Гипотеза. Продолжение цикла статей по гетероволновой оптике.

[31102011]

F146

--------------------------------------------------------------------------------


Как уже отмечалось ранее, успехи молекулярной биологии и биохимии создали у биологов иллюзию, будто бы, в конце концов, все загадки биологии развития можно объяснить молекулярными процессами и механизмами контактных взаимодействий клеток. Как пример таких взглядов можно привести матриксную гипотезу ДНК-направляемого морфогенеза [Шеррер; 1987]. Ее автор информационно связывает ядерную ДНК с построением клеточного матрикса и формированием клетки, а отсюда перебрасывает мостик к формированию органов и всего организма. По его мнению, организованный с помощью ДНК матрикс «... будет определять в целом размеры и морфологию клетки и, в силу этого, морфологию органа».

Идеология близких контактных взаимодействий многократно проскальзывает в самых разных работах. В качестве одного из свежих и четко выраженных примеров можно назвать работу Гвоздева (2001). В ней отмечено, что, хотя активность ядерных генов определяется связанными с ними регуляторными элементами (промоторами, энхансерами и др.) и передаваемым в рядах клеточных поколений обратимым метилированием ДНК, но, кроме того, активность зависит от расположения гена в том или ином участке пространства ядра. Казалось бы, прекрасная мысль, ведущая к раскрытию механизма структурогенеза! Ан, нет, по Гвоздеву все сводится к влиянию на активность генов специфичного белкового окружения, сложно распределенного в пространстве ядра из-за привязки к определенным участкам хромосом.

И хотя в конце работы признано, что молекулярные механизмы такой системы управления «остаются полностью загадочными», надежды на их раскрытие возлагаются отнюдь не на какие-либо дальнодействующие связи. По мнению В. А. Гвоздева, непонятная система управления «представляется … одной из самых актуальных проблем молекулярной генетики эукариот». Другими словами, автор работы видит загадку скрытой исключительно на молекулярном уровне. Даже намека на возможность участия дальнодействующих связей в управлении активностью генов в данной работе не просматривается. Возможно, здесь сыграло роль использование в качестве объектов исследований дрожжей и мелких мух-дрозофил.

Если бы исследования проводились на слонах или китах, не удалось бы пройти мимо того факта, что построение подобного организма немыслимо без дальнодействующих информационных связей, что на активность генов рассматриваемой клетки, кроме ближайшего окружения, влияют и участки тела, удаленные на единицы и десятки метров.

Между тем, оптический характер законов, лежащих в основе существования многоклеточных организмов, пронизывает все их характерные особенности и уровни организации. Он виден и в свойствах хроматина. Как уже отмечалось ранее, расчеты выявили, в частности, резко неравномерное распределение оптических связей генома с различными зонами организма. Эта неравномерность совпала с характером распределения в ядре эухроматина и гетерохроматина (активного и неактивного хроматина).

В статье Управление активностью генов было показано отношение элементарного объема пространства организма к внутриядерному пространству, занятому его проекцией. Внешнее (относительно клетки) пространство условно разделено в этой таблице на пять сферических слоев. Показано, какую часть объема ядра занимает проекция каждого из выделенных слоев, и как объем конкретного слоя пространства организма относится к объему его проекции в ядре.

Расчеты показали, что при n=2,7 примерно 60% объема ядра оказываются зоной проекции группы клеток, непосредственно контактирующих с рассматриваемой клеткой (расстояние до 10 радиусов ядра). Еще 11% объема ядра приходятся на проекционные связи с клетками, удаленными до расстояния в 100 радиусов ядра, и менее 1% объема ядра занято проекцией более отдаленных зон организма. Первые две группы клеток, составляющие сферу диаметром около миллиметра, являются ничтожной частью крупного организма. Однако, по расчетам, именно внутри этой сферы замыкаются основные проекционные связи генома. На проекционные связи со всем остальным организмом приходится менее сотой части объема ядра. Этот феномен имеет смысл называть эффектом доминирования ближней зоны (или сокращенно «эффектом ДБЗ»).

