Мусорная ДНК. Путешествие в темную материю генома - Несса Кэри

Звучит странно. Есть даже искушение предположить, что это просто единичное исключение, редкая причуда природы. Пусть так. Но это, знаете ли, весьма примечательное исключение: молекулы мусорной РНК, обладающие такой функцией, составляют примерно 80% от всех молекул РНК, находящихся в клетке человека в любой момент времени1. Мы уже не одно десятилетие знаем о существовании этих необычных РНК. Тем удивительнее, что мы до сих пор придерживались столь белкоцентрического взгляда на наш геномный ландшафт.

Молекулы РНК, наделенные этой странной функцией, называются рибосомными РНК, или рРНК. Нетрудно догадаться, что в основном они располагаются в клеточных структурах, именуемых рибосомами. Эти структуры находятся не в ядре, а в цитоплазме. Рибосомы — структуры, где информация, содержащаяся в молекулах информационной РНК, конвертируется в связанные друг с другом цепочки аминокислот, в результате чего и синтезируются белковые молекулы. Если вспомнить нашу аналогию с вязанием, которую мы использовали в первых двух главах книги, рибосомы — это все те дамы-вязальщицы, которые превращают информацию, напечатанную на бумаге, в теплые носки и теплые перчатки для бойцов, сражающихся где-то за морем2.

По массе рРНК составляет около 60% общей массы рибосомы. Остальные 40% приходятся на белки. Молекулы рРНК группируются в две основные субструктуры. В одной содержится три типа рРНК и примерно 50 различных белков. В другой субструктуре лишь один тип рРНК и около 30 белков. Рибосому иногда рассматривают как единый макромолекулярный комплекс, поскольку она представляет собой весьма крупный и структурированный конгломерат из множества различных компонентов. Можно считать ее чем-то вроде большого робота, синтезирующего белки.

Когда на основе генов, кодирующих белки, вырабатываются молекулы информационной РНК, эти молекулы выводятся за пределы ядра и направляются в ту область клетки, где и расположены рибосомные роботы. Молекулы информационной РНК постепенно пропускаются через рибосому. Так генетические инструкции, которые несет информационная РНК, считываются рибосомой. В результате появляется череда аминокислот, соединенных вместе в нужном порядке. Именно рибосомная РНК осуществляет реакцию, посредством которой та или иная аминокислота соединяется со своей соседкой. В результате получается длинная и стабильная белковая молекула.

Информационная РНК пропускается сквозь одну рибосому, и в это же время другая рибосома может прикрепляться к началу того же послания, также создавая белковые цепочки. Вот почему одна молекула информационной РНК может использоваться как матрица для изготовления множества копий одного и того же белка. Этот процесс схематически показан на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Молекула информационной РНК движется сквозь рибосому слева направо. Рибосома при этом выстраивает белковую цепочку. Когда начало информационной РНК появляется из рибосомы, которая с ней работает, оно может встретиться с другой рибосомой. В результате одной и той же молекулой информационной РНК могут единовременно заниматься несколько рибосом. Все эти рибосомы будут синтезировать полноразмерные белки.

Аминокислоты доставляются к рибосомам другим типом мусорной РНК — транспортной РНК, или тРНК. Это довольно маленькие некодирующие РНК, их длина составляет примерно 75-95 нуклеотидных оснований3. Но они способны складываться, создавая затейливую трехмерную структуру, которую обычно называют «лист клевера». К одному концу тРНК прикреплена определенная аминокислота. На другом конце находится петелька из трех нуклеотидных оснований. Этот триплет может соединяться с определенной последовательностью молекулы РНК. В сущности, тут используются такие же правила, как и при образовании нуклеотидных пар ДНК.

Молекулы тРНК служат своего рода посредниками между нуклеотидной последовательностью, которую несет информационная РНК (а изначально — ДНК), и синтезируемым белком. Молекулы тРНК обеспечивают выстраивание аминокислот в должном порядке, благодаря чему как раз и возникает соответствующий белок. Схематически это показано на рис. 11.2. Когда две аминокислоты удерживаются рядом друг с другом на рибосоме, рибосомная РНК может провести химическую реакцию, которая присоединяет хвост одной аминокислоты к голове соседней. Так и формируется белковая цепочка.

Рис. 11.2. По мере того, как информационная РНК движется сквозь рибосомы, молекулы транспортной РНК подводят нужные аминокислоты на нужные места в цепочке (на основании правил образования пар нуклеотидных оснований). Аппаратура рибосомной РНК соединяет соседние аминокислоты, образуя белковую цепочку.

Некоторые из триплетов, расположенных на информационной РНК, не соответствуют никаким триплетам транспортной РНК. Их называют стоп-сигналами. Когда рибосома считывает такой сигнал, она не может поместить тРНК в нужное место, в результате чего рибосома отсоединяется от информационной РНК, и белок прекращает расти. Это те самые элементы крыши из конструктора «Лего», о которых мы говорили в главе 7. Затем рибосома находит другую молекулу информационной РНК для трансляции ее в белок — или же возвращается к началу первой молекулы.

Хотя в основе всей этой сложнейшей процедуры лежит деятельность гигантского комплекса, в состав которого входят 4 типа рибосомной РНК и около 80 белков, процесс добавления новых аминокислот к растущему белку идет весьма быстро. Нелегко точно измерить его скорость в человеческих клетках, но вот у бактерий каждая рибосома может пристраивать аминокислоты к растущему белку со скоростью около 200 аминокислот в секунду. Возможно, процесс идет не так стремительно, как в человеческих клетках. Но эти 200 аминокислот все равно достраиваются примерно за вдесятеро меньшее время по сравнению с тем, какое понадобилось бы нам для скрепления друг с другом всего пары элементов «Лего» при строительстве нашей игрушечной башни. И не забудьте, что рибосома скрепляет друг с другом не первые попавшиеся кирпичики «Лего». Представьте, что нам нужно всякий раз выбирать лишь по 2 из 20 типов строительных блоков (существует 20 различных аминокислот) и затем скреплять такие блоки друг с другом в нужном порядке, проделывая эту операцию много раз в секунду. Непростая задача.

Наши клетки вынуждены ежесекундно производить миллионы белковых молекул, так что нам нужно, чтобы наши рибосомы действовали очень эффективно. Кроме того, для удовлетворения спроса на белки требуется очень много рибосом — до 10 миллионов миниатюрных роботов в отдельной клетке4. Чтобы создавать достаточное количество рибосом, наши клетки обзавелись множеством копий рРНК-генов. Вместо того, чтобы зависеть от процесса создания рРНК по классической схеме, когда один ген наследуется от каждого из родителей, мы наследуем около 400 рРНК-генов, распределенных по 5 различным хромосомам5. Согласитесь, огромное богатство. Благодаря этому, в частности, у нас не очень-то высока вероятность заболеваний, вызываемых мутациями этих генов. Ведь если одна из копий мутирует, всегда есть масса запасных. Поэтому наш организм, скорее всего, сумеет компенсировать дефект благодаря всем нормальным версиям гена, кодирующим ту же самую молекулу рРНК. Иное дело — мутации генов, кодирующих белки: такие гены также присутствуют в рибосомах. Мы пока не успели детально изучить функции многих из этих генов. Некоторые, судя по всему, вообще не играют важной роли в функционировании рибосом. Но есть здесь и такие гены, мутация которых все-таки вызывает заболевания.