Том 1 (1129743), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Теперьесть реальная возможность использовать те методы, которые описаны в главе 8:например, одновременно контролировать количество транскрипта информационной РНК, продуцированной каждым из генов в геноме дрожжей при любых выбранных условиях, и наблюдать, как изменяется эта общая картина активностигенов при изменении условий. Анализ можно повторить с информационной РНК,приготовленной из мутантов, не имеющих выбранного нами гена — любого гена,который мы хотим исследовать. В принципе, этот подход позволяет показатьполную взаимосвязанную систему управляющих воздействий, которая руководитэкспрессией генов не только в клетках дрожжей, но и в любом организме, последовательность генома которого нам известна.1.3.10. Для постижения устройства клеток нам нужна математика,компьютеры и количественные данныеПользуясь методами, подобными вышеописанным, и опираясь на нашу информацию о полных последовательностях генома, мы можем составить список генови белков клетки и приступить к изображению сети взаимодействий между ними(рис. 1.44).
Но как мы преобразим всю эту информацию в понятные параметры,описывающие работу клетки? Ведь даже для клеток одного-единственного типа,принадлежащих одному виду организма, современный поток данных кажется непомерным. Неформальная аргументация, на которую обычно опираются в своихрассуждениях биологи, кажется совершенно неадекватной тому объему информации,который надо осмыслить. Фактически дело заключается не только в информационной перегрузке.
Биологические системы, например, испещрены контурами обратнойсвязи, и поведение даже наиболее простой из систем с обратной связью чрезвычайнотрудно предсказать с помощью одной лишь интуиции (рис. 1.45): небольшие изменения в параметрах могут повлечь за собой коренные изменения всей системы.Для того чтобы перейти от принципиальной схемы, составленной для данной системы,к предсказанию поведения этой системы, нам необходима подробная количественная информация, а для того чтобы на основании полученной информации прийтик адекватным умозаключениям, нам необходимы математика и компьютеры.Использование таких инструментов для интерпретации результатов на количественном уровне— существенно необходимый, но далеко не всесильный фактор.Может показаться, что, зная, как белки влияют друг на друга и как экспрессиякаждого гена регулируется продуктами других генов, нам в скором времени удастсярассчитать, как клетка будет вести себя в целом, подобно тому, как астроном может84Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 1.44. Сеть взаимодействий между регулирующими гены белками и кодирующими их генамив клетке дрожжей. Результаты показаны для 106 из общего количества 141 регулирующих гены белковSaccharomyces cerevisiae. Каждый из включенных в набор белков был проверен на способность связываться с регуляторной ДНК каждого из генов, кодирующих этот набор белков.
На схеме гены расположены покругу, и стрелка, направленная от гена А к гену B, означает, что белок, кодируемый геном А, связываетсяс регуляторной ДНК гена B и поэтому, предположительно, регулирует экспрессию гена B. Маленькиекружки со стрелками указывают гены, продукты которых непосредственно регулируют их собственнуюэкспрессию. Гены, управляющие разными моментами поведения клетки, показаны разными цветами.У многоклеточного растения или животного число регулирующих гены белков приблизительно в 10 разбольше, а количество регуляторной ДНК, возможно, в 100 раз больше, так что соответствующая схема былабы гораздо сложнее.
(Из T. I. Lee et al., Sciense 298: 799–804, 2002. С разрешения издательства AAAS.)вычислить орбиты планет, а инженер-химик рассчитать технологические потокив химической установке. Но любая попытка совершить этот «подвиг» на уровнеживой клетки быстро раскрывает ограниченность наших знаний на сегодняшнийдень. Информация, которой мы обладаем, обильна как таковая, но изобилуетпробелами и неясностями. Более того, она в значительной степени носит качественный, а не количественный характер. Наиболее часто цитологи, изучающиесистемы управления клетки, обобщают свои знания в простых схематических диаграммах — эта книга полна ими, — а не в числах, графиках и дифференциальныхуравнениях.
Переход от качественных описаний и интуитивных умозаключенийк количественным характеристикам и математической дедукции становится однимиз самых больших испытаний для современной цитобиологии. Пока что такое испытание прошло успешно только для нескольких очень простых фрагментов аппаратаживых клеток — подсистем, включающих в себя лишь «горстку» различных белкови два-три взаимно регулируемых гена, где теория и эксперимент могут идти рукаоб руку. Некоторые из таких примеров мы обсудим в книге позднее.Глава 1.
Клетки и геномы 85Рис. 1.45. Довольно простая цепь регулирования гена — единственный ген, регулирующийсвою же экспрессию посредством прикрепления своего белкового продукта к своей регуляторной ДНК. Простые схематические представления, такие как это, часто используются,чтобы подытожить все то, что мы знаем (какна рис. 1.44), но оставляют много вопросовбез ответа.
