Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 5

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Симбиоз, мутуализм, комменсализм. Плацента. Митохондриальный геном. Транскрипция. РНК-полимераза. Матричные, рибосомные, транспортные, малые ядерные, малые ядрышковые РНК. Рибосома. Сплайсинг, альтернативный сплайсинг. Сплайсосома. Пре-мРНК. Факторы сплайсинга. Интроны, экзоны. Ресвератрол. Полифенолы. Эухроматин. Ядрышки. Ядрышковые организаторы. Фибриллярный и гранулярный компоненты ядрышек. Микро-РНК. Экспортин-5. DICER. RISC. Контроль качества мРНК

Содержание

    Симбиоз — это взаимовыгодное сосуществование разных биологических видов. В некоторых случаях симбиоз становится настолько тесным, что превращается в мутуализм — такую форму симбиоза, при которой присутствие партнёра становится уже обязательным условием существования каждого из них. Пример мутуализма — симбиоз первобытной археи и предка митохондрии. Сейчас каждая наша клетка является результатом их мутуализма.

    Красивый пример мутуализма – симбиоз актиний, кораллов и тридакн с одноклеточными водорослями зооксантеллами. Зооксантеллы – это чрезвычайно маленькие одноклеточные организмы, диаметр которых не превышает 5 микрометров. Внутри клеточной оболочки имеется ядро, запасы питательных веществ и, конечно же, хлоропласт. Когда зооксантеллы поселяются в организме-симбионте, они живут там гигантской колонией: вплоть до нескольких миллионов на 1 см2. Зооксантеллы обеспечивают своих партнеров необходимым кислородом и энергией, которую они вырабатывают в процессе фотосинтеза. Они образуют сахара, которые используются партнерами в качестве пищи. В свою очередь, кораллы, например, отдают водорослям углекислый газ и подкисляют среду, облегчая водорослям процессы фотосинтеза. Когда люди видят ярко раскрашенный коралл, обычно они не понимают того, что это по сути и вовсе не цвет коралла, потому что на окраску коралла влияют в основном именно водоросли-симбионты, и ухудшение здоровья водорослей, вызванное загрязнением воды, приводит к обесцвечиванию кораллов.

    Еще одна разновидность симбиоза – комменсализм. Это такой способ совместного существования двух разных видов живых организмов, при котором один из партнёров этой системы (комменсал) пользуется тем, что другой (хозяин) регулирует его отношения с внешней средой, но при этом между ними нет тесных взаимоотношений. Пример: комменсал-лишайник и хозяин-дерево. При этом комменсал извлекает пользу от их сосуществования, а хозяин ни пользы не получает для себя, ни ущерба, т.е. и метаболические взаимодействия, и антагонизм между такими партнёрами чаще всего отсутствуют. Конечно, когда мы говорим фразу «хозяин не получает пользы», надо ясно понимать, что мы до сих пор еще очень мало знаем о животном и растительном мире, и каждый месяц нам приносит новые открытия, в том числе и довольно громкие. Поэтому вполне может так оказаться, что комменсализма по сути в природе и не существует:), если окажется, что во всех тех случаях, когда мы считали, что кто-то не получает пользы от партнерства, на самом деле мы просто не понимали — в чем она состоит.

    Природа очень разнообразна в своих проявлениях, поэтому комменсализм, к примеру, подразделяется на несколько разных вариантов в зависимости от того, какой именно характер имеют взаимоотношения видов-комменсалов: паройкия, синойкия, энтойкия, форезия и т.д.:)

    Широко известен пример симбиоза, при котором хищные рыбы подставляются рыбам-чистильщикам, позволяя обкусывать паразитов, живущих на коже и даже внутри рта, но есть великое множество гораздо менее известных, и все же удивительных примеров симбиоза.

    Один из самых красивых примеров – это симбиоз колибри вида пурпурный саблекрыл (Violet sabrewing) с цветковыми растениями, в цветы которых изогнутый клюв колибри входит как сабля в плотно сидящие ножны.

    Такая тонкая подстройка друг под друга позволяет колибри иметь источник пищи, недоступный для животных, не имеющих клюва подходящей формы. Цветок при этом получает гарантию того, что вымазанный в его пыльце саблекрыл перенесет ее не куда попало, а именно на другой цветок того же вида, что дает ему эволюционное преимущество: ему не нужно тратить много ресурсов на то, чтобы производить очень много пыльцы, которая затем будет разноситься разными животными методом «ковровой бомбардировки»:).

    А что делать гигантскому трубчатому морскому червю, который хочет покушать, а нечем – рта-то у него нет!

