назад

Аналоги двух искусственных миров: живого и изобретенного

Введение

Для эукариотических геномов характерно наличие большого количества интронов, микро- и минисателлитов, диспергированных элементов, "реликтовых ретровирусов" и прочих нуклеотидных последовательностей, суммарная длина которых более чем на порядок превосходит длину генных экзонов, определяющих первичную структуру белков. Обычно считают, что избыточная ДНК является реликтом эволюции и только засоряет клеточное ядро. В лучшем случае ей отводится роль радиопротектора, защищающего гены от повреждений /1/.

Такие объяснения достаточно правдоподобны, но недостаточно убедительны. Трудно убедить себя в том, что наш геном является мусорным ящиком, набитым эволюционными отбросами или даже вредными для организма эгоистичными нуклеотидными последовательностями. Возможная радиопротекторная роль этого мусора служит неким утешением.

Особенно контрастно избыточность генома человека проявилась после завершения его секвенирования. Выяснилось, что в гаплоидном наборе хромосом содержится всего около 30 тысяч генов, и на каждый ген приходится примерно 100 тысяч нуклеотидов. Это значит, что в кодировании белков принимает участие менее 2% хромосомной ДНК.

Парадоксальность избыточности генома и непостижимость молекулярных основ человеческого разума являются самыми интригующими загадками современной биологии. А что, если эти две загадки имеют общую разгадку?

Коммуникационные аналогии

При передаче кода, будь то генетический код или код телевизионной передачи, в зашумленной среде (будь то помехи электромагнитного поля, либо встраивание мобильных фрагментов ДНК вирусов), приходится применять средства, предотвращающие его изменение. Последнему надлежит не только достигнуть пункта назначения, но иногда даже дать основу жизни новому организму.
    Существуют различные алгоритмы проверки и восстановления ошибок искаженного кода, например, использование ECC (error correction code), коды Хэмминга, циклические коды. Все они требуют избыточности кода, "подгруженного" контрольными последовательностями. Но существуют также и методы преобразования самого сигнала, дающие форму сигнала, устойчивую к шуму.

Ниже будет объяснен метод расширенного спектра, применяемый в кабельном телевидении. Существует два вида расширенного спектра: прыжки по частоте (frequency hopping) и прямая последовательность (direct sequence). Для прыжков по частоте весь отведенный диапазон делится на множество узких полос, на каждой из них передача ведется весьма короткое время, а затем "прыгает" на другую.

Прыжки совершаются в заранее определенной последовательности. Прыжки по частотам дают устойчивость к шуму по той же причине, что и сужение каналов: они либо избегают шумных участков полосы, либо задерживаются на них столь короткое время, что коды с исправлением ошибок (репарация ДНК) могут преодолеть помехи.

В отличие от прыжков по частоте, прямая последовательность позволяет передаваемым сигналам использовать всю отведенную полосу одновременно. Чем больше величина отношения величины канала к скорости передачи данных, тем более устойчивой к шуму будет передача по методу прямой последовательности расширенного спектра. Кому не понятно?

   - Объясним. Существует любопытное действие, которое реализуется обычно на двух регистрах и сумматоре. В биологии это могут делать цепочки белков. Приведен пример для двоичной сс-мы счисления в ЭВМ. Для четвертичной сс-мы оснований Аденин, Гуанин, Цитозин, Тимин в биологии, конечно, методы свои. Итак, операция "исключающее ИЛИ" или, по-англицки, XOR. Действие "Искл. ИЛИ" интересно тем, что если произвести его дважды, вы получите снова исходное число. Например, если я вычислю:

11001010 XOR 11111111,

00110101 XOR 11111111,

я снова получу 11001010. Теперь предположим, что я беру два цифровых сигнала: один действительно представляет собой поток данных, а другой - значительно более быстрый поток случайных чисел. Если я выполню операцию "XOR" над двумя потоками, я получу кучу мусора. Однако я могу избавиться от него и восстановить поток данных, если повторю операцию XOR, используя ту же последовательность случайных чисел.

