«Темная материя» в геноме может открыть путь к новым методам лечения заболеваний

Фото из открытых источников

Несмотря на существенные различия между клетками, из которых состоят глаза, почки, мозг и пальцы ног, ДНК-код этих клеток по сути одинаков. Откуда берутся эти различия? Ученые начинают понимать, что определяющие качества каждой клетки на самом деле заложены в РНК — родственной ДНК молекуле.

РНК долгое время считалась скучным биохимическим родственником ДНК. Исследователи полагали, что она просто берет генетическую информацию, хранящуюся в ДНК, и доставляет ее в другие части клетки, где она затем используется для создания белков, выполняющих функции клетки.

Но лишь примерно 2% ДНК кодирует белки. Остальное — последовательности ДНК, не кодирующие белки, — это то, что ученые считают «темной материей» генома, и существует большой интерес к выяснению ее функций. В этом и заключается большая часть тайны и волшебства РНК.

В этой темной материи некодирующая ДНК транскрибируется в некодирующую РНК. К ним относятся РНК, как короткие, так и длинные, которые никогда не транслируются в белок и потенциально могут регулировать геном и создавать разнообразие клеток, включая или выключая различные гены.

Когда в работе этих многогранных РНК возникают сбои, это может привести к широкому спектру заболеваний у людей.

Ученые, занимающиеся изучением РНК, работают над секвенированием каждой человеческой РНК в рамках проекта «Человеческий РНКом» — аналога проекта «Геном человека» — чтобы помочь в улучшении здоровья человека и методов лечения заболеваний.

ДНК описывает, как гены могут превращаться в белки, а РНК сигнализирует о том, когда и где эти белки образуются. Другими словами, ДНК — это хранилище информации, а РНК — это доступ к информации и её регуляция.

РНК имеет множество разновидностей, различающихся по размеру и структуре, причем более мелкие формы участвуют в регуляции клеток и развитии. Большая часть РНК, транскрибируемой из ДНК, обрабатывается и модифицируется после своего образования.

Модификации РНК — это химические структуры, добавляемые к РНК и регулирующие передачу информации. Эти модификации РНК отличаются от модификаций ДНК, известных как эпигенетические метки.

В то время как модификации ДНК могут передаваться по наследству, модификации РНК возникают в ответ на текущее состояние клетки. Модификации РНК более динамичны и оказывают более существенное влияние на структуру и функции клетки, включая то, как синтезируются белки в различных клеточных условиях.

В нормальных условиях, например, некоторые схемы модификации РНК запускают удаление РНК, кодирующих или помогающих декодировать белки, участвующие в стрессовой реакции. Когда клетка переходит в состояние стресса, эта схема модификации перепрограммируется, так что эти белки могут накапливаться и помогать клетке восстанавливаться.

Кроме того, химическое разнообразие модификаций РНК больше, чем разнообразие модификаций ДНК. Помимо вариаций в основных строительных блоках, составляющих РНК, в клетке существует более 50 химических разновидностей, известных как эпитранскриптом человека. Для сравнения, количество эпигенетических меток крайне мало.

В результате сотрудничества нашей лаборатории с другими исследователями было выявлено повышение уровня модификации определенных типов РНК, называемых транспортными РНК, которые доставляют строительные блоки белков к тем частям клетки, которые их собирают.

Эти модификации тРНК могут быть ключевым фактором развития рака и устойчивости к химиотерапии, а также связаны с заболеваниями развития и неврологическими расстройствами.

По сравнению с ДНК, РНК более нестабильна и структурно разнообразна, а инструментов для ее изучения и секвенирования меньше. Несмотря на значительные ресурсы и усилия, предпринятые в рамках проекта «Геном человека» для секвенирования ДНК, секвенирование РНК и ее многочисленных модификаций остается сложной задачей.

Однако благодаря достижениям в области технологий исследователи теперь могут изучать модификации РНК и распознавать их потенциал в лечении или профилактике заболеваний.

Исследования последних 20 лет, посвященные модификациям РНК, привели к тому, что ученые назвали «ренессансом РНК», превратив РНК в одну из наиболее привлекательных макромолекул для изучения и использования в качестве вакцин и лекарств.

Для понимания и использования потенциала «темной материи» РНК необходим проект масштаба «Проекта генома человека». Лаборатории по всему миру используют новые технологии и подходы для секвенирования всех РНК, называемых РНКомом.

Для каталогизации и определения РНК и ее модификаций в здоровых и больных клетках потребуются дальнейшие достижения в технологии секвенирования, позволяющие обнаруживать более одной модификации одновременно.

Ученые считают, что карты РНК-генома станут стимулом для развития новых технологий, новых открытий и откроют путь к новым методам лечения, что в значительной степени улучшит здоровье человека.