    Ну вот нам смешно, а ему — не очень, ведь у него на самом деле нет рта. И кроме того живет он в очень странном подводном мире – на глубинах до нескольких километров, в гидротермальных оазисах рядом с донными «черными курильщиками», то есть фактически — сидит на вулкане, извергающем углекислый газ, сероводород и прочее, и нагревающем воду до 200-300 градусов.

    И что ему делать? Есть идеи? У червя идеи есть. Вестиментиферы, а они называются именно так, не имеют не только рта, но и кишечника, что и понятно — для чего кишечник безо рта? Зато у него внутри тела есть специальный орган, работающий как рассадник для мириадов бактерий. Но бактериям тоже ведь надо чем-то питаться, и как они это делают, сидя внутри существа без рта? Оказывается, вестиментифер через кожу впитывает в свою кровь сероводород и углекислый газ, извергаемый курильщиками, а также необходимый для дыхания бактерий кислород. Кровь червя доставляет все это бактериям прямо на стол. Получается, у бактерий очень комфортная жизнь — внутри червя им ничто не угрожает, и еду подают прямо в постель. Поверхностные растения синтезируют питательные органические вещества из углекислого газа и воды с помощью энергии Солнца (фотосинтез), а живущие внутри червя бактерии делают то же самое, используя энергию химических реакций (хемосинтез). Вестиментифер же время от времени переваривает часть живущих в нем бактерий, тем и питается, так что те, кто успел позавидовать безопасной жизни бактерий, пусть примут это за урок. Как говорится в одной известной глубоководной микробной поговорке, «бесплатный сероводород бывает только в бактериоловках».

    Улитка Littoraria irrorata живет на соленых болотах, образующихся на атлантическом побережье Северной Америки.

    В условиях, когда почва полужидкая и соленая, выживать очевидно сложнее, чем на какой-нибудь удобной зеленой полянке, зато и конкурентов будет немного. Littoraria irrorata живет на солончаковой траве.

    Листья этой травы улитка надрезает своим зубным аппаратом — радулой:

    Длинные порезы она удобряет своими фекалиями — получаются «грядки», на которых растут грибы, являющиеся необходимой пищей для улиток. Эти грибы растут тут потому, что просто не могут расти в других местах, потому что им необходим азот, который выделяют улитки в составе своего натурального удобрения. Откуда же берутся эти грибы на улиточьих грядках? Оказывается, что грибница, или мицелий грибов, туда попадает все из тех же улиточьих фекалий. Вылупившиеся улитки питаются грибами, выращенными взрослыми улитками, и таким образом получают «саженцы» необходимого гриба, и когда они переползают на новое место, все необходимое для разведения собственного огорода уже находится в их кишечнике.

    Дождевые червяки тоже живут в тесном симбиозе с бактериями. Пример с ними особенно интересен тем, что у дождевых червей есть врожденный иммунитет, но совсем нет приобретенного. У них просто не возникает иммунных реакций, например, на введение вакцины. У них для этого нет специфических иммунных клеток. При этом врожденный иммунитет у близкородственных видов дождевых червей все же существенно различается в зависимости от среды обитания. Ученые обнаружили разницу в иммунных ответах у червей, обитающих в компосте, богатом патогенными микроорганизмами, и у их сородичей, живущих в местах с меньшим количеством патогенов: у первых червей иммунный ответ был намного более активным. Так что микробное окружение в данном случае выполняет функцию приобретенного иммунитета для симбионтов. Кстати, длина дождевых червей может достигать двух метров:).

    И в завершение этой темы приведу еще один необычный пример симбиоза. Мы же помним, что и митохондрии, и хлоропласты являются потомками некогда свободноживущих одноклеточных? Перед нами Elysia chlorotica.

    Нельзя сказать, что это название небольшого брюхоногого моллюска-слизня звучит многообещающе, и тем не менее этот слизень является очень таинственным существом, исследования которого, несомненно, еще долго будут идти, и полученные при этом знания еще не раз, вероятно, углубят наши представления о жизни и эволюции, а также дадут в наши руки удивительные технологии. Этот слизень — первое известное учёным животное, которое умеет осуществлять процесс фотосинтеза — прямо так же, как это делают растения — с помощью хлоропластов.

    Животное, питающееся солнечной энергией! И откуда же у него берутся хлоропласты? Как ни удивительно, берутся они из еды, которую слизень поедает сразу же, как только из личинки превращается в крохотного слизня, т.е. из водорослей Vaucheria litorea. Слизень очень аккуратно поедает эти водоросли, высасывая содержимое их клеток и переваривая его, но при этом заботливо сохраняя находящиеся в клетках водорослей хлоропласты.

