Книга: Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века

Генные глушители

Генные глушители

Чего только не стали вытворять биологи с наступлением эры неограниченной манипуляции генами! Ботаники тоже не желали плестись в хвосте прогресса. Не им ли, продолжателям славных дел Бербанка, Мичурина и Барлоуга, надлежало быть впереди планеты всей? И они принялись за работу. Успехи в создании генетически улучшенных форм сельскохозяйственных растений методами генной инженерии колоссальны (см. главу 10). Но вовсе не всегда ботаникам сопутствовал успех. Были и досадные промахи.

Так, в начале 1990-х годов цветоводы решили применить новейшие методы для усиления цвета петуний. Было ясно, что надо сделать – увеличить количество генов, кодирующих белки-пигменты. В полной уверенности в успехе предприятия цветоводы стали «всаживать» в клетки растений плазмиды, несущие дополнительные гены пигмента. Каково же было разочарование цветоводов, когда генетически измененные петуньи не только не приобретали более яркую окраску… но становились бесцветными! К чести цветоводов, они поняли, что наткнулись на что-то важное, хотя, конечно, и не помышляли о том, что их наблюдение приведет к новой революции в молекулярной биологии. Ученые стали ставить новые эксперименты в попытках выяснить, как же так вышло, что увеличение количества генов перешло в качество с обратным знаком. Этакая гегелевская диалектика шиворот-навыворот.

А выяснилось вот что. Имеется огромное количество вирусов растений, от которых растениям надо как-то защищаться. Иными словами, растения никак не выжили бы, если бы не выработали свою иммунную систему. Оказалось, что бороться с вирусами у растений призвана специальная иммунная система, совершенно отличная от иммунной системы человека и других позвоночных и получившая название РНК-интерференция, или РНКи. Подобно тому, как в ответ на вторжение вируса наша иммунная система вырабатывает антитела, у растений начинается наработка коротких молекул РНК (содержащих приблизительно 21 нуклеотид; они получили название коротких интерферирующих РНК, или киРНК). Последовательность киРНК такова, что они могут связаться с молекулами мРНК, вырабатываемыми вторгшимся вирусом, и, как только это случится, специальные ферменты-рибонуклеазы системы РНКи набрасываются на мРНК и расщепляют ее. Таким образом, короткие РНК играют роль глушителей для вирусных генов и предотвращают их экспрессию в растительных клетках.

Откуда же клетка знает, какие киРНК производить? Может быть, как в случае нашей иммунной системы, у растений заранее заготовлен огромный арсенал генов, кодирующих всевозможные киРНК? Нет, так растения поступить не могли. Потому у них и не могла возникнуть нормальная, «человеческая» иммунная система с В – и Т-лимфоцитами, что у них нет кровообращения, которое разносило бы громадный арсенал лимфоцитов, готовых бороться с вторгшимся врагом, по всему телу. Иммунная система, основанная на РНКи, не принадлежит ни к категории врожденного иммунитета, ни приобретенного. Она совсем особая. Вторгшаяся вирусная РНК (у очень многих растительных вирусов, как, впрочем, и у животных вирусов, генетическим материалом является одноцепочечная РНК) превращается в клетке в двойную спираль РНК. Затем ферменты, принадлежащие к системе РНКи, нарезают эту РНК на короткие куски (тоже двуспиральные, примерно по 21 нуклеотиду в каждой из комплементарных цепей), которые и играют роль киРНК. Так что киРНК на самом деле двухцепочечные молекулы. Одна из двух цепей комплементарна РНК вируса, и она-то и играет роль РНК-глушителя.

Ну а что же все-таки происходило с петуньями? Почему они теряли окраску в ответ на вторжение дополнительных генов пигмента? Читатель, конечно, уже догадался, в чем было дело: иммунная система петуний ошибочно принимала мРНК белка-пигмента за вторгшуюся вирусную РНК и включала систему РНКи. В результате вырабатывались киРНК, специфичные к мРНК пигмента, что вело к деградации всех мРНК пигмента: пигментный белок переставал вырабатываться вовсе. Иными словами, происходило полное «глушение» экспрессии пигментных генов.

Так невинное занятие цветочками привело к важнейшему открытию – обнаружению иммунной системы у растений, или системы РНКи. Впрочем, вся генетика началась с цветочков (Мендель разводил цветной горошек), так что удивляться не приходится. Нет, все же есть чему удивляться: как же такой важнейший процесс столь долго оставался незамеченным? Может, дело в том, что система РНКи есть только у растений и ее нет ни у прокариот, ни у животных? Действительно, у прокариот нет такой системы, а вот у животных она есть, и у нас с вами тоже. Когда такое выяснилось в начале 2000-х годов, пошли разговоры об очередной революции в молекулярной биологии. Впрочем, почему только разговоры? Сейчас уже ясно, что эта революция в самом разгаре. Но об этом позже – в самом конце книги.