Редактирование РНК — это один из посттранскрипционных механизмов изменения химической структуры нуклеотидов. Сразу отметим, что здесь мы будем говорить о редактировании РНК как о естественном явлении, которое не следует путать с вмешательством человека в последовательность нуклеиновых кислот, например, с использованием бактериальных систем CRISPR/Cas. Наиболее распространенным видом такого природного редактирования является замена аденина на инозин, опосредованная ферментами семейства РНК-зависимых аденозиндезаминаз (ADAR). Процесс называется редактированием, потому что такие изменения во многих случаях ведут к изменению информационного содержания РНК.
У человека известно три гена ADAR, продукты двух из которых (ген adar/белок ADAR1, ген adarb1/белок ADAR2) обладают ферментативной активностью в отношении РНК, а третий (adarb2/ADAR3) — ингибирует такую активность [1]. Активные ферменты ADAR обладают способностью дезаминировать остатки аденозина в РНК, предпочтительно, в двухцепочечных участках. Свойства отредактированной таким образом молекулы РНК меняются. Если реакция происходит в кодирующей части мРНК, то может перекодироваться белок, поскольку инозин воспринимается в рибосоме как гуанозин [2].
Неизвестный до 1987 г. процесс редактирования РНК аденозиндезаминазами, как было показано в последние годы, широко распространен в геноме большинства животных, и с ним ассоциировано несколько функций. Так, у некоторых первичноротых, в частности, у головоногих моллюсков, процесс перекодирования генома и протеома выражен в большей степени, чем у беспозвоночных, и, как предполагают, обеспечивает их молекулярную пластичность при изменении условий окружающей среды и, вместе с тем, эволюционный консерватизм [3].

Известен процесс редактирования РНК описанного типа и у млекопитающих. Недавно проведенная большая работа, в которой в масштабах транскриптомов исчерпывающе исследовали этот процесс, показала существование более 20 000 сайтов редактирования в транскриптомах человека и мыши. Из них более 2000 у человека кодировали аминокислотные замены [1]. Разнообразие редактированных участков в транскриптоме получило название «эдитом РНК» по аналогии с другими молекулярными «омами».
Функция редактирования РНК такого типа до недавнего времени оставалась неясной. Однако с помощью нокаутов соответствующих генов, которые имели выраженное действие на здоровье грызунов, включая летальность, показано, что активность ADAR1 связана преимущественно с иммунитетом, а ADAR2 регулирует передачу сигнала и возбудимость в центральной нервной системе [4]. ADAR редактируют очень разнообразные субстраты, которые роднит только наличие двухцепочечной РНК. Это матричные, короткие и длинные некодирующие РНК, а также вирусные РНК. Масштаб явления осознан лишь в последнее время, и в связи с его сложностью знания о функциях такого редактирования в разных объектах накапливаются медленно.
Столкнувшись с феноменом естественного редактирования РНК на уровне протеома человека и экспериментальных животных, мы хотим познакомить читателей с этим явлением, поскольку оно может вносить вклад в развитие противовирусных иммунных реакций, участвовать в развитии болезней нервной системы, а также злокачественных опухолей.

Редактирование РНК в центральной нервной системе

Редактирование РНК особенно активно в центральной нервной системе (ЦНС). Оно ассоциировано преимущественно с работой фермента ADAR2 [1]. Известно, что на белковом уровне такое редактирование вносит точечные замены в последовательность потенциалуправляемых ионных каналов и рецепторов, связанных с G-белками. К хорошо изученным явлениям редактирования можно отнести внесение замены в глутаматные рецепторы групп GluK и GluA. Так, в норме при развитии нервной системы редактирование приводит к замене глутамина на аргинин в одной из субъединиц глутаматных рецепторов. Изменение одной аминокислоты на другую способствует избирательной блокаде входа кальция в клетку через канал. Дефектная субъединица, не подвергшаяся редактированию, пропускает ионы кальция. Нейроны с такой субъединицей подвержены «физиологической» эксайтотоксичности из-за повышения глутамата в синапсе. Как известно, такое явление может приводить к гибели нейронов и являться важным фактором развития некоторых нейродегенеративных расстройств, в частности, распространения спинальной нейродегенерации при боковом амиотрофическом склерозе [5]. Мутации в adarb1 приводят к эпилепсии и заболеваниям, связанным с дефектами нейронной пластичности, такими как аутизм и синдром Мартина–Белл [4]. Нокаут гена adarb1, кодирующего ADAR2, служит причиной возникновения у мышей неотредактированных глутаматных рецепторов и вызывает повышенное возбуждение в головном мозге в виде судорожных припадков, во взрослом возрасте несовместимых с жизнью.

Редактирование РНК и противовирусный иммунитет

Накоплены разрозненные сведения о том, что активность ADAR1, в отличие от ADAR2, тем или иным образом связана с иммунитетом, в том числе с ответом на заражение РНК-содержащими вирусами. Показано, что данный фермент может играть роль в механизмах защиты организма против вирусной инфекции и воспаления. Так, ADAR1 редактирует РНК вируса гепатита С, препятствуя его репликации [6]. Кроме того, эта аденозиндезаминаза редактирует в большей степени вирус гриппа по сравнению с вирусом кори, и, с одной стороны, делает его нефункциональным, с другой стороны, может способствовать его мутагенезу и уклонению от иммунитета [7].
Интерферон 1-го типа, как известно, индуцирует ADAR1 в виде повышенного синтеза его длинного сплайс-варианта p150, но такая активность препятствует образованию стрессовых гранул против коревого вируса. Таким образом, в целом, считается, что этот фермент препятствует ответу клеток на вирус кори [8].
Миссенс-мутации, приводящие к аминокислотным заменам в ADAR1, уменьшают активность редактирования РНК и вызывают синдром Айкарди–Гутьерес, представляющий собой прогрессирующую энцефало- и интерферонопатию, которые имитируют вирусную инфекцию [9], что свидетельствует о вовлеченности ADAR1 в иммунный ответ.

