Неогенетика: кто займется программированием живых организмов?

Еще недавно о том, чтобы создавать клетки, выполняющие заложенные человеком программы, можно было только фантазировать, но на наших глазах это становится реальностью. Используя живую клетку как "болванку", ученые могут вкладывать в нее созданные ими алгоритмы (пока довольно простые). В будущем запрограммированные клетки могли бы лечить неполадки в нашем теле, производить нужные нам вещества (лекарства, топливо).

Чтобы "перепрограммировать" клетку недостаточно добавить тот или иной ген ("ген способности вырабатывать биотопливо"), нужно построить систему, в которую входят взаимодействующие друг с другом гены и их продукты - белки. Такие системы называются генными сетями.

Гены сплетаются в сеть

Ген - это участок ДНК, кодирующий один белок. Белки в клетке выполняют всю основную работу. В середине прошлого века ученые выяснили, что они также могут влиять на активность генов (под активностью гена понимается скорость синтеза с него белка: чем более он активен, тем больше с него синтезируется белка за единицу времени).

Для того чтобы белки могли управлять генами, в молекуле ДНК присутствуют особые регуляторные участки. Присоединение к ним белков приводит либо к увеличению, либо к уменьшению (вплоть до "выключения") активности некоторого гена. У одного гена может быть несколько регуляторных участков - своего рода рычагов управления, к которым могут присоединяться различные белки.

Зачем же нужно управлять активностью генов? Рассмотрим для начала относительно просто устроенные организмы - одноклеточных.

Зачем организмам генные сети?

У всех живых организмов за "переваривание" пищи отвечают особые белки - ферменты. Пусть некоторая группа ферментов служит для переваривания какого-то питательного вещества, например, лактозы - любимого лакомства некоторых бактерий. Время жизни фермента (его ресурс) ограничен, а производство новых белков требует затрат энергии. Поэтому, если в течении длительного времени данного питательного вещества в среде нет, то белки для его переваривания выгодней не производить.

Именно так и поступают бактерии. У них есть один управляющий ген, который включает или выключает гены, кодирующие белки, необходимые для расщепления лактозы. Активность этого управляющего гена зависит от наличия лактозы в среде. Получается, нечто вроде подпрограммы, которая запускается лишь тогда, когда она нужна.

В самом начале своей жизни каждый из нас был всего одной клеткой. Она многократно делилась, и в итоге из ее копий было построено наше тело. Генотипы всех клеток нашего организма одинаковы, ведь молекула ДНК копируется при делении очень точно. Возникает вопрос: почему же тогда сами клетки разные?

Во время развития эмбриона мухи дрозофилы различные гены активируются в разных частях тела, благодаря чему они отличаются друг от друга

Объясняется это тем, что только небольшая часть генов внутри клеток находится в активном состоянии. В разных клетках набор "включенных" генов различен, а значит, в них будут синтезироваться разные белки, они будут работать по различным программам, то есть отличаться внутренне и внешне. "Судьба" клеток (какой стать нервной клеткой, а какой - мышечной) решается во время развития зародыша.

Генные сети внутри нас

Искусственные часы были изобретены человечеством около 4-х тысяч лет назад. Но природа придумала часовой механизм намного раньше - за миллиарды лет до этого. Даже в примитивных бактериях существуют процессы, ежесуточно отмеряющие время (они называются циркадными).

Есть такие внутренние биологические часы и внутри людей. Они позволяют организму находиться в оптимальном для данного времени суток состоянии и управляют циклом сон-бодрствование.

Основные часы находятся в одной из областей головного мозга - супрахиазматическом ядре. Генные сети, функционирующие в нейронах, меняют их состояние. Нервные клетки передают сигналы дальше, вызывая в нас желание спать ночью и бодрствовать днем, а также подстраивают работу внутренних органов. От сетчатки глаза в супрахиазматическое ядро идет пучок нервных волокон, что позволяет "подводить" часы под режим смены дня и ночи (поэтому мы можем постепенно втягиваться в правильный ритм после дальних перелетов в другие часовые пояса).

В начале XXI века ученые смогли разобраться, как именно работают такие часы. Было найдено более 50 "часовых" генов, на взаимодействии которых и построен этот механизм.

Схема основных взаимодействий генов и белков внутренних часов

В этой сети существует две сигнальные цепочки, показанные оранжевыми и голубыми линиями. Они активируются друг другом поочередно, что можно сравнить с колебаниями маятника. Дополнительные элементы нужны для большей стабильности механизма в целом (вопреки случайностям молекулярных взаимодействий) и для "подводки" часов.

У большинства людей весь описанный цикл проходит за 24-25 часов, но при некоторых мутациях он может сильно отклоняться, что приводит к появлению "настоящих", ярко выраженных сов и жаворонков.

Расшифровка генных сетей

Выше - лишь несколько функций, выполняемых благодаря взаимодействию генов. На самом деле их гораздо больше. Это наиболее древний (из сохранившихся) метод управления в живых системах. Он отвечает за основные клеточные механизмы (рост, деление, переваривание или запасание питательных веществ). Генные сети можно сравнить с ассемблером - одним из наиболее низкоуровневых языков программирования для компьютеров.