Клетки Древа Жизни обмениваются «текстовыми сообщениями» с помощью РНК

РНК, давно известная как посредник внутри клеток, всё чаще рассматривается как молекулярная система связи в жизни — даже между организмами, далеко разделёнными в ходе эволюции. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Для молекулы РНК мир — опасное место. В отличие от ДНК, которая может сохраняться миллионы лет в своей удивительно стабильной двухцепочечной форме, РНК не долговечна — даже внутри клетки, которая её создала. Если она не связана защитой с более крупной молекулой, РНК может разрушиться за считанные минуты или меньше. А вне клетки? Забудьте об этом. Прожорливые ферменты, разрушающие РНК, есть повсюду, их секретируют все формы жизни для защиты от вирусов, которые записывают свою генетическую идентичность в РНК-коде.

РНК может сохраняться вне клетки невредимой только одним способом: в крошечном защитном пузырьке. Десятилетиями исследователи наблюдали, как клетки выделяют эти пузырьки клеточной мембраны, называемые внеклеточными везикулами (ВВ), заполненные деградировавшей РНК, белками и другими молекулами. Но эти мешочки считались не более чем мусорными мешками, которые выметают из клетки распавшийся молекулярный мусор во время обычной уборки.

Затем, в начале 2000-х годов, эксперименты под руководством Хади Валади, молекулярного биолога из Гётеборгского университета, показали, что РНК внутри некоторых ВВ не выглядит как мусор. Смесь последовательностей РНК значительно отличалась от тех, что были обнаружены внутри клетки, и эти последовательности были целыми и функциональными. Когда команда Валади подвергла человеческие клетки воздействию ВВ из мышиных клеток, они были потрясены, наблюдая, как человеческие клетки воспринимают РНК-сообщения и «считывают» их, создавая функциональные белки, которые они в противном случае не смогли бы синтезировать.

Валади пришёл к выводу, что клетки упаковывают нити РНК в везикулы специально для взаимодействия друг с другом. «Если бы я вышел на улицу и увидел, что идёт дождь, — сказал он, — я бы сказал вам: если вы выходите на улицу, возьмите с собой зонтик». Подобным образом, предположил он, клетка могла бы предупреждать своих соседей о воздействии патогена или вредного химического вещества, прежде чем они сами столкнутся с опасностью.

С тех пор появилось множество доказательств в поддержку этой теории, что стало возможным благодаря усовершенствованиям технологий секвенирования, позволяющим учёным обнаруживать и декодировать всё более короткие сегменты РНК. После публикации Валади результатов своих экспериментов другие исследователи также наблюдали ВВ, наполненные сложными комбинациями РНК. Эти последовательности РНК могут содержать подробную информацию о клетке, которая их создала, и вызывать специфические эффекты в клетках-реципиентах. Эти результаты привели некоторых исследователей к предположению, что РНК может быть молекулярным языком межъядерного общения, выходящим за рамки традиционных таксономических границ, и, следовательно, может кодировать сообщения, которые остаются понятными на протяжении всего древа жизни.

В 2024 году новые исследования раскрыли дополнительные аспекты этой истории, показав, например, что наряду с бактериями и эукариотическими клетками археи также обмениваются везикулярно-связанной РНК, что подтверждает универсальность этого явления для всех трёх доменов жизни. Другое исследование расширило наше понимание межцарственной клеточной коммуникации, показав, что растения и инфекционные грибы могут использовать пакеты разрушительной РНК как форму коэволюционной информационной войны: вражеская клетка считывает РНК и создаёт самоповреждающие белки с помощью собственного молекулярного механизма.

«Я была в восторге от того, на что способна РНК», — сказала Эми Бак, специалист по РНК-биологии из Эдинбургского университета, не принимавшая участия в новом исследовании. Для неё понимание РНК как средства коммуникации «выходит за рамки простого понимания сложности и динамической природы РНК внутри клетки». Передача информации за пределы клетки может быть одной из её врождённых функций.

Срочная доставка

Микробиолог Сюзанна Эрдманн изучает вирусные инфекции у Haloferax volcanii, одноклеточного организма, процветающего в невероятно солёных средах, таких как Мёртвое море или Большое Солёное озеро. Известно, что одноклеточные бактерии широко обмениваются ВВ, но H. volcanii — это не бактерия, а архей, представитель третьей эволюционной ветви жизни, клетки которой устроены иначе, чем у бактерий или эукариот, таких как мы.

