Информациите складирани во нашите хромозоми може да се споредат со упатство за употреба за сите клетки во нашето тело. Секоја клетка содржи исти хромозоми, така што секоја клетка содржи точно ист сет на гени и точно ист сет на инструкции. Сепак, различни типови на клетки, како што се мускулните и нервните клетки, имаат многу различни карактеристики. Како се појавуваат овие разлики? Одговорот лежи во регулацијата на гените, која и овозможува на секоја клетка да ги избере само соодветните инструкции. Ова осигурува дека само правилниот сет на гени е активен во секој тип на клетка.

Виктор Амброс и Гери Рувкун беа заинтересирани за тоа како се развиваат различните типови на клетки. Тие ја открија микроРНК, нова класа на ситни РНК молекули кои играат клучна улога во регулацијата на гените. Нивното револуционерно откритие откри сосема нов принцип на регулација на гените што се покажа како суштински за повеќеклеточните организми, вклучително и луѓето.

Сега е познато дека човечкиот геном кодира повеќе од илјада микроРНК. Нивното изненадувачко откритие откри сосема нова димензија на генската регулација. МикроРНК се покажаа како фундаментално важни за тоа како се развиваат и функционираат организмите.

Оваа година Нобеловата награда се фокусира на откривање на витален регулаторен механизам што се користи во клетките за контрола на генската активност. Генетските информации се пренесуваат од ДНК до гласничката РНК (mRNA), преку процес наречен транскрипција, а потоа до клеточната машина за производство на протеини. Таму, мРНК се преведуваат на тој начин што протеините се прават според генетските инструкции складирани во ДНК.

Од средината на 20 век, неколку од најфундаменталните научни откритија објаснија како функционираат овие процеси. Нашите органи и ткива се состојат од многу различни типови на клетки, сите со идентични генетски информации складирани во нивната ДНК. Сепак, овие различни клетки изразуваат уникатни групи на протеини. Како е ова можно? Одговорот лежи во прецизното регулирање на генската активност, така што само правилниот сет на гени е активен во секој специфичен тип на клетка. Ова им овозможува, на пример, мускулните клетки, цревните клетки и различните видови нервни клетки да ги извршуваат своите специјализирани функции. Покрај тоа, активноста на гените мора постојано да се прилагодува за да се прилагодат клеточните функции на променливите услови во нашите тела и околината.

Ако регулацијата на гените тргне наопаку, тоа може да доведе до сериозни болести како што се рак, дијабетес или некоја автоимуна болест. Затоа, разбирањето на регулацијата на генската активност е важна цел со децении.

Протокот на генетски информации од ДНК до мРНК до протеините. Идентичните генетски информации се складирани во ДНК на сите клетки во нашите тела. Ова бара прецизна регулација на генската активност, така што само правилниот сет на гени е активен во секој специфичен тип на клетка © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

Во 1960-тите, беше покажано дека специјализираните протеини, познати како фактори на транскрипција, можат да се врзат за одредени региони во ДНК и да го контролираат протокот на генетски информации со одредување кои mRNA се произведуваат. Оттогаш, идентификувани се илјадници фактори на транскрипција и долго време се веруваше дека главните принципи на регулација на гените се решени. Меѓутоа, во 1993 година, овогодинешните нобеловци објавија неочекувани наоди опишувајќи ново ниво на генска регулација, кое се покажа како многу значајно и зачувано во текот на еволуцијата.

Во доцните 1980-ти, Виктор Амброс и Гери Рувкун беа постдокторандски соработници во лабораторијата на Роберт Хорвиц, кој беше награден со Нобеловата награда во 2002 година, заедно со Сиднеј Бренер и Џон Салстон. Во лабораторијата на Хорвиц, тие проучувале релативно скромен прстенест црв долг 1 мм, C. elegans. И покрај неговата мала големина, C. elegans поседува голем број специјализирани типови на клетки, меѓу кои и нервни и мускулни клетки кои се среќаваат и кај поголемите, посложени животни, поради што овој вид претставува корисен модел за истражување на тоа како ткивата се развиваат и созреваат кај повеќеклеточните организми.

Амброс и Рувкун се заинтетерале за гените кои го контролираат времето на активирање на различните генетски програми, обезбедувајќи различни типови клетки да се развијат во вистинско време. Тие проучувале два мутантни соеви на црви, lin-4 и lin-14, кои покажале дефекти во времето на активирање на генетските програми за време на развојот. Лауреатите посакувале да ги идентификуваат мутираните гени и да ја разберат нивната функција. Амброс претходно покажал дека генот lin-4 се чини дека е негативен регулатор на генот lin-14. Сепак, сѐ уште беше непознато како активноста на lin-14 се блокира. Амброс и Рувкун беа заинтригирани од овие мутанти и нивната потенцијална врска и тргнаа да ги решат овие мистерии.

(А) C. elegans е корисен модел на организам за разбирање како се развиваат различни типови на клетки. (Б) Амброс и Рувкун ги проучувале мутантите lin-4 и lin-14. Амброс покажа дека лин-4 се чини дека е негативен регулатор на лин-14. (В) Амброс открил дека генот лин-4 кодирал ситна РНК, микроРНК, која не кодирала протеин. Рувкун го клонираше генот лин-14 и двајцата научници сфатија дека секвенцата на микроРНК лин-4 се совпаѓа со комплементарната секвенца во лин-14 мРНК. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

По неговото постдокторско истражување, Виктор Амброс го анализирал мутантот lin-4 во неговата новоформирана лабораторија на Универзитетот Харвард. Методичкото мапирање овозможило клонирање на генот и довело до неочекуван наод. Lin-4 генот произвел невообичаено кратка РНК молекула од која отсуствувал кодот за производство на протеини. Овие изненадувачки резултати укажувале кон тоа дека оваа мала РНК од lin-4 е одговорна за инхибиција на lin-14. Како може ова да функционира?

