http://www.rtcb.iitp.ru/s_and_c/Gelfand-2009-IMB.ppt Прочитать

http://www.svobodanews.ru/articleprintview/482599.html

30.01.2009 22:43

Наука: как были открыты РНК-переключатели

Ирина Лагунина

Ирина Лагунина: Обычно работу генов регулируют другие белки. Но экспериментаторы-биологи не могли обнаружить, какие именно. Но потом были открыты активные участки молекулы РНК, регулирующие работу генов, - так называемые РНК-переключатели. Их существование было предсказано биоинформатиками. О том, как это произошло, рассказывает доктор биологических наука, заместитель директора Института проблем передачи информации Михаил Гельфанд.

С ним беседуют Ольга Орлова и Александр Марков

Ольга Орлова: Михаил, вы рассказывали в прошлой программе, что биоинформатики работают в тесном содружестве с так называемыми «мокрыми» биологами, то есть биологами, которые капают в пробирки. И именно они, «мокрые» биологи, ставят перед вами содержательные задачи.

Михаил Гельфанд: Все больше и больше экспериментальных работ, которые либо стартуют с биоинформатического анализа, либо наоборот строятся в расчете на немедленный биоинформатический анализ, то есть не то, что после, а уже параллельно.

Александр Марков: И насколько я понимаю, белок уже не нужно, если мы хотим изучить работу какого-то белка, его не нужно с большими трудами выделять из клетки, его можно синтезировать искусственно, поскольку ген известен, это же рецепт.

Михаил Гельфанд: Совершенно верно, там есть куча сложностей, но сейчас, коль скоро этот ген нашли в геноме, нашли ген, кодирующий белок, нашли в геноме, дальше начинается генно-инженерная кухня, не любой белок можно экспрессировать не в каждой клетке, не то, чтобы это была легкая прогулка. Но теперь во всяком случае вы знаете, что реально смотреть. Вы раньше стартовали, как традиционная биология часто строилась: у вас есть функция, вы понимаете, что какой-то белок должен эту функцию исполнять, потому что вы ее видите, просто в клетке функцию видите и дальше очень долго пытаетесь найти кандидата, подходящего выделить белок, который мог бы эту функцию выполнять какими-то непрямыми способами. Потом пытаться найти для него, где он в геноме, чтобы можно было синтезировать, то, что вы сказали, для более подробного изучения. Сейчас на самом деле картинка перевернулась. У вас есть функция неизвестная, которую вы хотите изучить, вы ищете в геноме какой-то набор кандидатов, которые могли бы эту функцию выполнять, это на самом ровно то, чем мы занимаемся, мы пытаемся заполнять дырки в такой функциональной картине мира путем предъявления генов-кандидатов на заполнение этой функции. А дальше, если есть хорошие биоинформатики и при этом повезло, иногда бывает, что ничего не получается, а иногда удается что-то такое найти.

Мы очень далеко отклонились, потому вся эта история началась с того, что я делал биологический ликбез для того, чтобы рассказать пример красивого предсказания. Предсказание про регуляцию. У вас есть матрица, с которой вы считываете белок, она тоже свою собственную структуру, ее можно предсказывать. У нее есть участки, которые отвечают как раз за регуляцию, когда это будет работать, когда нет, а дальше было сделано следующее: была предсказана структура, которая отвечает за регуляцию некоторого конкретного набора генов. Был довольно в тонких деталях предсказан механизм регуляции за счет перестройки этой структуры.

Там история вот какая: РНК умеет взаимодействовать сама с собой и при этом, соответственно, в зависимости от того, каким образом она свернулась в эту взаимодействующую структуру, ген работает или нет. И эти участки, где РНК взаимодействует сама с собой, их, вообще говоря, можно предсказывать путем сравнительного анализа. Там та же самая история, то, что важно, то эволюционно сохраняется. И это дает возможность предсказывать структуры в РНК, которые играют регуляторную роль. Это была чисто вычислительная часть, это было наблюдено, что в разных организмах гены, которые делают одно и то же, есть очень похожие участки. Было предсказан механизм регуляции, который основан на том, что одна структура образует, то другая. А дальше был прыжок воображения, ту регуляцию, она была показана, Леша Ветрещак, мой аспирант это сделал, а был биолог, который к нам с этой задачей пришел, его регуляция конкретно генов интересовала, Юрий Иванович Козлов, и он тогда нас заставил написать, а не может ли быть так, что напрямую РНК взаимодействует с малой молекулой. Там идея вот в чем - эти структуры всегда взаимодействуют с чем-то еще, может быть с каким-то белком. Саморегуляция осуществляется за счет взаимодействия с кем-то еще. А здесь очень долго биологи искали дополнительный взаимодействующий объект и экспериментально он ни от куда не брался. Не было видно, чтобы это могло быть.

