Полвека назад многим ученым казалось, что биологию наконец удалось подчинить простым законам логики. Лауреаты Нобелевской премии 2024 года развеяли этот миф Червяк, утки и другие вехи на пути важного открытия
Полвека назад многим ученым казалось, что биологию наконец удалось подчинить простым законам логики. Лауреаты Нобелевской премии 2024 года развеяли этот миф Червяк, утки и другие вехи на пути важного открытия
В 2024 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили американским ученым Виктору Эмбросу и Гэри Равкуну за «открытие микроРНК и исследование их роли в посттранскрипционной регуляции экспрессии генов». Работы лауреатов, хоть и связаны с практической медициной (многие патологии микроРНК часто приводят к онкологическим заболеваниям), относятся к самой что ни на есть фундаментальной молекулярной биологии. Эта огромная и постоянно меняющаяся наука пытается разобраться с тем, как именно «сухой» текст ДНК превращается в то, что мы постоянно видим вокруг и что не может не поражать своей сложностью: цветы, животных, работу человеческого мозга. В молекулярной биологии все связано со всем, а исключений в разы больше, чем хоть каких-то правил. И это страшно усложняет задачу объяснения того, в чем, собственно важность нынешнего открытия. Но есть и плюсы: рассказ можно начинать практически с любого места.
Например, с фотографии, что вы видите ниже. На ней Конрад Лоренц — австриец, член НСДАП с 1938 года, военный врач вермахта и впоследствии советский военнопленный. Он же — выдающийся биолог, общепризнанный «отец этологии» (науки о поведении животных), нобелевский лауреат 1973 года.
На снимке Лоренц ведет за собой выводок гусей. И птицы не случайно попали в кадр: около 1935 года в ходе наблюдений за поведением только что вылупившихся утят и гусят ученый открыл импринтинг. Это генетически запрограммированное поведение, при котором любой живой (или неживой, но двигающийся) объект, первым попав в поле внимания птенцов, может навсегда «зафиксироваться» для них в роли матери. И птицы будут непременно следовать за этим объектом. Поведение это настолько необычно и в то же время просто, что после войны фотографии Лоренца с многочисленными выводками уток и гусей (их было несколько) перепечатывали не только научные журналы, но даже глянцевый Life.
Революция в биологии, без которой невозможно понять важность Нобеля-2024
Одна из фотографий, напечатанных в выпуске Life 1955 года, произвела неизгладимое впечатление на молодого южноафриканского врача Сидни Бреннера, сына еврейских иммигрантов из Литвы и Латвии. Врачом он, впрочем, может быть назван лишь формально. Получив в 1951 году (далеко не с первой попытки) диплом бакалавра медицины, Бреннер уже знал, что хочет заниматься фундаментальной биологией, а не медицинской практикой. Еще до получения диплома он попал в среду исследователей, которую впоследствии назовут «группой Дельбрюка» и которая заложит фундамент молекулярной биологии — откроет структуру ДНК и природу генетического кода.
В 1955 году, когда со страниц Life Бреннер узнал об экспериментах Лоренца, он уже несколько лет работал в Оксфорде и непосредственно видел, какую революцию в биологии совершили Уотсон и Крик, установив молекулярную структуру ДНК. Все в этот момент перевернулось с ног на голову: туманные концепции неуловимых «генов» и «наследственности», которые до тех пор ученые изучали, не понимая их химической природы, приобрели очень конкретные очертания — спиральной ДНК, которую можно выделить, высушить и засунуть в дифракционный аппарат. Внезапно на самые сложные вопросы биологии появились удивительно простые ответы.
- Почему дети похожи на родителей? Потому что первые передают вторым свою ДНК — полимерную молекулу, которая состоит из четырех строительных блоков. И в их последовательности кодируется вся возможная информация — примерно как в азбуке Морзе.
- Откуда тогда берется разнообразие, которое делает эволюцию возможной? У ДНК две нити, и, когда на одной синтезируется другая, неизбежны ошибки, отсюда и разнообразие. К тому же нити можно разрывать и склеивать в разных комбинациях.
- Что такое гены, которые мы почти 100 лет изучали вслепую? Просто куски этой молекулы, каждый из которых кодирует какой-то отдельный белок.