Особенность волнового поля, выраженная в ДБЗ, хорошо согласуется с реальным поведением клеток в ходе развития зародышей. С одной стороны, отмечено жесткое взаимодействие, координация процессов в соседних клетках. Процессы развития разыгрываются не в отдельных клетках зародыша, а в сомкнутых клеточных группах. Например, в зародышах позвоночных кратковременно возникают так называемые колбовидные клетки — они образуются не поодиночке, а пучками, окаймленными с боков наползающими на них клетками других типов, которые тоже располагаются целыми сериями. Это указывает на кооперативный характер процессов, протекающих в соседних клетках, на то, что, скажем, поляризация одной клетки побуждает соседнюю клетку к такой же поляризации.

С другой стороны, известно, что согласуются между собой и разнородные процессы в далеких друг от друга частях зародыша, но это согласование не носит жесткого характера. При изоляции частей зародыша один процесс может протекать без другого, но при совместном протекании они все же как-то подстраиваются друг под друга. По-видимому, именно различие между «жестким» и «мягким» согласованием процессов развития — в зависимости от расстояния между клетками зародыша — наиболее наглядно характеризует феномен ДБЗ.

Этот же эффект проявляется в экспериментах по перемешиванию клеток. Порядок в клеточной смеси обычно восстанавливается лишь на малых расстояниях. Например, если рассыпать на клетки головной мозг зародыша тритона и перемешать клетки, то разовьются зачатки легко узнаваемых органов — глаза, внутреннего уха, органа обоняния и т.д., — но расположенные в полном беспорядке [Белоусов Л. В., 1980].

Доминирование проекционных связей с ближайшим окружением клетки стало одним из факторов, маскирующих механизм структурогенеза, поскольку доминирование вывело на первый план те самые близкие взаимодействия, что так похожи на проявления химических, механических и других контактных информационных связей. Потому-то на них сегодня и сосредоточено внимание исследователей.

То, что в организмах действует универсальный и принципиально более важный волновой информационный механизм, охватывающий и близкие взаимодействия, и расстояния до сотен метров, единственный механизм, объясняющий формирование гигантских животных и растений — это осталось незамеченным.
1.Приведенные выше данные можно интерпретировать так, что активность наибольшего по объему слоя хроматина, примыкающего к оболочке, (60% объема ядра при n=2,7) зависит от процессов всего в нескольких ближайших клетках. Вероятность нахождения активной зоны химического волнового поля в таком малом числе клеток очень низка, а потому вероятность разрыхления хроматина периферийного слоя крайне мала.
2.Следующий к центру расчетный слой хроматина — 11% объема ядра — является проекцией (и зависит от активности) гораздо большей группы клеток, в радиусе приблизительно до 0,5 мм, где более вероятно присутствие активной зоны. Соответственно, транскрипционная активность этой части хроматина должна быть (и, действительно, наблюдается) выше, чем у предыдущей.
3.Наконец, наибольшую активность и наибольшее значение для структурогенеза должен иметь самый тонкий слой хроматина — около 1% объема ядра, непосредственно окружающий центральную безадресную область, ибо в него проецируются все остальные активные зоны химического волнового поля организма.

После многих совпадений реальности с выводами КСГ, нас уже не должно удивлять соответствие между расчетом вероятностей проекций активных зон и фактической картиной распределения разрыхленных участков хроматина (эухроматина) в ядрах.
1.Действительно, у ядерной оболочки активность хроматина минимальна. Здесь доминирует компактный гетерохроматин и укрываются от активирования лишние X-хромосомы женщин — тельца Барра [Албертс и др., 1986].
2.Чем ближе к центру, тем чаще встречаются активные структурные гены.
3.А в тонком слое, непосредственно окружающем ядрышко, их концентрация достигает максимума — это (если не считать само ядрышко) наиболее активная часть хроматина.

Данные, выявившие ДБЗ, показывают, что из генетической информации, затрачиваемой на кодирование анатомии организма, львиная доля (около 99%) приходится на цитоархитектонику тканей. Это кажется невероятным, но не потому ли, что совершенство организмов в целом мы ежедневно видим воочию, а, возможно, еще более впечатляющее совершенство на уровне биологических тканей показывает себя лишь тем, кто потратил на их изучение многие годы?

