Основы стереогенетики (стр. 3 )

У многих животных сосуществуют ночной сон и дневная форма обездвиженности с открытыми глазами, для которой характерно непрерывное каталептоидно-тоническое возбуждение скелетной мускулатуры. На обездвиженность типа каталепсии у рыб (карликовый сомик) приходится около 30% времени суток, у амфибий (травяная лягушка) – около 60%, у рептилий (болотная черепаха) – около 45%. По мере развития центральных механизмов, ответственных за сон теплокровных, дневная форма покоя типа каталепсии сокращается, составляя у сов – 25% времени суток, у кур – порядка 18% времени, у млекопитающих (кролик, морская свинка) – около 5% и постепенно утрачивает значение.

С позиций структурогенеза, периодическая обездвиженность организмов и связь активирования генов с состоянием сна, со стабильностью позы – вполне естественны. Прослеживается логическая связь с некоторыми событиями на клеточном уровне, где активность генов клеток крови приурочена не к функционированию клеток в кровеносном русле, а к периодам их неподвижности. Как на клеточном уровне, так и на уровне организма, активность генов приурочена не ко времени, когда это более всего желательно, а тоже к периоду неподвижности. Удивительно, но факт – всплеск биохимических процессов, вызванный активированием генов, приурочен не ко времени бодрствования, когда желательна мобилизация всей энергии, всех возможностей организма, когда животное охотится, спасается от врагов и т. п., а привязан к „потерянному для жизни” времени сна!

Такая совокупность данных заставляет думать, что главной физиологической функцией сна и состояния каталептической обездвиженности является обеспечение относительной неподвижности организма во время главного акта управления биохимическими процессами – во время избирательного активирования структурных генов под влиянием оптической проекции волнового поля организма на хроматин. Естественно, что во время движения животного точная оптическая проекция затруднена.

Не вдаваясь в подробности, оговоримся, что несовместимы со сном апериодические, неожиданные движения животного, а ритмичные движения на уровне автоматизма – дыхание, биение сердца и иногда даже однообразная работа, ходьба без изменения направления или “крейсерское” плавание рыб и дельфинов – способны сочетаться со сном и всеми его функциями. Вероятно, здесь Природа использует возможность как бы „остановить” ритмичное движение, синхронизируя „пачки” структурогенных волн с одной и той же фазой цикла, как поступает человек при стробоскопических исследованиях. Апериодические же движения „остановить” подобным образом принципиально невозможно.

Похоже, что существование различных фаз сна, их циклическая повторяемость – обусловлены потребностями всё того же оптического механизма активирования генов. По данным киносъёмки, ядра клеток медленно вращаются, а период их вращения, по порядку величины (1,27–4,65 часа по данным [Немечек и др., 1978]), соответствует периодичности повторения фаз сна. Вероятно, разные фазы сна подготавливают К-оптику к работе. Например, сначала отключается скелетная мускулатура, ядра клеток ориентируются относительно слабого ещё волнового поля. После правильной ориентации основной массы ядер, на короткое время включается „генеральное” поле, происходит главное событие – активирование генов, а далее наступает период дезорганизации ориентировки ядер и цикл, занимающий в сумме 1,5–2,5 часа, повторяется. Это похоже на циклы организации-дезорганизации рецептивных полей сетчатки глаз человека в процессе зрительного восприятия (см. гл. 3.4.4.). Повторение циклов (при разных положениях тела) повышает надёжность активирования генов.

Иногда, пытаясь бороться со сном, на грани между сном и бодрствованием, человек (или кошка, собака) неожиданно вздрагивает всем телом, словно пронизанный током. Такого не случается при полном бодрствовании или, наоборот, при глубоком сне. Вероятно, мы вздрагиваем, если пачка „генеральных” структурогенных волн (или, может быть, „пробная” волна) проходит раньше, чем нервная система отключила скелетную мускулатуру.