- Но как одно «кодирует» другое, как работает этот код? Это простое соответствие: три нуклеотида — одна аминокислота. Правила перевода одного в другое можно отобразить в виде простой таблички. ДНК состоит из четырех разных видов нуклеотидов, поэтому три позиции дают 4 × 4 × 4 = 64 комбинации. Этого числа хватает на все 20 аминокислот, встречающиеся в белках, плюс несколько служебных сигналов (стоп-кодонов), которые обозначают конец белка. В общем, все очень логично.
Такая биология, возникшая в 1950-х, — это совершенно другая наука, иметь дело с которой было не зазорно и тем, кто привык видеть мир через призму численных моделей и жестких законов, а не туманных закономерностей и восхитительных исключений, как было раньше. Неудивительно, что весь костяк «группы Дельбрюка» составляли физики, а не биологи или химики.
Второе имя этой группы — «фаговая». Главным объектом для исследования были выбраны вирусы бактерий, или бактериофаги, наиболее примитивные организмы из всего, что можно хотя бы с натяжкой назвать «организмом». Ставка делалась на то, чтобы изучить основы жизни на примере таких организмов, а уточнение деталей поручить уже последователям, которые любят разбираться в деталях и исключениях.
И ставка сработала: менее чем за 15 лет была открыта структура ДНК, определен генетический код, сформулирована «центральная догма молекулярной биологии», определяющая однонаправленный принцип передачи информации от ДНК к белку через РНК, установлены механизмы этой передачи на молекулярном уровне. То есть на уровне молекул и с точностью до нанометров было буквально установлено, что с чем должно взаимодействовать и как это взаимодействие механически приводит к тому, что из туманного понятия наследственности возникает конкретный объективный признак. Например, способность бактерий переваривать лактозу.
Примитивный червячок, без которого не состоялось бы открытие нобелевских лауреатов — 2024
Фаги оказались чудесным объектом для изучения, простым, но неисчерпаемым — почти как ленинский электрон (вот пример из свежего исследования). Однако у них был и принципиальный недостаток: у фагов нет совсем никакого поведения, они просто проникают в бактерии и размножаются внутри. В начале 1960-х, на волне первых головокружительных успехов, некоторым из «фаговой» группы это уже казалось недостатком — амбиции «новых биологов», которые десятилетие назад не знали, что такое гены, устремились к изучению работы мозга, самого сложного, что только можно изучать. Расправившись с генетическом годом, исследованием мозга серьезно увлекся Френсис Крик и многие его коллеги.
В частности, когда молодой Сидни Бреннер стал искать себе что-то более амбициозное, чем работа с фагами, он вспомнил про снимок в журнале Life. Импринтинг обещал пример существования настолько простого поведения, что свести его к какому-то конкретному «гену» не должно было стать чем-то слишком сложным. В своей автобиографической «Жизни в науке» Бреннер пишет:
Я помню фотографии Конрада Лоренца, за которым следовали его утки, — и мне всегда хотелось узнать, существует ли, так сказать, ген, позволяющий выставлять левую ногу вперед, за которым следует другой ген, говорящий: «Сделав это, выставляй вперед уже правую ногу». Другими словами, существуют ли [в организме] единицы поведения и соответствуют ли они генетической программе как таковой?
С порога браться за исследование поведения уток Бреннер, к счастью, не стал, а начал поиск наиболее простого организма, который мог бы выступить моделью. Организм должен был обладать нервной системой, но при этом быть насколько простым, насколько это возможно.
Поскольку Бреннер увлекался микроскопией и зоологией, он знал, что идеальным вариантом могут стать обитатели почвы — существа вроде коловраток или круглых червей. Это полноценные многоклеточные животные с нервной системой и каким-никаким поведением. При этом их размеры настолько малы, что уступают даже многим одноклеточным амебам и инфузориям. Опробовав несколько видов, Бреннер остановился на Caenorhabditis elegans — почвенном червячке длиной меньше миллиметра. О его малоизученности красноречиво говорит тот факт, что в журнале, из которого Бреннер о нем узнал, даже не были разрезаны страницы — и это за полвека хранения в библиотеке Оксфорда.