С другой стороны, 1% информации на дальнодействующие связи — это много или мало? Геном человека содержит около 1,3 х 1010 бит информации. Если отбросить 10% информации, предположительно затрачиваемых на кодирование белков, то 1% от оставшегося объема составит 117 миллионов бит, что эквивалентно более чем 8000 страниц машинописного текста.

Это и есть информация, задающая строение макроструктуры организма или, грубо говоря, задающая организм в целом.

Таким образом, проекция некоторой зоны организма в ядро увеличивается в размерах по мере приближения рассматриваемой зоны к клетке. Но есть и другой фактор, влияющий на характер проекционных связей в зависимости от расстояния. Он аналогичен изменению глубины резкости при удалении объекта съемки от фотоаппарата.

Известно, что при малом расстоянии между объектом и фотоаппаратом (при так называемой макросъемке) глубина резкости невелика и наводку на резкость приходится выполнять с особой тщательностью. И наоборот, когда расстояние до объекта съемки велико, можно установить объектив «на бесконечность» и вообще не заботиться о наводке на резкость. Один из случаев проявления этого феномена в генетической системе эукариот будет отмечен в дальнейшем.

Совокупное влияние двух указанных факторов объясняет некоторые загадки процессов роста. Можно обнаружить устойчивые соотношения между количеством ДНК в ядре и объемом клетки. В случаях полиплоидии, когда в ядре вместо двух гаплоидных геномов оказывается четыре, шесть или больше геномов, соответственно увеличивается и объем клетки. При стабильной массе генома даже рост организма, увеличивающий его в несколько раз, практически не изменяет размеров клеток и структуры тканей.

До сих пор оставалось непонятным, как рост органов и организма в целом сочетается со стабильностью размеров на клеточном и тканевом уровнях. Особенности проекционных связей показали, что в этом проявляется действие оптических законов. Оболочка клетки расположена близко от ядра, и характер ее проекционной связи с генами напоминает условия макросъемки, когда даже небольшие изменения оптических отрезков вызывают расфокусировку. Поэтому только стабильные размеры клеток обеспечивают устойчивые проекционные связи между клеточной оболочкой и конкретными генами (вероятно, роль активных зон химического волнового поля организма в этом случае играют коннексоны). И наоборот, размеры органов и организма в целом в тысячи и миллионы раз больше расстояния между оболочкой ядра и генами клетки, что сохраняет неизменной резкость проекции активных зон организма на гены при существенном изменении размеров организма.
•Только КСГ раскрывает причину плавного снижения активности хроматина от ядрышка к оболочке ядра.
•Только КСГ объясняет и противоположный факт — резкого, дискретного изменения свойств хроматина при переходе от его основной массы к ядрышку, о чем писалось в статье Реальность, похожая на фантастику.

В каждом нюансе проявляется общий закон — именно проекция химического автоволнового поля организма на хроматин ядра является главным системообразующим принципом построения геномов эукариот.

Что закодировано в геноме — определяется всей системой считывания информации, подобно тому, как о грамзаписи можно говорить лишь применительно к прослушиванию пластинки на стандартной звуковоспроизводящей аппаратуре. Достаточно увеличить скорость диска на два порядка, и вместо музыки будет воспроизводиться запись недоступных слуху ультразвуковых колебаний.

Геном, с его сложной пространственной организацией и кодами нуклеотидов, является носителем наследственной информации, а волновое поле можно считать системой ее считывания. Особенности распространения химического волнового поля через коннексоны, как отмечалось выше, информационно связывают поле не с формой, а с клеточной структурой организма. Соответственно, и конфигурацию генома волновое поле прочитывает как наследственную информацию о структуре особи данного биологического вида.

Уместно сопоставить концепцию структурогенеза с идеями преформистов. Проекционное соответствие между геномом и волновым полем, описывающим организм, сближает КСГ с идеями преформистов. Но в ядре нельзя обнаружить образ существа в обычном понимании. Этому мешает несколько факторов:
1.Как отмечалось, геном кодирует не формы, а структуру организма. Ни искусство, ни фотография не отображали структур. Поэтому у большинства людей не сформировалось представление о том, что же это такое.
2.Взаимодействие генома с волновым полем управляет динамическими параметрами — активированием генов и процессами дифференцировки клеток. Следовательно, в геноме записана не статика структуры, а векторы ее развития. При этом генетически задаются не фактические процессы развития, а лишь их возможности, задаются комплексно согласованные направления и интенсивности роста, тогда как реализация этих возможностей зависит от условий окружающей среды.

