Нобелевская премия по физиологии и медицине 2024 года присуждена американским ученым Виктору Эмбросу и Гэри Равкану за открытие микроРНК и ее роли в посттранскрипционной регуляции генов. Эта работа – расшифровка одного из ключевых участков процесса биосинтеза белка, который обеспечивает рост клеток и делает возможным то, что мы растем и живем.

О чем речь?

Белки (по-другому их называют протеины) – это один из основных строительных, да и функциональных элементов нашего организма. Ферменты – это белки, из белков в значительной степени состоят наши клетки. Белки делают наши клетки прочными, они передают между клетками сигналы, служат катализаторами реакций и рецепторами для восприятия окружающей среды. В общем, белки – это очень важно, они являются строительными кирпичиками живого мира (в каком-то смысле можно сказать, что объединение аминокислот в белки и стало переходом от неживого мира к живому). Поэтому изучать их нужно и для понимания устройства жизни на Земле, и для практических целей – медицинских и биологических.

Белки, как мы уже упомянули раньше, состоят из аминокислот, число которых в организме человека ограниченно – всего двадцать. И все многообразие наших белков, наших клеток и их функций определяется комбинацией этих аминокислот и затем – организацией их цепочек в пространстве: белки складываются в трехмерные структуры, и их правильное функционирование определяется не только химическим составом, но и пространственной формой этих структур. Поэтому биосинтез белка – один из главных процессов, делающих возможным существование живого организма.

Все белки человеческого организма кодируются в нашей ДНК. Она уникальна для каждого человека и одинакова для всех наших клеток, она представляет собой инструкцию, руководствуясь которой белки синтезируются из аминокислот (которые мы едим или производим из еды). Однако из этой одинаковой ДНК получаются самые разные белки, а из них – самые разные клетки. В процессе биосинтеза белка сложная "машинерия" выбирает, какие гены нужно или не нужно включать в данный конкретный момент для синтеза белка. И в каждой клетке в итоге активен только один, правильный набор генов.

Биосинтез белка проходит в две стадии. На первой – транскрипции – из всей огромной ДНК выбирается последовательность, которая кодирует один конкретный белок, который и предполагается синтезировать. Таким образом, формируется более короткая последовательность генов – матричная, или информационная РНК (мРНК). Затем начинается второй этап – трансляция: мРНК отправляется к системе, которая называется рибосомой, и на ней синтезируется белок. Еще одна РНК – транспортная (тРНК) "подвозит" к рибосоме аминокислоту, соответствующую находящемуся в работе участку мРНК, а рибосома собирает из них белок. Вроде бы все понятно (конечно, реальный процесс куда сложнее, но нам сейчас важен принцип). Однако каков механизм "отбора" правильных участков ДНК для синтеза мРНК?

Еще одна РНК

Долгое время считалось, что запуск транскрипции определяется особым типом белков – транскрипционными факторами. Но Виктор Эмброс и Гэри Равкан показали, что это не совсем так. В конце 1980-х годов они оба работали в лаборатории Роберта Хорвица, который был удостоен Нобелевской премии в 2002 году за открытия в области генетического регулирования развития органов и механизмов апоптоза – программируемой клеточной смерти. Эта лаборатория работала на самом переднем крае генетической науки, и два постдока, Эмброс и Равкан, присоединились к изучению главного модельного организма – круглого червя длиной 1 мм, C. elegans. Несмотря на скромные размеры (в нем всего 959 клеток!), он обладает многими специализированными типами клеток, которые встречаются у человека – мышцы, нервы и так далее. Именно поэтому C. elegans стал такой полезной и изучаемой моделью: он был первым многоклеточным организмом, геном которого был полностью расшифрован, и на его примере были открыты многие важные и универсальные генетические механизмы.

Эмброс и Равкан занялись генетическими механизмами развития разных типов клеток. Для этого использовались два червя-мутанта, у которых наблюдались дефекты этих генетических программ. Лауреаты хотели идентифицировать мутировавшие гены и понять их функцию.

