Аналоги двох свiтiв: живого та вин айденого, 2003 р.

(Переклад з росiйської   Анни Па лагiної)

Вступ

Особливістю еукаріотичних геномів є наявність великої кількості інтронів мікро- т а мінісателітів, диспергованих елементів, ендогенних 'реліктових' ретровірусів та інших некодуючих нуклеотидних послідовностей, сумарна довжина яких більш ніж на порядок переважає довжину генних е кзонів, які кодують первинну структуру білків. Яку ж функцію може виконувати цей 'надлишок' ДНК' У вісімдесятих роках та на початку дев'яностих переважав погляд, що ця надлишкова ДНК є еволюцій ним реліктом, що тільки займає місце у клітинному ядрі і не має функцій, корисних для організму, в якому вона присутня. Виник навіть термін на позначення некодуючих послідовностей ' егоїстична ДНК . У кращому випадку їй приписували радіопротекторну роль ' захист кодуючих послідовностей від пошк оджень /1/. Згодом почали з'являтись роботи, в яких обгрунтовувалась роль 'егоїстичних' послідовно стей як регулятоних елементів, які можуть впливати на час та рівень експресії генів. Ці роботи ба зувались в основному на спостереженнях, що транспозиція певних типів мобільних елементів відбуваєт ься лише в строго визначений проміжок онтогенезу і лише в певні сайти геному, а порушення цих проц есів корелює з рядом хворобливих станів - таких як виникнення ракових пухлин та аутоімунних захво рювань. Все ж залишається незрозумілим, як саме ці процеси пов'язані з розвитком особини та чи дій сно їх порушення є причиною хвороб. Імовірно все ж, що зміна розподілу мобільних елементів у геном і є наслідком інших процесів, які привели до хвороби.

Отже, наявні пояснення ролі 'егоїстичної' ДНК є імовірними але не досить пере конливими. Погляд на геном як на місце скупчення еволюційного сміття або на утворення, що містить у собі бомбу з часовим механізмом ' потенційно шкідливі для організму мобільні елементи, є досить нелогічним. Радіопротекторні властивості такого 'сміття' ' cумнівна перевага.

Після секвенування геному людини надлишковість нашого генетичного матеріалу вияви лась ще більш разючою. Встановлено, що у гаплоїдному наборі хромосом міститься всього лише біля 30 тисяч генів, кожен з яких займає приблизно 100 тисяч нуклеотидів. Це означає, що кодуванням білкі в займається менш ніж 2% хромосомної ДНК. Невже ж ті дев'яносто вісім відсотків, що є некодуючими являють собою збіговисько паразитів на тлі геному'

Парадоксальність надлишковості геному поряд з молекулярними основами людського ро зуму є найцікавішими, найбільш інтригуючими загадками сучасної біології. А коли ці дві проблеми мають спільний розв'язок, спільне пояснення '

Комунікаційні аналогії

При передачі коду - чи коду телевізійної передачі, чи генетичного коду, в зашумле ному середовищі, (відповідно, завади електромагнітного поля або вбудовування мобільних елементів т а вірусних ДНК в геном) система має якимось чином розвивати та застосовувати засоби, які б відверт али зміну коду, оскільки закодована інформація повинна не тільки досягнути свого призначення, а й створити грунт для появи нового організму.
    Існують різноманітні алгоритми перевірки і виправлення помилок спотвор еного коду, наприклад використання ECC (error correction code), коди Хеммінга, циклічні коди. Застосування їх можливе за умови надлишковості коду, що виражається в наявності контрольних послідовностей. Але поряд з цим існують також і методи перетворення самого сигналу, що генерують стійку до шуму фо рму сигналу

Нижче подано метод розширеного спектру , який використовують у кабельному телебаченні. Є два види розширеного спектру: стрибки по час тоті (frequency hopping) і пряма послідовність (direct sequence) . Для стрибків по ча стоті весь відведений діапазон розділяється на велику кількість вузьких частотних смуг, на кожній із яких передача відбувається лише дуже короткий час, а потім 'перестрибує' на наступну частоту.

