Введение Геномы эукариот характеризуются наличием большого количества интронов, микро- и минисателлитов, дисперсных элементов, «реликтовых ретровирусов» и других нуклеотидных последовательностей, общая длина которых более чем на порядок превышает длину экзонов генов.
определяющие первичную структуру белков.
Принято считать, что избыток ДНК является пережитком эволюции и лишь засоряет ядро клетки.
В лучшем случае он играет роль радиопротектора, защищая гены от повреждений /1/.
Подобные объяснения достаточно правдоподобны, но недостаточно убедительны.
Трудно убедить себя, что наш геном — это мусорное ведро, наполненное эволюционными отходами или даже эгоистичными нуклеотидными последовательностями, вредными для организма.
Возможная радиозащитная роль этого «мусора» слишком мало утешает. Дублированность человеческого генома стала особенно поразительной после завершения его секвенирования.
Оказалось, что гаплоидный набор хромосом содержит менее 30 тысяч генов, а каждый ген имеет примерно 100 тысяч нуклеотидов.
Это означает, что в кодировании белка участвует менее 2% хромосомной ДНК.
Парадокс избыточности генома и непостижимость молекулярных основ человеческого разума — самые интригующие загадки современной биологии.
Что, если у этих двух загадок есть общее решение?
Компьютерные аналогии
Попытки понять принципы работы человеческого мозга обычно основываются на поиске аналогий между строением центральной нервной системы и строением компьютера.В этом случае нервам отводится роль проводников электрических импульсов, а клеткам мозга приравниваются клетки хранения и обработки цифровой информации.
Но в основе способности мозга воспринимать и обрабатывать информацию могут лежать и другие принципы.
Например, почти забыты аналоговые компьютеры, которые позволяли моделировать некоторые технологические и даже биологические процессы с помощью сопротивлений, конденсаторов, транзисторов и других элементов электрических цепей.
Возможны и другие методы обработки как цифровой, так и аналоговой информации.
В последние годы повышенное внимание уделяется теоретической и экспериментальной разработке идеи квантового компьютера, оперирующего не битами, а кубитами, т.е.
квантовыми битами, носителями которых являются фотоны, электроны, атомы или возбужденные молекулы.
Информация, содержащаяся в кубитах, обрабатывается параллельно, что требует использования специальных алгоритмов, однако реализация такого подхода позволит создать суперкомпьютеры микроскопических (молекулярных) размеров, способные практически мгновенно выполнять сложные вычисления /2/.
Конечно, мозг вряд ли содержит элементы квантовой логики атомного или фотонного типа, но мышление может быть основано на взаимодействии сложных молекул друг с другом, приводящем к изменению их химической структуры или конформации.
Молекулярно-логические операции должны иметь много общего с квантовыми вычислениями и особенностями работы квантовых компьютеров, к которым относятся параллелизм обработки информации, нанометровые размеры логических элементов, а также высокая вычислительная эффективность.
Для некоторых алгоритмов эффективность квантовых компьютеров на порядки превышает производительность современных цифровых суперкомпьютеров, и это достижимо при наличии всего лишь нескольких десятков или сотен логических элементов /3/.
Следовательно, эффективность обработки информации не связана с размером вычислительного устройства.
Центральный биопроцессор
На современном уровне развития молекулярной биологии очень сложно представить, что в человеческом мозге могут остаться незамеченными некие «умные молекулы», запоминающие и обрабатывающие поступающую извне информацию.Если мышление действительно основано на молекулярных элементах, то их химическую природу предсказать не так уж и сложно, поскольку словосочетание «информационные молекулы» издавна прочно ассоциировалось с ДНК и РНК.
Именно нуклеиновые кислоты способны с высокой специфичностью взаимодействовать друг с другом, реплицироваться, транскрибироваться, приобретать сложные вторичные и третичные структуры, изменять конформацию, фрагментироваться и даже редактироваться.
Условия для взаимодействия информационных молекул имеются только в ядре клетки.
Он содержит всю хромосомную ДНК и значительную часть РНК.
Это значит, что именно ядро может служить центральным биопроцессором.
Цитоплазма отделена от ядра мембраной, которая с высокой избирательностью транспортирует молекулы РНК, участвующие в экспрессии генов, т. е.
те самые молекулы, назначение которых вполне понятно.
Следовательно, цитоплазма не содержит (или почти не содержит) информационных молекул, кодируемых избыточной частью генома, и может лишь притворяться периферийным устройством, подключенным к биопроцессору.