После окончания контракта у Хорвица Эмброс открыл свою лабораторию в Гарвардском университете, а Равкан – в Медицинской школе этого университета и госпитале Массачусетса. Они продолжили и углубили изучение этих мутантов (каждый – своего, они назывались lin-4 и lin-14, по соответствующим мутантным генам). Амброс обнаружил, что ген lin-4 производил необычно короткую молекулу РНК, которая вообще не кодировала никакого белка. Напрашивался вывод, что эта РНК не производит, а ингибирует (то есть блокирует) второй мутантный ген – lin-14. Равкан как раз изучал регуляцию гена lin-14 и показал точный механизм блокировки, аналогов которому в то время описано не было. Двое ученых связались друг с другом, сравнили и обобщили свои результаты – и это привело к прорывному открытию, результаты которого вышли в 1993 году в двух статьях в журнале Cell. Это был новый, ранее неизвестный механизм регуляции генов с помощью ранее неизвестного типа РНК, которую и назвали микроРНК (мы помним, что она была очень короткой).

Первоначально научное сообщество не испытало должного восторга: а вдруг такая экзотика существует только у червячка именно потому, что он такой маленький? Однако уже в 2000 году лаборатория Равкана опубликовала открытие другой микроРНК, ген которой присутствовал во всем животном мире. Сегодня мы знаем, что у людей существует более тысячи генов различных микроРНК, а регуляция генов микроРНК универсальна среди многоклеточных организмов и представляет собой один из фундаментальных механизмов управления биосинтезом белка, который определяет, какие именно белки синтезировать и какие клетки из них разовьются.

Элитная наука

И Эмброс, и Равкан – представители одной научной школы. Как уже говорилось выше, в конце 1980-х они оба после защиты кандидатских диссертаций (PhD) получили контракты постдоков в лаборатории нобелевского лауреата Роберта Хорвица в одном из лучших университетов мира – Массачусетском технологическом институте (MIT). После этих контрактов они работали независимо, но старт, который дает работа в лабораториях на переднем крае науки, – не только знания, но и технологии, – нельзя недооценивать.

Журнал Nature собрал данные обо всех лауреатах в научных дисциплинах и экономике и пришел к выводу, что новые лауреаты очень часто выходят из лабораторий лауреатов уже состоявшихся, а плотность академических связей в "нобелевской семье" очень высока. 702 из 736 исследователей, получивших премии в области науки и экономики, связаны одним академическим "генеалогическим древом".

Разные РНК и самый титулованный червь

Внимательный читатель уже заметил в тексте знакомое сочетание букв – мРНК. Это матричная РНК, с которой связана Нобелевская премия по физиологии и медицине прошлого года. Каталин Карико и Дрю Вайсман были в 2023 году награждены за то, что поняли, как использовать мРНК в терапии заболеваний – их работы, в частности, помогли создать эффективные и современные вакцины от коронавируса. Однако микроРНК, о которой идет речь в этом году, – это совсем другие рибонуклеиновые кислоты с другими свойствами и функциями, так что на этот раз Нобелевская премия к ковиду не имеет отношения.

А вот C.elegans – не новичок в нобелевском мире, в отличие от микроРНК. Он вообще, вероятно, самый титулованный червь в истории науки. В 2002 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Сиднею Бреннеру, уже упомянутому Роберту Хорвицу и Джону Салстону за их работу по генетике развития органов и запрограммированной клеточной смерти у C. elegans. В 2006 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили Эндрю Файру и Крейгу Мелло за открытие РНК-интерференции (эффекта гашения активности определённых генов) – опять же, на примере C. elegans. Один из лауреатов премии 2008 года по химии Мартин Чалфи использовал C.elegans в своих работах по зеленому флуоресцентному белку. Так что сегодняшняя премия у червяка – четвертая.