Цивилизация
Российские молекулярные биологи выяснили, что замена в искусственных молекулах РНК базовых нуклеотидов на их изомеры снижает нежелательный иммунный ответ живых клеток. Полученные данные помогут разработать новые типы искусственных РНК для лечения онкологических и других заболеваний. Результаты исследования, проведенного при поддержке РНФ, опубликованы в журнале Genes.
Каждая живая клетка содержит много разных видов РНК (рибонуклеиновой кислоты), причем большая часть этих молекул – это некодирующие РНК, то есть на их основе не синтезируется белок. Малые ядерные и ядрышковые РНК (мяРНК и мякРНК) – две разновидности коротких некодирующих ДНК, характерные для всех организмов, клетки которых имеют ядра. Обе эти РНК напрямую связаны с процессом синтеза белка в клетке. Первая из них, мяРНК, участвует в подготовке матричной РНК, на которую «переписывается» информация о белках с ДНК. Вторая, мякРНК, важна для формирования рибосомной РНК, компонента рибосомы – молекулярной машины по производству белка.
Функции таких некодирующих РНК могут быть полезны в создании медицинских препаратов для лечения рака. С их помощью можно менять работу (экспрессию) генов, увеличивая или уменьшая количество соответствующей этим генам матричной РНК. Сегодня искусственные аналоги некодирующей РНК создаются в лабораториях, а на основе некоторых уже созданы лекарственные препараты. Но изучение полезных для терапии функций большинства видов искусственных некодирующих РНК пока затруднено. Одна из главных проблем – при попадании в живую клетку синтетические молекулы РНК активируют неспецифический иммунный ответ, который может привести к развитию воспаления в организме. Это приводит к изменению работы многих генов, так что эффект от введенной некодирующей РНК теряется на фоне иммунного ответа.
Российские молекулярные биологи предположили, что иммунный ответ будет слабее, если модифицировать искусственные РНК так, как это происходит в природе. Как и другие разновидности некодирующих РНК, малые ядерные и ядрышковые РНК в ходе созревания проходят через разные виды модификации, в том числе модификации подвергаются отдельные нуклеотиды – «буквы» генетического кода. На места базовых нуклеотидов становятся их изомеры – вещества с такой же химической формулой, но иным пространственным строением. Например, вместо урацила в цепи РНК появляется псевдоуридин (его обозначают греческой буквой «пси» – Ψ). Другой вариант модификации – присоединение метильной группы -CH3 к цитозину. Вместо цитозина в таком случае появляется 5-метилцитидин (m5C).
Чтобы выяснить, как включение в синтетическую РНК модифицированных нуклеотидов изменит реакцию клеток на эту молекулу, исследователи синтезировали две малые ядрышковые РНК и одну ядерную, аналогичные человеческим. Каждую РНК создали в нескольких вариантах, с базовыми нуклеотидами и с модифицированными. Полученные РНК ввели в клетки аденокарциномы молочной железы человека. Эффект действия синтетических РНК оценили методом RNA-Seq, при котором экспрессия гена оценивается по количеству соответствующей ему матричной РНК.
Оказалось, что малые ядрышковые и ядерные РНК без модификаций меняют работу большего числа генов в клетке. Так, первая из проверенных мякРНК в немодифицированном виде увеличивала экспрессию 188 генов, с m5C вместо цитозина – 150 генов, а при модификации псевдоуридином – 128 генов. Снизилось не только число затронутых генов, но и уровень их экспрессии. Большинство из них связано с иммунным ответом.
Убедившись, что модификации снижают силу иммунного ответа, исследователи проверили, как такие РНК влияют на жизнеспособность клеток. В то время как немодифицированные искусственные мяРНК и мякРНК во много раз снижали выживаемость (в одном случае до 22%), модифицированные РНК оказались значительно менее токсичны. Даже замена 20 – 30% базовых нуклеотидов на m5C и псевдоуридин в РНК приводила к тому, что жизнеспособность клеток значительно возрастала. А при стопроцентной модификации синтетические РНК практически теряли свое цитотоксическое воздействие.
«Наши данные будут полезны для понимания того влияния, которое оказывают нуклеотидные модификации на функции некодирующих РНК в природе, – говорит руководитель проекта, заведующая лабораторией биохимии нуклеиновых кислот Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН Марина Зенкова. – Но, кроме того, они могут быть использованы для синтеза терапевтических искусственных РНК. Малые ядерные и ядрышковые РНК пригодны для «тонкой настройки» матричной и рибосомной РНК, и потому они – перспективная модель для создания новых терапевтических средств».
В исследовании участвовали сотрудники Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирского государственного университета, Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН), Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства.