Если это предположение верно, то многоклеточный эукариотический организм следует рассматривать как многопроцессорное устройство, состоящее из множества автономных ядерных биопроцессоров.
Информация из ядра в цитоплазму передается в виде мРНК, кодирующей белки, но для межклеточного (межъядерного) обмена информацией необходимо использовать некоторые вторичные химические или физические сигналы, поскольку клеточные мембраны, ограничивающие цитоплазму, обычно непроницаемы для нуклеиновых кислот.
Молекулярный биокомпьютер
Идея использования нуклеиновых кислот в качестве молекулярных элементов вычислительных устройств не нова /4, 5/.Существует даже теория волнового генома, приписывающая ДНК способность воспринимать, обрабатывать и излучать информацию в виде модулированного электромагнитного излучения /6/.
К сожалению, подобные идеи и теории не позволяют понять суть элементарных логических операций, на которых может основываться ядерное мышление.
Кроме того, эти операции могут быть вовсе не элементарными, поскольку алгоритмы работы простейшего квантового компьютера сложны для понимания немногими специалистами, а алгоритмы работы молекулярного биокомпьютера могут оказаться на несколько порядков сложнее.
Взаимодействие информационных молекул друг с другом происходит параллельно, и описать последовательность событий практически невозможно из-за отсутствия самой последовательности.
Представьте, что вы не прочитали этот текст слово за словом, а восприняли его целиком.
Затем, не делая отдельных выводов, измените свое понимание окружающего мира.
Возможно, именно так работает ядерный биопроцессор, в котором результатом обработки информации является изменение состояния системы информационных молекул.
Структурная лингвистика
Нуклеотидные последовательности, выполняющие информационные функции, должны подчиняться неким «грамматическим» правилам.По-видимому, существуют и правила «орфографии», определяемые закономерностями формирования вторичной и третичной структуры нуклеиновых кислот, а также связью строения молекул с их информационными свойствами.
Изучение таких правил может стать основной задачей структурной лингвистики /7/.
Геномы эукариот содержат до 50% сателлитной ДНК, состоящей из блоков тандемно повторяющихся нуклеотидных последовательностей.
Различают микросателлитную (до 4 п.
н.
в повторе) и минисателлитную (более 4 п.
н.
) ДНК.
Блоки комплементарных нуклеотидных повторов могут взаимодействовать друг с другом и участвовать в межмолекулярных взаимодействиях, необходимых для биообработки информации и/или в регуляции экспрессии генов /8/.
Другой тип повтора включает последовательности, разделенные на дисперсные элементы SINE (короткие) и LINE (длинные).
Длина элементов SINE находится в пределах 400 п.
н.
, а для элементов LINE достигает 7000 п.
н.
Геном человека содержит около 1 миллиона повторов Alu, родственных элементам SINE, и более 100 тысяч длинных повторов MaLR /1/.
Общими чертами дисперсных элементов являются их транскрибируемость и способность к транспонированию.
Эти особенности могут определяться участием таких нуклеиновых кислот в работе ядерного биопроцессора.
Транскрипция, например, может быть связана с необходимостью преобразования двухцепочечной ДНК в одноцепочечную РНК, способную к межмолекулярным взаимодействиям.
Транспозиция способна перемещать диспергированные элементы и изменять их взаимное расположение, что приводит к функциональной адаптации структуры биопроцессорной ДНК.
Самой загадочной особенностью структуры эукариотических генов является их мозаичная интрон-экзонная структура.
Гены без интронных вставок — довольно редкое исключение у эукариот. Эзоны, как правило, кодируют транслируемые последовательности, но назначение интронов совершенно неясно.
Наиболее привлекательная гипотеза объясняет мозаичность генов существованием сложной системы регуляции их экспрессии на уровне сплайсинга, причем такая регуляция предполагает взаимодействие интронов с еще неизученными регуляторными последовательностями /9/.
Средняя длина экзонов составляет 137 п.
н.
, а длина интронов может превышать 100 000 п.
н.
/1/.
Считается, что сплайсинг удаляет интроны из мРНК, однако в большинстве случаев правильнее думать об этом процессе как о контролируемом удалении экзонов из мозаичной молекулы, основная часть которой представлена интронами.
После сплайсинга мРНК перемещается в цитоплазму, а в ядре остаются многочисленные петлеобразные интронные молекулы РНК.
Такие молекулы способны нести информацию о количестве и природе РНК, поступающей в цитоплазму, и/или напрямую регулировать созревание пре-мРНК через сложную сеть специфических межмолекулярных взаимодействий.