„Генеральные” волны, возникающие в одной из фаз сна, активируют структурные гены, для управления которыми важны дальнодействующие информационные связи. Но кроме того, как отмечалось в гл. 2.1., в протоплазме, вероятно, постоянно присутствуют маломощные химические волны, по степени упорядоченности сравнимые с мелкой рябью на поверхности воды. Они обеспечивают короткие информационные связи геномов клеток в тканях организма, которые в общей массе координатных информационных связей оказываются доминирующими (см. гл. 2.9.). Поскольку они передают информацию на малые расстояния (до сотен клеток), на них почти не отражается изменение поз при движении организма.

Особняком стоят наиболее типичные гены „домашнего хозяйства”, которые, как отмечалось выше, имеют малый период полураспада мРНК (порядка 10–13 мин) и в этом смысле не отличаются от генов прокариот, подчиняющихся чисто химическому активированию. Соответственно, если активируемые волновым полем структурные гены транскрибируются РНК-полимеразой II, то химически управляемые типичные гены „домашнего хозяйства” транскрибируются другим ферментом – РНК-полимеразой III.

Приуроченность пика активирования генов к состоянию неподвижности и сна обусловила суточные колебания объёмов клеточных ядер. У человека, и вообще у дневных животных, максимум объёма ядер, как и следовало ожидать, приходится на ночное время.

* * *

Связь транскрипции со сном отлично согласуется с концепцией структурогенеза. Но, справедливости ради, заметим, что этот факт нельзя рассматривать как доказательство КСГ, потому что, в случае развития организма под управлением диссипативных структур, необходимость неподвижности организма во время формообразовательных процессов оказалась бы ещё более острой, чем при оптическом механизме управления. Диффузия крупных молекул при формировании диссипативных структур протекает принципиально медленнее, чем активирование генов волновым пакетом, а во всё время диффузии недопустимы движения частей организма. К тому же, при оптическом управлении возможна быстрая коррекция изменений поз организма за счёт подстройки формы клеточных ядер и их поворотов.

2.7. Живая и неживая оптика

„Часто сложные природные явления основаны на простых процессах, но эволюция обычно украшала их всякими видоизменениями и добавлениями в стиле барокко. Разглядеть скрытую под ними простоту... бывает чрезвычайно трудно.”

[Ф. Крик, 1984]

Концепция структурогенеза представляет человеческий организм ансамблем многих миллиардов оптических систем. Странных, непривычных для нас оптических систем, имеющих непривычную конструкцию, использующих непривычные волновые поля, создающих фантастически сложную среду, в которой необычные волны, тем не менее, успешно выполняют свою информационную функцию. Такой взгляд трудно совместить с мировоззрением современного биолога. Но только с таких позиций удаётся непротиворечиво объяснить работу генетического аппарата эукариот.

Может показаться, что ядро клетки не способно подчиняться законам оптики просто из-за своей низкой геометрической точности. Но тот, кто знаком с информационными системами животных, знает, что судить об эффективности их работы по анатомическому строению нужно с большой осторожностью. Их анатомия никогда не соответствует идеалу, сформированному в нашем представлении на основе знакомства с техническими аналогами.

Например, если исходить из анатомии человеческого глаза, обязательно придём к выводу, что он не способен показывать нам высококачественную картину внешнего мира. Геометрическая точность хрусталика не идёт ни в какое сравнение с точностью линз объективов. Перед слоем фоторецепторов расположена хаотичная сеть нервных волокон и капилляров, накладывающихся на изображение. Сами фоторецепторы расположены очень неравномерно – от центра к периферии плотность их расположения убывает в сотни раз, а вблизи центра есть невидимое для нас „слепое пятно”, где вообще отсутствуют фоторецепторы! Чувствительная сторона фоторецепторов у человека, в отличие, скажем, от кальмара, вопреки логике, обращена не к приходящему свету, а в противоположную сторону, к черному непрозрачному слою клеток, заполненных меланином.

„Каким образом из дрожащих, смутных теней на дне каждого глаза мозг воссоздаёт единый видимый мир, поразительно богатый, надёжно устойчивый ... – это загадка, решение которой не даётся самым талантливым физиологам, посвятившим себя изучению сенсорных систем” [Сомьен, 1975].

