Как используются различные типы РНК?
Краткое содержание:
* РНК представляют собой разнообразную группу молекул, которые повсеместно существуют в природе. Они могут обладать различными биологическими функциями и могут быть использованы для различных терапевтических целей.
* Функция РНК определяется ее последовательностью.
* CRISPR sgRNA и мРНК-вакцины состоят из разных последовательностей и действуют по-разному.
* CRISPR sgRNA связывается с последовательностью генома-мишени и белком Cas9, чтобы позволить Cas9 разрезать ДНК.
* Вакцины мРНК производят антигены, подключая механизм производства белков.
В XXI веке медицина быстро расширила свой терапевтический репертуар за пределы белков (например, моноклональных антител, цитокинов, интерферонов) или малых молекул (таких как аспирин, антигистамин, инсулин), используя РНК в широком спектре применений [1]. РНК — это встречающиеся в природе молекулы, которые выполняют важные функции во всех организмах, и ученые используют их в различных исследовательских и терапевтических областях. Две такие технологии были описаны нашей командой ранее — вакцины на основе мРНК и система CRISPR-Cas9 (пожалуйста ознакомьтесь с нашими предыдущими статьями). Развитие не остановилось на двух вышеупомянутых технологиях [1]. На самом деле, существует множество других применений РНК в лечении/профилактике заболеваний. Наша команда представила наиболее актуальную информацию об обсуждаемых биологических препаратах, но, как и вся область молекулярной биологии, эта тема все еще может быть не до конца понятной. Недавно нашей команде были заданы вопросы о возможности РНК в мРНК-вакцинах изменять геном человека, как это делает РНК в методе CRISPR/Cas9. Цель этой статьи — представить небольшой комментарий о разнообразии в мире РНК и использовать эти знания для разъяснения возникших опасений.
Большинство людей слышали о ДНК и имеют приблизительное представление о ее функциях. ДНК и РНК — это похожие молекулы, способные хранить и распространять информацию. Однако РНК — это еще более разнообразный набор молекул с различными функциями [2]. Наиболее известной группой РНК является мессенджерная РНК — мРНК (отредактированная копия фрагмента ДНК), которая передает информацию о будущем белке клеточному производственному механизму — рибосомам. Интересно, что в состав рибосом входят и другие РНК — рРНК или рибосомальная РНК, обладающие ферментативной активностью [3]. Такие РНК называются рибозимами (рибонуклеиновая кислота + ферменты) и участвуют в производстве белков, биосинтезе и процессинге РНК, вирусной репликации [4]. Другая группа РНК — те, которые регулируют производство макромолекул или сражаются с вирусными геномами [5]. Эти группы очень разнообразны и могут быть дополнительно разделены на множество подгрупп.
Многих может удивить тот факт, что РНК играют весьма разнообразную роль в биологии. Чтобы понять это, давайте воспользуемся лингвистической аналогией. В наших языках существует ограниченное количество букв (строительных блоков), но они способны создавать гораздо более широкий набор слов. Даже один и тот же набор букв может создавать множество различных слов/предложений и значений, как в анаграммах (например, «слушать» и «молчать» или «Уильям Шекспир» и «я слабый заклинатель»). То же самое можно применить и к РНК. Однако порядок строительных блоков (последовательность) не является единственным важным фактором — важна также трехмерная структура. Важно отметить, что 3D-структура также является результатом инструкций в последовательности; строительные блоки ДНК и РНК называются нуклеотидами, которые могут быть модифицированы в процессе последующего производства, после чего они могут складываться в 3D-структуры.
Такое длинное введение должно быть использовано для анализа проблемы из первого абзаца. Вакцины мРНК используют молекулы мРНК для доставки инструкции по созданию антигена. Эта инструкция затем используется нашими клетками для производства антигена, который, в свою очередь, уведомляет и тренирует нашу иммунную систему против патогена (например, SARS-CoV-2) [6]. мРНК должна содержать элементы, позволяющие это сделать, которые включают последовательность антигена Spike для считывания механизмом производства белка. Другие включенные элементы необходимы для связывания механизмов и стабильности самой мРНК. мРНК из вакцин не обладает другими элементами, которые могли бы позволить изменять геном, и не находится в тесном контакте с нашим геномом. Напротив, sgРНК, используемая в системе CRISPR/Cas9, содержит последовательность, направляющую белок Cas9 на редактируемую последовательность генома-мишени. Важно отметить, что именно белок Cas9 осуществляет редактирование, а не sgРНК [7]. Чтобы узнать больше о системе CRISPR/Cas9, пожалуйста, ознакомьтесь с нашими предыдущими статьями.
В этом кратком комментарии можно оценить, что РНК могут быть очень разнообразными. Из ограниченного количества доступных строительных блоков природа или ученые создают множество различных молекул с разными функциями. Хотя некоторые виды деятельности могут пересекаться, существует сильное различие между мРНК, как в мРНК-вакцинах, и РНК, полученными с помощью технологии CRISPR. Медицинских применений РНК так же много, как и видов РНК. Понимание биологии РНК не взорвалось в одночасье в 2020 году с изобретением анти-SARS-CoV-2 мРНК-вакцины, а накапливалось почти столетие [8]. Возможно, это приведет к расширению применения терапевтических средств на основе РНК в медицине. Поэтому для потенциальных пациентов — нас — важно понимать концепции, связанные с биологией и технологиями РНК.
Список литературы:
- Damase TR, Sukhovershin R, Boada C, Taraballi F, Pettigrew RI, Cooke JP. The Limitless Future of RNA Therapeutics. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:628137.
- Cech TR, Steitz JA. The noncoding RNA revolution-trashing old rules to forge new ones. Cell. 2014;157(1):77-94.
- Petrov AS, Gulen B, Norris AM, Kovacs NA, Bernier CR, Lanier KA, et al. History of the ribosome and the origin of translation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(50):15396-401.
- Doherty EA, Doudna JA. Ribozyme structures and mechanisms. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2001;30:457-75.
- Kaikkonen MU, Lam MTY, Glass CK. Non-coding RNAs as regulators of gene expression and epigenetics. Cardiovasc Res. 2011;90(3):430-40.
- Vogel AB, Kanevsky I, Che Y, Swanson KA, Muik A, Vormehr M, et al. BNT162b vaccines protect rhesus macaques from SARS-CoV-2. Nature. 2021;592(7853):283-9.
- Adli M. The CRISPR tool kit for genome editing and beyond. Nat Commun. 2018;9(1):1911.
- Caspersson T, Schultz J (1939). «Pentose nucleotides in the cytoplasm of growing tissues». Nature. 143 (3623): 602–03.