Нельзя исключить возможность существования глобальной мультимолекулярной многофункциональной биопроцессорной сети, в которой интроны выполняют функцию регуляторов экспрессии генов, причем такая регуляция осуществляется как посредством сплайсинга, так и через многочисленные энхансеры (амплификаторы) и сайленсеры (ингибиторы) транскрипции.
РНК, синтезируемая в ядре, объединяется в гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые комплексы (hnRNP), связанные с компонентами аппарата сплайсинга и ядерного матрикса.
Комплексы гнРНП характеризуются диффузным распределением в цитоплазме, однако часть из них может концентрироваться вблизи спеклов (см.
ниже) и даже перемещаться в цитоплазму и возвращаться в ядро.
Некоторые данные свидетельствуют о том, что перемещение РНК от гена к ядерной мембране не является следствием простой диффузии.
А расположение генов, в соответствии с моделью генного шлюзования, может быть функционально связано с определенными участками (и порами) ядерной мембраны /1/.
Основная архитектура
Ядро окружено сложной оболочкой, к внутренней стороне которой прилегает электронно-плотный слой ядерной пластинки.Пронизанная белковым каркасом (скелетом или ядерным матриксом), нуклеоплазма содержит хроматин — упорядоченные структуры, содержащие ДНК, а также гистоны и негистоновые белки.
В зависимости от степени компактизации ДНК различают эухроматин, в котором экспрессируется основная часть генов, и гетерохроматин, обладающий пониженной транскрипционной активностью.
Гетерохроматин, в свою очередь, делится на конститутивный, который часто состоит из повторяющихся последовательностей ДНК, и факультативный, который формируется на определенных этапах жизненного цикла организма и обычно присутствует только в одной хромосоме из пары гомологов.
Структурно разные участки хроматина могут быть фланкированы инсуляторами — граничащими с ними нуклеотидными последовательностями, участвующими в активации транскрипции генов.
У эукариот существуют три уровня структурной организации хроматина: 1) нуклеосомная фибрилла; 2) соленоид (нуклеомер); 3) петлево-доменная структура, включающая хромомеры /1/.
Хромомеры образуются в результате специфического взаимодействия ядерного матрикса с последовательностями ДНК MAR/SAR (Matrix Associated Region/Scaffold Associated Region) /8/.
Топологические домены, выделяемые последовательностями MAR/SAR, могут изменяться в ходе индивидуального развития организма, что сопровождается изменением характера экспрессии крупных блоков генов в дифференцирующихся клетках.
Кроме того, эти последовательности участвуют в формировании хроматидной оси, которая вместе с петлями хроматина образует тело метафазной хромосомы /1/.
Распределение участков гетеро- и эухроматина в интерфазных хромосомах упорядочено и, по-видимому, может служить видовой характеристикой.
Теломерные участки хромосом расположены вблизи оболочки, тогда как активно экспрессирующиеся гены локализуются преимущественно во внутренних частях интерфазных ядер.
Показано, что отдельные хромосомы в ядре не смешиваются и занимают дискретные зоны, на периферии которых расположены компоненты аппарата сплайсинга и дорожки синтезируемой РНК /1/.
Самым крупным нехромосомным компартментом ядра является ядрышко — нуклеопротеиновый комплекс, в котором выделяют три основные высокоупорядоченные зоны: фибриллярный центр, окружающую фибриллярную зону и наружную зернистую область.
Полагают, что наблюдаемые изменения в структуре ядрышка определяются его функцией как внутриядерного микрокомпартмента биогенеза рибосом.
В последнее время появились данные, указывающие на участие ядрышка в регуляции клеточного цикла /1/.
Морфологически нуклеоплазма различается на клубки переплетенных нитей, которые часто связаны с периферией ядрышка (спиральные тельца), плотные фибриллярные кольца (ядерные тельца ПМЛ), ядерные домены WT1 и тельца Барра (компактный гетерохроматин неактивной Х-хромосомы).
).
На границах доменов конденсированного хроматина расположены фибриллы перихроматина — рибонуклеопротеиновые комплексы диаметром 3.20 нм.
Здесь также обнаружены компоненты механизма сплайсинга, который удаляет интроны из предшественников мРНК.
Кроме того, синтез РНК тесно связан с дискретными интерхроматиновыми гранулами, называемыми спеклами, каждое ядро которых содержит от 20 до 50 спеклов /1/.