Сходные отклонения от технических идеалов характерны для всех информационных систем животных. Мозг по степени упорядоченности и строгости структуры нельзя сравнить с компьютерными чипами или печатными платами; в слуховой системе нет ничего похожего на камертон, который объяснил бы феномен музыкального слуха и т. д. В этом смысле низкая геометрическая точность клеточных ядер в полной мере коррелирует с общим низким уровнем анатомической точности биологических информационных систем.

Сопоставление со знакомыми оптическими приборами может также привести к мысли, что биологические ткани являются слишком „мутной” средой для химических волн, и это исключает возможность их информационного использования. Действительно, структура ткани, конструкция клетки содержат много элементов, нарушающих беспрепятственное распространение таких волн, а протоплазма соседних клеток связана между собой только через коннексоны – трубочки молекулярного размера, пронизывающие стенки клеток. Чтобы перейти из одной клетки в другую, волна химических реакций каждый раз должна дробиться на элементарные волны, которые „протискиваются” сквозь узкие каналы коннексонов.

Далее нам не раз придётся упоминать коннексоны как молекулярные структуры, через которые соединяется протоплазма соседних клеток. Поэтому есть смысл задержать на них внимание.

У животных коннексоны чаще всего входят в состав так называемых щелевых контактов, соединяющих соседние клетки. Щелевые контакты получили такое название потому, что в местах их расположения оболочки соседних клеток не соприкасаются вплотную друг с другом; в этих местах между оболочками существует заполненный жидким веществом промежуток толщиной порядка 30 нанометров (механическая связь между клетками обеспечивается другими участками контакта).

Коннексон представляет собой сложный молекулярный комплекс, образованный двумя встроенными в мембраны частицами, принадлежащими соседним клеткам и соединёнными между собой в межмембранном пространстве. Внутри коннексона проходит канал, связывающий протоплазму соседних клеток, и из таких повторяющихся единиц построено всё щелевое соединение [Goodenough, 1976].

Коннексоны обеспечивают не только проведение электрического тока, но и переход из клетки в клетку молекул массой до 1000 Дальтон включая такие, как АТФ, цАМФ и др. [Высокопроницаемые..., 1981]. По другим данным, через коннексоны щелевых контактов могут проходить низкомолекулярные белки с массой доДальтон [Гербильский, 1982]. Через аналоги коннексонов в растениях – плазмодесмы – способны диффундировать ещё более крупные частицы.

Коннексоны существенно влияют на информационные характеристики структурогенного волнового поля, и потому естественно, что резкие изменения их количества являются составной частью строго организованного процесса формирования организма, процесса дифференцировки клеток. Например, у зародышей аксолотлей и шпорцевых лягушек на определённом этапе исчезают коннексоны и нарушается электрическая связь между клетками в том месте, где в дальнейшем пройдёт граница сомита [Гербильский, 1982]. Резкие увеличения или уменьшения количества коннексонов регистрируются в процессе формирования мышечной и нервной систем, при формировании глаз насекомых и позвоночных и во многих других случаях. Если для начальных стадий развития зародышей характерно наличие большого числа коннексонов, то далее часто наблюдается резкое уменьшение их количества в тех или иных группах клеток.

Как ни странно выглядит (для оптика) связь протоплазмы клеток через коннексоны, такой способ связи оказался очень целесообразным и изощрённым „техническим решением” Природы, без которого мир Живого не был бы таким, каким он есть.

* * *

Хотя много десятилетий идёт речь об изучении „морфогенеза”, т. е. генезиса форм тел живых организмов, такой подход лишён смысла. Применительно к животным вообще нельзя говорить об определённых формах; такая определённость возникает лишь при изучении трупов или чучел. У животных нет стабильности форм; никто не скажет, например, какая поза человека является его главной, видовой позой. Поэтому искать механизмы наследования форм организмов методологически ошибочно. Такой поиск – дорога в тупик. Нет оснований считать, что какой-либо организм наследует от предков определённую форму. Законы наследования стабильны относительно структуры (анатомии) тела, а не его формы.