Такі стрибки здійснюються в певній визначеній послідовності. Цей спосіб надає ст ійкості до шуму так само як і звуження каналів - 'шумні' ділянки смуги або ігноруються або на них передача затримується на такий короткий проміжок часу, що коди з виправленням помилок можуть позб утися завад.

На відміну від частотних стрибків пряма послідовність дозволяє передавати сигнали по всій частотній смузі одночасно. Чим більше відношення ширини канала до швидкості передачі дан их тим більшу стійккість до шуму має передача за методом прямої послідовності розширеного спектру.

   Пояснимо вищесказане. Існує цікава операція, що реалізується за звичай на двох регістрах і суматорі. В живій системі її можуть виконувати білкові ланцюжки. Наве демо приклад для двійкової системи зчислення в ЕОМ. Звісно, для четвіркової системи основ (аденін, гуанін, цитозин, тимін) в живій системі методи будуть відмінні. Отже, розглянемо операцію XOR. Ц я операція цікава тим, що при проведенні її двічі над тим самим масивом даних отримаємо вихідне чи сло. Наприклад, якщо я обчислю:

11001010 XOR 11111111,

00110101 XOR 11111111,

я знову отримаю 11001010. Тепер я беру два цифрові сигнали, один з яких є потоком даних, а інший ' значно швидший потік випадкових чисел (шум). Якщо я здійсню операцію "XOR" на д двома потоками, я отримаю купу сміття. Але я можу позбутись його і відновити потік даних, якщо я повторно здійсню операцію 'XOR', використовуючи таку ж послідовність випадкових чисел.

Саме так чинить пряма послідовність розширеного спектру. Вона комбінує дані з шви дкою послідовністю випадкових чисел у модуляторі і вибирає їх з набору випадкових чисел в демодуля торі.

Якщо ви зробите ті ж самі висновки, що і я, коли хтось вперше ознайомив мене з ці єю ідеєю, то обов'язково прийдете до питання: "Ну то й що ж тепер'"

В передатчику після змішування даних з випадковими числами розширюється спектр си гналів, що передаються. Тепер уявіть собі процеси, що відбуваються у приймачі. Я знову змішую вип адкові числа з отримуваним сигналом. Результатом цих моїх дій є, по-перше, широкополосний спектр справжнього сигналу знову звужується (це необхідно для справжньої (більш низької) швидкості переда чі даних), по-друге, суміш випадкових чисел розмиває будь-який сигнал, що випадково 'спіймав' мій приймач. Якщо сигнал не містить певної послідовності випадкових чисел (а він її не містить), проце с змішування в приймачі відбувається так само як і розмивання даних у передатчику, тільки навпаки. Потужність сигналу з даними, знову зібралась в вузький діапазон, а потужність завад розмазалась п о широкому діапазону. Отже, потрібна потужність збільшується, а потужність завад зменшується.

З цього випливає, що числені користувачі (послідовності нуклеотидів, що кодують б ілки для клітин різної спеціалізації) можуть одночасно говорити по одному каналу (ДНК). Ваш перед атчик і приймальний прилад використовують не такі послідовності випадкових чисел, як мої. Оскільк и в мене інша послідовність, мій приймач не звужує вашу передачу, вона залишається розмитою і, як наслідок, являє собою малопотужний шум. Я вас не чую.

Комп'ютерні аналогії

Сучасні пояснення принципів роботи гловного мозку базуються, як правило, на прове денні аналогій між будовою та функціонуванням центральної нервової системи та комп'ютера. Нерви пр и цьому розглядаються як провідники електричних імпульсів, а клітини головного мозку прирівнюютьс я до комірок зберігання та обробки цифрової інформації. Все ж здатність мозку до сприйняття і пере робки інформації може мати іншу природу.

Наприклад, сьогодні уже майже забуті аналогові комп'ютери, за допомогою яких мож на було моделювати деякі технологічні і навіть біологічні процеси на базі використання електричних схем, що містили резистори, конденсатори, транзистори та інші елементи. Обчислення, виділення пре дикатів математичної та формальної логіки можуть бути представлені струмами, що течуть крізь іонні канали нейрональних клітин ' калієві (А-струм), хлорні та кальцієві канали.