Александр Марков: То есть обычно работу генов регулируют белки. А тут такого белка не могли найти.

Михаил Гельфанд: Тут белка не было, ничего другого тоже не находилось, а уже были работы про то, что структуры РНК могут связывать малые молекулы напрямую. Чисто химически, не биологически, а химически.

Александр Марков: Вообще очень нетривиальная мысль, потому что все привыкли считать, что РНК, ДНК - это чисто информационные молекулы, как текст, который читается. А тут оказалось, что этот текст может проявлять активность.

Михаил Гельфанд: На самом деле РНК ферменты известны. Была регуляторная структура, но тоже Юрий Иванович заставил в конце статьи маленькими буквами написать, что а не может ли так быть, что вот эта структура напрямую взаимодействует с малой молекулой. И это собственно то, на чем мы теперь объясняем, что мы придумали РНК-переключатель мы первыми.

Александр Марков: Вы претендуете на открытие РНК-переключателя, что это вы придумали первыми?

Михаил Гельфанд: В общем, да. Потом было проверено экспериментально. Механизм альтернативных структур - это была чистая биоинформатика, а то, что это будет напрямую взаимодействовать с малой молекулой - это чисто биологическая интуиция, основанная на том, что химически такого сорта вещи уже были показаны.

Александр Марков: То есть получается совершенно новая, неизвестная система регуляция работы генов была открыта, можно сказать, на кончике пера.

Михаил Гельфанд: Там на самом деле забавная история, потому что одновременно с нами в Йелле группа работала над этим же самым. Они про нас не знали, мы про них не знали. Но они шли наоборот от биохимии. Они изучали РНК структуры, которые связываются с малыми молекулами, а потом у них была идея, раз они такую структуру могут вырастить в пробирке, то наверное, такого же сорта структуры могли бы существовать и в живой клетке тоже, потому что естественно. Они пошли по-другому, они стали искать статьи, в которых есть такие примеры необъяснимой регуляции. Регуляция происходит на уровне РНК, но при этом никакого другого объяснения кроме того, что РНК сама с кем-то взаимодействует, не видно. Нам повезло, потому что мы на полгода раньше опубликовались, поэтому в этом смысле приоритет некоторый есть у вычислительной науки.

Александр Марков: Можете сказать популярно, типа для дошкольников, что такое РНК-переключатель?

Михаил Гельфанд: Что такое РНК-переключатель? Представим себе следующее: у нас есть молекула РНК, то, что мы раньше называли матрицей. ДНК - молекула двухцепочечная на самом деле, там по одного цепи однозначно восстанавливается другая, поэтому реально все про вторую цепь забывают, кроме упертых биохимиков, которые всегда это имеют в виду. С нашей точки зрения, это просто последовательность символов. И это такая длинная двойная спираль, картинку все видели. А РНК молекула одноцепочечная, но поскольку химическая природа такая же как у ДНК, если структура подходящая, то отдельные ее части могут взаимодействовать друг с другом, образуя маленькие двухцепочные участки вроде шпилек. Если кто видел старую заколку для волос, там такие две палочки, на конце маленькая головка, вот это на самом деле очень хорошая модель. То есть РНК на самом деле по чисто химическим причинам любит образовывать такие маленькие двойные спиральки. Они потом далее взаимодействуют, на самом деле более сложная структура. Для нашей целей достаточно, что есть такие шпильки. А дальше представим себе, что у нас в эту шпильку попал участок, который говорит, что здесь надо начинать синтезировать белок. Тогда та машинка, которая синтезирует белок, она не может увидеть, он спрятан в шпильке, она не может увидеть свой сигнал для начала и соответственно синтеза белка не происходит. А дальше представим себе, что эти шпильки иногда образуются, иногда нет. Соответственно если она образовалась, синтеза белка нет. Если этой шпильки нет, то синтез белка есть.