Как бы это ни показалось унизительным для человека, наш организм похож не столько на мраморную статую Аполлона, сколько на невзрачную сетку-„авоську”. Попробуйте изменить позу мраморной статуи – и вы сломаете её. Ничего подобного не произойдёт с „авоськой”. Она может стать шарообразной, если вместила арбуз, может жгутом висеть на крючке или комочком лежать в кармане. При этом форма „авоськи” меняется в широких пределах. Но пока сетка цела, она сохраняет неизменную схему расположения узелков сети, неизменные длины нитей между узелками, и можно говорить о её неизменной структуре.

Человеческий организм (и любой другой многоклеточный организм) тоже характеризуется определённой структурой. И именно структура организма кодируется генетическим аппаратом. Если точнее, то координатами генов в ядре и их взаимодействием с волновым полем задаются векторы (процессы) формирования структуры организма.

Чтобы организм формировался генетической системой именно как структура, он должен обладать определёнными свойствами, как среда распространения химических волн. Нужно, чтобы параметры волнового поля организма определялись не столько проходимым волной расстоянием, сколько особенностями структуры, по которой волна распространяется. Связь протоплазмы соседних клеток через коннексоны создаёт именно такие условия.

Суммарная площадь поперечного сечения каналов коннексонов, соединяющих соседние клетки, на несколько порядков меньше площади поперечного сечения самой клетки. Поэтому сопротивление прохождению химической волны определяется не изменчивыми размерами клеток, деформируемых при изменениях позы, а устойчивым числом пройденных переходов от клетки к клетке и стабильным количеством коннексонов на каждом переходе.

Но ещё важнее (для правильной работы оптики) постоянство времени прохождения волны. Здесь можно увидеть сходство с распространением нервного возбуждения по аксону нерва у млекопитающих. У них (в отличие от головоногих моллюсков) нервное волокно обёрнуто так называемыми шванновскими клетками, наполненными жиром, и изолирующими нерв от окружающих тканей. Однако, шванновские клетки не покрывают аксон по длине сплошным слоем; между ними остаются зазоры, названные перехватами Ранвье. Распространение нервного возбуждения происходит скачками, от одного перехвата Ранвье к другому, причём затраты времени на прохождение одного перехвата в первом приближении одинаковы, и не зависят от длин участков между ними. Хотя соответствующие измерения не проводились, есть основания полагать, что и затраты времени на трудное прохождение структурогенной химической волны через коннексоны, от одной клетки к другой, значительно превышают время движения волны внутри клетки.

Как время распространения нервного возбуждения определяется количеством проходимых перехватов Ранвье, так время перемещения структурогенной волны зависит, прежде всего, от числа межклеточных переходов. Потому-то изменение позы незначительно влияет на параметры структурогенного волнового поля. Потому-то структурогенное волновое поле описывает (и прочитывает из генома) структуру, а не формы организма.

Однако нельзя считать, что информационный результат прохождения химических волн по биологическим тканям совершенно не зависит от расстояния. Если бы геометрическая длина пути никак не отражалась на информационных характеристиках химических волн, то движения животного совершенно не мешали бы процессам развития, и тогда животным не нужен был бы сон, как физиологическое состояние (как он не нужен растениям). Но необходимость в периодах неподвижности – в каталептической обездвиженности и сне – сохранилась.

Оценивая коннексоны как продукт биологической эволюции, можно заключить, что они оказались именно тем изобретением Природы, которое позволило перейти от колонии однотипных клеток к многоклеточному организму, позволило возникнуть животным, как активным, подвижным организмам, способным нападать и защищаться, активно искать пищу и уходить от опасности, а на более высоком уровне – создавать орудия труда, работать, творить. Не случайно высокая степень совершенства молекулярной структуры коннексонов характерна как раз для животных. Сходные структуры растений построены примитивнее.

* * *

Может возникнуть вопрос, а как же реагируют на прохождение химических волн другие мембраны клетки, которых довольно много? Существуют энергетические центры клеток – митохондрии, имеющие мембранные оболочки, у растений к ним добавляются хлоропласты, в каждой клетке есть так называемый аппарат Гольджи со сложной мембранной структурой и т. д. Если воздействие фронта химической волны на оболочку клеточного ядра вызывает её электрострикционное сжатие и порождает акустические волны, разрыхляющие хроматин, то аналогичные процессы должны иметь место и при воздействии химической волны на любую другую мембрану. Учитывая обилие мембран в клетке (не говоря уже о клеточной оболочке), это должно создать такой хаос акустических колебаний, при котором бесполезно надеяться на закономерное управление транскрипцией. Так ли это?