[Задание геномом векторов развития использовано в японском искусстве бонсай («дерево на подносе»), показавшем возможность выращивания многократно уменьшенных, но точных, ничем не уступающих обычным, вариантов знакомых деревьев. Например, японские кудесники выращивают на подносе миниатюрную яблоню с созревшими яблоками. В этом случае размеры всех векторов развития искусственно уменьшаются ими путем создания особых условий выращивания.]
3.Точки организма, находящиеся вблизи от рассматриваемой клетки, проецируются на хроматин у противоположной стороны ядерной оболочки. По мере удаления точки, ее проекция приближается к центральной «безадресной» области ядра. Поэтому проекция организма в ядро дает «вывернутое наизнанку» пространство, где самые удаленные точки проецируются ближе к центру ядра, а ближние — дальше от центра. Кроме того, происходит резкое изменение масштаба отображения, когда проекция полудюжины соседних клеток занимает больше половины пространства ядра, а проекции подавляющей части организма, от расстояния в 100 радиусов ядра и далее, соответствует всего 1% ядерного пространства. Изменение масштаба по мере удаления точки от рассматриваемой клетки показано в таблице.

Изменение масштаба проекции в ядро при n=2,7 в зависимости от расстоянии до рассматриваемой клетки.

Расстояние от точки до рассматриваемой клетки
(в радиусах ядра) / Масштаб проекции на хроматин
перпендикулярно лучу
3 / 1:4,1
10 / 1:16
100 / 1:169
1000 / 1:1700
10000 / 1:17000
100000 / 1:170000

Поэтому, хотя пространственная структура организма и связана с пространственной структурой генома правилами оптической проекции, между ними нет прямого подобия, как это подразумевалось преформистами. Тем не менее, с позиций КСГ, данные Д'Арси-Томпсона [Thomрson, 1942] о совпадении плавно деформированных рисунков костей и внешних контуров разных животных подтверждают мысль, что расположенный в ядре геном является материальным шаблоном, деформация которого ведет к изменению форм развивающейся особи. В этом смысле картина, рисуемая концепцией, близка к идеям преформистов. Можно предположить, что различие между строением тел долговязого Дон-Кихота и коренастого Санчо Панса берет начало именно в особенностях пространственного строения их геномов.

Большинство законов действует лишь в пределах своих границ. Говоря об оптической проекции организма на геном, нужно заметить, что это относится к соматическим клеткам и, вероятно, к яйцеклеткам, но не касается сперматозоидов. В последних не происходит транскрипция, им не требуется управляющее воздействие волнового поля. Поэтому, ради компактности сперматозоидов, Природа упаковала их ДНК наиболее тесно, без оглядки на проекционное соответствие между организмом и геномом.

www.ling1.net/articles/384


F147

--------------------------------------------------------------------------------


Одним из отличий генома эукариот от прокариот является повторяемость подавляющего большинства генов. Повторение генов, выполняющих одну и ту же функцию, вызывается у эукариот двумя группами причин:
1.Причинами, не обусловленными проекционным управлением транскрипцией, примером чего служит амплификация («размножение») генов рРНК ради повышения скорости синтеза рибосом и
2.Причинами, обусловленными проекционным управлением транскрипцией.

Нас интересуют только случаи второй группы, тем более что они гораздо многочисленнее. Их и рассмотрим.

Картину активных зон химического волнового поля организма можно сравнить со звездным небом, галактики и туманности которого проецируются внутрь ядра каждой клетки. М-ген, совпавший с такой проекцией, активируется, а Д-ген — получает возможность перейти в крестообразное состояние и тем самым изменить тип дифференцировки дочерних клеток.

Один и тот же М-ген, нужный, например, для развития костной или мышечной ткани, должен активироваться в разных органах, а значит, и в клетках, по-разному расположенных относительно активных зон организма. В тех случаях, когда М-ген управляется проекцией одной определенной активной зоны, ему необходимо по-разному располагаться в ядрах однотипных клеток разных органов, чтобы при разном взаимном расположении клетки и активной зоны надежно совпадать с проекцией этой зоны. Иначе говоря, ген, используемый в разных органах, в разных точках организма, при разной картине волнового поля, должен соответствующее число раз повторяться в эукариотическом геноме, что и наблюдается в действительности.

