Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 14
Текст из файла (страница 14)
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 не номерным. Неформальная аргументация, на которую обычно опираются в своих рассуждениях биологи, кажется совершенно неадекватной тому объему информа ции, который надо осмыслить. Фактически дело заключается не только в инфор мационной перегрузке. Биологические системы, например, испещрены контурами обратной связи, и поведение даже наиболее простой из систем с обратной связью чрезвычайно трудно 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 прийти к адекватным умозаключениям, нам необходимы математика и компьютеры. Использование таких инструментов для интерпретации результатов на ко личественном уровне — существенно необходимый, но далеко не всесильный фактор.
Может показаться, что, зная, как белки влияют друг на друга и как экспрессия каждого гена регулируется продуктами других генов, нам в скором времени удастся рассчитать, как клетка будет вести себя в целом, подобно тому, как астроном может вычислить орбиты планет, а инженер-химик рассчитать технологические потоки в химической установке. Но любая попьпка совершить 1,3.
Генетическая информация вухариот 51 ВВ биосинтез ДНК, РНК и белка ЩЩ реакция нв окружающую среду 68 клеточный цикл ® процессы развития ай метаболизм Рис. 144. Сеть взаимодействий между регулирующими гены белкамн и жзднрукицими ик генами в клегие дрожжей. Результаты показаны для 106 из общего количества 141 регулирующих гены белков 5ггссьаготусез сегеыяае. 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 по кругу, и стрелка, направленная от гена А к гену В, означает, что белок, коднруемый юном А, связывается с регуляторной ДНК гена В и поэтому, предположительно, регулирует экспрессию гена В.
Маленькие кружки со стрелками указывают ген, продукты которых непосредственно регулируют их собственную экспрессию. Гены, управляющие разными моментами поведения клетки, показаны разными цветами. У многоклеточного растения или животного число регулирующих гены белков приблизительно в 10 раз больше, а количество регуляторной ДНК возможно, в 100 раз больше, так что соответствующая схема была бы юраздо сложнее. (из т. г. гле ег а!., ыелзе 298: 799-804, 200?. с разрешения издательства ААА5.) этот «подвиг» на уровне живой клетки быстро раскрывает ограниченность на ших знаний на сегодняшний день.
Информация, которой мы обладаем, обильна как таковая, но изобилует пробелами и неясностями. Более того, она в значи тельной степени носит качественный, а не количественный характер. Наиболее часто цитологи, изучающие системы управления клетки, обобщают свои знания в простых схематических диаграммах — зта книга полна ими, — а не в числах, графиках и дифференциальных уравнениях. Переход от качественных описаний и интуитивных умозаключений к количественным характеристикам и математиче ской дедукции становится одним из самых больших испытаний для современной цитобиологии.
Пока что такое испытание прошло успешно только для нескольких очень простых фрагментов аппарата живых клеток — подсистем, включающих в себя лишь «горстку» различных белков и два-три взаимно регулируемых гена, где теория и эксперимент могут идти рука об руку. Некоторые из таких примеров мы обсудим в книге позднее. 52 Часты; Вввдйииевмиркяеткк .
Рис. 1.4$. Довольно простая цепь регулироеа- кодирующэя регуляторная гены ния гена — единстеенный ген, регулирующий ДНК область свою ню экспрессию посредспюм прикрепления сеоего белноеого продукте к своей регуляторной ДНК. Простые схематические предсгэеления, такие кэк зто, часто используются, чтобы подытожить эсе то, чта мы знаем (кэк нэ рис. 1.44), на оставляют много эопросаэ ! без ответа. Когда белок связывается, он ингибирует или стимулируеттрэнскрипцию? Насколько скоростьтрэнскрипции зээиситотконцентрэции регулируюгций белка? как дсиго э среднем молекула белка оста- гены белок ется сеязэнной с ДНК? Сколько времени укадит нэ производство каждой молекулы мРНК или белка и кэк быстро деградируют зги молекулы? Математическое моделироеэнне по казы ээет что, прежде чем мы сможем предсказать поведение даже такой системы с единственным геном, нэм нужно дать «каличестэенные» ответы нэ есе зги и многие другие запросы.
При различных значениях параметров зтэ система может перейти э уникальное состояние усгойчиеаго равновесия, или может вести себя как переключатель, способный существовать э том или ином наборе альтернативных состояний, или же онэ может колебаться, или может давать большие случайные колебания. 1.3.11. Из 300000 видов растений в качестве модели выбран АгаЬ!дорбгэ Яа!гала Большие многоклеточные организмы, которые мы видим вокруг нас: цветы, деревья и животные, — кажутся фантастически разными, но они намного ближе друг к другу по своим эволюционным истокам и более схожи по основам биологии клетки, чем к великому и удивительному хозяину микроскопических одноклеточных организмов.
Так, если бактерии и эукариоты отделены друг от друга более чем на 3000 миллионов лег расходящейся (дивергентной) эволюцией, то позвоночные животные и насекомые отделены друг от друга примерно 700 миллионами лет, рыбы и млекопитающие — примерно 450 миллионами лет, а различные виды цветковых растений — лишь приблизительно 150 миллионами лет.