И да, и нет. Взаимодействие химических волн с множеством мембран, находящихся в протоплазме, действительно, порождает пёструю картину акустических колебаний, пронизывающих клетку во всех направлениях. Но концентрация энергии этих „посторонних” волн в районе хроматина всегда значительно ниже порогового уровня, определяющего отрыв двойной спирали ДНК от нуклеосом.

Активные зоны химического волнового поля организма, вероятно, не являются совершенно независимыми друг от друга колебательными системами. Это, скорее, единая активная среда, подобие ансамбля усилителей, близких к генерированию и реагирующих всплеском активности на прохождение волны возбуждения. Но эта среда имеет разную плотность мощности колебаний в разных зонах.

Возможно и другое – что активные зоны организма похожи на „ведущие центры”, возникающие на поверхности раствора при генерировании волн Белоусова – Жаботинского (см. рис. 1). Каждый центр независимо от других инициирует волну за волной, но общая картина колебаний не столь уж хаотична.

Наконец, и хаотичность волновой картины не должна вызывать особого беспокойства. Представьте себе старинный собор, его скульптуры, роспись, канделябры, лепку и сравните два резко отличающихся варианта освещения – чёткое солнечное освещение через витражи окон и ночное зыбкое, хаотичное освещение множеством свечей. Хаотичность волнового поля не мешает воспринимать ночную красоту храма при свечах, как и дневную красоту – при строгом солнечном свете.

Разрыхлить структурный ген могут только сфокусированные колебания, для чего требуется строго определённое расположение гена относительно мембраны, определённый радиус её кривизны, определённое расположение центра кривизны и нужная ориентация этой системы по отношению к активной зоне химического волнового поля. Случайное разрыхление ненужного гена и кратковременное появление в клетке не свойственных этой клетке РНК или даже белка, как правило, не способно существенно повлиять на протекающие процессы.

Биохимические процессы обычно представляют собой цепочки реакций, обслуживаемых группой последовательно действующих ферментов. Поэтому при активировании генов, определяющих биохимические процессы в клетке, принципиально важно обеспечить не эпизодические волновые воздействия, редко превышающие порог, а устойчивое включение целостной группы генов. Для этого требуется устойчивое расположение по отношению к генам неких мембран, с определёнными радиусами кривизны и определёнными положениями центров. Нужна также их совместная ориентация относительно конкретных зон волнового поля организма, на которые “нацелена” данная клетка.

Такое постоянство взаимного расположения генов и мембран существует лишь между генами и оболочкой ядра. Поэтому на разрыхление хроматина и на биосинтез в клетке реально влияет только воздействие химических волн на оболочку ядра. Влиянием остальных мембранных структур клетки, в первом приближении, можно пренебречь.

Интересно, что у эукариот нередко встречаются крупные многоядерные клетки, в которых химические волны могут распространяться между ядрами без препятствий. Но такие многоядерные ансамбли, как правило, не приспособлены к разнонаправленным деформациям. Например, при развитии яйца дрозофилы в единой клетке образуется множество беспорядочно разбросанных ядер, затем они мигрируют к периферии яйца и располагаются закономерным образом. Радиоактивные метки показывают на этой стадии согласованность ориентации генетического материала ядер. Далее вокруг ядер формируются стенки клеток и начинаются всё усложняющиеся процессы формирования тела личинки. Но яйцо отнюдь не обладает подвижностью.

Яркий пример статичных многоядерных клеток дают растения. Так, тропическая водоросль каулерпа (Caulerpa) из порядка бриопсиновых (сифоновых) представляет собой организм, достигающий 1 метра и состоящий из единственной клетки с множеством ядер. Недостаток механической прочности, связанный с отсутствием внутренних клеточных стенок, в огромной клетке каулерпы компенсируется наличием многочисленных целлюлозных балок.