Есть и другая причина увеличения количества М-генов.

«Большинство структурных генов эукариот присутствует в виде мультигенных семейств, члены которых кодируют структурно и функционально родственные белки, экспрессирующиеся на разных стадиях развития ... Они, в отличие от генов прокариот, в большинстве своем организованы как отдельные транскрипционные единицы». [Рысков, 1989]

Для мультигенных семейств или, иначе, кластеров характерно строго поочередное — по ходу развития организма — переключение активности с одного гена на другой. Но молекулярных генетиков удивляет то, что при строгой очередности, гены кластеров часто хаотически изменяют направление считывания от гена к гену.

Ни ТДС, ни какая бы то ни было другая теория не объясняют, зачем эукариотам нужна кластерная организация генов, как не объясняет и механизма строго поочередного переключения активности с гена на ген. С позиций же КСГ все предельно ясно.

По мере роста организма, оптические проекции активных зон смещаются в ядрах клеток, и постепенно уходят от генов, которые они ранее активировали.

Чтобы не прерывать синтез необходимых ферментов, Природа расположила в ядре — на пути движения проекции активной зоны — цепочку однотипных генов. В связи с плавностью роста организма, переключение с гена на ген происходит строго поочередно. А так как волновое активирование генов через разрыхление хроматина безразлично к расположению начала и конца гена, то в кластере нет необходимости всем генам ориентироваться в одну сторону, и ориентация часто хаотически меняется от гена к гену (в отличие от ситуации в оперонах прокариот).

Другими словами, разные М-гены одного и того же кластера могут располагаться на одной или на другой нити двойной спирали ДНК, имеющих противоположные направления считывания. При этом механизм переключения активности с гена на ген делает возможным рост организма вопреки сопровождающему рост смещению проекций активных зон в ядрах клеток.

Поговорим теперь об особенностях транскрипции у эукариот.

«Хромосомная ДНК эукариот чрезвычайно богата некодирующими участками и повторами. По мере восхождения по лестнице эволюции все чаще встречаются гены с экзонинтронной структурой, все обширнее становятся межгенные области, все больше мультигенных семейств, все многочисленнее повторы». [Курильски, Гашлен, 1987]

Удивительный характер изменений в геномах по ходу эволюции и странная расточительность Природы в использовании ДНК уже давно привлекли внимание биологов. ТДС не смогла устранить возникшее недоумение. На все вопросы ответила лишь КСГ.

Одним из замечательных изобретений прокариот явилась организация генов в совместно активируемые группы — опероны. Как правило, биохимия основана не на единичных процессах, а на тщательно отшлифованных естественным отбором цепочках биохимических реакций, каждая из которых катализируется собственным ферментом. Групповое активирование генов и одновременный синтез всех ферментов цепочки — это самое удобное, самое экономное решение, какое можно придумать. Но, факт остается фактом — эукариоты отказались от этой замечательной находки!

Активирование каждого М-гена проекцией определенной активной зоны превратило его в отдельный объект транскрибирования. Поэтому, отмечая отличия от прокариот, исследователи указывают (например, [Loрez, 1983]), что у эукариот не только одинаковые гены обычно разбросаны по геному, но и совместно регулируемые гены, кодирующие ферменты единой цепочки реакций, которые у прокариот составляют целостно активируемый оперон, в ядрах клеток всегда разобщены и не образуют опероноподобных групп. Обычно гены этих групп расположены в ядре на большом удалении друг от друга или даже на разных хромосомах.

Отказ эукариот от оперонной организации генома непосредственно вытекает из волнового способа управления транскрипцией. Одновременно экспрессируемые М-гены одного и того же ядра управляются проекциями разных активных зон организма, отчего они должны находиться в разных точках внутриядерного пространства.

Избирательное воздействие кариооптики на отдельный ген требует от оптики разрешающей способности молекулярного уровня. Вспомним, что задачей К-оптики является воздействие на ДНК, намотанную на нуклеосомы (диаметр нуклеосом оценивают в 11 нанометров) и с ними компактно уложенную в спираль соленоида.

