БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 4, с. 461 - 471
УДК 577.2
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ САМОСОБИРАЮЩИХСЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Обзор
© 2015 М.Н. Рудченко1, А.А. Замятнин (мл.)23*
1 Research Division, Hospital for Special Surgery, 535E 70th Street, USA, 10021 New York;fax: +212(774)70-99, E-mail: rudchenkom@hss.edu
2 Первый Московский государственный медицинский университет
им. И.М. Сеченова Минздрава России, НИИ молекулярной медицины, 119991 Москва; факс: +7(495)622-9632, электронная почта: zamyat@genebee.msu.ru
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва
Поступила в редакцию 03.12.2014
Центральная догма молекулярной биологии определяет нуклеиновым кислотам ключевые функции хранения и реализации генетической информации в любой живой клетке. Однако особенности нуклеиновых кислот не ограничиваются лишь только свойствами, обеспечивающими процессы матричных биосинтезов. Исследования ДНК и РНК выявили уникальные особенности этих полимеров, способных, используя в том числе принципы комплементарности, образовывать разнообразные пространственные структуры. В данном обзоре рассматриваются различные самособирающиеся структуры на основе нуклеиновых кислот, применение ДНК и РНК при создании наноматериалов, молекулярных автоматов и наноустройств. Можно ожидать, что результаты этих разработок в скором будущем станут основой при создании новых диагностических систем и лекарственных средств нового поколения.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ДНК, РНК, комплементарность, аптамеры, рибозим, дезоксирибозим, молекулярные вычисления, молекулярный автомат.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) являются обязательными компонентами всех живых клеток. В соответствии с центральной догмой молекулярной биологии, основной функцией ДНК является хранение генетической информации, в то время как основной функцией РНК является ее реализация [1]. Являясь носителями генетической информации, ДНК и/или РНК также входят в состав всех вирусов и мобильных генетических элементов.
Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров (дезоксирибонуклеотидов или рибонуклео-тидов), соединенных друг с другом фосфоди-
Принятые сокращения: ДНК — дезоксирибонукле-иновая кислота; РНК — рибонуклеиновая кислота; тРНК — транспортная РНК; РНКазы — рибонуклеазы; ВИЧ — вирус иммунодефицита человека; c-Met — рецептор фактора роста гепатоцитов; SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) — систематическая эволюция ли-гандов экспоненциальным обогащением; CD (cluster of differentiation) — кластер дифференцировки.
* Адресат для корреспонденции.
эфирными связями. Структурные различия де-зоксирибонуклеотидов и рибонуклеотидов, соответственно, определяют различия в структурах и свойствах образуемых на их основе полимеров. Так, например, ДНК свойственна значительно более высокая температура плавления, чем РНК. Кроме того, ДНК является более химически стабильной молекулой. В то же время молекулы РНК способны образовывать большее разнообразие пространственных структур, чем ДНК [2, 3]. Открытие Ватсоном и Криком двойной спирали ДНК положило начало для дальнейших интенсивных исследований в области физико-химической биологии нуклеиновых кислот. Эти исследования выявили в том числе и то, что двуцепочечные РНК или хотя бы дву-цепочечные участки в молекулах РНК присутствуют почти у всех живых организмов. Кроме того, двуцепочечная РНК может образовываться в клетке в качестве продукта синтеза вирусной РНК. Образование в клетке двуцепочечных участков РНК индуцирует процессы РНК-ин-
терференции, которые являются одним из базовых защитных механизмов клетки от мобильных генетических элементов, приводящих к деградации РНК-мишени. Такой принцип широко используется эукариотическими клетками не только для защиты от вирусных патогенов, но и для обеспечения регуляции экспрессии собственных генов с помощью механизмов посттранскрипционного умолкания генов [4—5].
РНК у представителей всех царств живых организмов содержит относительно высокое количество неканонических оснований [6—7]. В соответствии с информацией, содержащейся в базе данных модификаций РНК (RNA Modification Database, RNAMDB), к настоящему моменту известно более чем 100 модифицированных оснований, встречающихся в природных РНК [7]. Образование неканонических оснований в молекулах РНК в результате посттранскрипционных модификаций, обладающих уникальными физико-химическими свойствами, дополнительно расширяет структурно-функциональные свойства этих полимеров [6, 8—9].
Исследования, посвященные структурно-функциональным свойствам обнаруженных в природе нуклеиновых кислот, в первую очередь, молекул РНК, включая и проявление ими энзи-матической активности, привело к появлению гипотезы, названной «мир РНК», предполагающей этап возникновения жизни на Земле, в ходе которого конгломераты молекул рибонуклеиновых кислот выполняли как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций [10—11].