Концепция структурогенеза, раскрывшая подоплёку связи клеток через коннексоны, объяснила, почему есть крупные одноклеточные растения, но нет крупных одноклеточных животных. Поскольку геном способен управлять биохимическими процессами лишь в некотором ограниченном объёме, то формирование значительного по размерам организма требует использования многих геномов, многих ядер. Однако, многоядерный одноклеточный организм может сформироваться только в случае, если он между периодами активирования генов не изменяет своей формы, если он откажется от активного поведения, а это противоречит сущности большинства животных.

Таким образом, деление организма на клетки, сохраняющее относительное постоянство условий активирования генов при изменениях формы (позы) организма, реализовало возможности структурогенеза более полно, чем многоядерность в одной крупной клетке. Деление организма на клетки перенесло центр тяжести эволюции с форм организмов на их клеточные структуры, стало кардинальным условием развития наиболее активных представителей живого мира – условием развития животных.

2.8. Природа дифференцировки клеток

Одной из непонятных биологам особенностей эукариот является способность их клеток к дифференцировке – к резкому (дискретному) и закономерному изменению своих свойств, в соответствии со специализацией клеток в организме для выполнения различных функций.

Дифференцировка клеток является важнейшей составной частью формирования многоклеточного организма (развития). Исчезни у человека специализация клеток, он превратился бы в однородную клеточную массу, вряд ли способную долго существовать даже в идеальном растворе питательных веществ. Другой загадкой биологии стал тот факт, что к организмам без клеточных ядер (к прокариотам) понятие дифференцировки неприменимо, хотя и не видно повинных в том факторов. Поэтому без объяснения механизма дифференцировки теоретическая биология плохо справляется со своей задачей.

Если описывать акт дифференцировки на языке активности генов, то это событие выражается в резком переключении подмножества активных генов – одна группа ранее активных генов при дифференцировке утрачивает активность, а другая группа – ранее бездействовавших генов, наоборот, входит в число активных. Такое переключение всегда приурочено к процессу деления клетки (к митозу), причём переход от типа родительской клетки к типу дочерней клетки в каждом варианте дифференцировки подчиняется строго определённой вероятности, так что новый тип может обнаружиться в одной или в двух (или ни в одной) дочерних клетках. Вероятность перехода клетки при митозе в новый клеточный тип, в разных вариантах дифференцировки, может принимать значения, грубо говоря, от нуля до единицы.

Теория диссипативных структур (ТДС) не раскрывает загадок дифференцировки. Например, неясно, почему этот феномен не распространяется на прокариот. Неясно, почему дифференцировка всегда приурочена к митозу, тогда как фигурирующие в ТДС информационные молекулы (морфогены), по теории, действуют непрерывно, вне связи с митозом. Неясна также резкая пространственная дискретность процесса дифференцировки при плавном изменении концентрации морфогенов в пространстве организма. Неразрешимой проблемой оказалась и память предыстории клетки, позволяющая вырисовывать подобие генеалогического древа клеточных типов, тогда как никакого присоединения морфогенов, ответственных за прошлые дифференцировки, в клетках не обнаружено и т. д.

По поводу памяти предыстории, в работе [Альбертс и др., 1986] говорится:

„Выключенные, т. е. неактивные гены, как правило, остаются выключенными, а активные гены продолжают активно действовать во всех дочерних клетках клона. Такого рода клеточная „память” не может обеспечиваться просто тем, что некоторые регуляторные элементы постоянно присоединены к соответствующим сигнальным последовательностям ДНК, так как подобный механизм трудно увязать со сменой многих поколений клеток.”

Мы привыкли анализировать известные факты, но меньше задумываемся над их отсутствием. Между тем, „пропажа” ожидаемых фактов часто несёт важную информацию. Если бы наследование клеточного типа объяснялось воздействием на клетку при каждом митозе определённого набора управляющих веществ (морфогенов), то должны были бы встречаться и специфические ошибки такого управления. Например, когда митоз мышечной клетки совпадает по времени с митозом соседней клетки стенки капилляра, легко диффундирующие морфогены, предназначенные для одной клетки, могли бы повлиять и на соседнюю, и тогда в стенке капилляра вдруг не к месту появился бы клон мышечных клеток (или в мышце появились бы ни с чем не связанные клетки стенки капилляра). Но подобные аномалии не известны. Это ставит под сомнение саму идею управления дифференцировкой на основе чисто химических методов.