    У слизня среди клеток, выстилающих кишечник, есть особые клетки, в которые и помещаются захваченные хлоропласты. Со временем эти особые клетки разрастаются, проникают своими отростками во все части тела слизня, и в конце концов все захваченные хлоропласты размещаются плотным слоем прямо под кожей, а сам слизень становится зеленым. Начиная с этого периода, слизень больше не пользуется своим ртом и не охотится за едой, потому что хлоропласты осуществляют фотосинтез и поставляют ему глюкозу.

    Но на этом загадочные особенности слизня только начинаются. И митохондрии в наших клетках, и хлоропласты в клетках растений уже неспособны существовать автономно, так как почти весь свой геном они постепенно передали в ядро клетки-хозяина. А это означает, что и у слизня в его собственном геноме откуда-то должны быть те же гены, которые обеспечивают жизнь хлоропластов. И откуда они могли бы там взяться? Оказывается, в процессе эволюции слизня произошел еще ряд удивительных событий: по мере поедания водорослей, слизень утащил к себе в клеточные ядра еще и те самые, нужные для хлоропластов гены. Этот процесс нам уже известен: горизонтальный перенос генов, причем в данном случае это обмен генами между животным и водорослями. Мы знаем, что есть один очень удобный посредник в переносе генов — вирусы.

    В современной медицине и в генетических опытах уже используются вирусы, в геном которых внедряют нужные гены, после чего больного или подопытного заражают этими вирусами, и в итоге вирус внедряет свои гены в целевой геном и передает ему нужные свойства. И в теле слизня на постоянной основе живет такой вирус, входя, тем самым, в состав этой симбиотической компании. Может быть, изучив подробнее слизня, мы поймем, как сделать так, чтобы и клетки других животных могли с помощью горизонтального переноса интегрировать в свой геном гены растений, и тогда их ткани и органы могли бы приобретать совершенно поразительные свойства. И возможно, что через 100 лет СМИ будут громко и эмоционально обсуждать этические проблемы, связанные с тем, что какие-то люди интегрируют в свой геном те или иные гены других живых существ и становятся зелеными или синими, получают способность питаться за счет фотосинтеза или нежно-призывно помахивать пушистым хвостом. Прогресс остановить нельзя, как нельзя остановить и потребность человека в исследовании новых горизонтов. То, что сейчас кажется невозможным и даже безумным, спустя сто лет может стать привычным.

    История совместного развития видов еще не только не написана – по сути, она только начата! Сейчас мы видим только самые общие контуры грандиозной картины всеобщего, универсального симбиоза. Время от времени мы замечаем некие удивительные намеки на что-то очень глубокое, что происходило в глубокой древности или происходит сейчас, и складываем все это в копилку для тех, кто в будущем займется систематизацией накопленных намеков.

    Для того, чтобы проиллюстрировать вышесказанное, приведу пример.

    Мы уже знаем, что в нашем геноме 45% занимают геномы ретровирусов, которые когда-то заражали наших предков — начиная с того далекого времени, когда вся жизнь на Земле была одноклеточной (в эти 45% входят участки генома LINE и SINE, которые структурно связаны с геномами ретровирусов).

    Мы также знаем, что оплодотворенная яйцеклетка (зигота) начинает делиться, и вскоре вся масса изначальных стволовых (так называемых плюрипотентных) клеток разделяется на две больших группы. Из одной группы возникает полый клеточный шар, который станет плацентой, а вторая группа остается внутри этого шара и в будущем превратится в плод. Самое поразительное (для нас сейчас) происходит дальше.

    Чтобы этот полый шар в самом деле стал полноценной плацентой, он должен внедриться в стенку матки. А как ему это сделать? Да… никак, вообще-то. Это же попросту невозможно! Ведь клетки плаценты и клетки будущего плода содержат геном, в котором смешаны хромосомы от матери и хромосомы от отца, т.е. это геном совершенно чужого организма по отношению к организму матери! А что происходит, когда в наш организм попадают клетки с чужеродным геномом? Включается иммунитет, который всей своей мощью обрушивается на интервентов. Получается, что плаценте надо, во-первых, каким-то образом внедриться в плотную стенку матки, что само по себе выглядит не очень реальной задачей, и во-вторых — надо еще как-то сделать так, чтобы наш могучий иммунитет не отторг плод и не уничтожил его, и при этом еще надо организовать тесную взаимосвязь организмов, чтобы плод мог получать от матери воду и питательные вещества, да еще и нельзя ведь полностью отгораживать плод от материнского иммунитета, а надо суметь пользоваться им дозированно, пропуская материнские защитные антитела.