Именно это делает прямая последовательность расширенного спектра. Она комбинирует данные с быстрой последовательностью случайных чисел в модуляторе и извлекает их из набора случайных чисел в демодуляторе. Конечно, если вы сделаете выводы, подобные тем, которые сделал я, когда кто-то объяснил мне эту идею, то непременно подумаете: "Ну и что?" (или что-то похуже).

В передатчике после смешивания данных со случайными числами расширяется спектр передаваемой смеси. Теперь представьте, что происходит в приемнике. Я вновь смешиваю случайные числа с полученным сигналом, в результате чего, во-первых, широкополосный спектр моего настоящего сигнала вновь сужается (это необходимо для истинной (более низкой) скорости передачи данных); во-вторых, смесь случайных чисел размазывает любой сигнал помехи, который случайно поймал мой приемник. Если сигнал не содержит определенной последовательности случайных чисел, (а он не содержит), процесс смешивания в приемнике происходит так же, как и размазывание данных в передатчике (в точности, но наоборот). Мощность сигнала с данными вновь собралась в узкий диапазон, а мощность помех размазалась по широкому диапазону. Нужная мощность увеличивается, а мощность помех уменьшается.

Из этого следует, что многие пользователи (последовательности нуклеотидов, кодирующие белки для клеток разной специализации) могут одновременно говорить по одному каналу (ДНК). Ваш передатчик и приемное устройство используют не такие последовательности случайных чисел, как мои. Так как у меня другая последовательность, мой приемник не сжимает вашу передачу, она остается размазанной и, таким образом, представляет собой маломощный шум. Я вас не слышу.

Компьютерные аналогии

Попытки понять принципы работы человеческого мозга, как правило, основываются на поиске аналогий между строением центральной нервной системы и устройством компъютера. Нервам при этом отводится роль проводников электрических импульсов, а клетки головного мозга приравниваются к ячейкам хранения и обработки цифровой информации. Но в основе способности мозга воспринимать и перерабатывать информацию могут лежать и иные принципы. Например, уже почти забыты аналоговые компъютеры, позволявшие моделировать некоторые технологические и даже биологические процессы с помощью напряжений и токов на базе сопротивлений, конденсаторов, транзисторов и прочих элементов электрических схем. А ведь вычисления, исчисление предикатов математической и формальной логики, запросто могут быть смоделированы токами: калиевым каналом, (А-ток), хлорным током (ICl), внутринейронным Ca2+ током, и проч.

Память

Трудно представить себе, что память человека реализуется на постоянно текущих процессах обмена разнополярными частицами. Во всяком случае, для реализации долговременной памяти меж_нейронными токами и напряжениями будет необходима их постоянная регенерация, а это энергетически не выгодно. Даже если вспомнить аналоговую технику, то главным ее недостатком всегда было отсуствие памяти для хранения промежуточных результатов. Если долговременная память действительно основана на молекулярных элементах, то она гораздо проще ассоциируется с ДНК и РНК. Именно нуклеиновые кислоты наделены высокой стабильностью, способны специфически взаимодействовать между собой, реплицироваться, транскрибироваться, приобретать сложную вторичную и третичную структуру, изменять конформацию, фрагментироваться и даже редактироваться.

Методика создания индексных записей для ускорения поиска в нейронной сети: В ставших уже классическими работах Д. Кнута, Н. Вирта, У. Ахо и других авторов приводится ряд алгоритмов, позволяющих проводить эффективный поиск в текстовых документах. Наиболее известны из них алгоритмы Бойера-Мура (Boyer-Moore) и Кнута-Морриса-Пратта (Knuth-Morris-Pratt). При сравнительно малых затратах на предварительную обработку текста, эти алгоритмы обеспечивают достаточно высокую скорость поиска. Однако их применение при работе в Сети чрезвычайно осложняется необходимостью просматривать в поисках образца множество текстов, число которых может достигать сотен миллионов. При этом затраты времени возрастают линейно с ростом количества обрабатываемых документов.

Условия для взаимодействия информационных молекул имеются только в клеточном ядре. В нем сосредоточена вся хромосомная ДНК и значительная часть РНК. Это означает, что именно ядро способно служить архивом данных.

