ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ КОРНЕВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАБОЛИЗМА ГЕНОМА ФОРМИРУЮТ КОНТУРЫ НОВОЙ ПАРАДИГМЫ Дейчман А.М. ГУ Российский Онкологический Научный Центр им. Н.Н.Блохина, РАМН, Москва 115478, Каширское шоссе д.24, Россия (amdeich@rambler.ru , deichman@mtu-net.ru) В данной работе предлагаются 2 новых гипотетических механизма, ответственных за формирование (контроль) гипервариабельности/консервативности олигонуклеотидных фрагментов генома, и имеющих, по крайней мере, биохимические, биофизические, молекулярно-биологические, иммунологические и эволюционные аспекты (конспективно). Первый механизм – вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция (вПОТ). Предполагаемое место действия – внутренние мембраны митохондрий (Мт) и хлоропластов (Хп, контактируют с мембраной тилакоидов). При индукции вПОТ белковый эпитоп в 5-10 АК, «застрявший» на трудно-проницаемой даже для малых ионов внутренней мембране органеллы, вызывает обратимый энерго-биохимический сбой (нарушение протон/ /электронных потоков, воспроизводства АТФ, метаболизма углеводов, липидов, др.; при митоптозе сбой необратим) и ориентирует вблизи себя набор соответствующих мембраносвязанных тРНК (Аа-тРНК). При этом антикодоновые участки сближенных конец-в-конец тРНК (Аа-тРНК) превращаются в мини-матрицы (праймерные затравки) для синтеза Нуклеиновых Эквивалентов (НЭ) эпитопа (15-30 нуклеотидов). Предполагается, что несколько специфических функций может осуществлять специальная мембрано-связанная многокомпонентная мультиферментная система, которую (по аналогии с рибосомой, сплайсосомой, эдитосомой) можно назвать «ретранслосомой» (рисунки не приводятся). В другом варианте антикодоновые участки (с прилежащими отдельными нуклеотидами?) последовательно вырезаются/сшиваются. В полуавтономных органеллах с репликативным, трансляционным и РНК-редактирующим аппаратами, необходимые для этого эндо-/экзонуклеазные, протеиназная, лигазная активности имеются. Во всех случаях, из-за вырожденности нуклеотидов, кода, использования нестандартных аминокислот, нестандартных/соседних с антикодоном Мт-тРНК/импортируемых-тРНК, ошибки полимеразы/Аа-синтазы, – могут образоваться неидентичные НЭ (включая сенс-/антисенскопии); более вероятны – рибо-варианты НЭ. Хотя, учитывая рост возможностей изучаемых искусственных/естественных РНК-/ДНК-зимов, не исключаются и дезоксирибо-варианты. Внутри Яд (где синтезируются некоторые белки) также может функционировать подобный механизм; у одноклеточных он может быть связан с цт-мембраной (не рассматриваются). Механизм не нарушает центральную догму (ЦМБД) «впрямую», а преодолевает ее «в обход»: у эпитопа набор конформаций не тот, что в белке; и он не ориентирован на однозначное (ДНК↔РНК→Белок) декодирование (системы – разноуровневые). Частично показан второй механизм – ВНП-передача (Вектор-подобных Нуклеиновых Последовательностей) с НЭ внутри. Возможны 2 варианта ее между: (1) ДНК-содержащими Мт/Яд/Хп и клетками одного организма; (2) клетками разных организмов: система Генетической Челночной Обратной Связи, ГЧОС-система (вид горизонтального переноса). Примеры: обмен плазмидами у бактерий/дрожжей; с Яд/Мт- плазмидами связывают: формирование лекарственной устойчивости в культуре клеток животных и ЦМС у высших растений. Импульсный пробой: показан транспорт некоторых нуклеиновых последовательностей через мембрану митохондрий (~ искусственная ситуация). Некоторые (рабдо-, бунья-, поти-) вирусы курсируют между фотосинтезирующими и нефотосинтезирующими организмами, проявляя видо- и/или тканеспецифичность в отношении одного из облигатных хозяев – растений или насекомых; и мн. др. Совокупность двух механизмов в разных клетках (включая герминативные), может использоваться в разном сочетании с другими (репликацией, прямой и обратной видами транскрипции/сплайсинга, рекомбинацией, трансляцией, редактированием РНК, неизвестными), и для разных целей (принцип сквозного дополнения). В частности, для: (1) иммунной защиты, (2) формирования генетического кода (разнообразия в его рамках), (3) контроля кодирующих/некодирующих участков гена/генома, (4) редактирования РНК, (5) сплайсинга, (6) генетических/эпигенетических механизмов. Гипотетические механизмы и митохондрии: иммунная система Данные механизмы могут быть ответственны за формирование АГ-специфических участков антител, рецепторов В- и Т-клеток. Чужеродный АГ разрезается (в фаголизосомах, протеосомах, др.) на фрагменты, среди которых есть аналоги «собственных» (1), «чужие знакомые» (2), «чужие новые» (3). Природа эпитопов: линейные или конформационные (могут фиксироваться различными сшивками: ферментами, радикалами, токсичными продуктами