Червячок оказался не простым, а очень простым существом: во всем его взрослом организме ученые насчитали ровно 959 клеток, из которых 302 были нейронами, а еще 56 — клетками глии (то есть на нервную систему скромного червяка пришлось почти 40% его тела в клетках).
Еще в 1984 году Бреннер с соавторами составил первую полную карту связей нервных клеток друг с другом, так называемый коннектом нервной системы. Для сравнения: аналогичная задача для дрозофилы, которая кажется не сильно сложнее червячка, была решена буквально на днях — в октябре 2024 года.
C. elegans оказался исключительно удачным модельным организмом для того, чтобы изучать не только нервные клетки, но и вообще эмбриональное развитие животных. Ведь если во всем организме счетное и всегда одинаковое число клеток, то не так уж сложно составить карту судьбы каждой из них — и свести все эмбриональное развитие животного буквально к одной не самой сложной диаграмме. А потом уже можно изучать отклонения от схемы, отыскивая закономерности между генами и судьбой клеток.
Из изучения C. elegans выросла целая отрасль. Червячку посвящают специализированные журналы, о нем опубликовано более 35 тысяч научных статей (по 35 штук на клетку!). Неудивительно, что за работы по C. elegans Бреннер получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине — совместно с Джоном Салстоном и Робертом Хорвицом — в 2002 году.
Система, которая подготовила почву для Нобеля-2024
И здесь пора вспомнить, что в нашем рассказе мы пока ни разу не упомянули ни о нынешних лауреатах, ни об открытых ими микроРНК. Может быть, выглядит несправедливо — но так уж вышло, что контекст в этой истории даже важнее, чем конкретные работы лауреатов (вот самые главные из них: раз, два, три).
Для начала коротко повторим, в каком состоянии наука подошла к моменту открытия Виктора Эмброса и Гэри Равкуна. К началу 1960-х стало ясно, что носитель наследственности — двуспиральная молекула ДНК, на основе которой специальные белки (РНК-полимеразы) синтезируют очень похожую, но отличную нуклеиновую кислоту — РНК. РНК бывают разные, главная среди них для передачи наследственной информации — матричная РНК, то есть просто копия определенного участка ДНК. Этот участок и стали называть геном. Матричная РНК попадает в специальную молекулярную машину, рибосому, и там на ее основе производится белок. Производится согласно правилам соответствия, то есть по генетическому коду.
Некоторые из белков могут распознавать определенные последовательности в ДНК (в том числе в начале других генов), связываться с ними и привлекать туда РНК-полимеразы (или блокировать связывание). И таким образом стимулировать (или подавлять) производство новых матричных РНК других белков. Чем матричных РНК больше, тем ген активнее. А если нужно что-то поменять, есть специальные белки, которые могут воспринимать внешние сигналы через связывание сигнальных молекул (например, сахаров). Связываясь с последними, белки меняют конфигурацию — как следствие, меняется их сродство к ДНК, которой они управляют.
Система вышла изящная, разумная и даже немного скучная. В нее, конечно, не очень укладывались такие вещи, как, например, обширные некодирующие последовательности между генами у высших организмов. Такую ДНК быстро называли «мусорной», не придавая ей особого значения. Быстро обнаружились и некодирующие последовательности внутри генов, которые перед синтезом белка просто вырезаются и выбрасываются, — интроны. В матричных РНК обширные некодирующие участки окружают кодирующую последовательность белка, но было непонятно, зачем при этом нужны они сами. Такие подробности искажали простую схему того, как «должна» регулироваться работа генов, но встречались прежде всего не у фагов или бактерий, а у самых сложных организмов. Но на то они и сложные, чтобы разбираться с их устройством постепенно.
Некоторые исследователи из первого поколения молекулярных биологов переключились от изучения ДНК на исследование мозга, а Бреннер нашел простейший многоклеточный организм, подходящий для этих целей. По ходу дела оказалось, что на нем удобно исследовать и судьбы разных клеток, и то, почему они отличаются друг от друга, хотя внутри каждой из них одинаковая ДНК.