    И как же решаются все эти задачи? Эту задачу решают… симбиотические эндогенные ретровирусы, которых так много в наших ДНК. Когда плацента готова внедриться в матку, начинает бурно происходить производство белков оболочки этих вирусов, и именно они придают плаценте свойство вируса! Да, по сути плацента приобретает свойства вируса: она становится способной проникнуть внутрь стенки матки и очень прочно закрепиться там с помощью особых выростов-кронштейнов (так называемый ворсинчатый хорион). А дальше те же вирусные белки помогают создать клеточный интерфейс между матерью и плодом, который организован так хитро, что кровь матери и плаценту разделяет буквально один клеточный слой, через который иммунные клетки пройти не могут, зато проходит кислород и низкомолекулярные питательные вещества в сторону плода, а углекислый газ – обратно. Вдобавок к этому вирусные участки ДНК плода делают с иммунитетом матери то же, что делают с нашим иммунитетом ретровирусы — они подавляют его, но не во всем теле матери, конечно, иначе она бы умерла от СПИДа, а локально, местно — там, где плацента прикреплена к матке. Вдобавок ко всему этому, плацента еще и выступает как большая эндокринная железа: она производит множество гормонов, которые вносят свой вклад в управление физиологией материнского тела, а также регулируют развитие плода. Эмбриология – это очень большая, очень интересная и при этом удивительно малоисследованная ветвь биологии. Непрерывный мониторинг эпигенома матери и плода дал бы нам очень много важной информации, которую мы могли бы, по мере наступления прогресса в генетике и эпигенетике, учиться расшифровывать, понимать и применять.

    Если мозг, без сомнения, занимается первое место в списке самых загадочных органов нашего тела, то плаценту с той же уверенностью можно поставить на вторую позицию в этом рейтинге.

    Получается, что плод, во-первых, ведет себя как вирус, внедряясь в тело матери, и во вторых — он ведет себя как опухоль. И в-третьих, он создает в материнском теле небольшой очаг СПИДа! Получается, что без вирусов, подобных современному вирусу СПИДа, которые на заре развития многоклеточной жизни заразили наших предков и образовали с ними симбиоз, не смогли бы появиться млекопитающие, имеющие полную (или неполную, как у сумчатых) плаценту. Какими бы мы были в этом случае… вопрос для фантастов.

    Все эти описания про опухоль и СПИД звучат жутковато:) Но, как мы знаем, даже элементарная хирургическая операция может выглядеть очень жутко (что и сыграло свою деструктивную роль на ранних этапах развития хирургии). Моей целью сейчас было не напугать чувствительных особ, а показать, что наши представления о тех или иных явлениях только тогда станут адекватными, когда будут формироваться на платформе широких познаний. В противном случае мы будем обречены лишь плодить глупости космического масштаба, из которых могут вытекать реально деструктивные и вредные действия. Утверждения типа «вирусы опасны», «бактерии вредны», «СПИД – это чума человечества», «возникновение опухолей показывает несовершенство человеческой природы» и т.п. – все они, конечно, содержат в себе некоторую долю истины, отражая то представление, которое возникает при взгляде на вопрос с некоего весьма острого угла довольно-таки тупым взглядом, но для того, чтобы понимать эти и прочие явления по-настоящему глубоко, и чтобы в результате уметь принимать адекватные меры в случае тех или иных дисфункций в организме, нужны гораздо более глубокие и широкие познания, чем это представляется в настоящее время.

    Современная медицина, по сути, является грубым набором хаотичных действий, предпринимаемых в надежде, что хоть что-то, да сработает. Людей лечат по сути методом тыка. Как вообще мы можем называть медициной такие воздействия, при применении которых не принимаются во внимание результаты анализа генома пациента? Конечно, мы ограничены своими возможностями, и в текущее время даже если бы врачи имели достаточно средств, чтобы делать каждому своему пациенту подробную карту его генома, и даже если бы мы имели средства и техническую возможность делать мгновенную карту его эпигенома, мы еще слишком мало могли бы извлечь из этой информации чего-то такого, что оказало бы практическую пользу при лечении.

    Мы часто используем, и будем дальше использовать еще чаще слово «геном». Обычно под ним понимается тот генетический материал, который находится в ядре любой соматической клетки нашего тела, но на самом деле это не совсем верно. В состав нашего генома необходимо включать также и генетический материал, заключенный в наших митохондриях. Еще раз опишем это явление, уже упоминавшееся выше. Когда-то очень давно одна предприимчивая архея захватила в себя древнюю бактерию, попавшуюся ей на пути, но не стала ее переваривать, или почему-то не смогла. Бывает такое — хочешь что-то сделать, а никак, что-то сломалось. Ты грустишь, а потом оказывается, что так оно даже лучше! В английском языке есть слово misbug, которое можно примерно перевести как «ошибка с позитивным исходом», то есть это такое неожиданное свойство программы, которое, согласно формальным признакам, является результатом ошибки программиста, но затем оказавшееся полезным. Так же и здесь. Оказалось, что предок археи и предок митохондрии (та проглоченная бактерия) очень даже удобно устроились: митохондрия в процессе своей жизнедеятельности потребляет излишки белков, произведенных археей, а взамен дает излишки энергии, которые очень даже пригодились архее для конкуренции с другими. Так и возникли организмы, которые затем и совершили удивительный эволюционный скачок, превратившись в многоклеточные животные.