Пам'ять

Важко уявити собі, що пам'ять людини реалізується на грунті динамічних процесів о бміну різнополярними частинками. Принаймні реалізація довготривалої пам'яті за допомогою міжнейрон них струмів та напруг потребує їх постійної регенерації, що є енергетично невигідним. Згадуючи ан алогову техніку можна вказати на неможливість зберігання проміжних результатів (відсутність проміж ної пам'яті) завжди було головним її недоліком. Якщо довготривала пам'ять має молекулярну природу то простіше асоціювати її з ДНК та РНК. Саме нуклеїнові кислоти мають високу стабільність, можуть специфічно взаємодіяти між собою, точно відтворюватись та набувати різноманітних конформацій на р івні вторинної та третинної структури, франментуватись і навіть редагуватись.

Останнім часом великої популярності набула ідея квантового комп'ютера, що оперує квантовими бітами (кубітами), носіями яких є фотони, електрони, атоми або збуджені стани молекул. Інформація, що переноситься кубітами обробляється паралельно, що вимагає використання спеціальних алгоритмів /2/. Сумнівно, що мозок може містити квантові логічні елементи атомного або фотонного т ипу, але в основі пам'яті може лежати взаємодія складних молекул, що призводить до зміни їх конф ормації або хімічної структури.

Умови для взаємодії інформаційних молекул є тільки у клітинному ядрі. Тут містить ся вся клітинна ДНК і значна частина клітинної РНК. Це означає, що саме ядро може бути 'архівом да них'.

Якщо подібне припущення є справедливим, то багатоклітинний еукаріотичний організм потрібно розглядати як мультипроцесорний прилад, що складається з множини автономних ядерних біоп роцесорів. Інформація у цитоплазму надходить у вигляді мРНК, що кодують білки, а для обміну інформ ацією між клітинами використовуються рецептори, наприклад рецептори гормонів, імуноглобулінові, ре цептори нейромедіаторів, таких як ацетилхолін. Передача сигналу від них до ядра відбувається числе ними сигнальними шляхами, задіюючи своєрідні ядерні 'обробники подій" ' програми 'на всяк випад ок'

Молекулярний біокомп'ютер

Ідея використання нуклеїнових кислот як молекулярних елементів обчислювальних приладів існує вже давно /4, 5/. Є навіть теорія хвильового геному, за якою ДНК має здатність сприймати, обробляти та випромінювати інформацію у вигляді модульованого електромагнітного випромі нювання /6/. На жаль, подібні ідеї та теорії не дозволяють зрозуміти сутність елементарних логічн их операцій. Крім того, ці операції можуть виявитись зовсім не елементарними, оскільки навіть алго ритми роботи найпростішого квантового комп'ютера є зрозумілими лише для небагатьох спеціалістів, а алгоритми роботи молекулярного біокомп'ютера можуть виявитись на кілька порядків складнішими.

Структуральна лінгвістика

Послідовності нуклеотидів, що забезпечують інформаційні функції повинні підлягати певним граматичним правилам. Очевидним також є існування орфографічних правил, що визначаються за кономірностями формування вторинної та третинної структури нуклеїнових кислот, а також співвідно шенням структури молекул з їх інформаційними властивостями. Вивчення подібних правил може стати о сновною задачею структуральної лінгвістики /7/.

В еукаріотичних геномах міститься до 50% сателітної ДНК, що складається з блоків тандемних повторів. Ці тандемні повтори поділяються на мікросателітні (до 4 п.н. в повторі) та мін ісателітні (більше від 4 п.н.) послідовності. Блоки комплементарних нуклеотидних повторів можуть в заємодіяти між собою та приймати участь в міжмолекулярних взаємодіях, необхідних для біопроцесорно ї обробки інформації та/або регуляції експресії генів /8/. Інший тип послідовностей складають так звані SINE (короткі дисперговані елементи) та LINE (довгі) дисперговані елементи. Довжина SINE-элементів знаходиться в межах 400 п.н., а LINE- элементів - д осягає 7 000 п.н. В геноме людини міститься близько 1 млн. Alu-повторів, що належать до SINE-елеме нтів, і більше 100 тисяч довгих MaLR-повторів /1/. Загальними для диспергованих елементів є їх транскрибованість та здатність до транспозиції. Ці осо бливості можуть визначатись участю цих елементів в роботі ядерного біопроцесору. Транскрибованість , наприклад, може бути пов'язана з необхідність переводу двохниткової ДНК в однониткову РНК, зд атну до міжмолекулярних взаємодій. Транспозиція ж мобільних елементів може приводити до змін у їхн ьому взаєморозміщенні, що є імовірною причиною функціональної адаптації структури біопроцесорної Д НК.

