), не давая им возможность связываться с рибосомами и синтезировать белок.
Виктор Досенко Медицинский генетик, профессор, доктор медицинских наук
Сегодня многие лаборатории мира увлечены изучением РНК-интерференции. Только представьте, что у нас появилась возможность избирательно подавлять активность того или иного гена на определенное время. Если тот или иной ген «разбушевался» и его активность организму наносит большой вред (что часто бывает при патологиях), то мы его просто можем выключить до тех пор, пока он не «успокоится». Например, есть ген липоксигеназы - белка, который отвечает за реализацию воспалительного процесса. Так вот, при ишемии этот воспалительный процесс совершенно нежелателен, поскольку наносит непоправимый вред сердечной мышце. А что, если заглушить этот ген во время острой фазы инфаркта миокарда? Мы это проделали в нашей лаборатории, где показали, что РНК-интерференеция гена липоксигеназы снижает размер инфаркта миокарда у крысы в 4 раза, что является великолепным результатом. Прелесть такой терапии в том, что она временная, ведь тот же ген липоксигеназы организму нужен, и выключать его навсегда нельзя.
Лечение рака, диабета и других тяжелых заболеваний
Антисмысловая терапия с использованием антисенс-нуклеотидов имеет большой потенциал для внедрения в клиническую практику. Уже применяется несколько препаратов, которые проявляют различную степень эффективности при тех или иных патологиях. В настоящее время ведутся активные исследования по использованию малых РНК, которые могут соединяться с сахаров в крови человека. Такие РНК можно вводить подкожно (как и инсулин). Они захватывают сахар и дальше транспортируют его в печень. Активно разрабатываются препараты-антисенсы для лечения рака, сердечно-сосудистых заболеваний и других патологий.
Сегодня на рынке уже имеется несколько препаратов на основе антисенсов. Вот некоторые из них:
- Mipomersen - препарат, который подавал большие надежды в лечении заболеваний, связанных с повышенным уровнем липопротеинов низкой плотности - плохим холестерином, который является причиной развития атеросклероза, инфаркта миокарда и инсульта. Одним из основных компонентов липопротеинов низкой плотности является белок АроВ-100. Препарат Мипомерсен связывается с матричной РНК этого белка, не давая возможности этому белку синтезироваться. Как показали клинические исследования, препарат действительно снижал уровень плохого холестерина, однако препарат оказался слишком токсичным для печени. По этой связи Управление США по контролю за лекарствами и пищевыми продуктами (FDA) одобрило этот препарат к применению лишь для ограниченного пользования, а вот Европейское медицинское агентство отказало в регистрации этого препарата.
- Eteplirsen - препарат, который разрабатывался для лечение тяжелого заболевания - миодистрофии Дюшена. Эта патология возникает при дефектах в гене, отвечающего за синтез дистрофина - белка мышечных клеток, защищающего мышцы от повреждений. При данной патологии уже к 12 годам ребенок становится инвалидом из-за прогрессирующей слабости мышц. Средний срок жизни таких больных составляет 20-30 лет. Клинические исследования препарата Этеплирсен проводились на 12 больных. Было показано увеличение продукции белка дистрофина. Тест на 6-минутную ходьбу у таких пациентов не показал явных ухудшений, что можно интерпретировать как успех. Однако данных, которые безоговорочно могли бы свидетельствовать о терапевтическом действии препарата, пока нет. Остается непонятным, достаточен ли прирост в продукции дистрофина для замедления прогрессирования заболевания? Несмотря на то, что эксперты были против, FDA под давлением общественности все же зарегистрировал этот препарат для лечения миодистрофии Дюшена.
- Nusinersen - один из немногих антисенсов, который одобрен в использовании в США, Европе и ряде других стран. Это препарат, который используется в лечении спинальной мышечной атрофии у взрослых и детей. Это редкая патология, связанная с дефектами в гене SMN1, кодирующего белок, который необходим для выживания моторных нейронов. Препарат Нусинерсен показал хорошие терапевтические возможности - у 40% больных в контрольной группе наступило улучшение. Но самое главное - препарат не токсичен, что позволило его одобрить как в США, так и в ЕС и Японии.
Важной задачей для разработчиков РНК-препаратов является система доставки этих молекул в организм. В настоящее время для этого используются липосомы или наночастицы. Также рассматривается вариант доставки антисенсов с помощью вирусов.
Длинные некодирующие РНК - еще одна мишень для РНК-терапии
На протяжении длительного периода времени предполагалось, что РНК являются лишь промежуточным звеном между ДНК и белком. То есть, РНК необходимы только лишь для кодирования белков. Однако со временем выяснилось, что все далеко не так. На белок-кодирующую часть приходится всего лишь 2% от всего генома в клетке. Что же с остальными 98%? Нужны ли они клетке?
Долгое время считалось, что некодирующий геном является мусорной ДНК, то есть она совершенно не нужна клетке. Однако вскоре выяснилось, что это совсем не так. Оказывается, в клетке существует огромное количество других РНК, которые никак не связаны с кодированием белка. Львиная доля таких РНК относится к длинным некодирующим. Это относительно новый класс молекул, которые активно стал изучаться последние 10 лет.
Михаил Хецуриани Молекулярный биолог, биохимик, аспирант Института физиологии им. Богомольца
На сегодняшний день известно свыше 35 тысяч разных длинных некодирующих РНК. Это удивительные молекулы, которые могут выполнять разнообразные функции в организме. В настоящее время установлено, что они принимают участие в развитии раковых заболеваний, сердечно-сосудистых патологий, ожирения и некоторых других болезней. Как и матричную РНК, длинную некодирующую РНК также можно выключить с помощью РНК-интерференции. В нашей лаборатории мы пытаемся определить те длинные некодирующие РНК, которые вовлечены в некоторые сердечные патологии. Что это нам даст? Во-первых, это может стать неплохим ранним маркером заболевания (в том случае, если эта РНК будет обнаруживаться в крови). Во-вторых, если длинная некодирующая РНК является одной из основных причин патологических изменений в сердце (например, обуславливает развитие гипертрофии), то мы можем попытаться ее выключить. Но основная задача - обнаружить эти длинные некодирующие РНК, а дальше - дело техники.
Как мы видим, сегодня ученые всего мира вплотную приблизились к лечению основных причин заболеваний - генетическим нарушениям и мутациям. Одним из элементов такого лечения является РНК-интерференеция. Несмотря на всеобщий оптимизм в научных кругах, у этого метода пока еще остается множество проблем. Одна из основных - безопасность. Многие из РНК-препаратов слишком токсичны для организма. Необходима разработка безопасных систем доставки к целевым мишеням, что позволит добиться терапевтического эффекта без существенного ущерба здоровью.