Фокусное расстояние оболочки ядра, как гетероволнового преломляющего элемента, измеряется единицами микрон, откуда вытекает разрешающая способность порядка десятков или даже единиц нанометров. Дифракционные ограничения, вероятно, определяются размерами молекул воды — основного содержимого кариоплазмы (расстояние между центрами молекул — около 0,4нм). Но даже при таких благоприятных условиях невозможно представить себе точное совпадение границ волнового воздействия с границами гена. Края зон информационных воздействий обязательно окажутся размытыми, что способно вызвать ненужную активность соседних генов.
1.Отсюда вполне естественно возникает такая особенность эукариот, как неинформативные промежутки между генами, в несколько раз превышающие длину самих генов.

Отодвинув гены далеко друг от друга, Природа обеспечила достаточно независимое управление каждым из них со стороны волнового поля.

2.Другая часть неинформативной ДНК создает нужную конфигурацию генома внутри ядра.
3.Наконец, третья часть — интроны — расположена внутри М-генов, отделяя друг от друга экзоны. И снова-таки, длины неинформативных интронов значительно больше, чем длины экзонов. Отсюда можно сделать вывод, что и экзоны приспособлены для независимого друг от друга управления со стороны оптической системы. С позиций КСГ этим и объясняется существование интронов.

Независимое управление экзонами (или, иначе говоря, раздельное активирование экзонов) не следует понимать слишком прямолинейно и упрощенно. Речь не идет о том, что каждый из экзонов транскрибируется вне всякой связи со своими соседями. Можно лишь сказать, что каждый экзон, отдельно от соседних экзонов, получает со стороны волнового поля разрешение на транскрибирование. Оно выражено в форме отрыва ДНК от нуклеосом на участке экзона. Механизм же последующего использования этого разрешения пока недостаточно ясен и ждет исследований.

Принципиальная способность эволюции сохранять М-гены эукариот неразделенными на экзоны продемонстрирована на гистоновых генах всех организмов, на генах транспортных РНК дрозофилы и шелкопряда и во многих других случаях. Следовательно, для эукариот вполне допустимо существование сплошных генов, не разделенных на экзоны. Однако в подавляющем большинстве случаев такая возможность Природой не использована. Более того, отмечено, что «чем выше эволюционное положение организма, тем, как правило, больше интронов содержат его гены и тем они длиннее». [Страйер, 1985, т. 3, с. 146, примечание переводчика]

Ради деления М-генов эукариот на экзоны Природа пошла на значительные потери. Составление гена из экзонов потребовало последующего вырезания ненужных интронов и соединения экзонов М-гена в одну цепочку (так называемого, сплайсинга), для обслуживания чего понадобились особые ферменты и постоянный дополнительный расход энергии. При этом Природа продемонстрировала такую фантастическую изобретательность, что не оставила ни малейших сомнений в своей способности избавиться от интронов, если бы это было оправдано.

Например, при сплайсинге мРНК цитохрома b используется фермент матураза, который синтезируется на основе кода того самого интрона, который он удаляет [Заварзин, Харазова, 1982]! Ясно, что случайный набор нуклеотидов не мог оказаться кодом такого высокоспецифичного фермента, как матураза. Цитохромы относятся к наиболее древним белкам эукариот. Поэтому логичнее признать, что эволюция гена цитохрома b около полутора миллиардов лет шла не в направлении устранения интрона, а в направлении его сохранения и, (если уж он есть) использования в хозяйстве клетки, например, для уменьшения вредных последствий его же существования.

Чтобы обеспечить правильное пространственное расположение экзонов, каждый интрон должен иметь строго определенную длину, а вот последовательность нуклеотидов практически не имеет значения. Действительно, исследования показали, что замены нуклеотидов накапливаются в интронах быстрее, чем в экзонах, но длины интронов весьма консервативны. Очень важно, что консервативны также ферменты сплайсинга и последовательности на стыках экзонов с интронами, по которым происходит сплайсинг [Страйер, 1985].