Структурные особенности ДНК и РНК, в частности, способность нуклеотидов образовывать между собой водородные связи и формировать комплементарные комплексы, позволяют этим молекулам выполнять функции, отличные от хранения и реализации биологической информации. Особенно перспективным является использование нуклеиновых кислот в качестве наноматериалов и наноустройств в биотехнологии. Наноматериалы на основе нуклеиновых кислот представляют собой молекулы, способные собираться в высокомолекулярные комплексы, образуя устойчивые структуры. Данный обзор рассматривает различные самособирающиеся структуры на основе нуклеиновых кислот и их возможные практические применения.
АПТАМЕРЫ
Одно из перспективных прикладных направлений исследований нуклеиновых кислот — это применение молекул РНК и ДНК в качестве
аптамеров — молекул, способных специфично связываться с молекулой-мишенью, выполняя таким образом функции лигандов или рецепторов [12—14]. Термин аптамер происходит от латинского слова aptus, что означает «подходящий», и греческого слова йфоС, что означает «часть». Таким образом, аптамерами стали называть небольшие одноцепочечные молекулы ДНК или РНК, которые способны образовывать сложные трехмерные структуры. Такие пространственные структуры определяют основное свойство аптамеров — проявление высокоспецифичной избирательности при взаимодействии с молекулами-мишенями. Обычно перспективные кандидаты для аптамеров отбираются с помощью методики SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment), которая была предложена в 1990 г. сразу двумя независимыми группами исследователей [15—16]. Эта методика основана на экспоненциальном обогащении потенциальных лигандов из библиотеки случайных последовательностей синтетической РНК или ДНК. Для отбора оптимальной последовательности аптамера синтетическую смесь олиго-нуклеотидов (библиотеку) инкубируют совместно с интересуемой молекулярной мишенью. При этом олигонуклеотиды, не способные взаимодействовать с мишенью, отмываются, в то время как олигонуклеотиды, способные к специфичному взаимодействию — амплифициру-ются. Процедуру повторяют несколько раз, и, в результате, становится возможным получить смесь, содержащую небольшое количество оли-гонуклеотидов, обладающих высоким сродством к интересуемой мишени. После завершения обогащения библиотеки остается лишь определить нуклеотидные последовательности отобранных олигонуклеотидов и синтезировать их в количествах, необходимых для проведения функциональных тестов [17—18].
В силу своей природы аптамеры, в первую очередь, нашли свое применение в исследованиях взаимодействий белков с нуклеиновыми кислотами [19]. Кроме того, к настоящему времени созданы аптамеры, способные специфично распознавать патогенные для человека бактерии и одноклеточные организмы (Salmonella enteritidis и Trypanosoma cruzi). Такие аптамеры могут быть использованы в качестве сенсоров, с помощью которых можно выявлять чрезвычайно низкие концентрации патогенных клеток [20—21]. На основе ДНК создан аптамер, связывающий и ингибирующий тромбин, который, таким образом, является перспективным кандидатом для создания нового поколения лекарственных препаратов, обладающих фармакологической активностью антикоагулянтов прямо-
го действия [22]. Были созданы аптамеры на основе ДНК, способные распознавать глюкозу [23]. Такие аптамеры могут найти широкое применение в диагностике и лечении сахарного диабета [24—25]. Созданы аптамеры, которые способны специфично связываться с определенными белками на клеточной поверхности [26—27]. Показано, что т.н. биспецифичные аптамеры на основе ДНК, которые способны, с одной стороны, связываться с рецептором СБ16а больших гранулярных цитотоксических лимфоцитов, а также обладающие сродством к с-Ме11, повышенная экспрессия гена которого часто выявляется во многих видах опухолевых клеток, способны стимулировать цитотоксический эффект [28].
В сравнении с иммуноглобулинами, аптаме-ры, как правило, являются более стабильными молекулами, а их небольшой размер обеспечивает лучшее проникновение в органы и ткани [29]. Обычно аптамеры обладают низкой токсичностью и иммуногенностью, что важно при создании новых лекарственных средств на их основе [29—30]. Таким образом, аптамеры являются перспективной основой для создания новых диагностических систем, лекарственных препаратов и сенсоров.
СТРУКТУРЫ И МАТЕРИАЛЫ
Методика 8БЬБХ безусловно является мощным экспериментальным инструментом, позволяющим относительно быстро отобрать наиболее перспективные последовательности ДНК или РНК, обладающие необходимыми свойствами. В то же время интенсивное развитие методов биоинформатики и молекулярного моделирования привело к тому, что в настоящий момент появились возможности направленного теоретического расчета для предсказания последовательностей ДНК или РНК, обладающих заданными структурными и функциональными свойствами [31]. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, ДНК может применяться при создании достаточно сложных наноразмерных структур и даже наномашин. Используя
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.