Репарация мутантных рнк с помощью рибозимов, осуществляющих транс-сплайсинг
Просто устроенные HH- и HP-рибозимы принято рассматривать как рибозимы первого поколения. Во всех примерах, рассмотренных выше, в прикладных целях использовалась их способность осуществлять специфическое эндонуклеазное расщепление молекул РНК. Недавно (Дж. Т. Джонс и др., 1996 г.) удалось приспособить рибозимы для восстановления генетической информации на уровне молекул РНК, структура которых нарушена мутациями. Рибозим интрона группы I Tetrahymena после незначительных генно-инженерных модификаций оказался способным выполнять такие репарирующие функции.
Как уже обсуждалось в первой части книги (см. раздел 2.2.3), аутосплайсинг транскриптов, содержащих интроны группы I, начинается с расщепления фосфодиэфирной связи между 5’-концевым экзоном и прилегающим к нему интроном, сопровождаемого полным удалением интрона и лигированием фланкирующих его экзонов, приводящим к восстановлению непрерывной структуры РНК. Идея, лежащая в основе использования рибозимов для репарации РНК, проста. Достаточно лишь с помощью генно-инженерных методов к 3’-концу рибозима присоединить вместо 3’-концевого экзона любую другую последовательность, чтобы она соединялась с последовательностью 5’-концевого экзона в строго определенной точке с образованием гибридной молекулы РНК. Поскольку сайт взаимодействия рибозима с РНК во время транс-сплайсинга и положение точки разрыва РНК целиком определяются внутренней направляющей последовательностью рибозима (internal guide sequence – IGS), присоединение новой 3’-концевой последовательности можно осуществлять практически в любом месте РНК-мишени (рис. II.28). Таким образом, для репарации мутационного повреждения в экзоне 2 на уровне РНК IGS делают комплементарной участку РНК-мишени, локализованному выше точки повреждения (в рассматриваемом примере – А) на стыке экзонов 1 и 2. Экзон 2 дикого типа соединяют с рибозимом, который после взаимодействия с РНК-мишенью вырезает из нее мутантную последовательность экзона 2 и заменяет на эквивалентную последовательность дикого типа. В результате комплекс рибозима и репарированной РНК распадается и обновленная РНК вовлекается в трансляцию.
Рис. II.28. Схема репарации мутантной мРНК рибозимом, осуществляющим транс-сплайсинг
Молекула рибозима, соединенная 3’-концом с последовательностью экзона 2 дикого типа, взаимодействует с мутантной РНК выше мутантного нуклеотида и замещает мутантную часть репарируемой РНК в реакции аутосплайсинга
Такой подход был успешно использован для репарации мРНК гена lacZ как в клетках E. coli, так и в культивируемых клетках животных. Точность транс-сплайсинга, направляемого рибозимом, оказалась абсолютной – в образующихся восстановленных молекулах РНК не наблюдали сдвига рамки считывания. Однако в этих опытах на первый план вышла другая проблема. Длина IGS-последовательности, определяющей специфичность взаимодействия рибозима с РНК, составляет всего шесть нуклеотидов. Такая последовательность из шести нуклеотидов в молекулах РНК встречается достаточно часто (каждые 4096 оснований). Следствием этого было объединение репарирующего фрагмента РНК не только с РНК-мишенью, но и другими РНК, не имеющими отношения к первой. Выход из сложившейся ситуации ищут в увеличении специфичности действия рибозима путем удлинения IGS. Однако с увеличением длины области комплементарного взаимодействия между рибозимом и РНК будут возрастать прочность этого взаимодействия и, как следствие, затруднение последующего распада каталитического комплекса, что должно сопровождаться ингибированием реакции.
Применение рибозимов в реакциях транс-сплайсинга для корректировки экспрессии мутантных генов на посттранскрипционном уровне рассматривается как весьма перспективное направление в генотерапии. И хотя более логичной все-таки кажется необходимость репарации мутаций на уровне самих генов, такой подход, возможно, получит право на жизнь и в клиниках. По сути дела он является прототипом реакции редактирования РНК (см. раздел 2.2.2), который эффективно используется клетками при экспрессии ряда генов в природных условиях.
Благодаря генной инженерии введение в молекулярную генетику антисмысловых РНК и рибозимов привело к появлению высокоспецифичного инструмента для изучения функциональной роли и регуляции экспрессии индивидуальных генов in vivo. Использование этих методов представляется особенно перспективным в исследованиях по биологии и генетике развития, так как именно здесь инактивация отдельных генов соматических клеток представляется особенно сложной задачей. Плодотворным подходом является объединение последовательностей антисмысловых РНК с рибозимами, поскольку в результате получаются каталитически действующие, высокоспецифические супрессоры генов, а также конструкции, корректирующие экспрессию генов на посттранскрипционном уровне. Полагают, что дальнейшее развитие техники адресной доставки генов антисмысловых РНК, направленных против патогенных вирусов, в клетки зародышевой линии животных и растений может привести к созданию сортов растений и пород животных, устойчивых к действию патогенных вирусов, и дать большой экономический эффект в сельском хозяйстве. Однако хорошо известно, что на любое лекарство у возбудителя заболевания всегда находится адекватный защитный ответ. Поэтому до тех пор, пока генотерапия не будет опираться на самонастраивающиеся генетические системы, что имеет место, например в случае иммунной системы, победа, в конечном счете, будет оставаться за возбудителем. Нельзя не учитывать и возможное использование антисмысловых РНК в будущем для генотерапии как инструмента воздействия на онкогены и другие генные локусы, повышенный уровень экспрессии которых вредно сказывается на жизнедеятельности соматических клеток многоклеточных организмов. Первые результаты, полученные при разработке некоторых из этих направлений молекулярной генетики, кратко изложены в главе 11.