РНК лекарства. Синтез нужных белков внедрением матричного РНК
Синтез белка начинается с этапа Транскрипции, когда идёт считывание информации ДНК и построение комплеменнарной ей цепочки матричной или как её называют информационной РНК. Ну а дальше идёт Трансляция- когда рибосома считывает эту информацию с цепочки матричной РНК и преообразует в цепочку аминокислот: пептидов или белков.. . Это вкратце..
Суть идеи внедрения мРНК :
Представим если организм даёт сбои, какие то процессы нарушены, синтез нужного белка идет плохо, или в недостаточном количестве, или же речь идёт в нарушении цепочки ДНК. В этом случае возможно будет внедрять в клетки созданные, нужные цепочки матричного РНК, с которых и будут считывать рибосомы информацию для синтеза нужного белка.
Белковую природу имеют многие структуры организма, ферменты, гормоны, транспортные, структурные, сигнальный... Большинство процессов в организме осуществляются белками. Поэтому нельзя переоценить пользу данного метода.
Скорее это проще чем вырезать и встраивать новые гены в ДНК. Как бы действуя в обход ДНК и стадии Транскрипции.
Возможно таким образом можно будет и усовершенствовать организм, например отправляя в клетку мРНК которая улучшит состояние тканей, придаст им нужную фическую функцию ( прочность, эластичность, устойчивость к каким либо неблагоприятных условиям). Или например применить этот метод для улучшения иммунитета когда это нужно.
Возможно таким образом можно будет омолаживать клетки организма когда, с возрастом, функции синтеза нужныхбелков, каких-либо групп клеток будут нарушены....
ДНК
Белок-регулятор вызывает мутации и в стволовых, и в раковых клетках
Российские ученые выяснили, что белки C/EBP, которые участвуют в работе стволовых клеток и влияют на метаболизм и продолжительность жизни человека, еще и вызывают появление мутаций в регуляторных районах генов. Это может нарушать деление клеток, менять их «жизненный путь» и приводить к серьезным заболеваниям, включая рак.
Ученые установили, что белок-регулятор вызывает мутации и в стволовых, и в раковых клетках / ©Getty images
Результаты работы опубликованы в журнале Cell Reports. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда (РНФ). Генетическая информация живых существ, включая человека, закодирована в геноме — наборе молекул ДНК, состоящих из двух цепей. Каждую из них образуют структурные единицы — нуклеотиды четырех типов, — которые можно сравнить с буквами в составе слов.
Буквы, стоящие напротив друг друга в двух цепях молекулы ДНК, подчиняются строгим правилам «спаривания»: напротив «А» стоит «Т», напротив «Г» — «Ц». По разным причинам в ДНК могут случайно происходить замены нуклеотидов, что вызывает нарушение правильного спаривания. Для исправления таких ошибок в клетке есть специальная система.
Если она не справляется с работой, испорченные участки при делении передаются одной из дочерних клеток и становятся мутациями. Мутации в активных районах генома опасны: они могут ошибочно активировать или блокировать работу генов, нарушать деление и менять «судьбу» клеток. Ученые из Института белка РАН (Пущино) с коллегами из НИИ Физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского, Института общей генетики имени Н. И. Вавилова и Института молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта (Москва) исследовали частоту возникновения мутаций в разных участках ДНК стволовых клеток взрослого человека.
Такие клетки называются соматическими стволовыми клетками, организм использует их, чтобы поддерживать структуру и обеспечивать регенерацию тканей и органов. Мутации, которые возникают в стволовых клетках, передаются их дочерним при делении и могут приводить к злокачественным новообразованиям. Поэтому для стволовых клеток важно находить в геноме и ошибки, и склонные к ним «хрупкие» участки.
Художественная визуализация механизма появления мутаций / ©Татьяна Руссита
С помощью компьютерных методов исследователи проанализировали информацию о расположении мутаций в ДНК соматических стволовых клеток. Оказалось, что неожиданно часто мутируют места присоединения белков семейства C/EBP. Эти белки — важные регуляторы, которые нужны в различных типах клеток и участвуют во многих процессах — от определения будущей функции клеток до старения организма. Чтобы выяснить причину этих нарушений, ученые построили молекулярную модель взаимодействия одного из C/EBP-белков — C/EBPβ — с ДНК.