К сожалению, изучение ядерной архитектоники связано с большими методическими трудностями, однако накопленной информации вполне достаточно, чтобы констатировать чрезвычайно высокую сложность структурной организации клеточного ядра.
Это не может служить доказательством существования ядерных биопроцессоров, в которых информационные потоки обрабатываются элементами молекулярной логики, но позволяет априори не отвергать такую возможность.
Разумная вариативность
Если в процессе эволюции возникла молекулярная система с элементами сознания, то ее главной задачей должно было стать самосовершенствование.Это может привести к появлению механизмов редактирования нуклеотидных последовательностей, которые изменяют кодирующий потенциал мРНК или специфически влияют на основания геномной ДНК.
В последние годы было обнаружено несколько механизмов редактирования РНК на посттранскрипционном уровне.
Показано, например, что в митохондриях слизевиков остатки цитозина включены в многочисленные участки РНК.
В митохондриях трипаносом в редактировании РНК, вероятно, участвуют сложные нуклеопротеиновые комплексы – эдитосомы /1/.
В митохондриальных и ядерных транскриптах позвоночных при полиаденилировании мРНК появляются нонсенс-кодоны, приводящие к преждевременной терминации трансляции и синтезу новых полипептидных цепей.
В митохондриях высших растений в результате ферментативного дезаминирования некоторые остатки С заменяются на U. Аналогичный механизм редактирования мРНК обнаружен и в хлоропластах /1/.
Изучение посттранскрипционного редактирования мРНК только начинается, но вполне вероятно, что подобное явление, встречающееся и у прокариотических микроорганизмов, является для эукариот правилом, а не исключением.
Гораздо более проблематичным является вопрос о том, есть ли у эукариот молекулярные механизмы коррекции геномной ДНК, способные влиять на эволюцию животных и растений.
Существование направленной (адаптивной) генетической изменчивости современной наукой отрицается, поэтому открытие статистически значимого увеличения частоты появления Lac+-ревертантов Escherichia coli на среде с лактозой /9/ стало едва ли не «ересью», которую можно было бы возродить старый спор между неоламаркистами и неодарвинистами.
Но все закончилось благополучно появлением нескольких гипотез, объясняющих это явление на основе постулата о ненаправленной изменчивости, доказанного еще в середине прошлого века экспериментами с той же кишечной палочкой.
Ненаправленность изменчивости, являющаяся одной из основных аксиом синтетической теории эволюции, имеет немало противников /12, 13/.
Их возражения не противоречат данным, полученным в экспериментах с прокариотами, так как основаны прежде всего на необъяснимых с точки зрения неодарвинизма законах эволюции эукариот. К сожалению, просто констатировать такие факты недостаточно, чтобы доказать рациональность генетической изменчивости эукариот. Современная наука требует, чтобы такие доказательства основывались на достижениях молекулярной генетики.
Для этого необходимо рассмотреть механизмы модификации ДНК, которые могут быть использованы эукариотами для самосовершенствования.
Простейшим вариантом генетической адаптации является обратимая дупликация генов, характерная как для бактерий, так и для эукариот. Дупликация генов, определяющих синтез рибосомальной РНК, контролируется на молекулярном уровне, однако этот тип адаптивной изменчивости можно отнести к общим механизмам регуляции экспрессии генов.
Более сложные адаптивные модификации генома могут быть связаны с метилированием ДНК.
Содержание метилцитозина в ДНК эукариот достигает 7% /11/.
Фукариотическая (цитозин-5)-ДНК-метилтрансфераза действует преимущественно на двухцепочечную ДНК, одна из цепей которой уже содержит метилированный CpG-динуклеотид. Такая специфичность фермента обеспечивает наследственность признаков, определяемых заменой цитозина на метилцитозин.
Метилирование ДНК является одним из основных факторов тонкой регуляции экспрессии генов и, вполне вероятно, способно участвовать в эпигенетической адаптации, ускоряющей эволюцию эукариот. Косвенным указанием на участие метилирования не только в микроэволюции, но и в формировании новых видов может быть неприлично высокое сходство секвенированных генов человека и шимпанзе.
Доказательств участия метилирования ДНК в адаптивной изменчивости эукариот пока нет, но его участие в эпигенетическом наследовании некоторых признаков уже не вызывает сомнений.
Метилирование вполне может лежать в основе некоторых проявлений адаптивной эволюции эукариот. Вопрос лишь в том, насколько управляема такая адаптация, т. е.
способен ли геном модифицировать себя, причем не методом проб и ошибок, а вполне целенаправленно.
Одним из уже известных механизмов направленной адаптации эукариотических клеток является диминуция хроматина, т.е.