Открытие, за которое Эмброс и Равкун получили Нобеля-2024
Отсюда и начинается история наших лауреатов. В лаборатории Бреннера проводятся эксперименты по мутагенезу, который призван сломать нормальное эмбриональное развитие, чтобы можно было узнать, за развитие каких тканей и клеток отвечают конкретные гены. Обнаруживается множество мутаций, среди них несколько так называемых гетерохронных. Это нарушение процесса деления клеток, когда они ведут себя почти нормально, но «забывают» возраст организма: либо уходят в цикл и бесконечно повторяют деления, которые должны были завершиться на личиночной стадии (например, мутация lin-4). Либо, наоборот, пропускают какие-то этапы делений и неожиданно останавливаются в развитии (мутация lin-14).
В своей работе в середине 1980-х Виктор Эмброс первым показал, что гены, в которых появились эти мутации, явно взаимодействуют друг с другом. Оба гена нужны для нормального развития C. elegans, но это точно не один ген — мутации расположены в разных местах генома. Вместе с Гэри Равкуном (сначала в одной лаборатории, затем каждый в собственной) они начинают поиск генов, поломки в которых проявляются как мутации lin-14 и lin-4. В середине 1980-х сделать это непросто, но Равкуну удается установить, что lin-14 кодирует некий ядерный белок, концентрация которого в норме максимальна на определенной стадии развития червя.
Удивительное начинается тогда, когда оказывается, что мутация lin-14 не имеет отношения к последовательности самого белка. Она затрагивает ту часть матричной РНК, которая окружает кодирующую последовательность (ORF) и вроде бы никак не должна влиять на его активность. То есть «мутированный» и «немутированный» белки по своей природе совершенно одинаковы, а мутацией оказывается не изменение последовательности белка, а изменение концентрации его РНК и, соотвественно, его активности.
Параллельно Эмброс обнаруживает, что мутация lin-4 вовсе не имеет никакого отношения к белкам. В том месте генома, где она расположена, обнаруживается фрагмент ДНК. Если его скопировать в РНК-форму, такая РНК замыкается сама на себя. Она формирует так называемую шпильку — двуцепочечный участок, комплементарный сам себе (шпильки часто встречаются в рибосомной или транспортной РНК).
Момент истины же наступает тогда, когда Эмброс и Равкун открывают, что последовательности ДНК, затрагиваемые этими двумя разными мутациями в двух разных частях генома, оказываются очень похожи друг на друга. Они не идентичны, а сходны как рука и ее отпечаток, то есть комплементарны друг другу. Причем комплементарны не идеально, а с некоторыми пропусками в нескольких точках последовательности.
Итоговая картина выглядит так:
В ходе развития C. elegans в клетках постоянно синтезируется некий белок А, в матричной РНК которого есть встроенный «выключатель».
↓
Этот «выключатель» сначала не работает, поэтому количество белка, который синтезируется, оказывается высоко.
↓
Белок А через цепочку разных взаимодействий приводит к усиленному делению клеток.
↓
Со временем в клетках синтезируется и накапливается некая специальная короткая РНК Б, которая нарезается на мелкие фрагменты — те самые микроРНК, — и каждый из фрагментов выступает в роли «пальца», нажимающего на разные части «выключателя» внутри РНК А.
↓
В результате матричная РНК белка А быстро разрушается, не успев запустить его синтез. При этом производство новых матричных РНК продолжается как и раньше — только время их жизни существенно сокращается. Падает и итоговое количество белка в клетке, его активность и активность последующего каскада событий, запускаемого белком.
Влияние, которое открытие нобелевских лауреатов — 2024 оказало на науку
То, что обнаружили Эмброс и Равкун, поначалу казалось странным исключением из правил. Исключением, которое портит простую и логичную схему регуляции активности генов, которая впервые была обнаружена у бактерий и вирусов. Нужно повысить активность гена — привлеките факторы транскрипции, сделайте больше РНК, получите больше белка на выходе. Нужно снизить — заблокируйте транскрипцию, и белка постепенно станет меньше. Здесь же мы постоянно синтезируем РНК только для того, чтобы потом разрушить, — и в этом заключается регуляция активности. Это не только нелогично, но и недешево с точки зрения энергетических затрат на синтез РНК. Система регуляции активности генов на основе микроРНК кажется максимально странной и расточительной.