кислорода). Первые два типа эпитопов могут регулироваться презентацией их вместе с МНС-молекулами I или II классов имеющимися клонами В- и Т-лимфоцитов. Только «чужие новые» эпитопы вызывают полноценный специфический иммунный ответ. Для ответа, известно, требуется физический контакт макрофага (Мф, АПК) с Т-хелпером, и Т-хелпера с НДП (Низко Дифференцированным Предшественником в костном мозге/тимусе; контакт: возможен и для других групп клеток/процессов). Предполагается, что появившийся при вПОТ-механизме НЭ встраивается в ВНП и передается в ряду: Мф (АПК)→Т- хелпер→НДП. С самого начала дифференцировка стволовых кроветворных клеток, а далее селекция лимфоцитов и реаранжировка иммуноглобулиновых генов, происходят в присутствии одного из НЭ. Иммуногенез В-лимфоцитов, не исключено, может дополняться ретропозирующим встраиванием (при гомологичной рекомбинации) реаранжированного V(D)JC гена в соответствующий локус генома наивной В-клетки. Наивность В-клетки условна, т.к. все лимфоциты содержат какой-либо вариант НЭ (другие гемопоэтические клетки также могут содержать/регулироваться НЭ). Сортинг эпитопов сопровождается количественным (избыток эпитопов первых двух видов) и качественным («чужие новые» эпитопы) видами ответа. вПОТ/ВНП-передача-механизмы могут способствовать совместной эволюции геномов клеток/вирусов; оборотной стороной в.н. «нормального» иммуногенеза, в частности, может быть крайняя изменчивость ВИЧ-вариантов. Гипотетические механизмы и хлоропласты: генетический-код-формирующий аспект Мт и Хп имеют эндосимбиотическое происхождение от прокариот-предшественников и структурно-функциональное сходство: двуслойные мембраны; связаны с биохимическими путями воспроизводства энергетических метаболитов, универсальных макроэргов (АТФ, др.), использованием протонных насосов и электронных цепей. Кроме того, они обладают сходно устроенными и функционирующими кольцевыми геномами, содержащими подобные наборы генов: рРНК, тРНК, мембранных и некоторых других белков. Существуют и значительные различия между ними. В Хп число генов (37) и количество видов (32) тРНК соответствует таковому в цитоплазме, в то время как в Мт количество генов тРНК (2-27) обычно минимизировано. В Хп около трети генов белков уникальны, а в Мт ~ 95% генов имеют своих ядерных двойников; различны объемы некодирующих областей, степень интронированности генов и интенсивность редактирования РНК. Только Хп обладают светабсорбирущим аппаратом. Генетическая информация, считают, направляется от Хп к Мт и Яд, но не наоборот. Поэтому вПОТ-механизм в Хп может иметь другое применение. Предполагается, что вПОТ-механизм в Хп служит «ретранслятором особого рода»: вероятно, здесь формируются 2 вида соответствий: (1) АК/кодон, складывающееся в «ретранслосоме» Хп на фоне всех лучевых (ЭЛП – ЭнергоЛучевой Поток), пóлевых и физико-химических особенностей данного региона поверхности Земли (биосферы) и определяющее генетический код и разнообразие в его рамках – контекстно эволюционному периоду (рисунка нет). Но такое физико-химическое соответствие может динамически зависеть от (2) взаимодействий между элементарными частицами (прежде всего абсорбируемыми наборами фотонов, др.) и квазиэлементарными частицами (элементарными актами возбуждения конденсированной среды) глико-липо-протеидных компонент внутренней мембраны Хп (в области гранов тилакоидов). Обеспечение сортинга эпитопов/НЭ, вероятно, происходит за взаимодействия самоорганизующихся супрамолекулярных счет механизмов мембрано-связанных нуклеопротеидных комплексов «ретранслосомы» Хп/Мт («фотонные машины»). Они могут включать наноструктурные элементы, способные к предварительному избирательному распознаванию пространственно-геометрической конфигурации, а также катализу, переносу и молекулярному переключению. Внутри динамических комплексов возможно попеременное обобществление электронных оболочек нескольких отдельных элементов. При этом периодически формируются структуры, способные к образованию лабильных молекулярных ансамблей и межмолекулярных низкоэнергетических нековалентных связей. Не исключено, процесс обобществления электронов сопровождается сбросом избытка одних, и поглощением других наборов фотонов («скрытый фотонный фейерверк») между молекулами и их частями. Участие принимают по крайней мере некоторые из обозначенных связей: водородные, гидрофобные, ионные, стекинг, ван-дер-ваальсовые, диполь- дипольные, координационные, донорно-акцепторные, электростатические. «Ретранслосома» Хп/Мт – неравновесная нелинейная «поисковая» система. В ней эволюционируют все частицы (элементарные, квазиэлементарные) и компоненты (белковые, нуклеиновые, ЭЛП, физико-химический фон). Современный универсальный код эволюционирует. Некоторые предпосылки: вырожденность кода (использование одной АК разными кодами-предшественниками?); использование нестандартных нуклеотидов (десятки) и дополнительных (селеноцистеин, др.; включаются с использованием/ /вытеснением стоп-кодонов) аминокислот (расширение генетического алфавита?); ведущая роль 2-го или 1-го и 2-го нуклеотидов кодона (свидетельство существования моно- или дуплетного пре-кодов?); др. Если пре-коды существовали (Мт-геномы – их потомки?), то потеря накопленной в них информации предотвратима с помощью вПОТ-подобного механизма межкодовой/межгеномной ретрансляции. Возможная связь гипотетических механизмов с редактированием РНК и другими внутриклеточными механизмами Такая связь представлена на схеме 1: видно, что ВНП с рибо-/дезоксирибо-вариантами НЭ внутри может переноситься в геном (генетический полиморфизм), либо встраиваться в новосинтезируемый редактируемый/нередактируемый транскрипт транс-сплайсинг- подобным механизмом (РНК-/Белковый полиморфизмы, быстрая проверка функциональной ВНП-передача Генетический RT- и RT-подобная Активности Редактирование: полиморфизм Обычная ген экспрессия Изменения в : мРНК «гид»-РНК (gRNA) U+/-- Белковый Гипотетическая вПОТ полиморфизм за НЭ (=NE) тРНК Другие виды редактирования счет изменений в мРНК, тРНК, рРНК. Проверка рРНК функциональной значимосити. “гид”-РНК (gRNA), подоб.(snoRNA и др.) СХЕМА №1 значимости этих компонент). Реально/потенциально редактируются любые участки генома клеток/вирусов: экзоны, интроны, межгенные области, спейсеры полицистронных транскриптов, некоторые пре-нмРНК (сами нмРНК?), повторяющиеся последовательности (Alu, др.). При этом изменяются: некоторые сенс-/стоп-/старт-кодоны, длина транскриптов и рамок считывания, соотношение ГЦ/АТ-пар, пуринов/пиримидинов, степень консервативности/(гидрофобности) участков ДНК/(белков), др.; это – процессы поддержания феногенотипического равновесия (схема 3). Широко-известные виды редактирования РНК: Ц→У (у животных/растений) и А→И≈Г (у животных/вирусов) дезаминирование; Увставки/делеции (у трипаносом). Фотосинтезирующие организмы могут нарабатывать стандартные/новые НЭ, которые перераспределяются между геномами (обычно Яд) и в нефотосинтезирующей части биосферы. Такой синхронный пандемический перенос нуклеиновой информации, вероятно, позволяет создавать уникальные участки, и вносить динамическую компоненту в поддержание консервативности (горизонтальным переносом). Среди регуляторов экспрессии генов отмечена огромная роль миРНК (вид нмРНК), участвующих в контроле транскрипционных факторов и многих нормальных/ /патологических процессов (дифференцировки, пролиферации, ангиогенеза, апоптоза, гематопоэза, эмбриогенеза, канцерогенеза, др.). Длина НЭ сопоставима с таковой для: некоторых РНК-матриц при редактировании РНК; микро РНК; малых интерферирующих РНК; спейсеров; др. Поэтому роль НЭ (новая минимальная генетическая единица?), возможно, связана: (1) с эволюционно-длительным (генетический/эпигенетический аспекты) формированием отдельных участков генома (экзонов, интронов, миРНК, др. нмРНК, повторяющихся последовательностей); (2) с физиологической регуляцией экспрессии генов-регуляторов, др. Вместе с миРНК, НЭ (через ВНП, РНП/ДНП; конкурентно), возможно, участвуют в контроле сложных генных сетей. Предлагаемые механизмы (схема 3) могут способствовать формированию новых представлений о корнях экологогенетического единства и биоразнообразия (включая конкурентно взаимодополняющую роль пищевых цепочек и ГЧОС-системы), межгеномной/межкодовой ретрансляции, диатропическом соотношении процессов микро-/макроэволюции. Abstract The two new hypothetical mechanisms (concept) are offered: variable Individual Epitope Reverse Translation (vIERT) and Vector-Like Nucleic Sequences transfer (VLNS-transfer). These mechanisms, probably, participate in the formation/control hypervariability and conservative small sites genome (exons, intrones, low differentiation RNAs, speicers, repeat sequences) at various normal (antigen-specific sites of Abs, B-and T-cell receptors formation; genetical code and gene nets formation, RNA editing, differentiation, proliferation, angiogenesis, apoptosis, micro- and macroevolutions) and pathological (cancerogenesis, HIV-evolution, oth.) processes. Ссылки: 1. Deichman A.M., Choi W.C., Baryshnikov A.Yu. RNA editing. Hypothetical mechanisms. – M.: Practical medicine (www.medprint.ru ), 2005. – P.1-265 (in English) and P.1-302 (in Russian). 2. Дейчман А.М. Редактирование РНК. // М.: Русаки. – 2001. – 131с. 3. Дейчман А.М. Один из вариантов точечных мутаций, возможно, запускается поэпитопной обратной трансляцией. Гипотетическая концепция. – М.: Рук. депон. ВИНИТИ, 1993. – №1502-В93. – 56с