Если подобное предположение справедливо, то многоклеточный эукариотический организм следует считать мультипроцессорным устройством, состоящим из множества автономных ядерных биопроцессоров. Информация от ядра к цитоплазме передаётся в форме мРНК, кодирующей белки, a для межклеточного обмена информацией используются рецепторы, например: ацетилхолиновые, гормонов, иммуноглобулиновые, адреналина и проч. Сии последние извещают ядро клетки о внеклеточных событиях цепными реакциями сигнальных путей, приводя в действие своеобразные "обработчики событий" ядра - программы, предусматривающие "все случаи жизни".

Молекулярный биокомпьютер

Идея использования нуклеиновых кислот в качестве молекулярных элементов вычислительных устройств не нова /4, 5/. Существует даже теория волнового генома, приписывающая ДНК способность воспринимать, обрабатывать и излучать информацию в виде модулированного электромагнитного излучения /6/. К сожалению, подобные идеи и теории не позволяют понять сущность элементарных логических операций. Кроме того, эти операции могут оказаться совсем не элементарными, так как алгоритмы работы простейшего квантового компьютера с большим трудом воспринимаются немногими специалистами, а алгоритмы работы молекулярного биокомпьютера могут оказаться на несколько порядков сложнее.

Структуральная лингвистика

Последовательности нуклеотидов, обеспечивающие информационные функции, должны подчиняться каким-то грамматическим правилам. По-видимому, существуют и правила орфографии, определяемые закономерностями формирования вторичной и третичной структуры нуклеиновых кислот, а также соотношением структуры молекул с их информационными свойствами. Изучение подобных правил может стать основной задачей структуральной лингвистики /7/.

В эукариотических геномах содержится до 50 % сателлитной ДНК, состоящей из блоков тандемно повторяющихся нуклеотидных последовательностей. Различают микросателлитную (до 4 п.о. в повторе) и минисателлитную (более 4 п.о.) ДНК. Блоки комплементарных нуклеотидных повторов могут взаимодействовать между собой и участвовать в межмолекулярных взаимодействиях, необходимых для биопроцессорной обработки информации, и/или в регуляции экспрессии генов /8/.

К другому типу повторов относятся последовательности, подразделяемые на SINE (короткие) и LINE (длинные) диспергированные элементы. Длина SINE-элементов находится в пределах 400 п.о., а у LINE- элементов достигает 7 000 п.о. В геноме человека содержится около 1 млн. Alu-повторов, относящихся к SINE-элементам, и более 100 тысяч длинных MaLR-повторов /1/.

Общими чертами диспергированных элементов являются их транскрибируемость и способность к транспозиции. Эти особенности могут определяться участием таких нуклеиновых кислот в работе ядерного биопроцессора. Транскрибируемость, например, может быть связана с необходимостью перевода двунитевой ДНК в однонитевую РНК, способную к межмолекулярным взаимодействиям. Транспозиция способна перемещать диспергированные элементы и изменять их взаиморасположение, приводя к функциональной адаптации структуры биопроцессорной ДНК.

Наиболее интересной особенностью структуры эукариотических генов является их мозаичная интрон-экзонная структура. Гены без интронных вставок являются у эукариот довольно редким исключением. Экзоны, как правило, кодируют транслируемые последовательности, но критерии выборки нуклеотидов для предоставление им статуса "экзон" известны только полимеразам и регуляторным последовательностям /9/.

Средняя длина экзонов составляет 137 п.о., тогда как длина интронов может превышать 100 000 п.о. /1/. Считается, что в результате сплайсинга интроны удаляются из мРНК, но в большинстве случаев правильнее рассматривать этот процесс как контролируемое удаление экзонов из мозаичной молекулы, основная часть которой представлена интронами.

После сплайсинга мРНК переходит в цитоплазму, а многочисленные петлевидные молекулы интронной РНК остаются в ядре. Подобные молекулы способны нести информацию о количестве и характере РНК, поступившей в цитоплазму, и/или непосредственно регулировать созревание пре-мРНК через сложную сеть специфических межмолекулярных взаимодействий. Нельзя исключить и вероятность существования глобальной мультимолекулярной многофункциональной биопроцессорной сети, в которой интроны функционируют в качестве регуляторов экспрессии генов, причём подобная регуляция осуществляется как через сплайсинг, так и через многочисленные энхансеры (усилители) и сайленсеры (ингибиторы) транскрипции.

