Молекулярная биология успешно документирует экспериментальные свидетельства получения, передачи и обработки информации живой клеткой. Однако, полного теоретического понимания основных принципов клеточной информатики еще не существует. Развитие подобного понимания является одной из главных задач исследовательских устремлений этого века.
Мы живем в эпоху системной биологии. Хотя термин и подвергается различного рода интерпретациям, под ним понимается скоординированное поведение молекул (как системы), необходимое для достижения определенной функции, зависящей от условий. Ушло атомистическое воззрение, рисовавшее картину независимого и машинального поведения молекул.
Важное открытие молекулярной генетики было сделано в оккупированном нацистами Париже в 1942 году. Жакоб Моно опубликовал свою докторскую диссертацию на тему измерения роста бактериальных культур. Моно количественно определил эффект от различных питательных веществ и их количества на скорость и размах роста бактерий. Он установил, что некоторые углеводы (например, глюкоза) лучше, нежели другие (например, лактоза), для скорости роста (увеличение и в общей массе и в колечестве клеток за час). Однако, он не обнаружил серьезных различий в конечном выходе прироста популяции бактерий на единицу массы сахара.
(Автор этого конспекта, будучи выпускником передового ВУЗа страны, заметил во времена своего обучения, что открытия Моно, также как и открытия Дарвина, весьма мало знакомы среднему студенту, обучающемуся по биологической специальности: и тот и другой на слуху, но что они сделали и как мало кто представляет. Существует лишь некое обоготворение личности, особенного последнего, без критического/научного анализа работы. Что еще хуже, ни тому, ни другому не уделяется должного внимания в программе обучения. К примеру, курс теории эволюции мало чем отличается от школьного, а кафедра с таким названием — самая непопулярная. В нее верят, но не изучают. И это с одним из главнейших вопросов биологической дисциплины. Может оттого он и стал сродни религии...)
Однажды, Моно выращивал бактерии на смеси из двух сахаров и обнаружил удивительный результат. Когда бактерии растут на смеси из "быстрого" и "медленного" сахаров, рост колонии происходит в две отличные друг от друга фазы: более быстрая и следующая за ней медленная, с небольшой временной задержкой между ними. Простой, но изящной, процедурой смешивания различных сахаров в различных пропорциях Моно показал, что бактериальные клетки полностью потребляют любимый сахар перед тем, как начать использовать менее любимый и медленнее перевариваемый. Это было удивительным открытием. Моно назвал такой рост diauxy, что означает "двойной рост". Получалось, что бактерии могут различить между двумя видами сахара и скорректировать свой метаболизм для переработки любимого сахара сначала, пока он не закончится. Затем, когда любимого сахара больше нет, бактерии могут за небольшое время перенастроить свой метаболизм и, как следствие, начать использовать менее предпочтительный сахар. Как все это происходит?
Моно, его коллеги и последователи потратили следующие три десятилетия, изучая причины и следствия такого двустадийного роста в бактерии Escherichia coli (кишечная палочка), которая стала главным модельным объектом новой науки — молекулярной генетики. Эти исследования привели к фундаментальным открытиям и озарениям, которые поменяли наше понимание о том, как клетки организуют информацию в ДНК и используют ее в ответе на изменяющиеся условия среды.
Изучая относительно простую регуляторную сеть, управляющую lac опероном [1] кишечной палочки, молекулярные биологи открыли, по крайней мере, пять общих принципов обработки клеточной информации и взаимодействия с геномом:
Оперон — группа скоординированно
экспрессирующихся и смежно расположенных кодирующих последовательностей,
находящихся под управлением общего регуляторного сайта (см. F. Jacob, D. Perrin,
C. Sanchez, and J. Monod. Operon: a group of genes with the expression coordinated
by an operator. C. R. Hebd Seances Acad Sci 250, 1727–1729 (1960))
- Не существует дуализма Декарта в клетках кишечной палочки, как впрочем и в любых других клетках. То есть, нет специальных информационных молекул отдельно от операционных. Все классы молекул (белки, нуклеиновые кислоты, маленькие соединения) участвуют в восприятии, передаче и обработке информации, а многие из них выполняют и другие функции (такие как транспорт и катализ).
- Информационный поток идет от клеточной поверхности или внутриклеточных сенсоров к геному с использованием эстафеты из белков, вторичных посредников (или "вторичных мессенджеров"), и ДНК-связывающих белков. Вторичные посредники — маленькие молекулы (например, циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), производное АТФ), которые служат в качестве растворимых химических агентов для переноса информации к макромолекулам, которые связываются с ними.
- Белковое распознавание ДНК часто происходит на специальных распознавательных участках. Описание первого из таких участков ДНК, lacO, в 1961 году было революционным для нашего понимания генома, так как такие участки фундаментальным образом отличаются по природе и функциям от белок кодирующих последовательностей, которые традиционно называются "генами". Сайты распознавания форматируют ДНК для различного рода взаимодействий, помимо собственно транскрипции: уплотнение ДНК, ДНК репликация, передача ДНК в дочерние клетки и реорганизация ДНК. Во многих случаях форматирование генома может быть сравнимо с форматированием файлов в компьютерных системах, так как любое форматирование является важнейшим для точного воспроизведения информации. Понимание того, что все уровни функционирование генома требуют его форматирования, является одной из причин, почему более невозможно определить термин "ген" в строгом смысле. Изменения в форматировании настолько же важны для модификации поведения генома, генной экспрессии и, как следствие, органического фенотипа, как и изменения в кодирующей способности.
- ДНК связывающие белки и соответствующие сигналы форматирования функционируют в комбинаторной и кооперативной манере. Например, это иллюстрируется взаимодействием между РНК-полимеразой и белком-регулятором CRP на lacP и crp сайтах lac оперона для стимуляции транскрипции. В дополнение к этому, lac оперон содержит три различные lacO последовательности, и надлежащая репрессия белком LacI требует кооперативного связывания двух из трех сайтов. Изменение промежутков между этими форматирующими сигналами значительно изменяет регуляторное взаимодействие. В других системах, особенно в животных и растительных клетках, комбинаторная и кооперативная природа белок-ДНК-ового взаимодействия повзоляет создавать сложные участки форматирования (часто называемые cis-регуляторные модули), составленные из конечного числа различных последовательностей распознавания.
- Белки функционируют как условные микропроцессоры в регуляторных сетях. Они выполняют различные роли в зависимости от взаимодействия с другими белками или молекулами. Классическим примером того, что называется аллостерической модификацией белков (изменение в форме вследствие связывания лиганда, который изменяет функциональные свойства), является эффект связывания репрессора LacI с аллолактозой, что изменяет способность белка подавлять активность последовательности LacO при связывании с ней. По сути, репрессор LacI является микропроцессором, модулирующим геном в ответ на индуктор сигнала (вторичный посредник, то есть аллолактоза), так как связывание индуктора исключает связывание с операторным сайтом. Взаимодействие цАМФ с CRP иллюстрирует тот же самый принцип, но в обратном направлении: связывание вторичного посредника стимулирует присоединение к ДНК. Существует практически неограниченное количество способов обратимого изменения белковой структуры и характера взаимодействия с молекулами клетки, включая ДНК и другие белки. Таким образом, нетрудно предвидеть создание весьма огромной и сложной вычислительной схемы в живых клетках, которая бы использовала аллостерические белковые микропроцессоры для регуляции геномной экспрессии.
Литература (на англ.), использовавшаяся автором в данном разделе книги, может быть найдена по ссылкам: Введение в Часть I и Лучший сахар для кишечной палочки.
Комментариев нет :
Отправить комментарий