Мало кто знает, что на основе ДНК и РНК можно сделать лекарства, способные противостоять инфекции и даже исправлять мутации у людей с генетическими заболеваниями. О том, как работают разнообразные методы этой отрасли и какие проблемы в ней только предстоит разрешить, школьникам «Сириуса» рассказал Валентин Власов – доктор биологических наук, академик РАН и научный руководитель Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
Как заставить гены молчать
Нуклеотиды – «буквы» ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), молекул, в которых хранится и передается генетическая информация. Хотя «букв» в этом своеобразном алфавите всего четыре (А, У, Г и Ц в ДНК и А, Т, Г и Ц в РНК), с их помощью можно записать осмысленный «текст» – гены (инструкцию по сборке белков, о которой ученикам недавно рассказывал другой гость, Денис Ребриков). Эта инструкция переписывается с двуцепочечной молекулы ДНК, которая находится в ядрах наших клеток, на одноцепочечную молекулу РНК, и уже с нее синтезируется белок.
Но нуклеотиды не просто служат для записи инструкций по сборке – из их цепочек можно делать лекарства, которые будут разрушать систему синтеза белка у вирусов или бактерий, привязываться к определенным молекулам или даже «чинить» мутации в генах. Лекарства на основе нуклеотидов действуют по относительно легко объяснимому принципу и обычно очень специфичны: на каждую конкретную последовательность можно «натравить» свою цепочку нуклеотидов. Это работает потому, что каждый из четырех типов «букв» может образовать пару с другим. В ДНК две цепи держатся вместе, так как в каждой из них напротив стоят определенные буквы, тянущие друг к другу «руки» химических связей.
Если сделать цепочку нуклеотидов, соответствующую последовательности РНК, которая будет создана с нужного (а точнее – ненужного) гена, то наше лекарство, используя все те же связи между парными буквами, сыграет роль «второй цепи», сделает молекулу похожей на ДНК и заблокирует эту последовательность. С нее не произведется белок, и вред «неправильного» гена будет нейтрализован. Такие цепочки называют антисенс-РНК (или антисмысловыми РНК), так как они лишают записанный в определенном гене «текст» его «смысла» . При этом по теории вероятности произвольно выбранная последовательность из всего 20 нуклеотидов у человека встретится лишь один раз на весь геном, так что риск ошибки очень невелик.
Множество разных лекарств на основе нуклеиновых кислот легко одновременно делать на заводе: из одних и тех же типов нуклеотидов строится огромное количество последовательностей. Работать такие лекарства могут по-разному: менять структуру гена, действовать на одну из стадий синтеза белка, на активирование РНК перед этим синтезом и так далее.
Ирония судьбы и нуклеиновый Уроборос
Первая научная публикация на эту тему появилась в 1967 году, а Валентин Власов стал одним из ее соавторов. Вскоре биологи получили письмо из США: некий студент по имени Джон Саммертон поздравлял коллег и сетовал, что самому ему также приходила эта идея, но вот финансирование получить не удалось. Три десятка лет спустя он откроет морфолино – одну из молекул, при помощи которой можно блокировать синтез определенных белков, – и станет главой крупнейшей компании по производству противовирусных лекарств на основе цепочек нуклеотидов (один из примеров – препарат от вируса Эбола).
Некоторые рибонуклеиновые кислоты не просто блокируют РНК, чтобы с нее не мог производиться белок, а разрезают ее – то есть выполняют работу, которую обычно делают ферменты (белки, которые катализируют реакции). Теоретически такие молекулы могли стать основой будущей жизни, катализируя воспроизводство самих себя во времена, когда еще не было ни белков, ни ДНК. Такие многофункциональные рибонуклеиновые кислоты назвали рибозимами – от «рибонуклеиновая кислота» (РНК), и «энзим» (фермент). За открытие рибозимов Сидни Олтмен и Томас Чек получили Нобелевскую премию по химии.
В 1998 году биологи открыли еще один интересный эффект, который назвали РНК-интерференцией. Наша клетка «привыкла» видеть РНК в виде одной цепи. Появление двуцепочечной часто означает вторжение геномных паразитов – вирусов, у которых можно встретить такую причудливую конструкцию. Поэтому такая РНК вызывает немало подозрений, и клетки научились заставлять «молчать» гены, которым она соответствует. Введя в клетку специально подобранную двуцепочечную РНК, можно добиться блокировки определенного гена.