Значение точного расположения экзонов в пространстве ядра подтверждается исследованиями мутаций, затрагивающих длины интронов. Показано (например, [Hare et al., 1984]), что

Изменение длины интрона меняет интенсивность проявления гена, а иногда даже полностью выключает его, превращает из нормально функционирующего гена в нетранскрибируемый псевдоген.

Поскольку изменение длины интрона не влияет на работу важных для транскрипции управляющих участков, расположенных перед геном (промотора и модулятора), остается думать, что в этих случаях именно сдвиг части экзонов в пространстве ядра выводит их из активных зон волнового поля и тем нарушает работу всего гена.

Специфика волнового управления генами особенно ярко видна в отдельных неординарных ситуациях, которые нельзя было бы даже представить себе в геномах прокариот и вообще на основе химических управляющих агентов. Один из таких случаев описан в работе [Горбунова, Баранов, 1997] и касается гена F8C, кодирующего главный компонент так называемого фактора VIII, отвечающего за свертывание крови (нарушения в этом гене вызывает наследственное заболевание — гемофилию А).

Ген F8C — один из очень крупных генов человека. Он содержит 26 экзонов, а общая длина его интронов составляет 177 тыс. пар нуклеотидов. Оригинальной особенностью этого гена является то, что в крупном интроне 22 (32,4 тыс. пар нуклеотидов) молекулярными методами обнаружены два других структурных гена неизвестной природы — F8A и F8B. Ген F8A целиком локализован в интроне 22 и состоит из одного экзона, транскрибируемого в противоположном направлении относительно гена F8C. В отличие от него, ген F8B транскрибируется в том же направлении, что и ген F8C, содержит несколько экзонов и они располагаются в последующих интронах гена F8C.

Такая сложная структура небольшого участка генома говорит о весьма изощренной системе управления транскрипцией, которая, однако, оказалась доступной волновому механизму управления.

Независимость активирования разных экзонов одного гена косвенно подтверждается подчинением экзонов правилу эффективного кодирования — чем меньше процент клеток, где проявляется активность данного гена, тем в среднем больше у него экзонов. Это особенно заметно при сравнении крайних случаев — с одной стороны генов, активируемых в каждой клетке, например, генов гистонов, транспортных РНК, рРНК, а с другой стороны — уникальных М-генов, активность которых проявляется только в небольших пулах клеток. Если гены гистонов, тРНК, рРНК состоят из 1-3 экзонов, то иная ситуация с генами, активируемыми в строго ограниченных зонах организма. Так α-амилазный ген печени (мыши) состоит из 11-ти, σ-кристаллиновый ген (курицы) — из 16-ти, Al-вителлогениновый ген (лягушки) — из 34-х экзонов и т.п. [Газарян, Тарантул, 1983].

Если символы некоторого алфавита используются в виде групп независимо друг от друга выбираемых кодовых элементов, то наиболее экономная передача и хранение информации, согласно правилу эффективного кодирования, достигаются, когда длина группы кодовых элементов, соответствующая некоторому символу, тем меньше, чем выше вероятность его использования. Совокупность экзонов одного гена можно рассматривать как группу кодовых элементов, которыми записывается ген как символ определенного алфавита (здесь алфавитом является перечень разных генов генома).

С таких позиций, использование естественным отбором правила эффективного кодирования при делении генов на экзоны создает преимущества (и, следовательно, может закрепиться отбором) только при раздельном управлении активированием экзонов. Другими словами, факт использования правила эффективного кодирования при делении генов на экзоны говорит о выполнении в геномах эукариот условий, для которых выведено это правило, этот факт служит признаком взаимной независимости активирования экзонов. Если бы каждый ген ядра активировался как одно целое, подчинение экзонов правилу эффективного кодирования не приносило бы никакой пользы, и не закрепилось бы естественным отбором.

Оптимальное кодирование и раздельное активирование экзонов не объясняются никакими вариантами чисто химического (неволнового) управления активностью генов, потому что в геноме нет инструментов, позволяющих химическими методами управлять активностью отдельных экзонов. Управляющие участки (промоторы, терминаторы, модуляторы) располагаются лишь по краям гена в целом (или по краям части гена, транскрибируемой в определенном случае), но не на концах каждого из экзонов. Нет объяснения оптимальному кодированию и в ТДС. Только избирательное воздействие акустических волн на каждый экзон способно объяснить данный феномен.