Модель предсказала, а эксперимент подтвердил, что белок значительно более прочно связывается с «поврежденными» участками, несущими замену единственного нуклеотида — «Ц» на «Т» — в одной из цепей. Это небольшое изменение приводит к появлению дополнительной водородной связи между белком и ДНК и поэтому к более прочному связыванию. В таком состоянии ДНК оказывается недоступна для системы, которая могла бы исправить неправильную «букву». В результате ошибка в последовательности сохраняется, и при делении клеток мутация передается одной из двух дочерних клеток.
«Интересно, что в дочерних клетках с мутировавшей последовательностью, которую исходно упустила система исправления ошибок, белок C/EBPβ будет связываться достаточно неохотно. Вероятно, что такое нарушение участков связывания C/EBP — еще один неучтенный фактор, затрудняющий адекватную работу стволовых клеток при старении организма или провоцирующий их трансформацию в раковые», — рассказывает Ирина Елисеева, кандидат биологических наук, руководитель гранта РНФ, старший научный сотрудник ИБ РАН.
«Важно, что точечный мутагенез участков посадки белков C/EBP не ограничивается стволовыми клетками: этот же эффект мы обнаружили и в раковых. Мы предполагаем, что усиленное связывание C/EBP с поврежденным участком ДНК может создать для конкретной раковой клетки короткое “окно возможностей” — от момента замены нуклеотида до ближайшего клеточного деления — в которое она временно приобретает новые свойства, например, дополнительно активирует какой-то ген и избегает действия противоопухолевой терапии.
В целом, понимание хрупкости участков посадки C/EBP позволяет по-новому взглянуть на конкретные районы генома, где таких участков много, и мотивирует особенно тщательно их анализировать в районах, управляющих работой онкогенов или онкопротекторов», — предполагает первый автор работы, сотрудница НИИ Физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского, кандидат биологических наук Анна Ершова.
От ДНК до белка. Базовые вещи
Очередная озвучка. Анимационный ролик о процессе считывания генетической информации из ДНК и последующем процессе синтеза белка. Всё на базовом уровне, без лютой биохимии, под забавную музыку. Расслабляйтесь, на следующей неделе будет уже серьёзный ролик.
Перевод и озвучка мои.
Исходник видео: https://www.yourgenome.org/video/from-dna-to-protein (лицензия Attribution 4.0 International (CC BY 4.0))
Музыка: Andrew Huang - Accordion.
О догмах в биологии
Примерное время прочтения поста - 4 минуты. Добавлены мемы.
Вступление.
Признаюсь, я давно хотел написать пару тройку-постов с образовательным контентом, которого когда то было много на Пикабу - время пришло.
Введение.
Все вы наверное в школе слышали такие фамилии как Уотсон и Крик. А слышали о ДНК? Некоторые даже помнят что это ДезоксиРибонуклеиновая Кислота. РНК? Белок? Но что скрывается за этими понятиями. Давайте разбираться. Пост послужит введением к более сложным темам. Я первый раз пишу такой пост и очень трудно структурировать так, что бы всем все было ясно, простите.
Итак, центральная догма молекулярной биологии была сформулирована Криком еще до получения им нобелевки (1962), но уже после открытия структуры ДНК (1953), в 1958 году. И очень кратко она звучит так: ДНК-РНК-белок.
Рассмотрим каждое понятие.
Основная часть.
ДНК это ооооочень большая молекула, которая хранит генетическую информацию о нас. ДНК зашифрована в виде последовательности нуклеотидов. Их всего 4: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Весь наш генетический год это комбинация этих 4х буковок.