Найцікавішою особливістю структури еукаріотичних генів є їх мозаїчна інтрон-екзон на структура. Гени без інтронних вставок в еукаріотів є досить рідкісним явищем. Екзони, як правил о, кодують послідовності, що в подальшому транслюються у струтуру білку, але критерії вибору послі довностей на роль екзонів відомі тільки полімеразам і регуляторним послідовностям /9/.

Середня довжина екзонів складає 137 п.н., тоді як довжина інтронів може переважат и 100 000 п.н. /1/. Вважається, що в результаті сплайсингу інтрони видалаяються з мРНК, але, врах овуючи дані про відносну довжину екзонів та інтронів, більш правильним буде розглядати цей процес як контрольоване видалення екзонів з з мозаїчної молекули, основна частина якої складається з інтр онів.

Після сплайсингу мРНК переходить в цитоплазму, а числені петлеподібні молекули ін тронної РНК залишаються у ядрі. Якою ж є їх подальша доля' Ці молекули можуть нести інформацію пр о кількість і властивості РНК, що надійшла у цитоплазму. Також, вони безпосередньо можуть регулюва ти дозрівання пре-мРНК крізь складні процеси міжмолекулярної взаємодії. Неможна також виключити і снування глобальної мультимолекулярної багатофункціональної біопроцесорної сітки, де інтрони функц іонують як регулятори експресії генів, і така регуляція здійснюється як на рівні транскрипції (чер ез енхансери (посилювачі) та сайленсери (інгібітори)) так і на рівні сплайсингу.

Ядерна РНК об'єднується в так звані гетерогенні ядерні рибонуклеопротеїнові компл екси (гяРНП), асоційовані з компонентами апарату сплайсингу і ядерним матриксом. Для комплексів гя РНП характерним є диффузний розподіл у цитоплазмі, але частина їх може локалізуватись у районах с пеклів і навіть повертатись у ядро з цитоплазми.

Факти свідчать про те, що переміщення РНК від гену до ядерної мембрани не є наслі дком простої дифузії. Розміщення генів у геномі відповідно до моделі ядерної фіксації (gene gating model) функціонально пов'язане з певними ділянками ядерної мембрани аі ядерними порами/1/.

Архітектоніка ядра

Ядро оточене складною оболонкою, до внутрішнього боку якої прилягає електроннощі льний шар ядерної ламіни. Пронизана білковим скефолдом (скелетом або ядерним матриксом) нуклеоплаз ма містить хроматин ' впорядковану структуру, що складається з геномної ДНК, а також гістони та не гістонові білки.

Залежно від ступеня компактизації ДНК розрізняють еухроматин, в якому більшість г енів активно експресуються і гетерохроматин, що має понижену транскрипційну активність. Гетерохром атин, в свою чергу поділяється на конститутивний, що часто містить повторювані послідовності ДНК, і факультативний, що формується тільки на певних стадіях життєвого циклу і тільки на одній з хро мосом з пари гомологів. Структурно відмінні ділянки хроматину бувають фланковані інсуляторами ' ме жовими послідовностями нуклеотидів, що приймають участь в активації транскрипції генів

В еукаріотів виділяють три рівня структурної організації хроматину: 1) нуклеосомн а фібрила; 2) соленоїд (нуклеомер); 3) петельно-доменна структура, що включає хромомеры /1/. Хромо мери формуються в результаті специфічної взаємодії ядерного матриксу з MAR/SAR-послідовностями ДН К (Matrix Associated Region / Scaffold Associated Region) /8/. Топологічні домени, виокремлені за допомогою MAR/SAR-послідовностей, можуть змінюватись в процесі індивідуального розвитку організму, що супроводжується зміною характеру експресії великих блоків генів в клітинах, що диференціюються . Крім того, ці послідовності беруть участь в формуванні осі хроматиди, що утворює разом з петлям и хроматину тіло метафазної хромосоми /1/.

