Більше 70 років тому відкриття подвійної спіралі ДНК здавалося відповіддю на всі запитання про спадковість. Потім з’ясувалося, що більшість геному — «темна матерія», чия роль досі незрозуміла. Тепер — нова революція: вчені виявили, що генетичний код містить прихований другий рівень регуляторної інформації, прихований буквально всередині тих самих послідовностей, які ми вважали добре вивченими. У новому дослідженні, опублікованому у журналі Science, вчені Університету Кіото та RIKEN розкрили молекулярний механізм, за допомогою якого людські клітини «читають» цей прихований шар і відповідно керують активністю генів.
Що відомо коротко:
- Людська ДНК зберігає інструкції для життя в послідовностях, що складаються лише з чотирьох нуклеотидів, які зчитуються тричбуквенними групами — кодонами, де кожен кодон вказує клітині, який амінокислотний залишок додати при побудові білка.
- Оскільки кілька кодонів можуть кодувати одну й ту саму амінокислоту, ці альтернативні «написання» раніше вважалися здебільшого взаємозамінними — але тепер виявилося, що це не так.
- Дослідники виявили білок DHX29 як центральний регулятор залежної від кодонів експресії генів — за допомогою геномно-широкого CRISPR-скринінгу.
- Втрата цього білка призводить до накопичення мРНК, збагачених неоптимальними кодонами, — тобто DHX29 зазвичай «контролює» такі транскрипти і маркує їх для знищення.
- Дослідження змінює розуміння того, як вибір кодону контролює експресію генів у людини, і має потенційне відношення до таких процесів, як диференціація клітин, клітинний гомеостаз і розвиток раку.
Що таке генетичний код і синонімічні кодони
Щоб зрозуміти відкриття, потрібно зробити крок назад. Генетичний код — це система, за допомогою якої інформація в ДНК «перекладається» у білки. Кожен з 64 можливих тричбуквенних кодонів відповідає одній із 20 амінокислот. Але амінокислот лише 20, а кодонів 64 — тобто більшість амінокислот мають по кілька «синонімічних» кодонів. Наприклад, амінокислоту лейцин кодують аж 6 різних кодонів.
Раніше вважалося, що всі ці синоніми — рівноцінні. Начебто не важливо, яким кодоном ти записав «лейцин» — результат однаковий. Але насправді клітина «читає» їх зовсім по-різному. Розвиток технологій рибосомного профілювання та інших інструментів для зондування трансляції мРНК показав, що кодонний дисбаланс — нерівномірне використання синонімічних кодонів — слугує вторинним генетичним кодом, який визначає ефективність синтезу білка. Тепер команда з Кіото з’ясувала, як саме клітина «читає» цей вторинний код.
Деталі відкриття
Дослідницька група, очолювана Осаму Такеучі та Такухіро Іто в Університеті Кіото та RIKEN, провела геномно-широкий CRISPR-скринінг для пошуку факторів, що регулюють залежну від кодонів експресію генів — і виявила РНК-зв’язуючий білок DHX29 як центральний регулятор цього процесу.
Подальше секвенування РНК показало, що коли DHX29 втрачається, мРНК, збагачені неоптимальними кодонами, накопичуються — тобто за нормальних умов цей білок утримує такі транскрипти під контролем.
Далі — справжній детектив молекулярного рівня. Використовуючи кріоелектронну мікроскопію, команда спостерігала, як DHX29 безпосередньо взаємодіє з рибосомою 80S. Рибосома — це молекулярна «машина», яка зчитує мРНК і будує білок. Виявилося, що DHX29 буквально «сидить» на вході рибосоми і перевіряє якість кодонів, що надходять.
Вибіркове рибосомне профілювання підтвердило, що DHX29 переважно взаємодіє з рибосомами, які декодують саме неоптимальні кодони. Протеомний аналіз далі показав, що DHX29 рекрутує комплекс GIGYF2•4EHP для вибіркового пригнічення мРНК, збагачених неоптимальними кодонами.
«Ми давно захоплені тим, як клітини інтерпретують прихований шар інформації, вбудований у генетичний код. Тому відкриття молекулярного фактора, що дозволяє людським клітинам зчитувати і реагувати на цей прихований код, було для нас особливо значущим», — зазначає керівник групи Осаму Такеучі.
Що показали нові спостереження
Картина, яка виникла, нагадує не просто «інструкцію», а цілу систему контролю якості. Уявіть завод, де виробляються деталі: є нормальні деталі, а є бракованіші, менш ефективні. DHX29 — це контролер якості, що стоїть прямо біля конвеєра. Він помічає «неефективні» мРНК, вішає на них мітку і відправляє на утилізацію.
Втрата DHX29 призводить до накопичення мРНК з неоптимальними кодонами, а разом з ними — до надмірного синтезу «неефективних» білків, що може порушити тонкий баланс клітинного гомеостазу.
Разом ці знахідки встановлюють прямий молекулярний зв’язок між вибором синонімічних кодонів і контролем за експресією генів у людських клітинах, — підкреслює співкерівник дослідження Масанорі Йошінага. Це означає: генетичний код, який ми вивчали десятиліттями, насправді двошаровий — перший шар задає амінокислотну послідовність білка, другий — визначає, скільки цього білка буде синтезовано і як довго проіснує його матриця.