Стоит отметить что днк может быть прямой или кольцевой, состоять из 1 цепи и из 2х. ДНК человека состоит из 2х закрученных цепей как на картинке выше. Буковски соединяются между собой следующим образом: На одной из цепей есть Аденин (A), значит на другой цепи в этом месте будет стоять Тимин (T), тоже самое с Гуанином (G), напротив него всегда стоит Цитозин (C). Примерно так:
Вообще давайте представим что вы искушенный читатель и хотите прочесть книгу. Но вот беда, она на другом языке. Что вы будете делать? Правильно, возьмете словарик и начнете переводить. Ваш текст в оригинале звучит примерно так: АЦТАГАААТЦАГГАТГГААЦЦТАЦГЦТ
Вы хотите перевести текст, но увы, прямого словаря ДНК-Белок нет. Чтож, ладно, зато есть словари ДНК-РНК и РНК-белок. При переводе с языка ДНК на язык РНК вам нужно только заменить букву Т (тимин) на У (урацил). Этот процесс называется трансляцией. Мы получим АЦУАГАААУЦАГГАУГГААЦЦУАЦГЦУ
Чтож, уже не плохо.
Здесь мы приходим к понятию матричной РНК. Как можно понять, она то и служит матрицей для биосинтеза белка. РНК зашифрована той же 4х буквенной последовательностью нуклеотидов что и ДНК, с разницей в одну букву. Урацил это производная тимина, так что в общем смысле это почти одно и тоже.
Далее мы забиваем наш текст (РНК) в переводчик, который называется Рибосома. Как гугл транслейт, только круче. И Рибосома начинаем нам переводить наш текст с языка РНК в язык БелОк. Как она это делает. Дело в том что РНК (как и ДНК) - это код. Триплетный код. Это означает что каждый 3м буквам в этом коде соответствует 1 буква в коде белка. Эта буква белка называется аминокислотой, основных аминокислот 20.
Искушенный читатель скажет: так, стоп. В нашем коде 4 разных буквы. Они расположены в комбинациях по 3. Это же 4^3, целых 64 комбинации! Почему же аминокислот всего 20. Ну, так сказала природа. Дело в том, что 1 и ту же аминокислоту могут кодировать 1, 2, 3, 4 и даже 6ю разными комбинациями по 3.
Поэтому такие картинки не совсем точные, так как каждая эта палочка эта 1 буковка. а ген кодируется порой 300, а порой и 1500 и более таких буковок, связанных по 3.
Не поленился и перевел наш текст в последовательность аминокислот. Получилось: TRNQDGTYG. Их сделала рибосома по последовательности РНК, этот процесс называется транскрипцией. Эта последовательность аминокислот в последствии свернулась нужным образом и стала белком.
Белки это огромный и самый важный класс органических соединений в нашем организме. Трудно переоценить роль белка, ведь ферменты, которые помогают протекать химическим реакциям в организме, в том числе делению клеток - это белки, структурные компоненты (волосы, ногти) - белки, иммунитет (иммуноглобулины) - белки, регуляция жизни клетки - белки, взаимодействие клеток (цитокины) - правильно, тоже белки. В общем вы поняли. Белок - это круто, будь как белок.
Белок состоит из 20 основных аминокислот, расположенных в определенном порядке и свернутых особым образом. Форма белка является определяющей для функций. Изучение структуры белка занимается Структурная биология. В ее задачу входит выделить и кристаллизовать белок, либо белковый комплекс и различными методами установить его структуру.
Это важно потому, что:
1. Позволяет предположить о функции белка
2. Дает возможность узнать как куда и что прикрепить к нему для создания ДНК-вакцин (поговорим позже)
3. Даст информацию об ингибиторах действия белка, что может быть важно, например, при борьбе с патогенной бактерией.
Очень важно отметить, что несмотря на то что белок у человека и у гриба например может быть один и тот же, он может иметь разные формы. Зачастую он имеет разные формы даже у бактерий. К сожалению, даже зная состав белка (порядок аминокислот) нельзя точно сказать про его структуру без вышеупомянутого анализа.
Обсуждение.
Сам Крик закладывал свою догму как некий нерушимый постулат, которым он и считается сейчас. Однако в 1970 году была открыта обратная транскриптаза. Мы теперь знаем что транскрипция это перевод из ДНК в РНК. Этот фермент способен синтезировать ДНК, основываясь на РНК, то есть производить процесс, обратный заданному.
