Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году досталась американским ученым Виктору Амброс и Гэри Рувкун. «за открытие микроРНК и ее роли в посттранскрипционной регуляции генов»

Сотрудники Института физиологии им. И. П. Павлова рассказывают о значимости открытия, о том как с ним работают в ИФ РАН и причем здесь червяки да улитки.

Лариса Николаевна Гринкевич, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории генетики высшей нервной деятельности ИФ РАН.

Татьяна Геннадьевна Зачепило, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории генетики высшей нервной деятельности ИФ РАН.

Л. Н. Гринкевич – Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2024 год присуждена за открытие нового фундаментального принципа регуляции активности генов посредством микроРНК. Ученные открыли микроРНК и определили их функции как важнейшего регулятора активности генов используя в качестве объекта маленького прозрачного червяка – нематоду Caenorhabditis elegans еще в 1993 году. Как видите, открытие было оценено не сразу – ведь червяк ? не человек ?. В дальнейшем было показано что микроРНК необычайно консервативны и играют фундаментальную роль в функционировании всех видов животных в том числе человека. C. elegans – это самый «простой» модельный организм, обладающий нервной системой (302 нейрона). Именно поэтому он стал первым животным, для которого был полностью описан коннектом (синаптические связи всех нейронов между собой – что сейчас применяется для создания и обучения нейросетей), в 2019 году. Открытие микроРНК явилось триггером для инициации целого спектра выдающихся работ по изучению молекулярных механизмов функционирования организмов. МикроРНК это некодирующие небольшие молекулы (около 22 нуклеотидов) каждая из которых способна осуществлять синхронное воздействие на десятки генов мишеней, необходимых для осуществления интегративных функций. Особенно это касается механизмов онтогенеза, когда нужно синхронно выключать десятки генов в различных клеточных популяциях. Кроме того, нарушения в работе микроРНК стимулируют развитие раковых опухолей и соответственно являются мишенями для диагностики и терапии раковых заболеваний что сейчас интенсивно изучается. Позже начались работы в области функционирования центральной нервной системы (ЦНС).

– Понимание роли микроРНК начало складываться только после 1993 года, то есть, совсем недавно. Когда вы в вашей работе стали использовать это новое знание?

Л. Н. Гринкевич – Реально эти знания начали влиять на исследования функционирования мозга, где работаем и мы, в конце 2000 годов. Это частично совпало с тем, что в начале девяностых был также открыт целый ряд белков – транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию (активность) генов в мозге, а также открыта важнейшая эпигенетическая (надгенетическая) система, регулирующая активность генов через изменение плотности хроматина (путем метилирования ДНК, а также модификации белков-гистонов) - здесь и были сосредоточены основные мировые усилия. В этой области знания были сделаны важнейшие фундаментальные открытия, связанные с молекулярными механизмами формирования долговременной памяти (ДП) и ее нарушениями.

– Лариса Николаевна, Какие именно животные и почему стали для ваших исследований модельными? ?

Л. Н. Гринкевич – Важнейшую роль в исследованиях, о которых я говорю, играют животные с достаточно простой центральной нервной системой (ЦНС) и гигантскими нейронами. А именно моллюски. В этой области достаточно успешно работали и мы. Модельным животным служил моллюск – виноградная улитка (Helix lucorum). Это животное отличается разнообразным поведением и у него достаточно хорошо вырабатывается несколько типов условных рефлексов. Нейроны хорошо идентифицируются, что позволяет изучать нейронные сети, вовлекаемые в формирование ЦНС этого животного, а также изучать молекулярные процессы, происходящие в отдельных нейронах с различной функцией в формировании долговоременной памяти.