Чому це важливо для науки
Відкриття відразу кілька важливих наслідків для медицини та фундаментальної науки.
По-перше, воно дає нове пояснення, чому «однакові» гени поводяться по-різному в різних тканинах і на різних стадіях розвитку. Механізм регуляції за участю DHX29 може відігравати роль у ключових біологічних процесах — таких як диференціація клітин, клітинний гомеостаз і розвиток раку. Уже відомо, що ракові клітини мають аномальний профіль використання кодонів — і тепер зрозуміло, чому: якщо DHX29 функціонує неправильно, «погані» мРНК накопичуються і потенційно підштовхують клітину до некерованого поділу. Це прямо перегукується з тим, що генетики з’ясували про механізми утворення раку на геномному рівні.
По-друге, відкриття має революційне значення для мРНК-вакцин і терапії. При розробці вакцин від COVID-19 вчені вже оптимізували кодони в мРНК — але робили це «наосліп», без розуміння механізму. Тепер, знаючи про роль DHX29, можна цілеспрямовано конструювати мРНК-препарати з потрібним «терміном дії» в клітині.
По-третє, відкриття відкриває нову мішень для лікування. Наступним кроком команда планує дослідити, як вплив DHX29 на експресію генів позначається на здоров’ї та хворобах. Якщо підтвердиться, що дисфункція DHX29 причетна до онкогенезу або нейродегенерації, цей білок стане перспективною мішенню для таргетної терапії. Не менш цікаво, що прихований код всередині ДНК мікробів — принципово схожа ідея «другого шару» — теж вже знайшов підтвердження в інших системах, що свідчить про універсальність цього принципу в живій природі.
Важливий і більш широкий контекст: редагування генів за допомогою CRISPR вже змінює медицину — але до цього часу без повного розуміння того, як кодонний склад впливає на результат. Відкриття DHX29 заповнює цей критичний пробіл і робить генну терапію потенційно значно точнішою.
Цікаві факти
- 🧬 У людському геномі налічується 61 кодон, що кодують 20 амінокислот. Деякі амінокислоти, наприклад лейцин і серин, кодуються аж шістьма різними кодонами — і тепер виявляється, що вибір між ними має величезне значення. Детальніше про структуру генетичного коду — у Nature Reviews Genetics.
- 💉 Дослідження показали, що вірус SARS-CoV-2 схильний використовувати неоптимальні людські кодони, що впливає на ефективність вірусних білків. Саме тому при розробці мРНК-вакцин вчені замінюють кодони вірусу на більш оптимальні для людських клітин — щоб антигенний білок вироблявся ефективніше. Про це докладно пише PMC журнал.
- ⚡ Кріоелектронна мікроскопія, що дозволила «побачити» взаємодію DHX29 з рибосомою, — це технологія, за яку у 2017 році вручено Нобелівську премію з хімії. За даними Нобелівського комітету, вона дозволяє отримувати тривимірні зображення молекул з роздільною здатністю до 2 ангстрем — тобто «бачити» окремі атоми.
- 🔬 Концепція «коптимальності кодонів» як вторинного генетичного коду підтверджена в усіх еукаріотичних видах, від дріжджів до людини — але механізм, що лежить в основі цього явища в людських клітинах, залишався загадкою до виходу нового дослідження в Science.
FAQ
Що таке «оптимальні» і «неоптимальні» кодони? Оптимальність кодону визначається тим, наскільки швидко відповідна транспортна РНК (тРНК) розпізнає цей кодон у рибосомі. Якщо тРНК для певного кодону в клітині багато — кодон «оптимальний», рибосома рухається швидко. Якщо тРНК мало — кодон «неоптимальний», рибосома «спотикається». Саме в цей момент приходить DHX29 і маркує таку мРНК для деградації.
Як це відкриття вплине на розробку ліків? Знання про те, що DHX29 є «воротарем» для неоптимальних мРНК, дозволяє цілеспрямовано проектувати терапевтичні мРНК — наприклад, для вакцин або замісної генної терапії — з кодонним складом, що забезпечує максимальну стабільність або, навпаки, швидке видалення після дії. Крім того, DHX29 сам по собі стає потенційною мішенню для ліків проти раку або інших хвороб, пов’язаних з аномальною експресією генів.
Чи є у людини ще інші «приховані шари» в ДНК крім кодонного? Так, і чимало. Епігенетика — метилювання ДНК і модифікації гістонів — є окремим «шаром» управління. Тривимірна складка хроматину в ядрі — ще один. Відкриття DHX29 додає до цього списку новий рівень: кодонний склад мРНК як незалежний регуляторний сигнал. Фактично ДНК — це не одна «книга інструкцій», а ціла багатотомна енциклопедія, де різні «мови» нашаровуються одна на одну.
🤯 WOW-факт на завершення: Ваш геном містить близько 20 000 генів — але завдяки «прихованому шару» кодонного коду та системі DHX29 реальна кількість унікальних регуляторних станів, в яких може перебувати кожен ген, є астрономічно більшою. Це схоже на те, як одним і тим самим набором слів у словнику можна написати і дитячу казку, і медичний підручник — залежно від того, яке «написання» вибрати. Виявляється, наші клітини читають обидві версії одночасно — і весь цей час ми навіть не підозрювали про існування другого тексту.