* * *

Чёткое объяснение феномена дифференцировки клеток даёт стереогенетика. Напомним, что в основу системы управления активностью генов эукариот она ставит волны химических реакций, распространяющиеся в протоплазме клеток, и переходящие через коннексоны из одной клетки в другую. Когда волна достигает оболочки клеточного ядра, сопутствующий её фронту перепад окислительно-восстановительного потенциала создаёт на оболочке быстро перемещающуюся кольцевую зону электрострикционного сжатия, которая, в свою очередь, порождает акустическую волну во внутриядерной жидкости. Различие скоростей распространения химической и акустической волн приводит к преломлению волнового поля на сферической ядерной оболочке, и создаёт внутри ядра акустические проекции активных зон химического волнового поля организма. Участок ДНК, совпавший с проекцией активной зоны, разрыхляется акустическими колебаниями и отрывается от нуклеосом.

Эта часть волнового управления геномами эукариот одинакова, как в процессе собственно активирования генов, так и при управлении дифференцировкой, которая подготавливает условия для правильного активирования. А вот дальше между процессами активирования и дифференцировки возникают принципиальные различия.

При активировании, разрыхление хроматина в области конкретного гена освобождает ДНК от связанных с ней белков и тем открывает РНК-полимеразе доступ к гену. Но, чтобы рядом расположенные клетки, имеющие одинаковые наборы генов и находящиеся в практически одинаковых условиях волнового поля, стали проявлять совершенно разные свойства (например, клетки хряща, мышцы, нерва, кровеносного сосуда), их гены должны по-разному располагаться относительно активных зон акустического поля ядра. Задачу необходимого закономерного перемещения генов в пространстве ядра как раз и решает дифференцировка клеток.

При дифференцировке, в зоне разрыхления оказывается не ген, кодирующий белок, а один из многочисленных обращённых (инвертированных) повторов (палиндромов) ДНК. Особенностью палиндрома является его способность длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний – либо в линейной, либо в крестообразной конфигурации, как это схематически показано на рис. 7.

’

Рис. 7. Два состояния палиндрома (инвертированного

повтора) ДНК: вверху – линейное, внизу – крестообразное.

Нужно лишь учесть, что схема не отражает истинных размеров палиндрома, а буквы не обозначают какие-либо конкретные нуклеотиды. За каждой из букв мог бы стоять либо аденин, либо тимин, либо гуанин, либо цитозин. Двунитчатые „стебли” „креста”, обозначенные буквами KLMNP и комплементарными им последовательностями K'L'M'N'P', в действительности имеют длины порядка сотен и тысяч нуклеотидов. Однонитчатые петли, обозначенные буквами RSTUFX и R'S'T'U'F'X' в подобных палиндромах имеют протяжённость в десятки и сотни нуклеотидов.

В хромосомах человека палиндромы составляют около 6% общей длины ДНК [Чуанг и др., 1981]. Соединение одиночных цепочек ДНК в двойную спираль отдалённо напоминает застёжку-„молнию”. Как согласованная форма зубчиков позволяет связать воедино две половины „молнии”, так и согласованная молекулярная конфигурация нуклеотидов обеспечивает прочное соединение между собой двух нитей ДНК. Но, в отличие от „молнии”, у которой все зубчики одинаковы, ДНК имеет четыре типа нуклеотидов, способных соединяться между собой только попарно – аденин с тимином, а гуанин – с цитозином. Поэтому при построении двойной спирали каждому участку одной из нитей ДНК соответствует строго определённый – так называемый, комплементарный – участок другой нити. С „чужим” участком нить ДНК не соединяется.

Более сложная ситуация складывается в месте расположения палиндрома ДНК. Если какой-то участок двойной спирали оказался скопированным, повёрнутым на 180° и встроенным в хромосому неподалеку от оригинала (при таком повороте копия участка первой нити обязательно включается в оригинал второй нити и наоборот), то появляются условия, при которых нити, после расплетения, могут соединиться в двойную спираль двояким образом. Во-первых, исходный участок одной нити может восстановить соединение с комплементарным участком другой нити, существовавшее до расплетения. Во-вторых, он может сблизиться и сплестись с комплементарным участком копии, расположенным на одной с ним нити. В первом случае восстановится обычная двойная спираль, а во втором – образуется „шпилька”.