Поскольку ВВ имеют тот же размер и плотность, что и вирусные частицы, которые изучает группа Эрдманн в Институте морской микробиологии Общества Макса Планка в Германии, они «всегда всплывают при выделении и очистке вирусов», — сказала она. В конце концов, её группе стало любопытно, и они решили заглянуть внутрь.

«Я ожидала ДНК», — вспоминала Эрдманн, после сообщений о том, что другие виды архей упаковывают ДНК в экзосомы. Вместо этого в её лаборатории обнаружили целый шведский стол РНК, в частности, некодирующих РНК — загадочных последовательностей нуклеотидов, функция которых у архей неизвестна. Эти некодирующие последовательности РНК были гораздо более распространены в экзосомах, чем в самих клетках архей. «Мы впервые обнаружили РНК в экзосомах у архей», — сказала она.

Эрдманн задался вопросом, есть ли у архейских ВВ определённое предназначение. Клетка может спонтанно образовывать везикулы, когда её мембрана сжимается, образуя небольшой пузырёк, который затем отсоединяется. Однако другие механизмы включают более активные и целенаправленные процессы, подобные тем, которые обеспечивают перемещение молекул внутри клетки. Группа Эрдманна идентифицировала архейный белок, необходимый для образования РНК-содержащих ВВ.

Это навело её на мысль, что РНК не случайно попадает в экзосомы, и что этот процесс не просто утилизация отходов. «Весьма вероятно, что [археи] используют их для межклеточной коммуникации», — сказала она. «Иначе зачем бы тратить столько энергии на выброс случайной РНК в везикулы?»

Эрдманн не уверена, почему микробы Haloferax наполняют свои везикулы РНК, в то время как другие виды архей предпочитают ДНК. Но она подозревает, что это связано с тем, насколько чувствительно ко времени молекулярное сообщение. «РНК — это другой язык, чем ДНК», — сказала она, и она служит принципиально иной цели как внутри, так и вне клеток.

ДНК организма должна быть стабильной и относительно неизменной на протяжении всей его жизни. Она может приобретать спонтанные мутации или даже дополнительные гены, но для того, чтобы временные изменения в последовательностях ДНК закрепились в популяции, требуются поколения естественного отбора. РНК же, напротив, постоянно меняется, реагируя на динамические условия внутри и вне клетки. Сигналы РНК сохраняются недолго, но им это и не нужно, поскольку они могут быстро потерять свою актуальность.

Как сообщение, РНК неустойчива. Это особенность, а не ошибка: она может оказывать лишь кратковременное воздействие на другие клетки, прежде чем деградирует. И поскольку РНК внутри клетки постоянно меняется, «сообщение, которое вы можете отправить соседней клетке», также может меняться очень быстро, сказал Эрдманн. В этом смысле это больше похоже на короткое текстовое сообщение или электронное письмо, предназначенное для передачи актуальной информации, чем, скажем, на руны, высеченные на камне, или на официальную записку на фирменном бланке.

Хотя, по-видимому, соседние археи поглощают и усваивают ВВ из своих клеток, пока неясно, влияют ли эти сообщения на них. Эрдманн также уже задаётся вопросом, что происходит с этими везикулами в дикой природе, где множество различных организмов могут быть в пределах слышимости передаваемых ими сообщений.

«Сколько других организмов в той же среде обитания могли бы воспринять это сообщение?» — спросила она. «И они просто едят его и используют РНК в качестве пищи, или они действительно распознают сигнал?»

Хотя это все еще может оставаться загадкой для Галоферакса, другие исследователи продемонстрировали, что клетки разных видов, царств и даже доменов жизни могут отправлять и получать удивительно точечные молекулярные послания.

Биологические перекрестные разговоры

Хотя РНК недолговечна, она проявила себя как молекулярное чудо, способное менять форму. Она наиболее известна тем, что помогает клеткам производить новые белки, копируя инструкции ДНК (в виде информационной РНК, или мРНК) и доставляя их в рибосому для построения. Однако её гибкий остов позволяет РНК сворачиваться в различные формы, которые могут влиять на биологию клетки. Она может действовать как фермент, ускоряя химические реакции в клетках. Она может связываться с ДНК, активируя или подавляя экспрессию генов. Конкурирующие цепи РНК могут запутывать инструкции мРНК в процессе, называемом РНК-интерференцией, который предотвращает производство новых белков.