Ввиду близости эволюционных отношений между всеми цветковыми растениями мы можем еще раз проникнуть в суть клеточной и молекулярной биологии всего этого класса организмов, сосредоточиваясь для детального анализа лишь на одном или нескольких видах. Из нескольких сотен тысяч цветковых растений, населяю щих Землю в наши дни, молекулярные биологи сконцентрировали свои усилия на маленьком сорняке, обычной резушке Таля АгаЬЫорзтз йа1гапа (рис. 1.46), кото рый можно выращивать в закрытом помещении в больших количествах и получать тысячи потомков от одного растения через каждые 8 — 10 недель. Геном арабидопсиса состоит приблизительно из 140 миллионов пар нуклеотидов, что примерно в 11 рэз больше, чем у дрожжей, и его полная последовательность уже известна.
1.3.12. Червь, муха, мышь и человек как представители мира животных клеток Многоклегочные животные составляют большинство всех описанных видов живых организмов, на их изучение приходится ббльшая часть усилий всех прова 1З. Генетическая информация эукариот 53 рис. 1.46. Атэгаорзй Глойголо — растение, выбранное в качестве основной модели для изучения молекулярной генетики растений. (любезность Топу Наутек н 1овп 1ппев1 димых биологических исследований.
В качестве глав пых модельных организмов для проведения молеку ляриых генетических исследований выбрано четыре вида. В порядке увеличения размера их располагают в следующий ряд: круглый червь СаепогЬаЬг1гги е1едапь, муха Ргозорй(1а те!аподазгет, мышь Мат гппзси1из и человек Ното зартепз. Геиомы всех этих видов уже секвеиироваиы. СаепогЬаЬг(гги е1едапз (рис. 1.47) — это ма леиький безобидный родственник иематоды, кото рая повреждает сельскохозяйственные культуры.
Представляет собой идеальный модельный организм: с циклом жизни всего лишь из нескольких дней, со способностью выживать в морозильнике иеогра пичеиио долго в состоянии глубокого оцепенения, с простым строением тела и необычным циклом жиз ии, — который хорошо подходит для генетических исследований (описаиы в главе 23). С. е1едапз с ис правиостью часового механизма развивается из опло дотвореииой яйцеклетки во взрослого червя в точно сти с 959 соматическими клетками (плюс изменчивое число яйцеклегок и клеток спермы) — необычная степень регулярности для животного.
В настоящее время мы имеем поминутное детальное описание последовательности происходящих событий, таких как деление клеток, их перемещение и изменение характеристик согласно строгим и предсказуемым правилам. Геном из 97 мли. п.и. кодируег прибли зительио 19000 белков, и в распоряжении ученых имеегся множество мутантов и других инструментов, используемых для установления функций различных генов. Хотя общее строение тела червя очень сильно отличается от нашего, сохранение биологических мехаииз мов оказалось для червя достаточным условием, чтобы стать моделью многих про цессов, связанных с биологией клетки. Исследования червя помогают иам понять, например, программы деления и некроза клеток, которые определяют число клеток организма, — вопрос большой важности в биологии развития и изучения рака.
1.3.13. Изучение дрозофилы дает ключ к пониманию развития ПОЗВОНОЧНЫХ Плодовая мушка РгозорЬ(1а те1аподаз(ег (рис. !.48) используется в качестве модельного генетического организма дольше, чем какой-либо другой; фактически основы классической генетики были заложены в основном исследованиями этого насекомого. Более 80 лет назад дрозофила обеспечила, например, неопровержимое Часть '(. Введений в мир кявтки 0,2 мм Рис.1.47.
Соелогйевгрти еЮрояз, первый мноюклеточный организм, для юторого помюсгью определена последовательность миома. Эта маленькая нематода, около 1 мм в длину, живет в почве. Большинство индивидов — гермафродиты, производящие и яйцеклетки, и сперматозоиды. Приведенное здесь иэображение получено с использованием оптичесного метода интерференционного контраста, благодаря чему яркими цветами четно вырисованы границы тканей животного; при обычном освещении животное не онрашено. (Любезность гап Норе.) Рис. 1АВ. Огоюрвйо теЮпорозтег. Проведенные на этой мухе исследования дали главный ключ к пониманию того, как все животные развиваются из оплодотворенной яйцеклетки во взрослую особь.
(Из Е.В. Глклз, эсгепзе 221: сотег, 1983. С разрешения издательства Алдзф доказательство того, что гены — абстрактные единицы наследственной информа ции — содержатся в хромосомах, конкретных физических обьектах, поведение которых точно прослеживалось в эукариотической клетке с помощью светового 1.3. Генетическая информация эуквриот 55 микроскопа, хотя функция их сначала была неизвестна. Доказательство получили благодаря одной из многих особенностей, которые делают дрозофилу особенно удоб ным объектом для генетики; в некоторых ее клетках видны гигантские хромосомы с характерными полосами (рис. 1.49). Определенные изменения в наследственной информации проявляются в семействах мутантных мух, благодаря чему удалось точно установить корреляцию каждой мутациии с потерей или изменением опреде ленных полос хромосомы-гиганта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