Розподіл ділянок гетеро- та еухроматину в інтерфазних хромосомах є строго визначе ним і, очевидно, може бути видовою ознакою. Теломерні частини хромосом знаходяться поблизу оболон ки, тоді як экспресовані гени локалізуються переважно у внутрішніх частинах інтерфазних ядер. Пока зано, що матеріал окремих хромосом в ядрі не змішується і займає дискретні зони, на периферії яких містяться компоненти апарату сплайсингу и треки синтезованої РНК /1/.

Найбільшим нехромосомним компартментом ядра є ядерце - нуклеопротеїновий комплек с, в якому розрізняють три основні високовпорядковані зони: фібрилярний центр, оточений фибрилярн ою зоною и зовнішню гранулярну область. Вважається, що спостережувані зміни структури ядерця визна чаються його функцією мікрокомпартменту біогенезу рибосоми. Останнім часом з'явились дані, що вказ ують на участь ядерця в регуляції клітинного циклу /1/. Морфологічно в нуклеоплазмі виділяють клубки переплетених ниток, часто асоційованих з периферією я дерця (згорнуті тільця), щільні фібрилярні кільця (ядерні тільця PML, ядерні домени WT1 и тільця Барра (компактний гетерохроматин неактивної X-хромосоми). На межах доменів конденсованого хроматин у розміщені перихроматинові фібрили ' рибонуклеопротеїнові комплекси діаметром 3+20 нм. Також, тут є компоненти апарату сплайсингу. Синтез РНК тісно асоційований з дискретними міжхроматиновими гра нулами (спеклами), причому кожне ядро має від 20 до 50 спеклів /1/.

На жаль, вивчення ядерної архітектоніки стикається з величезними методичними труд нощами, та все ж на сьогодні інформації достатньо, щоб говорити про надзвичайно високу складність структурної організації клітинного ядра. Цей факт не є доказом на користь існування ядерних біоп роцесорів, в яких інформаційні потоки обробляються молекулярними логічними елементами, але дозволя є розглядати подібне припущення a priori.

Розумна репарація'

В останні роки було відкрито і вивчено кілька механізмів редагування РНК на постт ранскрипційному рівні. Показано, наприклад, що в мітохондріях слизневиків відбувається вбудовуван ня залишків цитозину в множинні ділянки РНК. В мітохондріях трипаносом в редагуванні РНК, імовір но, приймають участь складні нуклеопротеїдні комплекси - едитосоми /1/.

В мітохондріальних і ядерних транскриптах хребетних тварин при поліаденілуванні м РНК з'вляються беззмістовні кодони, що приводять до передчасної термінації трансляції і до синтезу нових поліпептидних ланцюгів. В мітохондріях вищих рослин в результаті ферментативного дезамінува ння деякі залишки цитозину замінюються на урацил. Подібний механізм редагування мРНК виявлено тако ж і в хлоропластах /1/.

Вивчення посттранскрипційного редагування мРНК тільки починається, але імовірно, що подібний феномен, що також зустрічається в прокаріотичних мікроорганізмів, для еукаріотів є пра вилом, а не виключенням. Більш проблематичним є питання про наявність в еукаріотів молекулярних ме ханізмів корекції геномної ДНК.

Випадковість мінливості, що є одною з основних аксіом синтетичної теорії еволюції , має багато опонентів /12, 13/.

варіантом генетичної адаптації є зворотня дуплікація генів, характерна як для бак терій, так і для еукаріот. Дуплікація генів, що детермінують синтез рибосомної РНК, контролюється на молекулярному рівні, але цей вид адаптивної мінливості можна вважати звичайним механізмом регу ляції експресії генів.

 

 

ПЕРЕЛIК ДЖЕРЕЛ, ЩО БУЛИ ВИКОРИСТАНI:

  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.