По мере того, как исследователи всё больше изучают механизмы, посредством которых РНК изменяет активность клеток, они изучают стратегии использования этой небольшой изменчивой молекулы в качестве экспериментального инструмента, метода лечения заболеваний и даже основы для мРНК-вакцины против COVID-19. Все эти применения требуют переноса РНК в клетки, но, похоже, эволюция нас в этом опередила: внеклеточные вирусы передают РНК даже клеткам, которые, возможно, не хотят получать эту информацию.

Около 10 лет назад молекулярный генетик Хайлин Джин и её лаборатория в Калифорнийском университете в Риверсайде обнаружили, что два организма из разных царств — растение и гриб — обмениваются РНК, ведя боевые действия. Джин изучала Botrytis cinerea, серую плесень, поражающую такие культуры, как клубника и томаты, когда заметила, что она обменивается РНК с растением Arabidopsis (кресс-салат) во время заражения. Гриб Botrytis выделял РНК, которая нарушала способность растения бороться с инфекцией. Более поздние исследования показали, что растительные клетки могут отвечать собственными РНК-зарядами, повреждающими гриб.

В этой «коэволюционной гонке вооружений», как её описала Джин, оба организма использовали экзосомы в качестве носителей этих деликатных, но опасных РНК-сообщений. Ранее учёные, интересующиеся динамикой взаимодействия хозяина и патогена, в основном концентрировались на белках и метаболитах, сказала Джин, поскольку эти молекулы легче изучать. Однако, по её словам, для организмов вполне логично иметь множество способов противостоять неблагоприятным факторам окружающей среды, включая использование РНК для взаимодействия с дальними эволюционными родственниками.

За последнее десятилетие всё больше учёных обнаружили примеры обмена РНК между царствами как наступательной стратегии во время инфекции. Паразитические черви, обитающие в кишечнике мышей, выделяют РНК во ВВ, которая подавляет защитные иммунные белки хозяина. Бактерии могут посылать сигналы клеткам человека, которые подавляют антибактериальный иммунный ответ. Грибок Candida albicans даже научился искажать информацию от человеческих ВВ в свою пользу: он использует человеческую РНК для стимуляции собственного роста.

Переписка между королевствами не всегда представляет собой гневные письма. По словам Цзинь, подобные взаимодействия наблюдались и в дружеских (или нейтральных) отношениях. Например, бактерии, живущие в симбиозе с корнями бобовых, посылают РНК-сообщения, способствующие образованию клубеньков — росту маленьких бугорков, где бактерии живут и фиксируют азот для растения.

Как РНК из одной ветви древа жизни может быть понята организмами из другой? Это общий язык, сказал Бак. РНК, скорее всего, существует с самого начала жизни. Хотя организмы эволюционировали и стали разнообразнее, их аппарат считывания РНК в основном остался прежним. «РНК уже имеет значение в каждой клетке», — сказал Бак. «И это довольно простой код».

Настолько просто, что клетка-получатель может открыть и интерпретировать сообщение, прежде чем осознает его потенциальную опасность, подобно тому, как мы инстинктивно нажимаем на ссылку в электронном письме, прежде чем замечаем подозрительный адрес отправителя. Действительно, ранее в этом году лаборатория Джина показала, что клетки растения Arabidopsis могут отправлять, казалось бы, безобидные РНК-инструкции, которые оказывают неожиданное воздействие на враждебный гриб. В ходе экспериментов команда Джина наблюдала, как гриб Botrytis считывает вторгающуюся мРНК вместе со своими собственными молекулами и непреднамеренно производит белки, которые снижают его инфекционные способности.

Джин говорит, что это похоже на то, как если бы растения создавали «псевдовирус» — маленькие пакеты РНК, которые заражают клетку, а затем используют ее механизмы для производства белков.

«Это довольно мощный механизм, — сказала она. — Одна мРНК может транслироваться во множество копий белков… Это гораздо эффективнее, чем транспортировка самого белка».

По словам Джин, насколько ей известно, это первый случай, когда организмы из разных царств обмениваются сообщениями мРНК и считывают их в белки. Но она считает, что подобное явление, вероятно, можно будет обнаружить и во многих других системах, как только люди начнут его искать.

Бак отметила, что эта область кажется молодой, и это очень интересно. Ещё многое предстоит узнать: например, помогают ли другие молекулы, упакованные в ВВ, передавать РНК-информацию. «Разгадать всё это — увлекательная задача», — сказала она. «Нас должно вдохновлять то, насколько невероятно сильна и динамична РНК, и то, как мы всё ещё продолжаем открывать все способы, которыми она формирует и регулирует жизнь».

Источник: www.quantamagazine.org