Когда белок связывается, он ингибирует или стимулирует транскрипцию? Насколькоскорость транскрипции зависит от концентрациибелка? Как долго в среднем молекула белка остается связанной с ДНК? Сколько времени уходитна производство каждой молекулы мРНК илибелка и как быстро деградируют эти молекулы?Математическое моделирование показывает, что, прежде чем мы сможем предсказать поведение дажетакой системы с единственным геном, нам нужно дать «количественные» ответы на все эти и многиедругие вопросы. При различных значениях параметров эта система может перейти в уникальное состояние устойчивого равновесия, или может вести себя как переключатель, способный существоватьв том или ином наборе альтернативных состояний, или же она может колебаться, или может даватьбольшие случайные колебания.1.3.11. Из 300 000 видов растений в качестве модели выбранArabidopsis thalianaБольшие многоклеточные организмы, которые мы видим вокруг нас: цветы,деревья и животные, кажутся фантастически разными, но они намного ближе другк другу по своим эволюционным истокам и более схожи по основам биологии клетки, чем к великому и удивительному хозяину микроскопических одноклеточныхорганизмов.
Так, если бактерии и эукариоты отделены друг от друга более чемна 3 000 миллионов лет расходящейся (дивергентной) эволюцией, то позвоночныеживотные и насекомые отделены друг от друга примерно 700 миллионами лет, рыбыи млекопитающие — примерно 450 миллионами лет, а различные виды цветковыхрастений — лишь приблизительно 150 миллионами лет.Ввиду близости эволюционных отношений между всеми цветковыми растениямимы можем еще раз проникнуть в суть клеточной и молекулярной биологии всегоэтого класса организмов, сосредоточиваясь для детального анализа лишь на одномили нескольких видах. Из нескольких сотен тысяч цветковых растений, населяющих Землю в наши дни, молекулярные биологи сконцентрировали свои усилия намаленьком сорняке, обычной резушке Таля Arabidopsis thaliana (рис. 1.46), который можно выращивать в закрытом помещении в больших количествах и получатьтысячи потомков от одного растения через каждые 8–10 недель.
Геном арабидопсисасостоит приблизительно из 140 миллионов пар нуклеотидов, что примерно в 11 разбольше, чем у дрожжей, и его полная последовательность уже известна.1.3.12. Червь, муха, мышь и человек как представители мира животных клетокМногоклеточные животные составляют большинство всех описанных видовживых организмов, на их изучение приходится бóльшая часть усилий всех прово-86Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 1.46.
Arabidopsis thaliana — растение, выбранное в качествеосновной модели для изучения молекулярной генетики растений. (Любезность Tony Hayden и John Innes.)димых биологических исследований. В качестве главных модельных организмов для проведения молекулярных генетических исследований выбрано четыревида. В порядке увеличения размера их располагаютв следующий ряд: круглый червь Caenorhabditiselegans, муха Drosophila melanogaster, мышь Masmusculus и человек Homo sapiens. Геномы всех этихвидов уже секвенированы.Caenorhabditis elegans (рис.
1.47) — это маленький безобидный родственник нематоды, котораяповреждает сельскохозяйственные культуры. Представляет собой идеальный модельный организм: с циклом жизни всего лишь из нескольких дней, со способностью выживать в морозильнике неограниченнодолго в состоянии глубокого оцепенения, с простымстроением тела и необычным циклом жизни, — который хорошо подходит для генетических исследований(описаны в главе 23). C. elegans с исправностьючасового механизма развивается из оплодотвореннойяйцеклетки во взрослого червя в точности с 959 соматическими клетками (плюс изменчивое число яйцеклеток и клеток спермы) — необычная степень регулярности для животного. В настоящее время мы имеемпоминутное детальное описание последовательностипроисходящих событий, таких как деление клеток,их перемещение и изменение характеристик согласнострогим и предсказуемым правилам.
Геном из 97 млн.п. н. кодирует приблизительно 19 000 белков, и в распоряжении ученых имеется множество мутантови других инструментов, используемых для установления функций различных генов. Хотя общее строение тела червя очень сильноотличается от нашего, сохранение биологических механизмов оказалось для червядостаточным условием, чтобы стать моделью многих процессов, связанных с биологией клетки.
Исследования червя помогают нам понять, например, программыделения и некроза клеток, которые определяют число клеток организма, — вопросбольшой важности в биологии развития и изучения рака.1.3.13. Изучение дрозофилы дает ключ к пониманию развитияпозвоночныхПлодовая мушка Drosophila melanogaster (рис. 1.48) используется в качествемодельного генетического организма дольше, чем какой-либо другой; фактическиосновы классической генетики были заложены в основном исследованиями этогонасекомого. Более 80 лет назад дрозофила обеспечила, например, неопровержимоеГлава 1. Клетки и геномы 87Рис. 1.47. Caenorhabditis elegans, первый многоклеточный организм, для которого полностью определена последовательность генома.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