    По мере того, как союз археи и бактерии укреплялся и развивался, они все более и более оптимизировали свои «производственные цеха». Далеко не каждый ген, который был у предка митохондрии, был ей обязательно нужен прямо под рукой, потому что те белки, которые по нему строились, не были нужны так уж срочно. И в процессе эволюции получалось иногда так, что какой-то ген от митохондрии перепрыгивал на ядерную ДНК археи (такие прыгающие гены мы уже рассматривали здесь — это транспозоны). И в ряде случаев снова получался misbug.

    Нам ведь понятно, что производство, настроенное на изготовление всего лишь 37 деталей, будет работать гораздо эффективнее и плодотворнее, чем если бы там производилось несколько тысяч разных деталей. Вот так и оказалось, что гены митохондрии один за другим передавались в центральную, ядерную фабрику клетки, а сама митохондрия могла сосредоточиться на том, что ей удавалось все лучше и лучше – на производстве энергии и предшественников сложных биомолекул. То есть, говоря языком эволюции, более успешными оказывались те археи, у которых митохондрия передавала все больше и больше своих генов в ядро археи.

    Но некоторые гены у митохондрии все же остались — те, по которым она производит белки и РНК, которые очень ей нужны в ее постоянной, сиюсекундной работе, поэтому она и держит эти гены при себе. Остальные свои гены митохондрия давным-давно передала в ядро наших клеток, чтобы нужные ей белки там делались и неспешно доставлялись внутриклеточной почтой.

    В целом на ядерный геном человека приходится около 30.000 генов, а в митохондриальной кольцевой ДНК их всего лишь 37: 13 генов производят белки, 22 гена производят транспортные РНК, и еще 2 гена производят рибосомные РНК. Что это за РНК, мы узнаем уже совсем скоро.

    Генетический материал митохондрии существует в виде кольцевой двунитевой хромосомы. У человека митохондриальная хромосома содержит в норме 16569 пар остатков нуклеотидов. В отличие от ядер наших соматических клеток, в которых имеется по две копии ядерного генома, и от наших половых клеток, в которых и вовсе есть лишь одна копия, каждая митохондрия содержит примерно с десяток копий своего генома. У бактерий, прародительниц митохондрий, тоже есть несколько копий кольцевых хромосом (в последнее время стали открывать все больше бактерий с привычными нам линейными хромосомами).

    Интересно, что хлоропластовый геном растений намного больше: его длина может достигать 370000 пар остатков нуклеотидов, что более чем в 20 раз больше, чем у митохондрий животных. И количество генов в хромосомах у растительных хлоропластов примерно в семь раз больше, а это значит, что технические возможности по производству энергии и молекул-полуфабрикатов  у растений гораздо больше, чем у нас: их хлоропласты имеют альтернативные пути электронного транспорта, не связанные с производством АТФ. Какие из этого следуют философские, мировоззренческие и чисто научные выводы – это большая тема, в которую мы сейчас погружаться не будем:).

    Когда мы говорим о том, что клетка строит белки согласно информации, имеющейся в генах, мы пока что даже приблизительно не понимаем – как это происходит, ведь генетический раздел этого учебника еще только начинается. Это чрезвычайно интересный и сложный процесс, который мы вскоре начнем подробно изучать, а сейчас давай создадим лишь самую общую его картину.

    «Чертежи» всех используемых клеткой РНК записаны в геноме в виде последовательности азотистых оснований, и когда клетка начинает нуждаться в том, чтобы произвести какой-то белок, сначала необходимо произвести «считывание» соответствующего этому белку гена. Это считывание ДНК и построение специального промежуточного носителя информации называется транскрипцией.

    Транскрипцией занимается сложный белковый комплекс — РНК-полимераза. Посмотрим в самых общих чертах на этапы её работы. Удобно будет посматривать на рисунок в процессе чтения.