Любопытно, что фермент нашли в вирусах. Я не буду сейчас рассказывать подробно о них, скажу только что вирусы представляют с собой комара, который в своем брюшке несет ДНК либо РНК, и вливает их в нашу (или бактериальную) кровь, то есть в клетки. Вирусы, в основе которых лежит РНК называют ретровирусами, к числу которых относится ВИЧ. Они впрыскивают РНК в клетку, где обратная транскриптаза переводит полученную РНК в ДНК, совершая при этом довольно много ошибок. Что придает этим вирусам лекарственную устойчивость.
Сам Крик описывал это как вполне возможный процесс. И говорил о том что суть центральной догмы заключается в невозможности перевода белка в РНК или ДНК. И в данном случае еще никому утверждение опровергнуть не удалось. Однако нельзя не сказать про прионы. Прионы это белки, которые неправильно свернулись. Как правило, если белок свернулся неправильно он просто перестанет работать, но существуют прионные белки. Если такой белок свернется неправильно, он начнет вынуждать другие такие же белки, свернувшиеся как надо, принять неправильную форму. В результате чего возникают прионные болезни. Это стало острой проблемой в молекулярной биологии, и вопрос решается по сей день.
Как правило, говоря о молекулярной догме часто апеллируют к прионам, говоря что вот и сдулась догма. Однако перевода прионного белка в РНК или ДНК не было - а значит догма работает.
Заключение.
По сути, вся наша генетическая информация (ДНК) сводится к тому какие белки будет синтезировать рибосома. А уже от этих белков зависит все остальное, вплоть до пола. Кому интересно сделаю ремарку, у женщин человека 2 Х половые хромосомы, а у мужчин 1 Х и 1 Y. Дело в том, что в Y хромосоме зашифрован S белок, который как раз и отвечает за развитие из плода мальчика.
Так вот, конечно на сегодня догмой это назвать все еще можно, но существует множество интересных моментов из-за обратной транскриптазы и прионов. Однако в общем и целом этот принцип работает и поможет нам в дальнейшем разобраться с более трудными вопросами молекулярной биологии.
Список книг которые я могу рекомендовать уже сейчас:
Общеобразовательные:
Петр Талантов - 0,05 Доказательная медицина. Книга повествует об основных мифах в медицине, истории и развитии этих мифов.
Более углубленные:
Спирин - Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка. Настольная книга молекулярного биолога. Если попроще рекомендую 1990 года издания. Там описаны основные на тот момент сведения. Если конкретно по рибосомам - издание 17-18 годов. Новые. Но они уже достаточно специализированы и необходимы знания больше, чем представлены в посте.
Могу также порекомендовать посмотреть короткие и не только видосики следующих лекторов: Михаил Гельфанд (не Гендальф), Константин Северинов, Максим Франк-Каменецкий.
Если этот пост понравился хотя бы небольшому кругу читателей я сделаю и другие, вот анонс постов: я бы очень хотел сделать пост непосредственно про структуру белка и область науки его изучающую - структурную биологию. Хотелось бы также затронуть тему ГМО, здесь планируется мини серия: как можно регулировать работу гена, как его можно включить или выключить, что будет если съесть гмо (спойлер: ничего нового). Затронуть тему ДНК-вакцин, в частности, вакцину от кариеса. Темы криспр/кас и многое другое.
Предлагайте ваши темы, с чем смогу - разберусь.
Немного биотехнологии...
Давным давно хотел запилить пост о работе в биотехнологической лаборатории ну и о том, чем эта самая биотехнология занимается, да вот только то одно, то другое и всё никак, а потом и вовсе забылось.
Недавно я решил повыделываться поиграть в угадайку в посте https://pikabu.ru/story/geneticheski_modifitsirovannaya_bakt... , где @MedVikt0r случайно напомнил мне, что я ленивая задница, поинтересовавшись, не могу ли я запилить посты по микрооргнизмам. Не смотря на то, что я немного не микробиолог, это заставило задуматься на тему прокрастинации и лени.
Но, всё же, собравшись с духом и зарядившись кофейком, я сделяль.
Пост получится долгим, и кому данное направление не интересно, могут смело пролистывать эту скукотень.
Для людей, работающих в подобных лабах или имеющих непосредственное к ним отношение: многие детали я пропускаю, потому как люди бы заснули уже на понятиях интрон-экзонной структуры эукариотического генома и реакции обратной транскрипции.
