Живые организмы — это очень неаккуратные структуры. Если взять клетки одного организма (то есть обладающие одним и тем же набором генов) и даже одной ткани (то есть такие, в которых активны одни и те же гены), всё равно у них можно обнаружить большой разброс характеристик. Например, они могут отличаться количеством РНК, которая образуется в результате работы одного и того же гена. Такой «шум» — вариабельность характеристик, которые, казалось бы, не должны различаться, — может возникать по разным причинам (рис. 1). Причина шума может быть внешней — например, из-за разной удаленности клеток от сосуда в определенный момент времени могут отличаться количества доступных для них питательных веществ. Тогда у клетки может быть недостаточно ресурсов, чтобы синтезировать такое же количество белка, как другая клетка, хотя они и посылали своему белок-синтезирующему аппарату одинаковые сигналы. Шум может быть и внутренним — возникать независимо от внешних условий: например, белки, передающие в клетках один и тот же сигнал, могут по случайным причинам добраться до цели за различные промежутки времени, и одна клетка справится с каким-то действием быстрее другой.

Ученым давно хотелось, чтобы этот хаос оказался аккуратно контролируемым, поэтому они искали способы, которыми клетка могла бы следить за шумом и влиять на него, если это необходимо. У клетки есть много способов модулировать и активность генов, и наработку разных типов молекул. Один из таких способов — контроль с помощью молекул микроРНК (miRNA)*. Эти короткие молекулы по принципу комплементарности «налипают» на определенные молекулы матричной РНК (мРНК), представляющие собой инструкции для синтеза белков. МикроРНК тем самым препятствуют трансляции тех мРНК, на которые они налипли, и могут приводить к их деградации. МикроРНК широко распространены у животных и растений при том, что чаще всего оказывают только слабый эффект на экспрессию целевых генов, а нокаут (отключение) микроРНК обычно не ведет к ощутимым последствиям для организма. Тем не менее этот механизм регуляции генов очень распространен и консервативен, а значит, для чего-то важен. Ученые заподозрили, что микроРНК могут контролировать шум экспрессии генов, и решили проверить эту гипотезу экспериментально [1, 2].

* — Мир РНК со временем становится всё богаче — вернее, мы всё глубже его познаем: помимо трех китов этого мира — мРНК, рРНК и тРНК — в клетках организмов плавает всякий рибонуклеиновый планктон типа микроРНК, киРНК, пиРНК... И ведь каждая из них с чем-то интерферирует: «Обо всех РНК на свете, больших и малых» [3]. Подавляя трансляцию некоторых мРНК, микроРНК могут работать против хозяйского организма: «МикроРНК участвуют в регуляции метастазирования опухолей» [4]. Более того, при некоторых обстоятельствах они вообще могут не блокировать, а стимулировать трансляцию: «МикроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров» [5]. — Ред.

Чтобы исследовать шум экспрессии генов, интернациональный коллектив биологов получил плазмидные конструкции с двунаправленным промотором, контролирующим одновременно два репортерных гена — зеленого и красного флуоресцентных белков (рис. 2) [6, 7]. С гена красного белка синтезировалась РНК с дополнительным некодирующим фрагментом, в котором располагались сайты для налипания микроРНК (в контрольных экспериментах некодирующий фрагмент не содержал таких сайтов). Таким образом, на экспрессию зеленого белка не влияли, а наработка красного белка либо специально не регулировалась (контрольный эксперимент), либо регулировалась микроРНК. Ученые отобрали клетки, в которых синтезировались одинаковые количества зеленого белка и сравнили, насколько у таких клеток отличаются количества белка красного. Если у РНК последнего не было сайтов связывания микроРНК, то разброс количеств красного белка отражал естественный шум, а если эти сайты были — то шум при регуляции микроРНК. Результаты получились интересными: для слабо экспрессирующихся генов микроРНК уменьшала шум, а для активно экспрессирующихся — наоборот, увеличивала. При этом чем точнее соответствовал сайт связывания последовательности микроРНК и чем больше было таких сайтов, тем более выраженными были изменения шума.

Ученые построили математическую модель регуляции активности генов с помощью микроРНК, представив общий шум активности гена как сумму внутреннего и внешних шумов. Модель предсказала, что микроРНК будут уменьшать шум, обусловленный внутренними причинами, но одновременно служить дополнительным источником внешнего шума. Каков будет суммарный эффект, зависит от активности гена: для слабо экспрессирующихся генов перевесит эффект подавления внутреннего шума, и общий шум уменьшится, а для активно экспрессирующихся, наоборот, перевесит эффект увеличения внешнего шума, и общий шум усилится. То есть результаты моделирования совпали с результатами первого эксперимента. По модели можно было предсказать, что в случае избавления от источников внешнего шума микроРНК будет ослаблять шум как для сильно, так и для слабо экспрессирующихся генов. Но как можно исключить внешний шум? Для этого ученые добавили в оба гена цветных белков одинаковые регуляторные последовательности (рис. 3). В этом случае различия в наработке белков внутри клетки могут объясняться только внутренним шумом. Действительно, оказалось, что для генов, активность которых контролируется одним и тем же способом, микроРНК уменьшали шум и при сильной, и при слабой экспрессии.

Но что насчет экспрессии самих микроРНК — она ведь тоже подвержена шуму и может стохастически меняться? Как микроРНК могут способствовать уменьшению шума экспрессии генов, если количество самих микроРНК тоже зависит от случайностей? Ученые предположили, что уровень микроРНК может стабилизироваться за счет наработки одной и той же молекулы с нескольких копий гена. Тогда, если по случайности с одного гена образуется меньше или больше молекул, это будет не так заметно благодаря работе другого гена, и общее количество микроРНК будет относительно стабильным. Кроме того, в природе многие гены регулируются несколькими разными микроРНК — в этом случае, опять же, случайные флуктуации содержания одной из них будут сглаживаться наработкой других. Действительно, когда ученые наблюдали за экспрессией конструкций, контролируемых сразу несколькими микроРНК или одной и той же микроРНК, синтезируемой с нескольких копий гена, шум снижался по сравнению с контролем, где участвовал РНК-продукт всего одной копии гена.

Какой эффект оказывают микроРНК на всю совокупность генов клетки? В качестве «живой» модели ученые использовали мышиные эмбриональные стволовые клетки и, исходя из уровня экспрессии их генов и результатов моделирования, предсказали, как микроРНК будут влиять на шум. Оказалось, что для подавляющего большинства генов шум уменьшается, и лишь для небольшой доли активно экспрессирующихся генов он усиливается (рис. 4). Это происходит не только потому, что последних в каждой клетке не так много, но и потому, что в их мРНК, как показали предыдущие исследования [8], реже встречаются сайты для регуляции микроРНК.

Подводя итоги можно сказать, что микроРНК в клетках занимаются снижением шума экспрессии генов, возникающего из-за случайных (внутренних) причин. Благодаря этим малым молекулам экспрессия генов (особенно не слишком активных) становится более стабильной и предсказуемой.

Литература

1. Schmiedel J.M., Klemm S.L., Zheng Y., Sahay A., Blüthgen N., Marks D.S., van Oudenaarden A. (2015). MicroRNA control of protein expression noise. Science. 348, 128–132;
2. Hoffman B.Y. and Pilpel Y. (2015). MicroRNAs silence the noisy genome. Science. 348 (6230), 2–3;
3. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
4. МикроРНК участвуют в регуляции метастазирования опухолей;
5. МикроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров;
6. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
7. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
8. http://biomolecula.ru#.