программируемая потеря значительной части хромосомной ДНК при формировании некоторых многоклеточных организмов /14/.
Рекорд по количеству элиминированных геномов на данный момент принадлежит циклопу Cyclops kolensis. В ядрах соматических клеток этого циклопа сохраняется лишь 6% генома стволовых клеток /15/.
Менее выраженные генетические перестройки и делеции участков хромосом соматических клеток являются скорее правилом, чем исключением.
Главной особенностью таких генетических модификаций является их строгий генетический детерминизм.
Программированные перестройки хромосом соматических клеток выпадают из поля зрения эволюционистов, поскольку такие модификации генома не наследуются.
Но если программированные уменьшения хроматина и другие хромосомные перестройки связаны с вполне значимыми действиями ядерного биопроцессора, то нельзя исключать возможность существования разумной генетической адаптации эукариот, определяющей высокую скорость их эволюции.
Вместо заключения
Ядро клетки
embor.embopress.org/content/4/1/18 Мусорная ДНК участвует в развитии мозга: https://news.mail.ru/society/32293040/ /16/ БИБЛИОГРАФИЯ 1. Патрушев Л.
И.
? экспрессия генов.
– М.
, «Наука», 2000 – 527 с.
2. Валиев К.
А.
, Кокин Ф.
Ф.
Из итогов ХХ века: От квантовых компьютеров к квантовым // aakokin.chat.ru/xx.htm 3. Валиев К.
А.
Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография // Вестник РАН.
– 2000 – Т.
70, № 8. – С.
688-685. 4. Гаряев П.
П.
, Македонский С.
Н.
, Леонова Е.
А.
Биокомпьютер на генетических молекулах как реальность // Информационные технологии.
– 1997 – № 5. 5. Лучинин В.
В.
, Мальцев П.
П.
Биомолекулы как основа информационных систем будущего // Информационные технологии.
– 1997 – № 5. 6. Гаряев П.
П.
Волновой генетический код. - М.
, 2000. 7. Стругацкий А.
Н.
, Стругацкий Б.
Н.
Попытка побега // В сборнике: Избранное.
– М.
, «Московский рабочий», 1989 – с.
289-379. 8. Дэвидсон ?.
Х.
, Бриттен Р.
Дж.
Регуляция экспрессии генов: возможная роль повторяющихся последовательностей // Наука.
– 1979. – Т.
204. – С.
1052-1059. 9. Глазков М.
В.
Петлевая доменная организация генов в хромосомах эукариот // Молекулы.
биология.
- 1995. - Т.
29. - С.
965-982. 10. Миллер Дж.
Х.
Спонтанные мутаторы у бактерий: понимание путей мутагенеза и репарации // Анну.
Преподобный Микробиол.
– 1996. – Том50. — С.
625-643. 11. Левин Б.
Генс / Пер.
с английского – М.
, «Мир».
– 1987. – 544 с.
(с.
295-296).
12. Любищев А.
А.
Проблемы формы систематики эволюции организмов: Сб.
статьи.
- М.
, «Наука».
- 1982. - 278 с.
13. Берг Л.
С.
Номогенез, или эволюция по закономерностям // В сб.
: Берг Л.
С.
Работает над теорией эволюции.
– 1977. – Л.
, «Наука».
– С.
95-311. 14. Акифьев А.
П.
Уменьшение хроматина – явление, призванное изучить ряд ключевых вопросов генетики // Вавиловский журнал генетики и селекции.
- 1998. - №6 ( http://www.bionet.nsc.ru/vogis/vestnik.phpЭf=1998&p=6_5 ) 15. Гришанин А.
К.
, Худолий Г.
А.
, Шайхаев Г.
О.
и другие.
Генетика.
1996. Т.
32. С.
492. 16. Для нормального развития необходимы ультраконсервативные энхансеры / Д.
?.
Дикель и др.
// Клетка.
— 2018. — в печати.
Теги: #Квантовые технологии #Популярная наука #Будущее уже здесь #мозг #ядро #ДНК #квантовые компьютеры #Научная фантастика #мышление #хромосомы #хроматин
-
Европейская Валютная Система (Ems)
19 Oct, 24 -
Apple Запатентовала Значок Youtube Для Ios
19 Oct, 24 -
Мобильный Холодильник Для Арбузов
19 Oct, 24 -
Важность Исследования В Начале Проекта
19 Oct, 24 -
Siemens Передавал Данные Быстрее Всех
19 Oct, 24