Редактирование РНК при злокачественных опухолях

Недавние исследования, проведенные в ходе проекта The Cancer Genome Atlas (TCGA), способствовали систематизации данных и геномов, и транскриптомов многих типов опухолей [10]. С использованием результатов секвенирования этих и других данных были получены библиотеки событий редактирования. Было выявлено множество таких событий в образцах опухолей по сравнению с соответствующими нормальными тканями. Для большинства опухолевых тканей, например, при раке головы и шеи, молочной железы и щитовидной железы, был характерен повышенный уровень редактирования, что в значительной степени связано с избыточной экспрессией ADAR1 в опухолях [11].
Случаи редактирования РНК в клетках головного мозга учащаются с возрастом, но их количество может уменьшаться при глиобластоме [12]. События редактирования РНК могут способствовать опухолевой прогрессии подобно драйверным соматическим мутациям. Например, в экспериментах как in vitro, так и in vivo получены сведения о белке, играющем важную роль в клеточном росте и пролиферации благодаря поддержанию гомеостаза полиаминов в клетке. Изменение ингибитора антизима 1 (AZIN1) ферментом ADAR1 превращает серин в глицин в 367 положении. Отредактированный продукт имеет большее сродство к антизиму и индуцирует транслокацию AZIN1 из цитоплазмы в ядро, что приводит к более агрессивному поведению опухолей [13]. Таким образом, отредактированный белок может представлять потенциальную терапевтическую мишень.
Некоторые события редактирования могут выступать в качестве предиктивных маркеров и влиять на ответ при раковой терапии. Например, замена аргинина на глицин в 764 положении белка глутаматного рецептора GRIA2 и изолейцина на валин в 635 положении белка COG3, ответственном за связывание и транспорт везикул между аппаратом Гольджи и эндоплазматическим ретикулумом, повышает чувствительность к ингибиторам киназы митоген-активируемой протеинкиназы (mitogen-activated protein kinase kinase, или MAPKK) [14].

Онкосупрессорные свойства ADAR2 вызывают особый интерес при исследовании глиобластом. ADAR2- опосредованное редактирование фосфатазы CDC14B, ответственной за повреждение ДНК, может изменять клеточный цикл, в который вовлечены белки Skp2 / p21 / p27, и ингибировать рост глиобластомы [12].
Несмотря на накопленные к настоящему времени знания о ферментах ADAR и их участии в редактировании РНК, значение этого процесса на настоящий момент не во всех случаях определено. В основном, неясно, какие из событий редактирования управляют судьбой транскриптов, какие обеспечивают функциональную пластичность протеома, а какие представляют собой молекулярный шум. Известно, что ADAR действует на очень разнообразные субстраты, которых роднит только наличие двухцепочечной РНК: матричные, короткие и длинные некодирующие РНК, а также вирусные РНК. Масштаб этого явления начинают осознавать лишь в последнее время, с введением полногеномных исследований модификаций РНК [1], результаты которых требуют дальнейшего подтверждения на фунциональном уровне.

Таким образом, к настоящему времени известно, что активность ADAR1 связана с противовирусным ответом и управлением реакцией клеток на интерфероны 1-го типа. Имеется общее мнение, что эта активность оказывает провирусное воздействие, а в случае отсутствия вирусов подавляет нежелательный клеточный иммунитет (например, мутации в гене adar вызывают синдром Айкарди– Гутьерес, сопровождающийся детским энцефалитом и интерферонопатией). Активность ADAR2, по некоторым данным, связана с регуляцией работы ЦНС, например, в виде возбуждающих стимулов активности (рисунок).
В литературных источниках также представлены примеры событий редактирования РНК, которые могут играть решающую роль в развитии рака. Вероятно, в некоторой степени активность ADAR1 оказывает онкогенное действие. Отредактированный с помощью этого фермента белок AZIN1 представляет возможную терапевтическую мишень. Белок COG3 в отредактированной форме может выступать в качестве предиктивного маркера и влиять на ответ при раковой терапии [15]. Редактирование мРНК таких белков, как CDC14B, PODXL, GABRA3 и IGFBP7 ферментом ADAR2, вероятно, обладает онкосупрессорными свойствами [4].

ВЫВОДЫ

Из описанных выше примеров следует, что эволюционно древний механизм редактирования РНК ферментами ADAR отвечает за разные, пока не до конца изученные функции в процессе эмбрионального развития, особенно в центральной нервной системе. Меняется уровень редактирования многих транскриптов и в патологии, например, при нейродегенеративных заболеваниях и злокачественных опухолях. Требуются дальнейшие исследования механизмов воздействия редактирования РНК на процессы в клетках и тканях. Нужно отличить действительно значимые события такого редактирования от молекулярного шума. По мере накопления знаний необходимо выяснить, можно ли ферменты ADAR и продукты их реакции рассматривать в качестве прогностических и предиктивных биомаркеров, а также молекулярных мишеней для терапевтического воздействия.