„Шпилька” состоит из двух объединившихся в двойную спираль участков одной и той же нити (исходной последовательности нуклеотидов и её комплементарной копии), связанных между собой петлёй или спейсером. Если на одной нити образовалась „шпилька”, вторая нить лишается выбора и тоже складывается в аналогичную „шпильку”. Две „шпильки”, относящиеся к одному палиндрому, на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа, располагаются, как правило, симметрично и образуют фигуру, похожую на крест.

К дифференцировке клеток имеют отношение не все палиндромы ДНК. Большинство из них используется иным образом. Далее будет идти речь только о тех крупных палиндромах, которые участвуют в процессе дифференцировки.

Если акустические колебания разрыхлят хроматин на участке одного из палиндромов и освободят ДНК от нуклеосом, к палиндрому могут подойти особые ферменты, называемые расплетающими и релаксирующими белками (или хеликазой и ДНК-гиразой). Они способны разъединить двойную спираль ДНК на две отдельные нити, после чего у палиндрома появляется возможность случайного выбора дальнейшей судьбы. Процесс самосборки может снова объединить нити в линейную двойную спираль. Но возможен и другой вариант – нити могут сформировать структуру, похожую на „крест”.

Вероятность образования „креста” тем выше, чем короче внутренняя петля палиндрома. Поэтому для разных палиндромов такая вероятность неодинакова, что и ведёт к различным, но всегда строго определённым (для каждого типа дифференцировки) вероятностям перехода клеток в новый клеточный тип. Есть основания полагать, что возникший „крест” дополнительно фиксируется присоединением специальных белков. Во всяком случае, он передаётся при репликации, влияя на конфигурацию соответствующей интерфазной хромосомы в следующем клеточном поколении.

Если самосборка вернула палиндром после расплетения к исходной линейной конфигурации, то возможности процесса клеточной дифференцировки остались не использованными. Иначе развиваются события при возникновении „креста”. Новый „крест” не может изменить расположение генов в ядре данной клетки, поскольку в сформированном (интерфазном) ядре хромосомы во множестве точек прикреплены к ядерной оболочке и к губчатой структуре белкового ядерного матрикса. Поэтому клетка, где возник новый „крест”, не меняет своего типа дифференцировки.

Иное дело – дочерние клетки. Процесс самосборки интерфазных ядер очень чувствителен к изменениям условий протекания, и появление нового „креста” способно кардинально изменить расположение ДНК в ядре дочерней клетки, одни гены вывести из активных зон акустического поля ядра (по сравнению с родительской клеткой), а другие гены – ввести в активные зоны.

Так создаётся новая топология расположения генов в пространстве ядра, определяющая тип дифференцировки клеток. Гены, которые выводятся из потенциально активных зон, переходят в состояние факультативного гетерохроматина, а те, что вводятся в них – становятся способными к транскрибированию.

Если „крест” возник перед репликацией (т. е. перед удвоением ДНК), то после деления родительской клетки он обнаружится в обеих дочерних клетках, и обе они перейдут в новый клеточный тип. Если же „крест” возник после репликации, возник лишь в одной из двух одинаковых хромосом, то в новый клеточный тип перейдёт только одна из дочерних клеток, а вторая (как это часто наблюдается) останется в клеточном типе родительской клетки.

Такой взгляд расширяет наши представления о генах. Теперь можно говорить о существовании эукариотических генов двух типов:

а) генов, кодирующих строение соответствующих молекул, например, белков или РНК – назовём их М-генами;

б) генов, кодирующих дифференцировку клеток и определяющих их специализацию – назовём их Д-генами.

Информация М-гена прочитывается РНК-полимеразой, и результатом прочтения является синтез цепочки РНК. Информация Д-гена не требует прочтения РНК-полимеразой, и реализуется в ходе пространственной перестройки генома дочерней клетки после перехода Д-гена родительской клетки в крестообразную конфигурацию.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5