Читать книгу Первая молекула: Как РНК раскрывает главные тайны биологии - - Страница 4

Часто говорят, что первая половина XX столетия была эпохой физики. Кривизна пространства-времени, поведение субатомных частиц, Большой взрыв и черные дыры, высвобождение атомной энергии, способной обеспечивать электричеством целые города или стирать их с лица земли. Все эти открытия произвели революцию в науке и изменили нашу повседневную жизнь. Можно сказать, что между 1905 г., когда Эйнштейн вывел формулу E = mc², и 1947-м, когда в лаборатории Белла был изобретен транзистор, в самой физике произошел Большой взрыв.

В начале второй половины XX в. биология начала вытеснять физику из области всеобщего научного внимания. Говоря «биология», я имею в виду исследования ДНК. Эти полвека начались в 1953 г. с выдающегося открытия, сделанного Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, описавшими двойную спираль ДНК, а завершились проектом «Геном человека» (1990–2003 гг.), в ходе которого была расшифрована наша ДНК и получен генетический план устройства человечества. Сегодня все знают о важности ДНК: известно, что она содержит нашу генетическую информацию, что с ее помощью можно прослеживать нашу родословную, выявлять наследственные заболевания и раскрывать преступления. Понятие «ДНК» обрело более широкий смысл. Если я говорю вам, что нечто «заложено в моей ДНК», например любовь к горным походам или к тайской кухне, я имею в виду, что мне это свойственно, это часть моей сущности.

В эпоху ДНК широкая общественность в основном не обращала внимания на РНК. Конечно, в учебниках писали (и студенты учили), как с двойной спирали ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) образуется РНК-копия (молекула рибонуклеиновой кислоты) и как мРНК, или матричная РНК[1], используется в качестве матрицы для синтеза белков. Но РНК никогда не была в центре внимания. Подобно бэк-вокалистке, она всегда оставалась в тени примадонны.

Со временем представители научного сообщества узнали о других талантах РНК, которые ранее были неочевидны. РНК очень мала, ее размер всего лишь около одного нанометра. Если положить молекулы матричной РНК боком друг к другу, можно уместить 50 000 молекул в пределах толщины одного человеческого волоса. Однако оказалось, что малый размер РНК компенсируется ее универсальностью: складываясь в трехмерные формы, как оригами, она способна проделывать невероятные вещи, тогда как ее сестричка ДНК всегда играет лишь одну и ту же роль.

Действительно, у ДНК одна-единственная роль, хотя и ключевая для всего живого на Земле. ДНК хранит наследственную информацию. И всё. Это как иероглифы в гробнице египетской мумии, или бороздки на виниловой пластинке, или единички и нули, из которых состоят биты информации, содержащейся в компьютере. Задача ДНК – оставаться в ядре клетки и беречь информацию. А чтобы прочитать эту информацию и что-либо с ней сделать, требуются белки и РНК.

Итак, первое, что нужно понять про РНК, – то, что она замечательна своей многоликостью. Да, она может, так же как и ДНК, хранить информацию. Например, многие вирусы, вызывающие заболевания у человека, вообще не заморачиваются с ДНК, их вполне устраивает, что у них гены кодируются (или записаны в молекуле) РНК. Но хранение информации – это всего лишь одна из глав в инструкции по применению РНК. В отличие от ДНК, у РНК в живой клетке много активных ролей. Она может вести себя как фермент, разрезая и склеивая другие молекулы РНК, или собирать из аминокислотных кирпичиков белки – основной материал всех живых организмов. Она поддерживает активность стволовых клеток и предотвращает старение, достраивая ДНК на концах хромосом. Направляя систему редактирования генов CRISPR, она позволяет нам переписать программу организма. Многие ученые считают даже, что РНК хранит тайну появления жизни на нашей планете.