    1. Сначала РНК-полимераза находит начало нужного ей гена — того, где записана инструкция по постройке того белка, который сейчас необходимо построить. Для этого она садится на ДНК и «едет» по ней, ощупывая на ходу, пока не прилипнет в нужном месте — там, где начинается ген.
    2. Затем она разъединяет двойную спираль в этом месте, чтобы ген стал доступным для считывания.
    3. Теперь начинается филигранная работа: к каждому азотистому основанию выбранного гена РНК-полимераза подбирает комплементарное ему основание, соединяя их один за другим в цепочку рождающейся таким образом РНК: напротив «A» ставится «У» (не забываем, что в цепи РНК вместо тимина используется урацил, очень похожий на него), и напротив «Ц» ставится «Г».

    Таким образом, РНК-полимераза создаёт новую РНК, комплементарную гену — своего рода слепок гена, но не в точности как ген, а комплементарный ему. Можно привести такую аналогию: если мы хотим сделать скульптуру кошки, то сначала мы можем сделать гипсовый слепок с неё. Каждой выпуклости на теле кошки в нашем слепке будет соответствовать вогнутость, и наоборот. А затем в этот слепок мы зальем тесто, и получим искомую скульптуру, которая будет в свою очередь «комплементарна» слепку — там, где на слепке выпуклость, в бронзе будет вогнутость. РНК-полимераза строит именно такие «комплементарные слепки» с гена. На этом рисунке схематично изображена РНК-полимераза, работающая на хромосоме.

    Иногда созданная молекула РНК является конечным продуктом, то есть она не будет служить матрицей для производства белка, а отправится выполнять какие-то свои функции в клетке. А иногда эта РНК является матрицей, по которой в дальнейшем и будет строиться белок. Такую промежуточную РНК называют матричной РНК, или мРНК. Иногда их называют еще и информационными РНК (иРНК).

    Итак, если клетке надо построить какую-то рабочую РНК, то с соответствующего гена снимается его «слепок», и после того, как он подвергается некоторой обработке, он идет выполнять свои функции в клетке. Если же клетке нужно произвести какой-то белок, то начальная стадия точно такая же: снимается слепок в виде РНК, эта РНК подвергается некоторой обработке, а вот затем она несется вон из ядра клетки, где попадает в обработку огромными белковыми комплексами – рибосомами, и тогда рибосома строит нужный белок в соответствии с информацией, размещенной в мРНК. Рибосома — это в самом деле огромный комплекс, состоящий из тесно сплетенных между собой белков и особых РНК, которые так и называются – рибосомные РНК (рРНК).

    В спектре всевозможных РНК, мРНК (то есть те, по которым строятся белки) составляют лишь 4%! Чем же занимаются остальные РНК? Давай посмотрим.

    80% всех РНК — это рРНК, то есть те, которые входят в состав рибосом. То есть можно сказать, что рРНК тоже включены в процесс постройки белков, но если мРНК являются копией проектной документации, то рРНК являются составными частями аппаратов, которые эти белки строят. Клетке постоянно нужны белки, и поэтому она нуждается во множестве рибосом.

    Среди оставшихся РНК самыми важными для нас являются транспортные РНК (тРНК). Они заняты тем, что подтаскивают нужные аминокислоты к рибосоме, которая из них строит белок согласно карте мРНК. Так что выходит, что и эти РНК заняты в процессе постройки белков — транспортный цех, так сказать:) Для каждой аминокислоты, использующейся при постройке белков, нужен свой вид тРНК, так что и тРНК клетке надо немало.

    Кроме этого, есть еще малые ядерные РНК (мяРНК). Они… тоже заняты в производстве белков:), но они выполняют очень интеллектуальную работу. Они берут только что сделанную мРНК и по-разному ее подрезают и склеивают (мнемоническое правило: «мять и склеивать»). Такие операции над мРНК называются сплайсингом. Ведь в ДНК гены перемежаются разными вставками, которые не нужны в конечной проектной документации. Эти ненужные вставки мяРНК и удаляет. Кроме того, если на чертеже есть болт с гайкой, а гаек и так сейчас хватает, то зачем она? Не надо ее, и мяРНК отрезает часть чертежа с гайкой — фактически, мяРНК так разрезает и склеивает мРНК, чтобы в итоге по ней строилось именно то, что надо клетке именно сейчас. Ненужные куски гена, которые отбрасываются при сплайсинге в сторону, называются интронами, а нужные, которые склеиваются в нужной последовательности – экзонами.

    Ферменты, которые принимают участие в сплайсинге, называются факторами сплайсинга. Во время сплайсинга незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК.

    Очень часто наши гены состоят из множества интронов и экзонов.

    У архей и бактерий гены устроены гораздо проще, чем у эукариот, и большинство их не имеет интронов, так что и сплайсинг пре-мРНК у них происходит редко. Ценность сплайсинга состоит еще и в том, что одну и ту же цепочку можно ведь нарезать по-разному, и получается, что по одному гену можно строить множество разных белков в зависимости от того, как именно будут разрезаны и склеены пре-мРНК.