Истовремено, Гери Рувкун ја истражувал регулацијата на генот lin-14 во неговата новоформирана лабораторија во Општата болница во Масачусетс и Медицинскиот факултет Харвард. Наспроти тогшните сознанија за начинот на којшто функционира регулацијата на гените, Рувкун покажал дека производството на мРНК од lin-14 не било инхибирано од lin-4. Сè упатувало кон тоа дека регулацијата се случува во подоцнежна фаза во процесот на генска експресија, преку исклучување на производството на протеини.

Експериментите откриле и сегмент во lin-14 мРНК кој бил неопходен за нејзина инхибиција од lin-4. Двајцата лауреати ги споредиле своите наоди, што резултирало со откритие. Кратката lin-4 секвенца се совпаднала со комплементарните секвенци во критичниот сегмент на lin-14 мРНК. Амброс и Рувкун извршиле дополнителни експерименти кои покажале дека lin-4 микроРНК го исклучува lin-14 со врзување за комплементарните секвенци во нејзината мРНК, блокирајќи го производството на протеинот lin-14. Откриен е нов принцип на регулација на гените, со посредство на претходно непознат тип на РНК, микроРНК! Резултатите беа објавени во 1993 година во две статии во списанието Cell.

Објавените резултати првично беа дочекани со речиси заглушувачка тишина од научната заедница. Иако резултатите беа интересни, необичниот механизам на регулација на генот се сметаше за особеност на C. elegans, веројатно ирелевантен за луѓето и другите посложени животни. Таа перцепција се промени во 2000 година кога истражувачката група на Рувкун го објави своето откритие за друга микроРНК, кодирана од генот let-7.

За разлика од lin-4, генот let-7 беше високо зачуван и распространет низ животинското царство. Статијата предизвика голем интерес и во текот на следните години беа идентификувани стотици различни микроРНК. Денес, знаеме дека има повеќе од илјада гени за различни микроРНК кај луѓето и дека генската регулација со микроРНК е универзална меѓу повеќеклеточните организми.

Рувкун го клонираше let-7, втор ген кој кодира микроРНК. Генот е зачуван во еволуцијата и сега е познато дека регулацијата на микроРНК е универзална меѓу повеќеклеточните организми. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén​​​​​​​

Покрај мапирањето на новите микроРНК, експериментите на неколку истражувачки групи ги разјаснија механизмите за тоа како микроРНК се произведуваат и доставуваат до комплементарни целни секвенци во регулираните мРНК. Врзувањето на микроРНК доведува до инхибиција на синтезата на протеините или до деградација на mRNA. Интригантно е тоа што една микроРНК може да го регулира изразот на многу различни гени, и обратно, еден ген може да се регулира со повеќе микроРНК, со што се координираат и дотеруваат цели мрежи на гени. Клеточната машинерија за производство на функционални микроРНК се користи и за производство на други мали РНК молекули и кај растенијата и кај животните, на пример како средство за заштита на растенијата од вирусни инфекции.

Ендрју З. Фајр и Крег Ц. Мело, наградени со Нобеловата награда во 2006 година, ја опишаа интерференцијата на РНК, каде што специфичните мРНК-молекули се деактивираат со додавање на двоверижна РНК во клетките.

Регулацијата на гените со микроРНК, првпат откриена од Амброс и Рувкун, функционира стотици милиони години. Овој механизам овозможи еволуција на сè покомплексни организми. Од генетските истражувања знаеме дека клетките и ткивата не се развиваат нормално без микроРНК. Абнормалната регулација со микроРНК може да придонесе за рак, а кај луѓето се пронајдени мутации во гените кои ги кодираат микроРНК, предизвикувајќи состојби како што се вродено губење на слухот, очни и скелетни нарушувања. Мутациите на еден од протеините потребни за производство на микроРНК резултираат со DICER1 синдром, редок, но тежок синдром поврзан со рак на различни органи и ткива.

Зачетното откритие на микроРНК беше неочекувано и откри нова димензија на генската регулација. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén​​​​​​​

Почетното откритие на Амброс и Рувкун во малиот црв C. elegans беше сосема неочекувано и откри нова димензија на генската регулација, суштинска за сите сложени форми на живот.

Клучни публикации

Lee RC, Feinbaum RL, Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 1993;75(5):843-854. doi:10.1016/0092-8674(93)90529-y

Wightman B, Ha I, Ruvkun G. Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Cell. 1993;75(5):855-862. doi:10.1016/0092-8674(93)90530-4

Pasquinelli AE, Reinhart BJ, Slack F, Martindale MQ, Kurodak MI, Maller B, Hayward DC, Ball EE, Degnan B, Müller P, Spring J, Srinvasan A, Fishman M, Finnerty J, Corbo J, Levine M, Leahy P, Davidson E, Ruvkun G. Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature. 2000;408(6808):86-89. doi:10.1038/35040556