Теперь наконец РНК стала выходить из тени ДНК и раскрывать свой огромный потенциал. Начиная с 2000 г. за открытия, связанные с РНК, было присуждено 11 Нобелевских премий. За тот же период вчетверо выросло число ежегодных научных статей и патентов, связанных с исследованием РНК[2]. В стадии разработки сейчас находится более 400 препаратов на основе РНК[3], и это не считая тех, что уже используются. В одном только 2022 году более 1 млрд долларов из фондов прямых инвестиций было вложено в биотехнологические стартапы, стремящиеся раздвинуть горизонты в изучении РНК[4].

Хотя в прошлом ДНК, возможно, преобладала в биологических исследованиях, в будущем внимание, несомненно, окажется сосредоточено на РНК. XXI век уже стал эпохой РНК, и до конца столетия еще далеко.

Эта книга – путеводитель для образованных людей, показывающий, как РНК оказалась вирусной в прямом и переносном смысле этого слова, как ее изучение превратилась из сложной темы, интересной преимущественно биохимикам, в приоритетное направление, от которого зависит будущее науки и медицины.

Я выступаю в этой истории не как посторонний наблюдатель, а как активный участник. Будучи профессором химии и биохимии Колорадского университета в Боулдере, я изучал РНК на протяжении большей части моей карьеры. Я был свидетелем связанных с РНК открытий, которые заставили ученых в корне поменять представления о том, как зародилась жизнь на планете Земля, и удивительным образом прояснили ряд вопросов, относящихся к здоровью и болезням человека. Одни из этих открытий были собственноручно сделаны мною и моей исследовательской группой. Другие совершены моими близкими друзьями и коллегами, поэтому я вправе называть их по имени.

В совокупности эти касающиеся РНК открытия оказались одним из самых революционных научных достижений со времен описания двойной спирали ДНК. Однако на протяжении многих лет общество не было готово их оценить, потому что люди весьма смутно понимали, что такое РНК и почему она вызывает столь сильное волнение среди ученых. Мне такое отношение всегда казалось обидным, потому что за этим стоят захватывающие истории. Кроме того, граждане финансировали большинство исследований с помощью своих налогов, и они имеют право знать, как окупились потраченные средства.

Неспокойной весной 2020 г. общество столкнулось с РНК, что называется, лицом к лицу весьма неожиданным образом. У меня, как и у многих других, работа была временно приостановлена. Моя лаборатория закрылась, занятия были отменены. Но все вдруг заговорили о моей теме. Мир был охвачен хаосом, созданным SARS-CoV–2, РНК-вирусом, вызывающим заболевание COVID–19. Для борьбы с вирусом были с беспрецедентной скоростью разработаны мРНК-вакцины, и это ошеломляющее достижение оказалось возможным благодаря десятилетиям фундаментальных исследований в области РНК и тем самым открытиям, о которых большинство людей вообще ничего не слышало.

Естественно, общественность захотела узнать об этой молекуле, которая в наши трудные времена стала и причиной проблем, и потенциальным лекарством. Так я превратился из исследователя РНК в рассказчика о РНК. Я поставил себе задачу осветить тему РНК – сначала в процессе публичных выступлений, а теперь в виде книги, которую вы держите в руках.

Мой рассказ об этой молекуле состоит из двух частей. В первой РНК проявляет себя как великий катализатор жизни. Мы начнем с экспериментов 1950-х гг., когда выяснилось, что РНК управляет созданием белков, выполняющих большинство важных функций в живых организмах, от соединения клеток до переваривания пищи. Затем мы увидим, как РНК благодаря удивительному преобразованию, называемому сплайсингом, дает возможность нам, людям, гораздо лучше использовать информацию в нашей ДНК, чем это удается, например, грибам, червям или мухам.