Начну с малого - того, чем занимается лаборатория в которой я работаю. В большинстве случаев работа в нашей лабе упирается в получение белков с помощью микроорганизмов (экспрессионные штаммы могут быть самыми разными). Рабочей лошадкой для производства белков практически в любой лабе является E.coli она же Кишечная палочка. Геном изучен вдоль и поперёк, штаммов - великое множество, да и сам организм не особо сложен и привередлив.
Итак с организмом-продуцентом мы определились, теперь можем подумать и о том, что бы нам вытащить. Как вариант у нас есть какой-то организм с флуоресцентным белком, позволяющим ему грубо говоря светиться. Организм наверняка эукариотический, так что это сулит нам немного больше геморроя, чем хотелось бы, но не время жаловаться, время вытаскивать ген, кодирующий этот самый белок.
У всех живущих организмов в каждой живой клеточке есть ДНК, которая является набором информации о совокупности всех его генов и попутно регуляторным инструментом, в котором прописаны инструкции к производству белков, которые на этих самых генах и основаны. Так же с начала 80ых годов мы пользуемся методом полимеразной цепной реакци (ПЦР) для того, чтобы многократно преумножить определённый участок ДНК/РНК. Из чего следует, что всё, что нам нужно, это выделить всю ДНК нужного нам организма, насколько это возможно, и поставить с ней ПЦР на нужный нам ген флуоресцентного белка. Схематически ПЦР выглядит примерно вот так:
Есть у кого-нибудь возникнут вопросы о том, что это такое, из чего состоит процесс и почему юзается в диагностике, я могу ответить в комментах.
И вот, наконец-то вожделенный ген амплифицирован (многократно умножен) и готов к использованию. "Использование" на данной стадии представляет собой впихивание этого самого гена в вектор, который в большинстве случаев из себя представляет плазмида. Плаздима - это очень небольшая закольцованная молекула ДНК. Сегодня в нашем распоряжении есть огромное множество этих плазмид под самые разнообразные нужды и для самых разнообразных организмов. В самой плазмиде есть ген резистентности к определённому антибиотику, промотор для начала транскрипции и, как следствие наших манипуляций именуемых молекулярное клонирование, в плазмиде появляется и наш ген. Схематически выглядит примерно так:
Остальные надписи вообще смысла не имеют объяснять долго, но если кому будет интересно - отпишу.
Зачем мы в принципе запихали наш ген в плазмиду? Есть сразу несколько причин.
Первая - чтобы нашу вставку просто так не пошинковала клетка, которую мы собираемся трансформировать. Плазмида в данном случае - система доставки.
Вторая - чтобы контролировать экспрессию нашего гена. В плазмиде, как уже описывалось выше есть промотор, от силы которого будет зависеть то, сколько синтезируется нашего белка.
Третья - чтобы отобрать нужные нам клетки в последствие. Плазмиды имеют свойство не только "влетать" в клетку, но и так же благополучно деградировать в ней.
Поэтому, чтобы быть уверенным в том, что наша плазмида точно находится в клетках, которые мы с такой любовью растим, мы добавляем в среду немного йаду - а именно антибиотик, к которому в нашей плазмиде есть ген резистентности, и которого нет в геноме самой бактерии. Таким образом все клетки БЕЗ нашей плазмиды, коих наверняка сыщется не один миллион, тихонько помрут за ненадобностью (ох уж эти люди, ни дня без геноцида). Ну и классическая чашка с колониями:
Вот и готов наш ГМО (=
Далее мы берём клетки одной из проросших колоний и кидаем их в питательную среду всё с тем же антибиотиком и растим, попутно добавляя индуктор. Индуктор нужен для того, чтобы запустить процесс наработки нашего белка. После инкубации в питательной среде наших клеток с нашей плазмидой, в которой сидит наш ген флуоресцентного белка... о как завернул... в общем после всего этого мы выделяем наш белок из клеточной массы (например, методом металл-аффинной хроматографии) и выглядит он примерно так же как и вот эти ребята:
Ну и дополнительно можно растить эти клетки сразу на чашке с индуктором, тогда можно делать, вот такие приколы на Новый Год:
Фото этой чашки, кстати, было моим первым постом на пикабу)
Кошка бонусом для тех, кто осилил пост до конца))