МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ РНК

Итак, вплоть до недавнего времени за нуклеиновыми кислотами, и в том числе за РНК, признавались лишь генетические функции (рис. 2). Главная генетическая функция — функция комплементарной репликации (т. е. репликации через образование комплементарной полинуклеотидной цепи) при участии катализирующего полимеризацию фермента — безусловная прерогатива ДНК, но оказалось, что она присуща и РНК. Выше было упомянуто об открытии способности РНК служить матрицей для синтеза ДНК в процессе обратной транскрипции. Еще раньше была продемонстрирована функция воспроизведения своей структуры — репликация РНК на матрице РНК — прежде всего, на примере репликативного цикла ряда РНК-содержащих вирусов (Baltimore et al., 1966; Spiegelman, Haruna, 1966). Такую репликацию РНК, независимую от ДНК и запрещенную в большинстве случаев в циклах нормальных клеток современных организмов, можно рассматривать как реликт, сохранившийся в современном мире благодаря вирусам как реликтовым генетическим агентам, выводящим репликацию и трансляцию из под контроля клеточной ДНК.

Рис. 2. Генетические функции РНК.

В настоящее время выясняется, что реликтовую репликацию РНК можно обнаружить и в нормальных клетках: многие животные и растения несут гены, кодирующие РНК-зависимые РНК-полимеразы или их гомологи, а недавно открытые регуляторные микроРНК и интерферирующие РНК являются, возможно, их субстратом для комплементарной репликации.

Другая генетическая функция — кодирование белков — не требует особых комментариев. РНК (мРНК) кодирует белки не только «наравне» с ДНК, но именно она непосредственно участвует в процессе декодировки, служа матрицей для синтеза белков. Таким образом, обе генетические функции ДНК — репликативная и кодирующая — оказываются присущи как ДНК, так и РНК (рис. 2).

Если кодирующие функции так или иначе связаны в основном с полинуклеотидами как линейными полимерами, то функции белков в основном зависят от их трехмерной структуры, т. е. специфически свернутой, по большей части компактной (глобулярной) конформации. Поэтому принципиально важным было установление того факта, что высокополимерные полинуклеотидные цепи РНК, как и полипептидные цепи белков, способны самосворачиваться в компактные структуры (Спирин и др., 1959; Spirin, 1960; Kisselev et al,, 1961; Богданова и др., 1962) (рис. 3) и что их сворачивание приводит к специфическим конформациям молекул РНК (Vasiliev et al., 1978; Vasiliev, Zalite, 1980). С другой стороны, в развитии современных представлений о функциях РНК решающим было открытие некодирующих РНК. Оказалось, что кодирующие РНК составляют лишь малую долю клеточных РНК, а основная часть РНК представлена некодирующими РНК, куда относятся в первую очередь рибосомные РНК (Belozersky, Spirin, 1958; Brenner et al., 1961; Spiegelman, 1961). Именно для высокополимерных некодирующих РНК двух рибосомных субъединиц было показано, что их специфическое компактное самосворачивание задает специфическую форму каждой из субъединиц и, в конечном счете, определяет конформацию рибосомы (Vasiliev et al., 1986). Таким образом, так же как и белки, РНК способны образовывать специфические третичные структуры, т.е. обладают структурной и формообразующей функцией.

Рис. 3. Конформации и конформационные переходы высокополимерной РНК в зависимости от ионной силы и температуры. Внизу справа — конформация компактной глобулы (Spirin, 1960).

Рис. 4. Кодирующая РНК (мРНК) и два основных типа некодируюших РНК (рибосомные РНК и тРНК).

Способность РНК к формированию компактных трехмерных структур, как и в случае белков, дает основу для специфического взаимодействия с другими молекулами — как макромолекулами, так и малыми лигандами. Другими словами, для молекул РНК, свернутых в специфическую глобулу и тем самым создающих на своей поверхности уникальный пространственный узор, приходится допустить возможность функции молекулярного узнавания, как и у белков. Пожалуй, первыми известными «узнающими» РНК можно считать тРНК, выполняющие адапторную роль в биосинтезе белка (рис. 4). Эти среднего размера компактно свернутые молекулы РНК поочередно и очень избирательно взаимодействует с рядом макромолекулярных структур в клетке: сначала с аминоацил-тРНК-синтетазой, связанной с аминоациладенилатом как активированной формой аминокислоты, затем, уже неся на себе ковалентно присоединенный аминоацильный остаток, с фактором элонгации EF1, вместе с которым она поступает в рибосому. Хотя на этом пути несомненно реализуются функции специфического узнавания молекулами тРНК других макромолекул, долгое время все же молчаливо принималось, что основную роль здесь играет узнавание тРНК со стороны белков — ферментов, факторов трансляции и рибосомных белков. В 1980-х гг. английским ученым Э. Кандлиффом (Cundliffe, 1986) было впервые заявлено о способности структурированных участков рибосомной РНК специфически узнавать малые лиганды ненуклеиновой и небелковой природы. Он представил экспериментальные данные в пользу избирательного взаимодействия (связывания) именно участков свернутой рибосомной РНК, а не рибосомных белков, с рядом антибиотиков рибосомного действия — тиострептоном, эритромицином, аминогликозидами (стрептомицином, канамицином, неомицином). Через 10 лет были представлены прямые структурные данные о специфическом связывании аминогликозидных антибиотиков районом малой (16S) рибосомной РНК (Fourmy et al., 1996). Окончательное признание самых широких возможностей у РНК узнавать другие молекулы и весьма специфично взаимодействовать с ними пришло благодаря аптамерам — небольшим по размерам синтетическим РНК, получаемым путем отбора из многих вариантов нуклеотидных последовательностей с помощью процедур так называемой «бесклеточной эволюции», «эволюции в пробирке» (Ellington, Szostak, 1990; Tuerk, Gold, 1990). Оказалось, что можно отобрать и размножить РНК, обладающие способностью избирательно связывать практически любой вид молекул, начиная от низкомолекулярных органических соединений и кончая различными индивидуальными пептидами и белками (см. обзоры Gold et al., 1995; Puglisi, Williamson, 1999). Другими словами, РНК, как и белки, действительно в полной мере могут обладать функцией специфического молекулярного узнавания.

На способности РНК к специфическому молекулярному узнаванию базируется и каталитическая функция РНК. Однако, на протяжении всей предшествующей истории биохимии утверждалось, что биохимический катализ — «прерогатива» исключительно белков-ферментов.