С этого момента история приобретает личный характер. Я расскажу, как моя команда обнаружила каталитические РНК, названные рибозимами. Существование этих веществ нарушало считавшийся незыблемым закон природы, гласящий, что ферменты должны быть белками. Наше открытие привело к получению мной в 1989 г. Нобелевской премии по химии и стало важным поворотным моментом в истории РНК. Теперь в мире науки эту молекулу стали рассматривать не как пассивного посредника и актера с эпизодической ролью в химии жизни, а как звезду всего шоу. Следующей важной задачей было выявить те удивительные формы, которые принимает РНК, творя свои многочисленные чудеса (это захватило даже великого Джеймса Уотсона, после того как он успешно разгадал структуру ДНК). Затем я расскажу, как выяснили, что РНК стоит и за тайным могуществом рибосом – главных молекулярных машин нашей клетки, которые считывают информацию с матричной РНК и используют ее для создания белков, обеспечивающих столь многое в жизни. И, наконец, я покажу, что РНК позволяет решить проблему курицы и яйца и ответить на величайший вопрос науки: как примерно 4 млрд лет назад на Земле зародилась жизнь.

В первой части книги рассказывается, как РНК поддерживает жизнь, а во второй – как РНК может улучшить и продлить жизнь за пределы существующих в природе ограничений. Мы начнем с необычной истории о теломеразе – ферменте, работающем с участием РНК, который научил нас тому, что бессмертие и злокачественные образования в действительности две стороны одной медали. Затем мы узнаем, как крошечные РНК, коммутирующие выключение матричной РНК, могут быть использованы для борьбы с заболеваниями.

Однако РНК не только лечит нас – она может и убивать. В виде РНК хранится генетический материал множества самых смертоносных вирусов, начиная от полиомиелита и заканчивая упомянутым SARS-CoV–2. И хотя у этих вирусов РНК выступает в роли злодея, мРНК-вакцины демонстрируют, что РНК может и прийти на помощь, защищая нас не только от COVID–19, но и, вероятно, от рака и многих других заболеваний.

Наконец, бэк-вокалистка РНК берет реванш над примадонной, работая в системе CRISPR, позволяющей нам изменять саму ДНК. Технология CRISPR уже произвела революцию в фундаментальных научных исследованиях и скоро начнет применяться в медицине и для замедления темпов изменения климата. Оказалось, что универсальность, позволяющая РНК обеспечивать столь много жизненно важных функций в природе, делает ее одновременно и прекрасным инструментом для биомедицинских инженеров, которые сейчас заставляют пересмотреть наши представления о жизни.

Поскольку героиня этой книги присутствует в каждом живом существе на планете и существует уже около 4 млрд лет, я никак не мог рассказать всю историю РНК без сокращений. Я оказался перед сложным выбором: о чем говорить, а что пропустить. Мне также пришлось упростить многие научные понятия, чтобы сделать их более доступными для читателей. Временами я описываю РНК как спагетти и сравниваю реакции сплайсинга РНК с копированием и вставкой слов в текстовом редакторе. Такое упрощение может вызвать раздражение у моих коллег, но, о чем мне часто напоминает моя жена (а она, как и я, биохимик), я пишу книгу не для них.

Предполагаю, что у моих друзей-ученых есть и еще одна причина для неудовольствия. В своем рассказе я стремился сконцентрировать внимание на самой РНК. Поэтому, хотя в моем повествовании упоминаются некоторые исследователи, наткнувшиеся на ключевые открытия или пошедшие по неверному пути, прежде чем им удалось докопаться до истины, я не претендую на полноту изложения. Для каждой научной темы, упомянутой в книге, я постарался указать в примечаниях имена причастных к этому исследователей[5], при этом заранее прошу прощения за то, что, вероятно, многих не назвал. Одна из замечательных особенностей современной науки о РНК – в том, что в процессе совершения большинства открытий принимают участие многие люди, которые непрерывно передают пас друг другу, как в регби. И, так же как в регби, исследователи иногда образуют этакую кучу-малу, и на какое-то время кажется, что мяч потерян. Это состязательная, беспорядочная, порой доставляющая боль игра, но в ней случаются моменты триумфа.