    Для осуществления сплайсинга необходимы имеющиеся на интронах особые последовательности, которые узнает и с которыми взаимодействует специальный комплекс, который и осуществляет сплайсинг — сплайсосома. Но иногда экзон может вырезаться вместе с находящимися по бокам от него интронами, потому что специальные сигнальные белки садятся на этот экзон и блокируют его узнавание как экзона сплайсосомой, вот она и опознает всю эту колбасу как один большой интрон и выкусывает его. В этом состоит механизм альтернативного сплайсинга. Именно с помощью альтернативного сплайсинга мы можем из одного гена произвести множество разных мРНК, а значит — множество разных белков или функциональных РНК.

    Наша проблема заключается в том, что с возрастом факторов сплайсинга у нас становится меньше, что является одной из причин старения. Опыты, проведенные над червями, показали, что если мы уменьшаем у них число факторов сплайсинга, то возникает больше таких процессов сплайсинга, которые идут неправильно. Это увеличивает число старых неактивных клеток, которые, в свою очередь, снижают жизнеспособность всего организма.

    В экспериментах ученым удалось омолодить старые клетки с помощью ресвератрола, который содержится в кожуре винограда и других фруктов, в какао и орехах, а также в красном вине. Оказалось, что ресвератрол нормализует работу факторов сплайсинга, и старые клетки молодели — у них восстанавливался цикл деления, увеличивалась длина теломер, снижалось содержание биомаркеров старения и снижался фоновый уровень воспаления. Надо иметь в виду, что усиленным потреблением вина, винограда и фруктов добиться значимого повышения уровня ресвератрола не получится:) Для омолаживания клеток с помощью этого вещества необходимы другие подходы, которые постепенно будут разрабатываться. Предполагается, что это станет еще одним методом борьбы с болезнью Паркинсона и Альцгеймера, а также с раковыми заболеваниями.

    Структура ресвератрола совсем не покажется тебе сложной после всех тех молекул, которые мы уже изучали.

    Вообще ресвератрол – очень интересное с точки зрения влияния на наш организм вещество. Он относится к классу полифенолов — молекул, в которых есть более одной фенольной группы. Различные полифенолы часто можно найти в растениях. Формула ресвератрола напоминает ракету, что поможет найти мнемоническое правило: «направлен прямо в раковую цель».

    Пора завершить перечисление и краткое описание разных видов РНК.

    Еще есть малая ядрышковая РНК (мякРНК). В ядрах наших клеток есть места, где очень активно идет копирование генов, и в таких местах хромосома распушается, становится доступной для снятия слепков с генов — такая область распушенной хромосомы называется эухроматином. Если смотреть на ядро клетки с некоторого расстояния, то некоторые области эухроматина выглядят как некие плотные пятнышки, «ядрышки» внутри клеточного ядра. Это те области, в которых размещены те участки ДНК, которые содержат гены рРНК. Такие участки хромосом называются ядрышковыми организаторами, и вокруг них толпится огромное количество белков и рибонуклеопротеидов, обслуживающих процесс производства субъединиц, из которых состоят рибосомы. И вот мякРНК именно там и работает. Ее функция: окончательно прихорашивать и готовить к работе производимые рибосомные РНК («шмяк – и готова деталь для рибосомы»). Число известных нам мякРНК постоянно увеличивается, и на данный момент мы знаем уже более 150 их видов.

    Здесь важно избежать путаницы. Ядро – это отдельный большой компартмент клетки, ограниченный от цитозоля двойной мембраной. Ядрышко же не является компартментом и не ограничено никакими мембранами от остального содержимого клеточного ядра.

    При рассматривании клеточного ядра [окрашенной клетки] в микроскоп, ядрышки очень хорошо заметны в виде округлых образований размером 1-5 мкм, потому что в этих областях толпится огромное количество рРНК и рибосомных субъединиц. В этих участках ДНК находится очень много копий генов рРНК – обычно несколько сотен! Это позволяет осуществлять тут поистине массовое производство. Сначала производятся пре-рРНК, которые представляют собой большие (еще говорят – высокомолекулярные) РНК, которые потом нарезаются на более короткие фрагменты, которые уже и являются функциональными рРНК. Затем здесь же, в зоне ядрышка, эти готовые рРНК облепляются нужными белками, и образуются рибонуклеопротеиды, которые уже являются теми блоками, из которых потом будут строиться рибосомы. Но процесс компоновки субъединиц рибосомы происходит уже вне ядра, иначе такие большие объекты не удалось бы транспортировать из ядра в цитоплазму через ядерные поры.

