В Цюрихе после рождественской вечеринки в доме Тоби Дельбрюка (сына Макса) мы проводили эксперимент со сайленсингом. Мои коллеги хотели выяснить, почему поют птицы, и в своей лаборатории с соответствующим уровнем безопасности мы помогали подготовить вирус для малых интерферирующих РНК различных генов. Мы проверили, какие именно гены привели к сайленсингу у птиц. Среди них был и FoxP2-подобный транскрипционный фактор, влияющий на способность говорить. Мы выясним, какой ген позволяет птицам петь и лишает этой способности.
Сайленсинг генов у червей C. elegans осуществляется путем их соответствующего кормления. Черви могут питаться малыми интерферирующими РНК, обусловливающими сайленсинг. Мы использовали малые синтетические интерферирующие РНК и поместили их в чашку для культивирования. В природе черви секретируют миРНК в качестве защитных противовирусных сигналов, чтобы предупредить других червей в популяции. Многие черви живут в земле и ведут себя практически как единый организм, поэтому диффузии миРНК вполне достаточно. Этот секретируемый сигнал напоминает интерферон, который покидает клетку, подвергшуюся опасности, предупреждая соседние клетки о вторжении. Система интерферонов и система сайленсинга siRNA имеют некоторое сходство, это похожие механизмы, действующие в мире РНК и белка!
Секретированные малые интерферирующие РНК есть у филярий (черви), грибов, растений и даже у млекопитающих, где мы их и выявили (к нашему удивлению, но сайленсинг довольно слаб и над ним доминируют другие иммунные системы). Черви – удивительные организмы. У них обнаружили противовирусные миРНК, но не обнаружили вирусов. Неужели вирусы червей «заглушены» навсегда? В этом случае черви могли бы стать единственной биологической системой на планете, которая совершенно свободна от вирусов. Недавно во Франции в питомниках, расположенных под Парижем, у червей C. elegans был обнаружен вирус Orsay. Но выяснилось, что это был лабораторный вид с дефектной иммунной системой, поэтому у них не наблюдалось миРНК-защитной системы. Только так вирус мог проникнуть в организм червей и реплицироваться. Сегодня все вирусы, как правило, выводятся из клетки. Однако в стволовых клетках этих червей примерно 12% транспозируемых вирусоподобных элементов, в основном транспозоны. Предполагается, что их источником являются ранее имевшие место инфекции – должно быть, ранее черви столкнулись с ними и произошла интеграция. Я не верю в то, что это «единичные исключения»: разве могут быть черви единственным видом живых существ на Земле, у которых нет вирусов? Возможно, их уже нет, или нам такие вирусы пока неизвестны. В этой области необходимо проводить дополнительные исследования. Показательный пример обитания C. elegans – парижские фруктовые сады, где эти нематоды приобрели алкогольную зависимость, питаясь гниющими яблоками. Это стоит запомнить, потому что в заключительной главе упомянутый факт приведет к еще большему сюрпризу.
Мой коллега из Москвы Алексей Мацкевич обнаружил, что у людей в клетках все еще сохраняется слабая система сайленсинга на основе малых интерферирующих РНК. Это довольно неожиданно, поскольку у нас, как уже отмечалось, «более совершенные» и хорошо развитые иммунные системы: интерфероны и иммуноглобулины. Малые «интерферирующие» РНК называются почти так же, как интерфероны, и это верно. Система сайленсинга существует, но она слабая и перекрывается другими, более сильными (чтобы продемонстрировать систему сайленсинга, малые «интерферирующие» РНК, Алексу пришлось сначала осуществить сайленсинг системы интерферонов; после этого вирусы гриппа реплицировались в четыре раза лучше).
Мы опубликовали эти удивительные результаты. Через восемь лет наш коллега опубликовал такие же данные, но «по рассеянности» не обратил внимания на наши, понадеявшись, что рецензенты этого не заметят. И они действительно не заметили. Время покажет, как долго такое будет оставаться безнаказанным (у этого исследователя в настоящее время есть некоторые проблемы из-за других «забытых» фактов).
Однажды я обратила внимание, что у вирусов и системы сайленсинга для противовирусной защиты схожи не только «ножницы», но и весь набор инструментов, состоящий из 12 компонентов. В 2007 г. на симпозиуме в Колд-Спринг-Харбор я рассказала об этом Дж. Уотсону. Незадолго до этого на обложке Nature был опубликован снимок структуры защитных «ножниц», которая свидетельствует о сходстве между вирусными и противовирусными «ножницами» (РНКаза и PIWI). Уотсона сразу же убедили мои наблюдения относительно сходства между системами защиты у вирусов и противовирусной защитой. Он уловил смысл моей идеи и тут же сказал: «Представьте рукопись, я поговорю с Брюсом». Он имел в виду Брюса Стилманна, который сменил его на посту руководителя лаборатории. И действительно, Уотсон поговорил с ним в тот же день, и рано утром на следующий день Брюс взял мою рукопись, чтобы включить ее в авторитетный сборник материалов симпозиума. Как здорово! Никогда ранее мою рукопись не брали в печать так быстро – как правило, личное приглашение направляется задолго до публикации. И что лучше всего, я не провела ни одного эксперимента, а лишь сравнительный анализ. И до сих пор не написала полную статью.
Как хорошо для читателя, все просто – вирусная и противовирусная защита тесно взаимосвязаны. Кто у кого научился? (Полагаю, что изобретателями являются вирусы.) Интересно отметить, что трудно проследить взаимоотношения двух пар «ножниц» из их генетических последовательностей, скорее это можно сделать на основе их структур. Это не вполне верно, поскольку существует очень небольшое число структурообразующих связей, сформированных тремя типичными консервативными аминокислотами (D, D, E), которые, однако, трудно найти среди других 120 аминокислот. По крайней мере мы не смогли их обнаружить, хотя и искали. Таким образом, структура гораздо важнее последовательности, и об этом стоит помнить! Подобные функции называются «ортологические». В настоящее время «ножницы» РНКазы считаются самой часто встречающейся укладкой белка и доменами в биологии вообще, о чем свидетельствует открытие, сделанное специалистом по эволюционному развитию и биоинформатике Густаво Каэтано-Аноллесом из Иллинойса, которое удивило меня. РНКаза Н – самые древние «ножницы» в мире! При анализе данных по многочисленным образцам, собранным в 2015 г. во время экспедиции Tara Oceans, было изучено несколько миллионов последовательностей организмов планктона, и оказалось, что РНКаза и обратная транскриптаза – самые распространенные белки. Предположительно это объясняется тем, что ретровирусы, ретротранспозоны и противовирусная защита настолько распространены, что наблюдаются даже в океаническом планктоне. Все были удивлены. (Как осуществляется сайленсинг? Для тех, кому интересно: РНК, попадающая в клетку, встретившись с аналогичной РНК от предыдущих инфекций, распознается и расщепляется молекулярными «ножницами». Набор инструментов применительно к инфекциям и системе защиты одинаков. Структуры «ножниц» идентичны, но у них разные названия: ОТ-РНКаза у вирусов и Argonaute (PAZ и PIWI) у защитной системы. «Ножницы» присутствуют во многих биологических системах, не только в вирусах, но и в бактериях и митохондриях и задействованы в процессе эмбрионального развития и генетических заболеваниях у человека (об AGS речь шла выше). Совсем недавно была открыта система противовирусной защиты бактерий CRISPR/Cas9, где Cas9 – «ножницы», защищающие бактерии от новых фагов. Недавно открыта PIWI-взаимодействующая РНК, или сокращенно piРНК, влияющая на трансгенерационное наследование. Об этом ниже.)