Синтезируемая в ядре РНК объединяется в гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые комплексы (гяРНП), ассоциированные с компонентами аппарата сплайсинга и ядерным матриксом. Для комплексов гяРНП характерно диффузное распределение в цитоплазме, но часть из них может концентрироваться в окрестностях спеклов (см. далее) и даже перемещаться в цитоплазму и снова возвращаться в ядро.

Факты указывают на то, что перемещение РНК от гена к ядерной мембране не является следствием простой диффузии. Расположение генов в соответствии с моделью ядерной фиксации (gene gating model) функционально связано с определёнными участками (и порами) ядерной мембраны /1/.

Архитектоника ядра

Ядро окружено сложной оболочкой, к внутренней стороне которой прилегает электронно-плотный слой ядерной ламины. Пронизанная белковым скэффолдом (скелетом или ядерным матриксом) нуклеоплазма содержит хроматин - упорядоченные структуры, содержащие ДНК, а также гистоны и негистоновые белки.

В зависимости от степени компактизации ДНК различают эухроматин, в котором экспрессируется основная часть генов, и гетерохроматин, обладающий пониженной транскрипционной активностью. Гетерохроматин, в свою очередь, подразделяется на конститутивный, который часто состоит из повторяющихся последовательностей ДНК, и факультативный, формирующийся на определённых стадиях жизненного цикла организма и обычно присутствующий лишь в одной хромосоме из пары гомологов. Структурно отличающиеся участки хроматина могут быть фланкированы инсуляторами пограничными последовательностями нуклеотидов, принимающими участие в активации транскрипции генов.

У эукариот выделяют три уровня структурной организации хроматина: 1) нуклеосомная фибрилла; 2) соленоид (нуклеомер); 3) петельно-доменная структура, включающая хромомеры /1/. Хромомеры формируются в результате специфического взаимодействия ядерного матрикса с MAR/SAR-последовательностями ДНК (Matrix Associated Region / Scaffold Associated Region) /8/. Топологические домены, выделяемые MAR/SAR- последовательностями, могут изменяться в процессе индивидуального развития организма, что сопровождается изменением характера экспрессии больших блоков генов в дифференцирующихся клетках. Кроме того, эти последовательности участвуют в формировании оси хроматиды, образующей вместе с петлями хроматина тело метафазной хромосомы /1/.

Распределение участков гетеро- и эухроматина в интерфазных хромосомах упорядочено и, по-видимому, может служить видовым признаком. Теломерные участки хромосом находятся вблизи оболочки, тогда как активно экспрессирующиеся гены локализуются преимущественно во внутренних частях интерфазных ядер. Показано, что отдельные хромосомы в ядре не смешиваются и занимают дискретные зоны, на периферии которых находятся компоненты аппарата сплайсинга и треки синтезируемой РНК /1/.

Наиболее крупным нехромосомным компартментом ядра является ядрышко нуклеопротеиновый комплекс, в котором различают три основные высокоупорядоченные зоны: фибриллярный центр, окружающую его фибриллярную зону и внешнюю гранулярную область. Считается, что наблюдаемые изменения структуры ядрышка определяются его функцией внутриядерного микрокомпартмента биогенеза рибосом. В последнее время появились данные, указывающие на участие ядрышка в регуляции клеточного цикла /1/.

Морфологически в нуклеоплазме различают клубки переплетённых нитей, которые часто ассоциированы с периферией ядрышка (свёрнутые тельца), плотные фибриллярные кольца (ядерные тельца PML, ядерные домены WT1 и тельца Барра (компактный гетерохроматин неактивной X-хромосомы). На границах доменов конденсированного хроматина располагаются перихроматиновые фибриллы - рибонуклеопротеиновые комплексы диаметром 3+20 нм. Здесь же обнаруживают компоненты аппарата сплайсинга, удаляющего интроны из предшественников мРНК. Кроме того, синтез РНК тесно ассоциирован с дискретными межхроматиновыми гранулами, называемыми спеклами, причём каждое ядро содержит от 20 до 50 спеклов /1/.

