Наука умеет ждать. Забытая идея 1961 года переписала учебники по биологии

Идея, которую научный мир когда-то почти забыл, спустя шесть десятилетий неожиданно получила подтверждение. В 1961 году Франсуа Жакоб и Жак Моно предположили, что РНК может управлять работой бактериальных генов через спаривание оснований. После открытия белковых транскрипционных факторов гипотезу фактически отложили в сторону. Теперь группа биологов из нескольких научных центров показала, что старая догадка была удивительно точной.

В статье для Nature исследователи описали новый механизм активации генов у некоторых бактерий. Система работает с помощью РНК и возникла на базе модифицированного CRISPR-Cas комплекса, который обычно ассоциируют с разрезанием ДНК. В новом варианте молекулярная машина не режет геном в точке, заданной направляющей РНК, а подтягивает к нужному участку клеточный аппарат транскрипции и тем самым включает ген.

Авторы обнаружили систему dCas12f-σE у бактерий типа Bacteroidetes, которые часто встречаются в микробиоме кишечника человека. По данным исследователей, dCas12f-σE активирует гены, связанные с транспортом железа, пептидов и углеводов внутрь клетки. Такой механизм, вероятно, помогает бактериям тоньше регулировать работу жизненно важных путей.

Один из авторов работы, профессор биохимии и молекулярной биофизики Сэм Стернберг, называет находку новой категорией регуляции генов, которая ломает привычное представление о том, что активацией генов управляет только распознавание ДНК белками. По его словам, бактерии снова показали, как умеют превращать старые РНК-зависимые механизмы в новые молекулярные инструменты.

Для синтетической биологии и генной инженерии открытие выглядит особенно заманчиво. Система не зависит от канонических мотивов в ДНК, которые обычно нужны транскрипционным факторам. Достаточно изменить направляющую РНК, чтобы перенастроить комплекс на включение почти любого гена в геноме. Такая гибкость открывает заметно больше возможностей для работы с бактериальными клетками, включая E. coli и другие виды, где управляемая активация генов пока остается ограниченной.

Лаборатория Стернберга уже научилась использовать сразу несколько направляющих РНК, чтобы одновременно включать несколько генов. Подход может пригодиться в поиске новых антибиотиков. Многие бактерии содержат крупные кластеры генов, отвечающие за синтез антимикробных соединений, но исследователи часто не знают, как запустить такие «спящие» участки. РНК-управляемая система позволяет активировать весь кластер целиком и, возможно, вернуть к жизни скрытые биохимические пути.

Есть и медицинская перспектива. Если dCas12f-σE удастся направленно использовать для активации полезных генов в кишечном микробиоме, новая технология может помочь в лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Перенести бактериальную систему в клетки млекопитающих, по мнению авторов, будет непросто. Но исследователи не исключают, что похожие механизмы уже существуют у эукариот. Белки из того же большого семейства РНК-управляемых систем широко встречаются у грибов, насекомых и одноклеточных организмов. Значит, эволюция могла не раз использовать одну и ту же молекулярную машину, чтобы не только резать генетический материал, но и включать или выключать гены.