И тем не менее она существует повсеместно. Эксперименты, которые последовали за открытием Эмброса и Равкуна, показали: микроРНК возникли очень давно и распространены почти у всех многоклеточных организмов. Считается, что у животных такая система регуляции активности генов стала развиваться в момент возникновения двусторонне-симметричных животных: у червей, насекомых, моллюсков и человека она активно работает, а вот у медуз, кораллов и актиний — нет (хотя гены, ее составляющие, есть и у них). Аналогичная система регуляции есть у растений — возможно, ее возникновение происходило несколько раз независимо в ходе эволюции.
Если посмотреть на эволюционное дерево и собрать общие для разных животных семейства микроРНК, то несколько общих семейств найдется даже между червем и человеком. Это означает, что «абсурдная» система регуляции не исключение, она достаточно важна для организмов, чтобы сохраняться в ходе эволюции в течение даже не миллионов, а миллиардов лет.
Чем ближе организмы друг к другу, тем больше между ними будет общих семейств микроРНК. Например, между человеком и рыбкой данио-рерио найдено (на 2014 год) 87 семейств, а между человеком и мышью — уже 153. Самое интересное при этом, что чем новее семейство микроРНК, тем на более поздних этапах развития эмбрионов оно работает. И наоборот: самые консервативные и древние микроРНК включатся на самых ранних этапах развития организмов.
Открытие микроРНК на несколько лет предшествовало открытию явления РНК-интерференции. Но нынешним лауреатам пришлось гораздо дольше ждать с нобелевским признанием: премию за интерференцию присудили еще в 2006 году. РНК-интерференция — отличный, хотя и очень похожий способ регуляции активности генов. Если, конечно, полное выключение можно назвать регуляцией — РНК-интерференция приводит к быстрому уничтожению целевой РНК.
Интерференция возникла в ходе эволюции почти наверняка гораздо раньше, чем система микроРНК, и выполняла задачи попроще и поважнее — боролась с вирусами и мобильными генетическими элементами. Система РНК-интерференции распространена гораздо шире и встречается у всех организмов. В ходе эволюции некоторые ее элементы, исходно используемые для противовирусной защиты, стали основой уже совсем другой системы регуляции — на основе микроРНК. Которая, как мы видим, оказалась способна не бороться с вирусами, а управлять сложным эмбриональным развитием многоклеточных животных — пусть и не самым изящным с точки зрения человеческой логики образом.
Если все-таки остановиться на этой неизящности и нелогичности и вернуться к началу этого рассказа, то можно отметить следующее. Красота биологии в том, что она никогда не становится физикой и всякий раз обманывает любой инженерный подход. Даже когда порой кажется, что все понятно и логично, как было в середине 1950-х. Эволюция неизбежно ведет к накоплению сложности (хоть и не вполне ясно, как это происходит), а сложность возникает из пула исключений и исправлений — всего того, что инженерный подход склонен отметать как что-то «мусорное» и не имеющее отношения к делу.
Так случилось и с геномом. Первоначально казалось, что ничто в нем не имеет значения, если только из него не синтезируется белок — или хотя бы не участвует в этом синтезе, как рибосомные и транспортные РНК. Постепенно, с открытием микроРНК, малых интерферирующих РНК и многих других типов этой молекулы оказалось, что реальность клетки устроена гораздо сложнее. Те элементы, которые казались мусорными, порой обретали жизненно важное значение.
Порой, но не всегда — и это тоже важная для понимания вещь. На самом деле ученые даже сейчас не могут сказать, сколько именно микроРНК существует у человека, мыши или любого другого организма. Мы не знаем, сколько из них играют какую-то роль и влияют на жизнь клетки, а сколько просто синтезируются и плавают внутри клетки как океан потенциальных регуляторных систем, которые еще не стали чем-то функционально значимым. Четкой границы между «важной» и «неважной», «мусорной» и «функциональной» частями генома не существует. Биология изучает жизнь, а в ней вообще четких правил и абсолютных схем не бывает.
Отдел «Разбор»