Файер и Мелло изучали, как экспрессия генов регулируется у червей. Сначала ученые вводили им мРНК, кодирующую мышечный белок, и наблюдали поведение червей. Оно не отличалось от обычного.
Затем Файер и Мелло сделали другой группе червей инъекцию, содержащую мРНК с последовательностью нуклеотидов, комплементарной первой, так называемую антисмысловую мРНК. Ее можно сравнить с зеркальным отражением первой мРНК смысловой.
Инъекция антисмысловой РНК также не повлияла на поведение червей. Но после того, как Файер и Мелло ввели смысловую и антисмысловую РНК одновременно, они заметили, что черви стали совершать странные резкие движения. Такое поведение ученые до того наблюдали у червей, полностью лишенных гена, который кодирует мышечный белок. Что же произошло?
Смысловые и антисмысловые молекулы РНК встретились. Они связались друг с другом (так как были комплементарны) и образовали двухцепочечную РНК. Может ли быть так, что молекула двухцепочечной РНК подавила активность гена, содержавшего тот же код, что и эта самая РНК? Файер и Мелло подтвердили эту гипотезу, введя молекулы двухцепочечной РНК, кодирующие нескольких других белков червя. В каждом эксперименте инъекция двухцепочечной РНК приводила к замалчиванию гена, содержавшего именно соответствующий введенной РНК код в одноцепочечной РНК. Белок, кодируемый этим геном, больше не синтезировался.
Такое замалчивание гена с помощью молекулы РНК и называется РНК-интерференцией, а РНК называется интерферирующей.
После серии экспериментов Файер и Мелло пришли к двум выводам. Первый: двухцепочечная РНК может заглушать гены, код которых соответствует коду молекулы введенной РНК. Второй: интерферирующие РНК могут передаваться от клетки к клетке и даже наследоваться. При этом для значительного подавления гена требовалось крошечное количество соответствующей ему интерферирующей РНК.
Файер и Мелло опубликовали результаты своего исследования в журнале Nature в 1998 году. Их открытие прояснило многие запутанные и противоречивые экспериментальные наблюдения и объяснило естественный механизм контроля над потоком генетической информации. Так в генетике появилась новая область исследований.
В последующие годы были установлены все компоненты механизма РНК-интерференции. Двухцепочечная РНК связывается с белковым комплексом Dicer (от англ. dice нарезать), расщепляющим ее на фрагменты. Другой белковый комплекс, RISC (RNA-induced silencing complex РНК-индуцируемый замалчивающий комплекс), связывает эти фрагменты. Одна из нитей РНК удаляется, но другая остается связанной с комплексом RISC и служит в качестве зонда для обнаружения молекул матричной РНК (мРНК). Когда молекула мРНК комплементарно связывается с фрагментом РНК на белковом комплексе RISC, он распознает ее и расщепляет, после чего мРНК деградирует, то есть распадается на малые фрагменты. Белок, кодируемый этой мРНК, не экспрессируется ген замалчивается!
Оказалось, что РНК-интерференция заглушает гены не просто так! Это делается для защиты клетки от вирусов, особенно у низших организмов. Генетический код многих вирусов записан именно на двухцепочечную РНК. Когда такой вирус заражает клетку, он вводит в нее свою молекулу РНК, которая немедленно связывается с Dicer. Комплекс RISC активируется, вирусная РНК деградирует, и клетка выживает. В дополнение к этому способу защиты высокоразвитые организмы (такие, как человек) разработали эффективную иммунную защиту, включающую антитела, клетки-киллеры и интерфероны.
Но самое удивительно, что иногда РНК-интерференция защищает организм не только от вирусов, но и от самого себя! Точнее, от его же собственных генов. Так называемые транспозоны представляют собой последовательности ДНК, которые могут перемещаться в геноме. И если они попадут в неправильное место, то могут нанести организму серьезный ущерб. Многие транспозоны работают путем копирования собственной ДНК в РНК, которая затем обратно транскрибируется в ДНК и встраивается на новое место в геноме. Часть этой молекулы РНК, как правило, бывает двухцепочечной и при необходимости может быть узнана механизмом РНК-интерференции. Таким образом, интерферирующие РНК защищают геном от транспозонов, то есть от части его самого.
Но самое удивительно, что иногда РНК-интерференция защищает организм не только от вирусов, но и от самого себя! Точнее, от его же собственных генов. Так называемые транспозоны представляют собой последовательности ДНК, которые могут перемещаться в геноме. И если они попадут в неправильное место, то могут нанести организму серьезный ущерб. Многие транспозоны работают путем копирования собственной ДНК в РНК, которая затем обратно транскрибируется в ДНК и встраивается на новое место в геноме. Часть этой молекулы РНК, как правило, бывает двухцепочечной и при необходимости может быть узнана механизмом РНК-интерференции. Таким образом, интерферирующие РНК защищают геном от транспозонов, то есть от части его самого.
Сотни генов в нашем геноме кодируют небольшие молекулы РНК, называемые микроРНК. Они содержат фрагменты кода других генов. Такая микроРНК может образовывать двухцепочечную структуру и активировать механизмы интерференции РНК для блокирования синтеза соответствующего белка. Теперь мы понимаем, что генетическая регуляция микроРНК играет важную роль в развитии организма, для здоровья которого крайне важно, чтобы в нужное время синтезировались нужные белки.