В последние годы обнаружено несколько механизмов редактирования РНК на посттранскрипционном уровне. Показано, например, что у митохондрий слизневиков во множественные участки РНК встраиваются остатки цитозина. В митохондриях трипаносом в редактировании РНК, вероятно, принимают участие сложные нуклеопротеидные комплексы эдитосомы /1/.

В митохондриальных и ядерных транскриптах позвоночных животных при полиаденилировании мРНК появляются бессмысленные кодоны, приводящие к преждевременной терминации трансляции и к синтезу новых полипептидных цепей. В митохондриях высших растений в результате ферментативного дезаминирования некоторые остатки C заменяются на U. Подобный механизм редактирования мРНК обнаружен и в хлоропластах /1/.

Изучение посттранскрипционного редактирования мРНК ещё только начинается, но вполне вероятно, что подобный феномен, встречающийся и у прокариотических микроорганизмов, для эукариот является правилом, а не исключением. Гораздо более проблематичным является вопрос о наличии у эукариот молекулярных механизмов коррекции геномной ДНК.

Один из уже известных механизмов целенаправленной адаптации эукариотических клеток является диминуция хроматина, т.е. запрограммированная потеря значительной части хромосомной ДНК при формировании некоторых многоклеточных организмов /14/. Рекорд по доле элиминируемого генома пока принадлежит циклопу Cyclops kolensis. В ядрах соматических клеток этого циклопа сохраняется всего лишь 6% генома стволовых клеток /15/. Менее выраженные генетические перестройки и делеции участков хромосом соматических клеток являются скорее правилом, чем исключением. Главной особенностью подобных генетических модификаций является их строгая генетическая детерминированность.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Патрушев Л.И. Экспрессия генов. - М.,"Наука", 2000 г. 527 с.
  2. Валиев К.А., Кокин Ф.Ф. Из итогов века: От кванта к квантовым компьютерам // http://aakokin.chat.ru/xx.htm
  3. Валиев К.А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография // Вестник РАН. 2000 г. Т. 70, 8. с. 688-685.
  4. Гаряев П.П., Македонский С.Н., Леонова Е.А. Биокомпьютер на генетических молекулах как реальность // Информационные технологии. 1997 г. - 5.
  5. Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 1997 г. - 5.
  6. Гаряев П.П. Волновой генетический код. - М., 2000 г.
  7. Стругацкий А.Н., Стругацкий Б.Н. Попытка к бегству // В сб.: Избранное. М., Московский рабочий , 1989 г. с. 289-379.
  8. Davidson E.H., Britten R.J. Regulation of gene expression: possible role of repetitive sequvences // Sience. 1979. Vol.204. P.1052-1059.
  9. Глазков М.В. Петельно-доменная организация генов в эукариотических хромосомах // Молекул. биология. - 1995. - Т.29. с. 965-982.
  10. Miller J.H. Spontaneous mutators in bacteria: insight into pathways of mutagenesis and repair // Annu. Rev. Microbiol. 1996. Vol.50. - P.625-643.
  11. Льюин Б. Гены / Пер. с англ. - М., Мир . 1987. 544 с. (с.295-296).
  12. Любищев А.А. Проблемы формы систематики эволюции организмов.
  13. Берг Л.С. Номогенез, или эволюция на основе закономерностей // В сб.: Берг Л.С. Труды по теории эволюции. 1977. Л., Наука . С.95-311.
  14. Акифьев А.П. Диминуция хроматина феномен, предназначенный для исследования ряда ключевых вопросов генетики: http://www.bionet.nsc.ru
  15. Гришанин А.К., Худолий Г.А., Шайхаев Г.О. и др. Генетика. 1996. Т. 32. С. 492.
Пишіть нам! E-mail: ksono@ksono.org     Schreiben Sie uns!
s
olti.com.ua - Лучшие решения дизайна Genoterra.ru - Все о Генетике вітчизняний web-хостінг This page written in the vi editor