Мы обнаружили, что в формирование долговременной памяти интенсивно вовлекается не только активация экспрессии генов, но и ингибирование. Так как ингибиторные процессы в ЦНС гораздо хуже изучены мы решили углубить их изучение. К 2010-2015 годам функции микроРНК как ингибиторов экспрессии генов и механизмы их биогенеза были уже достаточно хорошо изучены. Появились и первые данные о вовлечении микроРНК в формировании ДП. К исследованиям роли микроРНК в формировании ДП приступили и мы, как и прежде, используя нашу виноградную улитку. В работе с микроРНК мы столкнулись с достаточно большими трудностями, так как микроРНК до нас у Helix lucorum не были секвенированы (т. е. они не были идентифицированы), нам пришлось начать с этого. Работу проводили совместно с коллегами из Новосибирского Институт цитологии и генетики СО РАН. В результате первый этап закончили в 2018 году и последовательности опубликовали в мировой базе данных микроРНК. Анализ данных показал наличие в ЦНС 94 высоко консервативных миРНК (т.е. они есть у позвоночных животных и человека) и далее приступили к их изучению. С применением достаточно высотехнологичного и дорогостоящего процесса микроРНК-секвенирования (благодаря взаимодействию с ИЦиГ СО РАН) и методов ПЦР-анализа нами были обнаружены 2 группы микроРНК, экспрессия которых при формировании ДП регулируется разнонаправленно причем несколько из них играют важную роль в когнитивных функциях позвоночных и человека. Более того, применяя животных, у которых нарушена способность к формированию данного рефлекса (разрушена одна из медиаторных систем вследствие воздействия нейротоксина) мы подтвердили важную роль нескольких микроРНК в формировании ДП, а также обнаружили микроРНК вовлекаемые в компенсаторные механизмы. 2023 году работу опубликовали в высокорейтинговом журнале (Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 301.).

Роль нескольких выбранных нами микроРНК мы изучаем в настоящее время.

– Как исследования микроРНК улиток поможет людям?

Л. Н. Гринкевич - На сегодняшний день открыты тысячи микроРНК у разных организмов. Показано, что наибольшее количество микроРНК экспрессируется в мозге, у человека – около 70 %. Более того, большое количество микроРНК играет важную роль в когнитивных процессах в частности формировании ДП, а также ее дисфункции. Более того, микроРНК обладают высоким потенциалом для диагностики (так как способны выходить в кровеносную систему) и терапии заболеваний, связанных с когнитивными нарушениями такими как старческая деменция, болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона.

В настоящее время в мире наблюдается бум исследований в этой области. Горизонт пока не виден так как в когнитивные процессы ? вовлекаются десятки микроРНК и сотни их генов-мишеней. Кроме того, в разных отделах мозга и различных клеточных популяциях наборы микроРНК отличаются что определяет трудность исследований. Мы и наша виноградная улитка также вносим посильный вклад в изучение роли микроРНК в функционирование ЦНС, а именно в формирование долговременной памяти.

Т. Г. Зачепило:

- МикроРНК, открытые в 1993 году - важнейшие регуляторы работы генов. Они могут регулировать работу генов разными путями. За открытие одного из таких путей, РНК-интерференцию, в 2006 году Нобелевскую премию получили Эндрю Файр и Крейг Мэлл. РНК-интерференция позволяет коротким РНК связываться с матричной РНК гена-мишени, приводя к тому, что с такой матричной РНК не будет синтезироваться белок. Сейчас существует несколько вариантов генной терапии, работающей по механизму РНК-интерференции.

Кроме того, что микроРНК участвуют в РНК-интерференции, известно, что они могут взаимодействовать с ДНК и изменять активность генов посредством других механизмов, например – через метилирование. Одна микроРНК может регулировать несколько генов, а тот или иной ген может регулироваться несколькими микроРНК. Это обеспечивает тонкую настройку внутриклеточных процессов.

Одноклеточным и беспозвоночным микроРНК необходимы для противовирусной защиты. В организмах многоклеточных микроРНК участвуют в регуляции процессов развития, а также работают на протяжении все жизни организма. Каждая ткань имеет специфический набор микроРНК, что позволяет использовать эти данные для диагностики заболеваний.

Источник: vk.com

Комментарии: