Черный ящик генетического кода–2
реклама
Черный ящик генетического кода–3 (научно-популярная статья) (или Возможная Единая Природа Изменчивости и Наследственности) Дейчман А.М., научный сотрудник amdeich@rambler.ru ; deichman@mtu-net.ru Российский Онкологический Научный Центр им. Н.Н.Блохина, Российской Академии Медицинских Наук (РОНЦ РАМН) Введение Б.Шоу: наука всегда не права: она никогда не решит вопроса, не поставив десятки новых. Статья с почти таким же названием, где обсуждалась возможная природа возникновения генетического кода, выходила более десяти лет назад («Химия и Жизнь», №11, 1994г.) и совсем недавно («ХиЖ», №3, 2006). Хотя практически прочитан геном человека (Тарантул 2003), природа появления кода не стала менее загадочной, а геном оказался хранилищем информации, которую нельзя свести к одним только генам. Напомним содержание статьи, и назовем некоторые из новых положений, а затем обсудим то, как они могут быть связаны с природой изменчивости и наследственности. Эту тему называют «проклятой», но она, тем не менее, интересно обсуждалась на страницах «ХиЖ» [Животовский 2003 (в дальнейшем - «первый автор»); Полищук 2003 (оппонирующий «второй автор»); а также Баготский 2003; и др.]. Генетический код* называют универсальным (УГК) в отношении устройства и работы прежде всего ядерной ДНК-наследственности всех (значительно более 107) биологических видов (царств архебактерий, бактерий и эукариот). В клетках эукариот также есть содержащие ДНК органеллы – митохондрии (Мт: растений, грибов, животных) и хлоропласты (Хп: растений). В Мт часто, а в Хп много реже обнаруживают смысловую неоднозначность: кодон кодирует «не ту» ---------------------------------------- * - В состав всех геномов обычно включаются 4 буквы-нуклеотида: А, Т, G, C - соответственно аденин, тимин, гуанин, цитозин. После перевода информации с ДНК на РНК, код для аминокислоты определяет кодон – триплет любых нуклеотидов (например GGA), но вместо тимина в игру включается уридин (U). Из четырех по три возможны 64 кодона, из которых 61 значащий (для 20 аминокислот), а 3 - кодируют сигнал терминации синтеза белка. Одна аминокислота кодируется одним или несколькими кодонами (код вырожден), но каждый кодон кодирует только одну аминокислоту (смысловая однозначность кода). Яд – ядро; Мт – митохондрии (мтДНК); Хп – хлоропласты (хпРНК); Мф – макрофаг; Лф – лимфоцит; мРНК – матричная РНК; тРНК – транспотрная РНК; рРНК – рибосомальная РНК; днРНК – двунитевая РНК; АК – аминокислота; МГЭ – Мобильный Генетический Элемент; СГМ – Соматические ГиперМутации (Лф); вПОТ – вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция; ВНП-(Векторподобная Нуклеиновая Последовательность)-передача; ГЧОС-(Генетической Челночной Обратной Связи)-система. аминокислоту, что записана геноме. Пока нельзя однозначно ответить в чем причина: в реальной неоднозначности кода, или в недавно открытом процессе редактирования РНК, сопровождаемом изменениями на РНК-уровне. Для ответа потребуется много времени на анализ аминокислот всех редактируемых белков или клонируемых кДНК, полученных копированием редактируемых версий мРНК-матриц (многие тысячи вариантов). К настоящему времени редактирование РНК также показано для некоторых эукариотических РНК (кодируемых ядром, ядрышком), РНК-вирусов, а совсем недавно (в 2002г.) - и у бактерии E.coli (для тРНК-специфической tadA-аденозиндезаминазы). Редактирование РНК обычно включает вставки/делеции (уридина, цитидина, др.) или замены (например, C→U или A→I, где I – инозин) нуклеотидов, и связано только с транскрипционно активными участками генома. Редактируются новосинтезируемые мРНК, рРНК, тРНК, малые ядерные/ядрышковые РНК, и даже некоторые некодирующие области и повторяющиеся генетические элементы. Кроме того, известно множество условно минорных и экзотических видов редактирования (у вирусов и простейших). Общее число исследуемых видов (несколько десятков) и объектов (многие сотни) редактирования РНК неуклонно растет. Первым предложенным новым («ХиЖ», №11, 1994г.) был механизм вариабельной обратной трансляции индивидуального эпитопа (вПОТ, вариабельной Поэпитопной Обратной Трансляции; почему поэпитопной - ниже), когда эпитоп – часть белка до 5-10 аминокислот – «застревал» на внутренней мембране органелл (Мт и Хп), и ориентировал вблизи себя набор соответствующих тРНК или аминоацил-тРНК, Аа-тРНК (Дейчман 1993; 1996). Именно внутренняя мембрана органелл трудно проницаема для транспорта любых компонент клетки, даже малых ионов, хотя, известно, что некоторые белки и нуклеиновые последовательности способны к трансмембранному транспорту (Зоров 1996). Такие наборы тРНК могут быть различны для клеток каждой ткани, т.к. синтезируют, преимущественно, специфические для себя белки (эпитопы). Оборот и уровень клеточных макроэргов (универсального АТФ и регулятора синтеза белка, ГТФ) также, известно, варьируют в разных тканях. Полуавтономные Мт и Хп воспроизводят макроэрги (регуляторы белкового, углеводного, жирового обменов) и содержат репликативный, белоксинтезирующий мембрано-связанные (+ редактирующий РНК?) аппараты. Среди тРНК органелл существуют трудноотделимые даже в жестких условиях лизиса и крепко связанные с мембраной фракции (Филиппович и др., 1977). Поэтому возможна ситуация, когда на сближенных антикодонах тРНК-(Аа-тРНК)-комплексов (рис.1, рис.2), как на спиралеобразных мини-матрицах, синтезируется нуклеиновый 4 3 2 5 6 1 7 ССА-ножки тРНК Аа-тРНК Набор Г-образных Аа-тРНК Внутренняя мембрана органеллы Антикодоновые спирал участки Аа-тРНК ПОЛИМЕРАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ Нуклеиновый Эквивалент(НЭ) эпитопа из нескольких кодонов. Рис.1 вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция (вПОТ) на сближенных антикодоновых участках Аа-тРНК 1, 2, 3 …7 – аминокислоты эпитопа - действие пептидазной активности (то же – и для рис.2). 3 4 5 6 2 1 7 2’ 6’ 7’ 1’ ССА-ножки АатРНК Набор Гобразных Аа-тРНК Внутренняя мембрана органеллы Антикодонов спиральн участки Аа-тРНК ПОЛИМЕРАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ Нуклеиновый Экви-валент (НЭ) эпитопа из нескол кодонов. Рис.2 вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция (вПОТ) на сближенных антикодоновых участках Аа-тРНК 1, 2, 3 …7 – аминокислоты эпитопа. 1’, 2’, 3’ …7’ – аминокислоты из соответствующих Аа-тРНК-комплексов. эквивалент (НЭ) эпитопа. (Потенциально возможен и другой вариант: сближенные антикодоны поочередно вырезаются и сшиваются; необходимые протеазная, нуклеазная, лигазная и др. активности, а также макроэрги в органеллах имеются, т.е. и этот вариант не фантастичен). НЭ, длиной в 15-30 нуклеотидов, не обязательно является нуклеотидной копией (или комплементарной копией) застрявшего эпитопа-нарушителя, т.к. среди антикодоновых нуклеотидов могут быть нестандартные (например, псевдоуридин в случае некоторых мт-тРНК), а наборы тРНК в этих условиях могут варьировать. Во-вторых, даже в процессе стандартного синтеза белка бывают сбои, когда в белок включается «не та» аминокислота. В т.н. концепции РНК-Мира (когда сначала появилась сама себя размножающая РНК) обосновывается «первородство» имеющих и ферментативные и информационные свойства молекул РНК, из которых, впоследствии, образовывались и трансляционный, и репликативный аппараты клетки (Котина 2004). Однако ферментативную активность могут проявлять не только белки и рибозимы, но даже ДНКзимы, способные к ДНК-лигазной, ДНК-/РНК-нуклеазной активности, др. реакциям. Тогда по-новому может встать вопрос об эволюционном соотношении РНК-/ДНК-/Белкового-Миров. Посмотрим, что же это может означать? Ранее полагали, что элементарным кирпичиком наследственности является ген. Однако, известно, что и самый малый ген – это сложноорганизованная, состоящая из множества частей (промотор, усилитель, несколько кодирующих экзонов и некодирующих вырезаемых интронов, терминальных областей, и др.) структура. Причем некоторые (например, начальные 5’-, и концевые 3’-) части генов имеют разные эволюционные истории. С другой стороны, не случайно к фрагментам белка (эпитопам) и нуклеиновых кислот (длиною в НЭ эпитопа) приковано внимание иммунологов, молекулярных биологов, генетиков, биохимиков, и др. специалистов. Нам это интересно с точки зрения ЦМБД – Центральной Догмы Молекулярной Биологии, в соответствии с которой информационный поток в клетке однонаправлен: ДНК→РНК→Белок. С открытием в середине 70-х (Г.Темин и Д.Балтимор, лауреаты Нобелевской премии) фермента обратной транскриптазы, способного копировать ДНК на РНК-матрице, схема приобрела вид ДНК↔РНК→Белок. Означает ли это, что предложенный вПОТ-механизм преобразует схему до вида ДНК↔РНК↔Белок (либо Нуклеиновые Кислоты↔Белок)? Ответ – нет, все сложнее. Данный механизм, вероятно, сконструирован природой как вариабельный (допускается несколько вариантов перевода). Изучающие высочайшую вариабельность антител и рецепторов Т-клеток иммунологи могли бы назвать его механизмом запрограммированной изменчивости. Надежность такого механизма, как и любого биологического, не стопроцентная, поэтому возможен элемент случайности. Таким образом, механизм вариабельного перевода с языка аминокислот на язык нуклеиновых кислот, касающийся не целого белка, а лишь незначительной его части (эпитопа, набор конформаций которого не соответствует таковому в составе целого белка), не отменяет ЦМБД, а лишь уточняет место ее. Механизм должен рассматриваться вне рамок догмы (биохимический способ преодоления догмы «в обход»; из дальнейшего будет видно, что это разноуровневые системы). Он может включать большое количество разнородных компонент, и, в отличие от обратной транскрипции (возможный источник этой активности у человека – ретротранспозоны L1, около 30 тыс. копий на геном), вряд ли может обеспечиваться одним ферментом. Скорее всего, подобно рибосоме (синтез белка), сплайсосоме (вырезание/сшивание отрезков РНК), эдитосоме (редактирование РНК), праймосоме (связан с прерывистой репликацией), работа механизма может обеспечиваться сложноорганизованной многокомпонентной машиной – назовем ее «ретранслосомой». Предполагается, что это комплексное самоорганизующееся супрамалекулярное (фотон-/электрон-/протон-/ион-…/надмолекулярное) образование с наномолекулярными включениями, способное к избирательному распознаванию пространственной конфигурации (сортингу эпитопов), а также катализу, переносу и молекулярному переключению (Благутина 2003; Сироткин 2003). В образующихся динамических комплексах, при попеременном обобществлении электронных оболочек отдельных элементов, периодически формируются структуры, способные к образованию лабильных молекулярных ансамблей и межмолекулярных низкоэнергетических нековалентных связей. По Пригожину И.Р. (Данилов 2004) речь идет о неравновесной системе, находящейся вдали от положения равновесия, в потоке подводимой энергии, когда система начинает вести себя нелинейно, возникают корреляции в поведении отдельных ее элементов, и появляются различные упорядоченные пространственновременные диссипативные (рассеивающие энергию) структуры. В открытой системе среди множества таких структур выживает одна, и за хаосом на микроуровне (рост энтропии) следуют макроскопические порядок и организация (снижение энтропии). А обобществление электронных оболочек может сопровождаться сбросом избытка одних, и поглощением других наборов фотонов (назовем этот процесс как «скрытый фотонный фейерверк»). Заметим, считают, что время фотонных транзисторов и компьютеров (Минкин 2004), а также ДНК-нанокомпьютеров – не за горами. Давайте учтем, что, подобно детективным историям, в науке также в первую очередь изучаются хорошо заметные факты («найден труп»), и только затем проводится анализ множества косвенных данных, позволяющий, иногда, приблизиться к видению очередной, более целостной картины событий, предшествующих обнаружению конечного результата. Один из таких фактов – соматические мутации лимфоцитов, природа появления которых во многом не известна. Однако один и тот же вариабельный механизм в схожих, но не одинаковых органеллах (Мт и Хп) может использоваться для различных целей. Между органеллами есть существенные различия (только самые главные): в Мт (особенно животных и грибов) число видов тРНК (22-24) резко минимизировано (у разных видов оно колеблется в ряду 2-27; у высших растений оно может достигать 27; у трипаносом значительная часть тРНК-генов отсутствует полностью). В Хп же и Яд количество (37) и число видов (32) тРНК-генов почти одинаковое. Почти все гены (~95%), кодируемые Мт высших животных, имеют своих двойников в Яд, а в Хп до трети генов таких двойников не имеют. Наконец, только Хп являются фотосинтезирующими органеллами (с участием мембранных антен свет-абсорбирующих тилакоидов). И принято считать, что в процессе эволюции нуклеиновая информация движется от Хп к Яд и Мт, но не наоборот (см. ниже). Все это позволяет нам кое-что предположить (подробности: Дейчман и др., 2005). 1.Иммунологический аспект: Первый случай: касается Мт макрофагов (Мф). Эти клетки одни из первых встречают «вражеский» (токсичный) антиген (АГ). АГ может принадлежать инфекциям или поврежденным структурам собственных клеток (часто «повинен» вирус). Такой АГ иммунная система (действующие «в сговоре» Мф, Т- и В-лимфоциты) анализирует по небольшим фрагментам. После поглощения АГ обрабатывается в специальных клеточных органеллах (фаголизосомах, протеосомах, др.) и разрезается – на линейные и нелинейные (вероятно фиксируемые сшивками) фрагменты. Возможны три вида фрагментов: похожие на собственные (надо защитить) (1), чужие знакомые (активируют уже имеющиеся Лф) (2), и чужие новые (3). Полноценный первичный иммунный ответ возникает по отношению к последним. Тогда, вероятно, необходим наш вариабельный (программируемой изменчивости) вПОТ-механизм. Образуются несколько вариантов НЭ. Прежде чем появятся высокоспецифичные антитела (к АГ; включая В-рецепторы) или рецепторы Т-клеток (к клеточным АГ), В- и Т-лф должны (не быстро) пройти два процесса: лимфопоэз (наработка клонов Лф в костном мозге и тимусе), и лимфоиммуногенез («натаскивание» Лф против обнаруженных мишеней как можно раньше и ближе к «входным воротам» АГ: коже, слизистым легких, кишечника, лимфоузлах, др.). Созревание Лф требует тесного физического контакта между Мф и Т-лф (хелпер), и Т-лф с НДП (низкодифференцированным предшественником в костном мозге, тимусе). Тогда возможно следующее: НЭ встраивается в ВНП (Вектор-подобную Нуклеиновую Последовательность) – для ВНП-передачи между контактирующими парами клеток: Мф→Т-клетка→НДП (рис.3). [Есть еще один, параллельный вариант, который можно назвать пока без рассмотрения: НЭ может «упаковываться» в виде нуклеопротеидного, РНП-/ДНПкомплекса; это может оказаться необходимым для физиологической регуляции как экспрессии микро-РНК (и подконтрольных им трансактивирующих факторов) в геноме, так и для конкуренции на уровне трансляции многих мРНК, контролируемых в.н. микро-РНК (в цитоплазме, др. компартментах). В целом речь идет о регуляции генных сетей различных тканей. Набор вариантов вПОТ-механизмов пока не удается ограничить единственным вариантом, но это не противоречит принципу диатропики, т.е. достижения в различных генетических системах одного и того же результата разными путями (Чайковский 2003)]. Далее, ВНП (с НЭ внутри) встраивается в геном НДП-клеток, которые претерпевают лимфопоэз (АГ-специфических изменений в рецепторах Лф не наблюдают; но изменения в целом геноме не исследованы!). Затем – и лимфоиммуногенез, где АГ-специфические изменения проявляются в виде соматических гипермутаций (СГМ) Вклеток (высокоафинных антител), и супервысокой изменчивости рецепторов Т-лф. В итоге наблюдают кодируемые (рекомбинации, реаранжировки) и некодируемые (вставки/делеции нуклеотидов) изменения в АТ и в рецепторах Т- и В-клеток. Подобный сценарий в начале 60-х гг. описывал автор клональноселекционной теории Ф. М. Бернет (1964; он выдвинул 3 главных положения). 1. «Фрагмент АГ встраивается в механизм иммунного ответа» (аналог вПОТ-механизма?); 2. «нуклеиновый результат в виде “генокопии” передается между клетками» (аналог ВНП-передачи между клетками?); 3. «с общебиологических позиций маловероятно предсуществование абсолютно всей необходимой для иммунного ответа информации». (Здесь можно кое-что «возразить»: может предсуществовать сам механизм программируемой изменчивости, но не результат его деятельности). Эти высказывания – о возможном изменении отношения к ЦМБД, которая: 1. отражает на молекулярном уровне догму «барьера Вейсмана» (непрерывность зародышевой плазмы и однонаправленность генетической информации: зародышевая плазма→сома); 2. соответствует принципу «чистоты гамет» по Менделю, провозглашавшему неизменность генов (эти догмы/принцип отражают важную часть, но не всю действительность). Заметим, в частности, что, если вПОТ/ВНП-передача механизмы включены в иммунный ответ как обычные, то они могут быть ответственны и за создание суперизменчивости генов белков (gag-, env-, pol-, oth.), ответственных за внедрение/размножение ВИЧ и других ретровирусов в клетки и их геномы (Дейчман 2000). ВНП (ВНП-передача) АГ (чужеродный АГ) Mф Т-хелп Т-хелп НДП Область тесного физического контакта. Рис.3 Гипотетические вПОТ/ВНП-передача механизмы, возможно ответственные за формирование гипервариабельности в Аг-специфических участках рецепторов В- и Т-клеток. АГ – антиген; Мф – макрофаг; Т-хелп – Т-клетка-помощик; НДП – НизкоДифференцированный Предшественник в костном мозге (и в тимусе?). Интересно высказывание известного российского иммунолога проф. Ярилина А.А. (1999; стр. 567). 1. …«Теоретическая иммунология…в контексте “древней” проблемы комплементарности, может оказаться наукой, достаточно далеко отстоящей от традиционной инфекционной науки, хотя и отталкивающейся от той же феноменологической основы»…; 2. …«Иммунологам некогда теоретизировать»… 3. …«Старая парадигма начинает тормозить развитие науки»… 4. …«Ситуация не может продлиться долго»… 5. …«Теоретические обобщения, скорее всего, затронут основу иммунологии – проблему иммунологического распознавания». 2. Генетический-код-формирующий – эволюционный аспект: Второй случай: возможное использование вПОТ/ВНП-передача механизмов в хлоропластах. Выше отмечены существенные отличия Хп от Мт по: набору тРНК-генов; наличию генов-двойников; абсорбирующей свет (или Энерго-Лучевой Поток, ЭЛП) способности; направленности нуклеиновой информации (Хп→Мт/Яд). В этом случае вПОТ-механизм может быть связан с формированием соответствия между аминокислотой эпитопа и нуклеотидами НЭ (в составе ретранслосомы, схема 1). Полученный НЭ эпитопа может встраиваиться в ВНП, интегрирующую в геном Хп, Мт или Яд растительной клетки. Только клетки растений имеют три (Яд, Мт, Хп) геном-содержащие органеллы. Допускалось, что восприятие ЭЛП хлоропластами – это процесс извлечения не только энергии (фотонов; характерно для фотосинтеза), но и информации (наборы фотонов - различны), которая (через ретранслосомный комплекс, схема 1), может влиять как на формирование самого кода, так и на разнообразие в его рамках (Дейчман 1999). Почему? – Потому, что в эволюционирующей Вселенной вряд ли не эволюционирует и сам ЭЛП (формирование кода), образованный тремя - солнечной, земной, и космической – составляющими. Поток имеет и географические различия (например, на экваторе и полюсах): сочетания индивидуальных составляющих ЭЛП различны для каждого отдельного региона целой биосферы (разнообразие в рамках кода). Тогда фотосинтезирующие организмы различных регионов могут абсорбировать не одинаковые (по уровню их энергии) наборы фотонов. Таковы возможные причины направленности эволюционного движения генетической информации от Хп к Мт/Яд. Однако соответствие аминокислота/кодон (схема 1) может также зависеть и от взаимодействия элементарных (фотонов) и квазиэлементарных частиц (быстродействующих актов возбуждения конденсированной поверхности, такими как фонон, магнон, экситон, поляритон, солитон) глико-липо-протеидного вещества мебран Хп (тилакоидов). Общий ЭнергоЛучевой Поток (ЭЛП) на фоне всех пóлевых и физико-химических особенностей поверхности Земли (биосферы) Аминокислоты Белкового эпитопа Нуклеиновые кислоты белкового эпитопа данного региона. Схема №1. Формирование соответствия между аминокислотами эпитопа и нуклеотидами кодонов НЭ в составе ретранслосомы ( по сути УГК-кода и разнообразия в его рамках у фотосинтезирующих) зависит от общего ЭнергоЛучевого Потока (ЭЛП, включая солнечную, земную, космическую компоненты его) на фоне всех пóлевых и физико-химических особенностей данного региона поверхности Земли (биосферы). [Заметим, что известный вирусолог Woese C.R. (2000) считает, что было бы наивно полагать, что генетический код определялся исключительно физико-химическими особенностями взаимодействия аминокислоты и кодона даже на ранних этапах эволюции, и тем более нельзя игнорировать роль более крупного «игрока» – не тонкой «рибосомной прокладки».] А свойства каждой из составляющих этого вещества в значительной степени заданы генетически. Выходит, генетический код не определяется только взаимодействием аминокислотного и нуклеотидного языков, а контекстно этапу эволюции зависит и от взаимодействующих с ними языков элементарных и квазиэлементарных частиц (т.е. вПОТ-механизм выступает в роли «ретранслятора особого рода», а НЭ претендует на роль нового «элементарного кирпичика наследственности»). Причем все языки изменчивы (по крайней мере, плотность потока элементарных частиц в расширяющейся/пульсирующей Вселенной не одинакова). Кроме того, при любом виде деления, дочерним клеткам передается не только ДНК, но и некоторые структурированные компоненты, аппараты и органеллы, без которых полноценное воспроизводство клеток невозможно. И это, однако, не все: фотосинтезирующая (генетический-кодформирующая) часть биосферы нарабатывает не только для себя, но и для остальной (резервуарной) части эволюционно актуальный генетический материал, перераспределяемый между организмами и видами (поддержание внутри- и межвидового разнообразия). Эту функцию обеспечивает система Генетической Челночной Обратной Связи (ГЧОС-система), включающая известные и неизвестные вирусы и подвижные генетические элементы. Обмен генетическим материалом может относиться и к ситуации симбиоза между организмами (Фащук 2003). Считают, что до 220 генов досталось позвоночным «в наследство» от бактериальной кишечной флоры (Тарантул 2003). Предполагают, что между господствующими в ранний эволюционный период одноклеточными [как в случае фотосинтезирующих пурпурных бактерий (Woese С.R. 2000)] преобладал горизонтальный, а не вертикальный тип передачи генетической информации. Это важно для понимания природы ДНК-консерватизма. Но тогда организация современной ядерной наследственности, частично, может оказаться вторично унифицированной по отношению к хлоропластной, т.к. ЭЛП-воспринимающие ДНКсодержащие структуры могли «диктовать» остальным очередные и код, и разнообразие в его рамках. [Это соотношение, вероятно, сохраняется и для одноклеточных.] Мы не знаем, сколько кодов предшествовало современному УГК, хотя и для него выявляют несколько (до 10) этапов становления. А ведь еще раньше могли существовать и доклеточные системы с элементами кодирования, описанные, в частности, сторонниками концепции РНК-мира. Но если кодов было несколько, то не способные к фотосинтезу Мт, это, возможно, структуры, в которых природа неоднократно фиксировала свои попытки создания очередных кодов. Назовем несколько причин, по которым кодов могло быть более одного. 1. Вырожденность кода (ранее одна АК использовалась разными кодами?). 2(-3): Главная роль первых двух или центрального нуклеотида кодона. 3. Наличие одно-/динуклеотидных коферментов и предпочтений при распознавании у ферментов (возможное использовались не-триплетных кодов?). 4(-6): Использование одних и тех же биосинтетических путей аминоацилирования в парах (Глу/Глн, Асп/Асн, др.) аминокислот. 5. Включение большого числа нестандартных нуклеотидов в РНК и ДНК. 6. Существование ныне не полимеризуемых десятков нестандартных некодируемых аминокислот; селеноцистеин - двадцать первая стандартная АК (расширение алфавита?). Перечень не полный. Возможно сам код, формируясь, мог варьировать число и заменяемость нуклеотидов в кодонах. То же касается числа и соотношения стандартных/нестандартных аминокислот. Кроме того, ДНК возрастом в 1 миллион лет и старше не обнаружена, а сохранность фрагментов митохондриальной (до 100 тысяч лет) и ядерной ДНК (до 10 тысяч лет в тканях зубов, костей) таковы, что возраст современного УГК напрямую неопределим. Древние же окаменелости, включая бактериальные, и подверженные полимеризации и поликонденсации низкомолекулярные фрагменты (хемофоссилии), являются лишь морфологическими структурами, природа которых, в некоторых случаях, может быть даже абиогенной (Федонкин 2003; Кизильштейн 2003). Наконец сам факт сосуществования различно читаемых геномов (исходно различных кодов?) в одной клетке, возможно, означает связь времен и преемственность процесса передачи заложенной в них информации. Тогда механизмы вПОТ/ВНП-передачи одновременно необходимы и для перевода нуклеиновой информации с языка одного кода на другой, т.е. унификации разночтений. В этом смысле важно, что древние эндосимбиотические Мт и Хп, кроме генетических и ферментативных, выполняют и энергообеспечивающие функции. Возможно дело в том, что «входные ворота» эволюционных часов постоянно формируемого кода работают только в контексте приобретения через усвоение более ранних «наработок». Тогда другая теория, согласно которой митохондриальное кодирование моложе ядерного, также отчасти верна: будучи более древним, оно, в период симбиотического объединения, могло подвергнуться ретрансляции на язык УГК – но с сохранением исходной специфики. 3. Возможная Единая Природа Изменчивости и Наследственности: 3.1. Круговая порука: «без связей – никуда». Лаплас: то, что мы знаем – ограничено, а то чего не знаем – бесконечно. Е.Чаргафф: вопросы вечны – ответы обусловлены временем. Как же гипотетические вПОТ/ВНП-передача механизмы могут быть связаны одновременно с проблемой наследственности и изменчивости? В общем-то, просто. Другое дело, что подобные вопросы из разряда вечных. И каждое новое поколение исследователей будет объяснять этот, на первый взгляд риторический, вопрос иначе. С точки зрения обновляемой парадигмы важно, что всю биосферу можно поделить на две части: формирующую генетический код и разнообразие в его рамках (фотосинтезирующую), и ту, что этот генетический код «потребляет» – накапливает и сохраняет геномы (резервуарную часть). Конечно, деление условно, т.к. виды совмещают эти свойства - но в разной степени. Например, растения, передавая из поколения в поколение свои гены, и «накапливают» их. А у животных есть чувствительные к свету ткани (кожа, глаза), которые, не исключено, косвенно ответственны за формирование если не кода, то, возможно, разнообразия в его рамках. Перераспределение генетического материала (с новым или стандартным НЭ) выполняет вышеназванная ГЧОС-система. Геномы каждой ткани организмов, известно, способны лучше включать и удерживать только некоторые из множества экзогенных МГЭ. Например, бунья-, поти- и рабдовирусы проявляют видовую и/или тканевую специфичность, курсируя между двумя облигатными хозяевами – растением и насекомым. Степень же вариабельности НЭ, нарабатываемых за конкретный временной период, зависит от изменений свойств самого ЭЛП «вблизи этого периода». Поэтому, хотя «новизна» может появляться постоянно, ее качество и интенсивность не всегда будут достаточными для закрепления в одном из геномов конкретного вида. В то же время поток стандартных НЭ, вероятно, подвержен различным циклическим изменениям. Показано, что световой поток необходим для редактирования хпРНК некоторых высших растений (горох, табак). Так (C→U)редактирование по сайту-III НАД(Ф)Н-субъединицы дегидрогеназы происходило только при активном фотосинтезе в свето-зависимой стадии развития растения. При достаточной освещенности редактирование определенных сайтов транскриптов некоторых белков вело к устранению блока по переносу электронов, а при недостаточной – к отсутствию фотосинтеза, уменьшению редактирования РНК, падению содержания и увеличению «бессмысленной» флуоресценции хлорофилла. Редактирование РНК ведет к эволюционной унификации ДНК (последовательностям-двойникам) в Мт и Яд, но оказывается невостребованным там, где в геноме уже стоит «нужный» нуклеотид. Анализ процесса редактирования РНК (Дейчман 2001) показал, что он является прямо (U-вставки/делеции), или косвенно (А→I дезаминирование в днРНК) матрично-зависимым. И каждый раз оказывалось, что минимально редактируемым участком РНК был отрезок до 1.5-3 десятков нуклеотидов (соответствует длине НЭ). Именно поэтому логично допустить, что гипотетические вПОТ/ВНПпередача механизмы поставляют «управляющую» информацию (в виде НЭ), и могут работать в тесной связке с редактированием РНК (схема 2), причем редактирование может быть первичным по отношению к одним, и вторичным по отношению к другим представленным процессам. На схеме 2 представлена возможная связь гипотетических механизмов с процессом формирования белкового и генетического полиморфизмов, а также с другими известными механизмами. Среди последних: репликация, прямая/обратная транскрипции, трансляция (синтез белков), сплайсинг, редактирование РНК, др. К модификации белка могут вести связанные с редактированием РНК изменения в мРНК, тРНК, рРНК, др. Каждый измененный белок конкурирует со стандартным (быстрая проверка на функциональную значимость) по степени востребованности. Аналогичной конкуренции подвергаются и соответствующие РНК. Редактирование транскриптов генов эволюционно длительно, хотя, казалось бы, проще один раз изменить нуклеотид(ы) в геноме, чем содержать сильно затратную редактирующую машину. Клетки, однако, не отказываются от содержания и других «не дешевых» процессов (95% Лф гибнут в результате запрограммированной смерти апоптозом). Однако отмечена корреляция между востребованностью РНКредактирования и эволюционными преобразованиями в ДНК-геноме. Что же может происходить до того, как в геноме установится «нужный» нуклеотид и потребность в редактировании сайта отпадет? – Предположим, вот что. Измененный НЭ может попасть в геном двумя путями. Первый: через обратную транскрипцию (скорее фрагмента) редактируемой РНК. Важно, что в органеллах две разных РНК могут объединяться в химерную (обратным транссплайсингом): это «облегчает» НЭ-ту задачу встраивания в новосинтезируемый редактируемый транскрипт. Второй вариант – прямой перенос НЭ в геном в составе специальной ВНП (РНК-/ДНК-транспозона). Схема 2 допускает оба варианта, хотя второй вариант, иногда, более предпочтителен. Почему? Минимальный размер фрагмента (длиной в НЭ) создает больший выбор потенциальных сайтов для закрепления в геноме (особенно высокодифференцированных организмов). А длина эпитопа и его НЭ соответствуют природным олигоструктурам (белковым и нуклеиновым), которые могли появиться в эпоху РНК-Мира, а еще ранее ВНП-передача Генетический полиморфизм Ревертазная и подобная активности Редактирование: Обычная экспрес сия. Изменения в : мРНК «гид»-РНК U+/– Белковый Полиморфизм: НЭ Гипотетич вПОТмеханизм в органелл (Мт и Хп) тРНК Другие виды рРНК. Проверка функциональн РНК-редак рРНК “гид”- РНК-подоб. (мяРНК, др.) СХЕМА №2 изменения в мРНК, тРНК, значимости Схема №2 Вероятное сопряжение гипотетических вПОТ/ВНП-передачи и редактирующего механизмов при формировании различных полиморфизмов. НЭ – нуклеиновый эквивалент эпитопа. ВНП-передача – передача вектор-подобной нуклеиновой последовательности. U – уридиновые вставки/делеции при редактировании у трипаносом. мяРНК - малые ядерные РНК 2-х видов: митохондриальные “гид”РНК (gRNA) трипаносом, и ядерно/ядрышковые РНК (sn/sno RNA) животных. – абиогенно. За миллиарды лет олигоструктуры, конечно, изменялись, но могли сохраняться поддерживающие эту преемственность механизмы межкодовой ретрансляции. Причем таким образом, что внутри клеток до сих пор существует их модифицированная конкурентная эволюция (сортинг эпитопов). Однако получается, что редактирование РНК, обеспечивающее полиморфные варианты белков и РНК, и становление генетического полиморфизма, могут идти параллельно. Оба процесса, возможно, связаны с вПОТ/ВНП-передача механизмами (схема 2). Но генетический полиморфизм, вероятно, запаздывает: только в случае реальной востребованности функционально более значимого варианта белка (или РНК) будет продолжен процесс формирования и генетического разнообразия. Это может сопровождаться фиксируемыми точечными/ /блочными перестройками генома. А ведь это не одноактный, а растяжимый во времени (каждого этапа) многоступенчатый процесс (необходимо найти один из тысяч потенциальных сайтов, и «усидеть» на нем, не вызывая летального исхода). Рассмотрим вопрос о механизмах поддержания внутривидового биоразнообразия у растительных мутантов-невидимок (Венжик 2003), формирующих новые признаки. Взаимодействующей «рабочей парой» здесь являются ген-мутант и ген-супрессор. Они регулируются определенными условиями: температурой, влажностью, облучением, препаратами, освещенностью. Оказывается, этот процесс протекает скрыто, т.к. фенотипы (например, по признаку пестролистности) множества различных мутантов выглядят единообразно. Движущая сила процесса – блочные перестройки и точечные мутации в геноме – т.е. и здесь нужны наши механизмы. Что же нового предлагает наш подход? – Вероятно то, что одни и те же гипотетические механизмы, в связке с редактированием РНК (и др.), как ни странно, могут «работать на результат» и изменчивости, и наследственности (своеобразная «круговая порука»?). Но каким образом? – Генетический-код-формирующая часть биосферы нарабатывает стандартные и измененные НЭ, которые, при работе ГЧОС-системы (включая ВНП, организмы-симбионты и вирусы), закрепляются в геноме одной из ДНК-содержащих органелл (Мт, Хп, Яд), и/или перераспределяются между видами обеих частей биосферы. Только закрепление стандартных НЭ – как и сами предлагаемые механизмы – останутся незамеченными (нет изменений – нет механизмов, «вещь в себе»). В чем парадокс подобных событий? – Во-первых, в том, что тогда консервативные последовательности генов могут появляться у биологических видов не только в результате «пассивной» вертикальной (в ряду поколений) передачи, но и в результате динамически активного горизонтального переноса, с последующим обычным вертикальным способом закрепления его. Возможно, поэтому: 1. многие наши гены (например, перемещающий ДНК-транспозоны ген транспозазы) имеют, обычно, большой процент сходства с гомологичными генами даже бактерий и вирусов. 2. эволюционные филетические классификации, выстроенные на основе имеющих внутреннее сходство внутриклеточных молекул (различных рРНК, ревертаз, др. белков), а тем более с участием молекул вирусов – обнаруживают несовпадения. Заметим, что вирусы, вероятно, включают способность к воспроизводству древних, современных, и, возможно, только нарождающихся стратегий репликации. Их уникальность в том, что ни одна молекула, продукт, или функция не являются общими для всех вирусов. Во-вторых, в контексте единого генофонда биосферы (обусловленных, в частности, сочетанием вПОТ и функционирующей ГЧОС-системой) может по-новому встать вопрос о соотношении «простых/сложных» организмов. Степень усложненности может отражать не только эволюционно-временной период, но и специфический способ функционирования отдельного вида («детальки» системы) внутри группы сообществ, все организмы которой генетически унифицированы в рамках экологически единого пространства. Другими словами, сравнивая организмы, принадлежащие одному коду (современному УГК), мы исследуем, вероятно, только часть эволюционного периода (хотя и не слабую). Наша же задача, если кодов было несколько, «откопать» недостающие звенья из недр генома – главного молекулярного ископаемого и хранилища еще непрочитанных страниц эволюции. Одним из возможных парадоксов может быть то, что именно сложноорганизованные организмы сохраняют более тесную, но пока скрытую более поздними структурноорганизационными и функциональными наслоениями связь с более ранними эволюционными генетическими «наработками» (системами и механизмами). 3.2. Каждый по-своему неправ (или «Они-то не наследуются, но Кое-что – это не Они») А теперь выполним обещанное и вернемся к проблеме наследуемой изменчивости (авторы: «первый» – д.б.н. Животовский Л.А.; оппонирующий – д.м.н. Полищук А.М.). В этих статьях обсуждалась проблема наследуемости приобретенных признаков, и авторы признают, что признаки – приобретаются (и «новые», и «старые»), но пути разные. И оба автора не предлагают своих новых механизмов, хотя очень интересно обсуждают роль модификаций и эпигенетического наследования. Не будем обольщаться и мы: наши новые механизмы (или подобные) могут быть показаны не сейчас, и мы, возможно, не станем свидетелями «окончательного решения вопроса»… «Первый» автор считает, что признаки появляются в результате преодоления «барьера Вейсмана» (барьеры не абсолютны; наследуемости модификаций Вейсман не отвергал). Им рассматривались иммуноглобулиновые гены половых клеток, содержащие нуклеотидые следы реаранжировки, косвенно свидетельствующие о переносе кДНК-последовательностей (копируемых на РНК-матрицах) из претерпевших мутации (СГМ) лимфоцитов (использовались данные австралийских авторов Steele & Blanden). У вегетативно размножающихся растений возможность такого переноса усиливается, т.к. отделение зародышевых путей от сомы происходит здесь более поздно. Заметим, что опыты Вейсмана по отрубанию хвостов у крыс (в ожидании наследственно закрепленной породы короткохвостых особей) кажутся не очень-то корректными. Хвост в норме появляется естественным, а не искусственным путем (сам Вейсман: «наследование искусственно вызванных потерь частей тела вполне отвергается»), и за очень длительный эволюционный период (миллионы лет), а не за считанные годы (несопоставимость сроков). К тому же хвост – это даже не признак, а группа признаков (физиологических, поведенческих). Вероятно, найти ген(ы), который(е) может нарушить образование хвоста можно, а вот целиком воссоздать хвост – вряд ли. Далее приводятся данные о длительно наследуемых модификациях: метилированные ДНК – источник минорных оснований и потенциальных «горячих точек» изменчивости. Известно (Ванюшин 2004), что уровень метилирования специфичен для: различных участков ДНК, внутриклеточных процессов, патологий, тканей, органелл (Мт, Хп, Яд). Но это – контроль генетических признаков (своеобразные биологические часы). За модификации ответственны специфические метилазы, узнающие определенные участки и сайты (CG, СNG) в ДНК каждого из эукариот и бактерий. Главное – метилирование специфично (у бактерий – штамм-специфично) защищает от расщепления собственными нуклеазами. Интересно, что метилированию подвержен аденин из TGATCA участка ДНК-варианта якорной UGAUCAGUAUA последовательности белка аполипопротеина-Б, необходимой при C→U дезаминирующем редактировании. А соматические гипермутации (СГМ=SHM) и класспереключающие рекомбинации (КПР=CSR) генов иммуноглобулинов Влф связывают с активностью родственной AID-дезаминазы, ответственной и за РНК-редактирование, и за ДНК-мутации. Причем горячая точка – мутабельный ДНК-наномер (GACTAGTAT), с заметной комплементарностью к вышеназванному ДНК-варианту якорной последовательности. Это говорит о том, что между ДНКмодификациями/мутациями и РНК-редактированием (ДНК-/РНКуровнями регуляции, схема 2) существует связь. Появление же модификаций/мутаций, не исключено, зависит от неидентифицируемых пока изменений в целом геноме, а не в анализируемых обычно экзонах генов (у человека – это лишь 1,5% ДНК). Таким изменениям могут предшествовать множественное/единичное встраивание НЭ (информационно-матричный сигнал) в целый геном (Дейчман и др., 2005). Такое встраивание, как раз, и можно было бы представить вариантом «Материализации эпигенетики» (название статьи проф. Ванюшина Б.Ф)? «Не наследуются, не наследуются…(Баготский 2003)» (это о признаках – и правильно!) – а модификации-то наследуются! И при этом, можно подозревать, длительное наследование обеспечивается за счет механизмов подобных нашим. Еще раз обратим внимание: речь идет не о целых признаках, а лишь о «мизерных» составляющих их. Тогда название статьи «Они (признаки) не наследуются, и почему» (Баготский 2003), можно было бы изменить на «Они-то не наследуются, но Кое-что – это не Они». Тогда, если прослеживается связь между изменениями аминокислот белка, вызванных редактированием РНК, и ДНКмодификациями/мутациями, то назовем ее фено-генотипическим равновесием (Дейчман и др., 2005). Сходное понятие – феногенотип – у Животовского Л.А. предлагается в качестве единицы отбора. Еще один пример возможной связи редактирования РНК и наших механизмов касается повторяющихся последовательностей. Долгое время их относили к «мусорной» (оказалось – «склад деталей»!) части ДНК (Верховский 2003). Большая часть генома человека (более 50% из 3,2 млрд. нуклеотидов ДНК), считают, не производит ни РНК, ни белков. Все экзоны человека занимают лишь 1.5% (у «более умных» бактерий – их аж 86%!), интроны – 25% (у бактерий нет совсем). Еще 15% генома кодируют не белковые гены, а регуляторную РНК (контроль репликации, трансляции, упаковки хромосом, прикрепления к определенным структурам в ядре, др.). Число генов по разным данным колеблется от 25 до 140 тысяч [наиболее вероятно – 30-40 тыс.; плюс ~ 20 тыс. псевдогенов; (Тарантул 2003)]. Согласитесь, трудно считать «никчемными» повторяющиеся генетические элементы при общей доле их аж до 50% генома (у высших животных), значительном сходстве с инфекционными вирусами, и учитывая, что, из ~ 3 млн. изменчивых сайтов (снипсов), 99% их находятся вне генов! К тому же, например, повторяющиеся Aluпоследовательности, присутствующие в интронах, были «замечены» как перемещающиеся в экзоны (т.н. процесс «экзонизации интронов») и редактируемые в некоторых созревающих мРНК. Интроны относят к наиболее древним, мобильным и быстро эволюционирующим участкам геномов, которые могут быть функционально и эволюционно связаны с содержащими наш НЭ векторами (ВНП). У высших эукариот доля интронов (и нетранскрибируемых областей), выполняющих регулирующие функции и почти отсутствующих у простейших и бактерий, резко возрастает, а доля экзонов – падает. Информационно-матричная роль интронов при редактировании РНКшпилечных структур (А→I дезаминировании) известна. Присутствие повторяющихся последовательностей в интронах и экзонах значительно усиливает их роль. Все возможные варианты устройства генов еще не поняты. Но когда один ген обнаруживают внутри другого (обычно в интроне; в частности, это касается некоторых микро-РНК-генов), то это называют «генной матрешкой». Часто в экзонах с повторяющимися Alu-элементами обнаруживают мутации (обычные гены превращаются в дефектные) – и тогда необходима защита от таких повреждающих вставок (при гемофилииА, например, такие вставки найдены в 18 интроне гена фактора VIII свертывания крови). Вставки способствуют модификации существующих и переключению на новые функции (включая регуляцию экспрессии генов и апоптоз). Складывается впечатление (сугубо мысленный эксперимент в «теории относительности для биологии»), что наши непоказанные пока механизмы способны «накачивать» геном различными повторяющимися элементами, среди которых находится наиболее востребованный (консенсусный) вариант их. (Тем самым как бы осуществляется косвенный контроль любого олигонуклеотидного фрагмента генома?) «Качество» НЭ может определять вероятные сайты заякоривания их в геноме. А далее – как получится: польза, смерть или ожидание результата. Но не бесконтрольно! 3. 3. Вернемся ль, нет в лоно генетически обусловленных процессов...? – Но механизмы подобные нашим – требуются!!! П. и Д. Медавары: генетика предполагает, а эпигенетика располагает. Однако автор-оппонент (Полищук А.М.), отчасти справедливо, модификации связывает с переключением на уже имеющиеся, а не воссоздание новых признаков (влияют условия экспрессии генов в пределах нормы реакции). Действительно, считают, что эта проблема связана с наследованием возможности переключения состояния активации, а не кодирования генов. Хотя изменения могут затрагивать вовсе не кодирующую (белки или РНК) область. Необходимо рассматривать пластичность всего генома. Но, что ценно, «первый» автор (Л.А. Животовский) считает, что для редактирования РНК необходимо присутствие информационноматричного начала (у нас это НЭ), хотя природа появления его ему не ясна. Кстати, известны регулирующие редактирование РНК малые ядрышковые РНК (snoRNAs), от которых зависит метилирование ДНК (эпигенез). Поэтому мы можем представить такую последовательность событий, при которой гипотетические вПОТ/ВНП-передача механизмы, – вместе или без редактирования РНК, – влияют на формирование как генетического/эпигенетического, так и РНК- или РНК-/Белкового видов полиморфизмов (схема 2). Кроме того, этот автор обращается к проблеме «обратной трансляции». В кавычках потому, что между «обратной трансляцией», протекающей там же где и «прямая» трансляция, и понимаемой как синтез нуклеиновых кислот на целом белке как на матрице (с одной стороны), и вПОТ/ВНП-передачамеханизмами (с другой стороны) есть «большая разница»: 1. по однозначности/вариабельности; 2. по длине рассматриваемых фрагментов; 3. по уровню организации взаимодействующих структур 4. по общему способу встраивания в современную парадигму клеточного метаболизма (у нас пути анаболизма и катаболизма, как и положено, не совпадают). А схема 2 связывает известные механизмы – с нашими. Однако «первый» автор (ссылаясь на теорию эволюции культурных признаков, передающихся обучением) считает, что адаптивная изменчивость не обусловлена генетически. В контексте же наших «простеньких» механизмов возможно вновь вернуть эту упрямо передающуюся по наследству (хотя бы и эпигенетически), но, якобы, не кодируемую адаптивную изменчивость в лоно генетически обусловленных процессов. И хочется перефразировать врачебную байку: неизменно «здоровых» геномов, вероятно, не существует, есть только недоисследованные. Еще в одной статье (Вельков 2002) говорится, что при адаптивном мутагенезе у микроорганизмов, специальный генетический механизм требуется, т.к. скорости случайных мутаций уже не хватает. Функционирует он в неделящейся клетке при стрессе. Такая изменчивость связана не только с точечными мутациями, но и с блочными перестройками ДНК (как и у растений мутантов-невидимок). Это происходит с участием конъюгативных плазмид, обеспечивающих межвидовой горизонтальный перенос у бактерий. Такой «пробой» обеспечивает экспорт устойчивости к антибиотикам, др. При стрессе активируется специальный белок (шаперон HSP70), который предотвращает тепловую денатурацию других белков (при температуре свыше 40ºС) и резко увеличивает частоту перемещений транспозонов. А у растений и животных, за счет естественной и экспериментальной полиплоидизации, показана возможность преодоления межвидового барьера при видообразовании и макроэволюции (Махров 2003). Однако мы отвлеклись. «Второй» автор (благожелательный оппонент) считает, что преодолевать «барьер Вейсмана» ни к чему, достаточно случайных изменений генома половых клеток, а далее действует отбор и специальных механизмов не требуется. Правда и это выглядит как отклонение от закона о «постоянстве и преемственности зародышевой плазмы» Вейсмана; заметим, что закон хороший, правильный – особенно если его не абсолютизировать. Классик, не обнаружив проку в отрубании хвостов у крыс, решил противопоставить отдающему своеволием принципу наследуемости приобретенных признаков Ламарка ему противоположный (и правильно сделал!). Сегодня известно, что зародышевая плазма все-таки изредка, но успешно (!) инфицируется, по крайне мере, ретровирусами. Мы, однако, не станем, как Ламарк, обсуждать признаки (хотя, что он мог предложить тогда, когда ничего не знали о веществе наследственности?), т.к. каждый из них сложноорганизован, и может поддерживаться не единичной точечной мутацией одного гена. Хотя периодически, вероятно, можно наблюдать, как такая мутация, будучи «последней каплей», создает впечатление появления целого признака. Другими словами, признак, также как и ген, расщепился. Заметим, однако, что автор-оппонент провел очень точный анализ того, что существует целый ряд терминологических разночтений («уважаемые ребята, давайте договоримся о терминах!», цитир. по Полищук А.М.), когда признаком называют и упражнение, и свойство, и индивидуальные особенности и черты, и белковую функцию конкретного гена, и сам ген, и просто мутации. Ясно, что все это ведет к смысловой неоднозначности понятий и путанице. И еще про «последнюю каплю». Пока этот эффект не наступил, множество из наблюдаемых мутаций выглядят как нейтральные. Не будем обсуждать и психологические причины невосприятия Ламарка: тот самый «проклятый» вопрос, о лысенковщине, можно читать у Л.А. Животовского. Однако дело также и в в.н. размытости понятий, и в том, что нам-то сегодня гораздо легче, чем жившим более века назад классикам поставить вопрос в контексте современных представлений. Тем не менее, вспомним о Дарвине, который, к концу своей творческой деятельности, почему-то решил создать (а развить тогда было рано) теорию пангенезиса, согласно которой некие частички наследственного вещества («геммулы») из разных тканей собираются в половых клетках. Вот здесь-то и будет к месту, и в очередной раз напомнить о наших вПОТ/ВНП-передачи механизмах (перенос НЭ внутри ВНП в геномы соматических и половых клеток) возможной множественной наведенной программируемой изменчивости/наследственности (а в будущем, вероятно, и физиологической регуляции экспрессии генов микро-РНК и трансактивирующих факторов, а через них – и целых генных сетей) – хотя они и не показаны пока. Однако в 2001 году M.Nashimoto методом РНК-селекции в пробирке (при создании т.н. РНК-аптомеров) создал 83-нуклеотидную специальную РНК-структуру (называемую hammerhead, и считающуюся базовым представителем эпохи РНК-Мира), которая содержала Arg-связывающий домен и кодон этой аминокислоты (AGG) на своем 3’-конце. Этот рибозим проявлял единственную аутонадрезающую активность по углероду С80 остова молекулы. При определенных условиях (лигазная активность, концентрация Mg2+, др.) такие концевые кодоны экспериментально присоединялись (в 3‘→5’ направлении) к специальной олигонуклеотидной последовательности (к т.н. пре-мРНК, комплементарной свободному 5’-концу в.н. hammerhead-структуры). Последние могли выполнять роль запоминающей матрицы об исходных олиго- или протеиноидных аминокислотных последовательностях (с Arg и др. аминокислотами). По мнению M.Nashimoto существовал эволюционно кратковременный период двунаправленной (РНК↔Белок) РНК/белковой симметрии (взаимопревращения олигоструктур обоих, РНК и белков, видов). Затем этот процесс стал контрпродуктивным (из-за накопления избыточного «генетического груза») – и исчез (т.е. сохранилась только «прямая» РНК→Белок трансляция). Наш же подход опирается на множество косвенных данных о том, что подобный процесс не исчез (Схема 3), был взят под контроль (клеткой/доклеточными структурами), и до сих пор участвует во множестве нормальных и патологических процессов (вместе с другими известными механизмами экспрессии генома). К последним можно отнести редактирование РНК, поддержание гипервариабельности и консервативности отдельных небольших участков геномов, межкодовой/межгеномной ретрансляции, генетических/эпигенетических изменений и патологий, феногенотипического равновесия, формирования генетического кода и разнообразия в его рамках, микро- и макроэволюции (Назаров 2005), и многих других (Схема 3) процессов, в совокупности обеспечивающих непрерывность биологического кодирования. Возможная связь гипотетических механизмов с некоторыми механизмами экспрессии генов/геномов и Гипервариаб-ть и биологическими процессами совместн. эвол клет/ Макроэволюция [точеч. Эвол геномов, адаптац (точ мутац структ генов, блоч перестр; скорее для внутривид изм-й; (Микроэвол?)) (вПОТ(НЭ «снизу») + ВНП-передача). Механизмы экспрессии генов. мутац. регулятор генов, круп. блоч. перестр. генома/хромос., горизонт. перенос, др. (возм для экосист биосферы: нов таксоны→нов виды)]. (Возм «пересеч.» путей «снизу»/«сверху»: вПОТ+ГЧОС-система (синхр. ВНП-передач. разл биол видам) /вирус геномов (в норм/ /патол; программир. перебор вар-в) Редактир РНК: днРНК-матр испол: gRNAs, A→I,C→U. Эфф-ты: сплайснг, усил гфоб/консер, сдвиг рамки, унифик генов, антивир защит , измен в стоп/старт/ /смысл кодон, и др. Механизм межгеномн Гипотетические механизмы (вПОТ/ВНП-передачи, вПОТ/ГЧОС-система) (Яд,Мт,Хп), межкодов ре трансляции. Феногенотипич равновесие. Полиморфизм (Бел, РНК, ДНК) Экология, Биоразнообр, Пищев. цепочки. Эпигенез. Генетические и эпигенетич Некодир экзоны (белков) часть генома (repeats; патологии. introns; rRNAs, tRNAs, si/micro/ sn/sno-RNAs, gRNAs, oth.) Синхр динамич поддерж консервати-ти в разлх геномах (вПОТ+ горизонт перенос (=ГЧОСсистема)). Формир ген кода (разнообр его; у Потенц измен : gRNAs, si-/mi/sn-/sno-RNAs, repeats, introns, exons, rRNAs, tRNAs, Ig(BcR,TcR), oth. совр фотосинтезир орг-в). Нов соотн RNA-/RNP-/DNA-/Protein-Worlds (скрыт продолж эволюц олигостр). Взаимодейств-е «Языки»: Элемент-/Квазиэлем частц, АК/кодон (в составе эпитоп/НЭ компл «ретранслосомы»). СХЕМА №3. *####****** Очевидно, что спора между Ламарком и Дарвином в том виде, который был характерен для последователей и апологетов всех оттенков, не было, т.к. последние либо упрощали, либо абсолютизировали, либо искажали исходный смысл положений будущих классиков – в зависимости от «сиюминутных» требований науки, общественности и политики. *####****** Тот факт, что данная научно-популярная статья написана в основном с использованием материалов всего одного научно-популярного журнала («Химия и Жизнь»: 17 из 31 ссылки), не исключено, свидетельствует о том, что излагаемая проблема уже или почти назрела, как минимум, для обсуждения. Некоторые ссылки: 1. Дейчман А.М. Редактирование РНК // М.: - Русаки. - 2001. - 132с. 2. Животовский Л.А. Ламарк был прав // М.: Химия и Жизнь. – 2003. №4, стр.22-25. 3. Благутина В. Сверххимия // М.: Химия и Жизнь. - №3. - 2003. - стр.8-13 4. Сироткин О.С. Химия на своем месте // М.: Химия и Жизнь. – 2003. – №5. - стр.26-29. 5. Полищук А.М. В действительности все не так, как на самом деле // М.: Химия и Жизнь. - №6. – 2003. - стр.44-48. 6. Котина Е. Недостающее звено // М.: Химия и Жизнь. - №3 - 2004. -стр.38-39. 7. Федонкин М.А. Геохимический голод и становление царств // М.: Химия и Жизнь. - №6. – 2003 - стр.12-17. 8. Кизильштейн Л.Я. Как возникают окаменелости // М.: Химия и Жизнь. - №3. – 2003. - стр.3035. 9. Бернет Ф.М. Целостность организма и иммунитет // М.: - «Мир». – 1964. - стр-106-112. 10. Тарантул В.З. Геном человека // М.: - Языки славянской культуры. – 2003. - 390с. 11. Минкин В.И. Молекулярные компьютеры // М.: Химия и Жизнь. - №2. -2004. - стр.13-17. 12. Ярилин А.А. Основы иммунологии // М.: - Медицина. – 1999. – 607с. 13. Фащук Д.Я. Живая природа // М.: Химия и Жизнь. - №12. – 2003. - стр.40-43. 14. Woese C.R. Interpreting the universal phylogenetic tree // PNAS (USA). – 2000. - Vol.97. - N15. P.8392-8396. 15. Данилов Ю.А. Поэт неравновесной термодинамики // М.: Химия и Жизнь. - №2. – 2004. стр.28-29. 16. Венжик Ю.В. Мутанты-невидимки // М.: Химия и Жизнь. - №6. – 2003. - стр.40-43. 17. Ванюшин Б.Ф. Материализация эпигенетики, или небольшие изменения с большими последствиями // М.: Химия и Жизнь. - №2. – 2004. - стр.32-37. 18. Дейчман А.М., Цой В.Ч., Барышников А.Ю. Редактирование РНК, Гипотетические Механизмы и Контуры Новой Парадигмы // М.: Практическая Медицина, 2005 (in Russian and English). 19. Верховский Л. Гены: время вспять // М.: Химия и Жизнь. - №11. – 2003. – стр.17. 20. Вельков В.В. Стресс – ускоритель эволюции // М.: Химия и Жизнь. – №2. – 2002. – стр.1923. 21. Махров А.А. Рукотворные виды //М.: Химия и Жизнь. - №9. – 2003. – стр.37-41. 22. Дейчман А.М. Черный ящик генетического кода // М.: Химия и Жизнь. - №11. – 1994. – стр.28-33. 23. Nashimoto M. The RNA/Protein Symmetrry Hypothesis: Experimental Support for Reverse Translation of Primitive Proteins // J. Theor. Biol., 2001, v.209, pp.181-187. 24. Дейчман А.М. Один из вариантов точечных мутаций возможно запускается вариабельной поэпитопной обратной трансляцией отдельного эпитопа. Гипотетическая концепция // Депонир.Рукоп. ВИНИТИ, Москва, 1993, №1502-В93. 25. Дейчман А.М. Генетичесий код: взаимодействие аминокислот белов (фрагментов, пептидов) в соответствии с различными правилами, принципами, кодами. Правило исключений // Деп.Рук.№2080-В96, ВИНИТИ, 1996, Москва, 53 стр. 26. Дейчман А.М. Вероятные механизмы гипервариабельности различной природы. Тез. 8 межд.конфер. «Спид, рак и родственные проблемы» // «Русск.Жрнл.»ВИЧ/СПИД», 2000, т.4,№1, стр.62. 27. Дейчман А.М. Вероятное формирование амино-нуклеинового соответствия (эпитопа) в хлоропластах фотосинтезирующих организмов под действием различных лучевых, полевых и физико-химических факторов биосферы // Тез. На II съезде биофизиков России, август 1999, т.3, стр.778-779. 28. Баготский С.В. Они не наследуются, и почему // М.: Химия и Жизнь. - №4. – 2003. – стр.26-27. 29. Зоров Д.Б. Митохондриальный транспорт нуклеиновых кислот. Участие бензодиазепинового рецептора // Биохимия. – 1996. – Т.61. – Вып.7. – С.1320-1332 30. Филиппович И.И.,, Ноздрина В.Н., Светелукин В.В., Опарин А.П. Изучение локализации транскрипционной и трансляционной систем в тонких структурах хлоропластов при гранообразовании. – Молекулярная генетика митохондрий (под ред. Нейфаха С.А., Трошина А.С.): – Л.: Наука, 1977. – С.11-20. 31. Чайковский Ю.В. Эволюция // М.: Центр системных исследований (ИИЕТ РАН), 2003. – 472с. 32. Назаров В.И. Эволюция не по Дарвину // М.: КомКнига, 2005, 520с.