«Генетические ножницы» и путеводные аптамеры
В начале 90-х годов ученые развили технологию, при помощи которой можно получать аптамеры – цепочки нуклеотидов, удивительно точно распознающие определенную «мишень». Такой мишенью может стать белок, который нужно блокировать или просто обнаружить. Чтобы создать аптамеры, достаточно насинтезировать много случайных последовательностей нуклеотидов, а потом предоставить этим цепочкам возможность связаться с мишенью – клюнуть на молекулярную «удочку». Затем молекулы, которые избежали этой участи, отмываются специальным раствором. Этот процесс можно повторить несколько раз. После такого искусственного отбора остаются только те молекулы, которые хорошо привязываются к нужной мишени. Это и есть аптамеры. Их можно размножить при помощи специальной реакции, которая называется ПЦР, и использовать в медицине. К примеру, уже сейчас существуют аптамеры, которые связываются с белками на поверхности клеток рака простаты. Ученые присоединили их к лекарственной молекуле, и теперь она сама может находить свою цель.
Еще один знаменитый многообещающий метод, CRISPR/Cas9, ученые подсмотрели у бактерий. У нас в организме есть множество разновидностей иммунных клеток, а бактериальные организмы одноклеточны. Несмотря на это, у них есть собственный иммунитет, позволяющий защищаться от вирусов. Бактерии вносят кусочки ДНК своих врагов в специальную «картотеку», которую хранят в своем геноме. Если тот же вирус появляется в клетке снова и хочет синтезировать белок за ее счет, специальные белки Cas будут узнать его РНК и разрезать ее. Если же в такую «картотеку» вставить нужную нам последовательность, систему CRISPR/Cas9 можно использовать для редактирования генов. Эту систему часто сравнивают с волшебными генетическими ножницами – место разреза можно выбрать довольно точно, так что ее перспективы в редактировании человеческого генома более чем заманчивы. Более того, метод уже применили для излечения генетических заболеваний у первых пациентов.
Бдительный иммунитет и светлое будущее
Однажды в экспериментах с мышами, больными энцефалитом, Валентин Власов и его коллеги обнаружили, что иммунный ответ возник не только у мышей, которым ввели специфические для вируса энцефалита последовательности, но и у группы контроля, которой просто вводили случайные цепочки нуклеотидов. Ученые решили, что эксперимент не удался, но позднее другие биологи оказались упорнее и сообразительнее и выяснили, чем вызван этот странный эффект.
«Природа тоже умная и широко использует этот принцип – олигонуклеотиды действуют слишком хорошо, а не просто прилипают. Мы ожидали, что наш олигонуклеотид свяжется и будет мешать синтезу белка. Оказалось, что в клетке есть фермент рибонуклеаза H, который атакует такие комплексы и разрезает их. То есть, можно не просто блокировать мишень, а уничтожить ее», – рассказал академик.
Так была открыта «нелюбовь» организма к чужим нуклеиновым кислотам. Ученые установили, что наш иммунитет умеет отличать их от «родных» по некоторым признакам. Например, в наших генах на последовательностях Г-Ц висит специальная метка – метильная группа. У бактерий ее нет, поэтому последовательность без метки наша клетка принимает за бактериальную и начинает «воевать» против нее.
Несмотря на такое разнообразие потенциальных лекарств на основе нуклеиновых кислот, до реального применения дошли лишь несколько. Активно внедрять эту группу лекарств в клиническую практику мешают ее недостатки: такие молекулы могут быть беззащитны перед ферментами организма, которые будут стремиться их разрезать, да и клеточная оболочка тоже очень привередливо относится ко всевозможным непрошеным гостям, тем более если они большого размера и тоже заряжены отрицательно, как и она сама (а значит, будут от нее отталкиваться). К тому же, организм большой, и во все клетки сразу лекарство не доставить. Напротив – чаще всего оно требуется только в клетках определенного типа. Поэтому ученые подбирают нуклеиновым кислотам носители (например, золотые наночастицы), химически модифицируют их, привязывают к ним молекулы, которые сыграют роль «системы самонаведения». Решить эти задачи предстоит сегодняшним школьникам – и, возможно, вскоре они увидят широкое применение этой отрасли в медицине.