    Если рассмотреть ядрышки с достаточным увеличением, то можно увидеть, что они неоднородны по своей структуре, и там выделяются два типа структур: фибриллярный компонент (в центральной части ядрышка) и гранулярный (на периферии). Фибриллярный компонент – это рибонуклеопротеидные нити пре-рРНК, а гранулярный – это скопление «созревающих» рибосомных субъединиц.

    Ядрышко – это очень важный элемент ядра, функции которого очень разнообразны. Да, основной их функцией считается именно производство рРНК и рибосомных субъединиц, но помимо этого ядрышки и участвуют в формировании ответа на клеточный стресс, и взаимодействуют с вирусными белками и т.д. Подробно мы будем их изучать позже.

    Еще существуют короткие интерферирующие РНК (киРНК). Мы сейчас не будем их рассматривать, а лишь скажем, что они помогают снимать копии с некоторых генов. 

    Еще одна важная разновидность функциональных РНК — это микро-РНК (миРНК). Главная их функция — это управление процессом производства из генов продукции — как белков, так и разных функциональных РНК. Это в самом деле очень маленькие РНК: в длину они имеют лишь 21-22 нуклеотида. Обнаружены они у всех многоклеточных организмов, как у животных, так и у растений, и в человеческих клетках имеется более 250 их разновидностей! Так что можно себе представить, насколько разнообразную работу они производят. Фактически, микро-РНК играют регуляторную роль в очень многих важнейших клеточных процессах: развитие клеток, дифференцирование клеток (то есть получение ими своей специализации), апоптоз клеток (т.е. программируемая гибель), развитие органов — везде микро-РНК играют свою регулирующую роль.

    Гены, по которым производятся микро-РНК, находятся в ДНК в очень необычных местах: оказывается, обычно они находятся в межгенных промежутках, а также в интронах (т.е. в некодирующих участках) генов, кодирующих белки.

    Было бы невыгодно производить микро-РНК поштучно, поэтому этот процесс оптимизирован: сначала производится предшественник микро-РНК, который обладает довольно сложной шпилечной структурой, а затем, в ходе многоэтапного процесса, он нарезается на несколько функциональных микро-РНК. Сначала, прямо в клеточном ядре, предшественник микро-РНК нарезается на среднего размера куски, которые экспортируются из ядра в клеточный цитозоль с помощью специального фермента — он называется экспортин-5. Затем, уже в цитозоле, эти среднего размера куски нарезаются на еще более мелкие куски ферментом DICER.

    После того, как в цитозоле DICER нарезал молекулу-предшественника на мелкие кусочки, эти кусочки соединяются с несколькими белками, и в итоге образуется комплекс под названием RISC, и вот этот комплекс RISC и является регулирующим инструментом — он может связаться с какой-то матричной РНК, по которой производится белок, и таким образом остановить или приостановить производство этого белка.

    Итак, этапы пути миРНК: пре-миРНК => его нарезка => экспорт из ядра экспортином-5 => нарезка ферментом DICER => объединение с белками => RISC.

    Конечно, такого не бывает, чтобы мРНК всегда строились без ошибок, и именно поэтому в клетках существует многоступенчатый контроль качества мРНК. Сначала специальный комплекс из 10 белков проверяет правильность последовательности нуклеозидов мРНК, и делает он это прямо там, в ядре, не отходя от кассы материнской ДНК. Если всё в порядке, то мРНК подхватывается специальным транспортным белком, который подводит её к ядерной поре и проводит её из ядра наружу, в цитозоль. И прямо тут работает «таможня» — другие белки снова проводят уже более тонкий контроль качества мРНК, и если находят ошибку, то разбирают ее прямо здесь, не выпуская из ядра, и входившие в состав мРНК нуклеозиды снова пополняют собою набор строительных материалов для постройки следующих мРНК. В цитозоле мРНК… снова подвергается проверке, причем не один раз! В результате всего этого к рибосоме для построения белка попадают лишь многократно проверенные мРНК, так что вероятность того, что будет построен неправильный белок, сведена к предельному минимуму.

    Такая тщательная и многоступенчатая система проверки правильности мРНК означает, что неправильно построенные белки крайне нежелательны для клетки, ведь они могут оказаться не просто бесполезными, что нестрашно, но и весьма вредными. Именно поэтому в процессе эволюции остались только такие клетки, в которых выработался вот такой сложный механизм проверки качества мРНК.

    Кроме вышеупомянутых РНК, существует еще такая разновидность некодирующих РНК, как криптические нестабильные транскрипты, и их мы тоже будем рассматривать позже.