И собственно предсказание состояло в двух вещах. Такого сорта примеров регуляции довольно много на самом деле. Когда образуется то одна шпилька, то другая, одна шпилька разрешает белку синтезироваться, она не прячет участок начала, а другая шпилька прячет участок начала. И в зависимости от каких-то условий образуется то одна шпилька, то другая. Такого сорта примеры были, они классические, хорошо изученные, но раньше всегда образование структур определялось тем, что есть какой-то третий игрок, например, белок, есть белок, который стабилизирует одну из этих шпилек. А если он ее не стабилизирует, то образуется другая, потому что она мощнее. Такого сорта примеры были. Отдельно были примеры другого сорта. Были примеры структур РНК химически синтезированных, которые способны связывать малые молекулы. Такого сорта примеры тоже были.

Ольга Орлова: В чем значение этого открытия?

Михаил Гельфанд: Могу попробовать. В чем собственно состояло достижение. Что, во-первых, был найден пример этих регуляций на уровне альтернативных структур РНК. В первое время было, нашли еще один пример, было красиво, хорошая статья в приличном журнале. А некий прыжок воображения состоял в том, что эти структуры напрямую связывают малые молекулы. Было сопоставление, во-первых, биоинформатческого предсказания про регуляцию за счет образования альтернативных структур. Во-вторых, биологических косвенных соображений, что там вроде бы не видно никаких третьих игроков и это то, что от биологов пришло, которые собственно эту задачу ставили. А третье, из химии пришло знание о том, что вообще-то РНК может малые молекулы связывать напрямую. Когда это соединили в один текст, вот тогда было это предсказание сделано.

Александр Марков: То есть там фактически некая конструкция, не одна шпилька из двух-трех, я упрощенно, она работает как рецептор фактически, она схватывает малую молекулу, меняет свою конфигурацию, и соответственно, освобождаются участки.

Михаил Гельфанд: На самом деле наоборот она схватывает малую молекулу, да разные, там есть активаторы, есть депрессоры. Были красивые работы экспериментальные, которые люди в Йелле делали, они довольно быстро биоинформатике научились. Надо сказать, что экспериментальному биологу биоинформатике научиться проще, чем биоинформатику научиться капать. Часто они умеют делать то же самое, может быть чуть хуже, я не знаю. Мы ушли немножко в другую область, мы начали смотреть эволюцию этих структур, как они возникают. Я сказал упрощенный вариант, что одна шпилька и другая, на самом деле там есть действительно две альтернативных конструкции, там шпилек больше, чем две. И когда приходит малая молекула, она активизирует одну из этих конструкций, а по умолчанию образуется другая. А после этого вся игра идет на том, что начало трансляции или открыто или закрыто.

Ольга Орлова: Очень сложный механизм работы РНК-переключателя описал нам Михаил. Александр, может быть вы как-то поясните проще?

Александр Марков: Начинается синтез РНК и там молекулы РНК, ее даже не дочитали, она не синтезирована, но ее уже прочтенный кончик начинает сам собой сворачиваться в некую трехмерную штуку трехмерную структуру. Эта трехмерная структура, она обладает свойствами рецептора, то есть она связывается с малой молекулой или не связывается, в зависимости от концентрации молекул. Если их много, то они связываются с этой трехмерной структурой РНК. Эта трехмерная структура РНК от этого меняет как-то свою конфигурацию, и это может привести к тому, что прочтение гена прекратится на этом, и он не будет дочитан. То есть получается, что в ходе прочтения гена считываемый ген сам воспринимает сигнал из внешней среды и предпринимает активные действия, которые могут, например, привести к прекращению прочтения. Представьте себе, что вы читаете книгу и, вдруг в зависимости от условий, строчки из этой книги вылезают из страницы, образуют какую-то штуку сложную и закрывают вам глаза, чтобы вы дальше не читали.