Еще одно косвенное подтверждение независимого активирования экзонов — это распад в ядре большей части свежесинтезированной РНК (зрелая, т.е. используемая в последующих процессах, мРНК составляет лишь около 3% всей РНК в клетке [Албертс и др., 1986]). Этот факт непохож на ситуацию у прокариот, где используется вся РНК, но точно отвечает требованиям теории кодирования в случае раздельного активирования экзонов. Раздельное активирование экзонов позволяет появиться большому количеству неполных комплектов экзонов РНК, которые не нужны в цитоплазме. Целесообразнее прямо в ядре разбирать их на исходные нуклеотиды. Поэтому причина распада в ядре большей части РНК понятна. Менее ясно, по каким признакам ферменты, проводящие разборку, отличают неполные наборы экзонов РНК от полных.

Возможно, признаком неполного набора экзонов РНК является отсутствие в наборе так называемого терминатора (специфической последовательности нуклеотидов), отмечающего конец гена.

В прошлом, тезис о раздельном активировании экзонов резко противоречил бы общепринятым взглядам. Считалось, что ген может быть активен или неактивен лишь как неделимое целое. Однако уже накопилось много данных об М-генах с несколькими промоторами и М-генах, у которых используются в одних тканях или на одних этапах развития организма — транскрипты с одной группы экзонов, а в других тканях или на других этапах развития — с другой группы [Hagenbuchle et al., 1981; Rozek, Davidson, 1983; Кикнадзе и др., 1985].

Раздельное активирование экзонов глубоко связано с механизмом структурогенеза, поскольку этот механизм создал саму возможность дробления гена на экзоны. Использование для активирования М-гена проекций не одной, а нескольких активных зон, естественно, ужесточило контроль активирования. Его еще более ужесточило то обстоятельство, что белковые части многих ферментов являются агрегатами нескольких неодинаковых полипептидных цепей, гены которых расположены в разных частях ядра и, значит, требуют для своего активирования еще более сложного, неслучайного расположения активных зон волнового поля.

В клетке взрослого многоклеточного организма (опять-таки, в отличие от прокариот) обычно активируется лишь малая часть от общего количества генов, и главной проблемой системы управления здесь оказывается не столько активирование этой малой части, сколько защита от активирования остальных генов.

В цифрах это выглядит следующим образом. Общие возможности активирования генов ядра очень высоки. Например, в ооците морского ежа активны 37 тыс. генов из 40 тыс., тогда как во взрослом организме число активируемых генов резко сокращается — у морского ежа суммарно 3-5 тыс. [Белоусов Л. В., 1980]. В отдельной клетке взрослого организма человека обычно активны, как полагают, 1-3% от всего количества неодинаковых генов.

Но такие данные получают по результатам подсчета числа разных РНК или разных белков, присутствующих в цитоплазме клетки. В то же время, один и тот же М-ген, как правило, представлен многими копиями, количество которых в среднем можно оценить сотней. Надо думать, что при определенных координатах клетки в организме, определенной картине вол-нового поля включается лишь один из многих одинаковых генов, так что количество активных генов в клетке взрослого организма, вероятно, следует оценивать еще меньшими величинами. Отсюда, сложность волнового управления генами, состоит, прежде всего, в том, чтобы защитить от активирования не менее 99% их общего количества. Создание в геноме большого резерва «спящих» (редко используемых) генов и явилось тем выигрышем, ради которого произошло дробление М-генов эукариот на экзоны.

Теперь мы знаем, что все особенности эукариотического генома, так или иначе, связаны со спецификой его волнового механизма управления. Эта специфика обнаруживает себя также в поведении хромосом и хроматина в целом. В этом смысле особого внимания заслуживают как раз неактивный хроматин и неактивные хромосомы.

Хотя неактивный хроматин более компактен, чем транскрипционно активный хроматин (эухроматин), только часть его формирует области с особо плотной упаковкой, называемые гетерохроматином. Некоторые участки хромосом конденсируются в гетерохроматин во всех клетках организма — это конститутивный гетерохроматин. Другие участки хромосом формируют гетерохроматин лишь в определенных клетках. В таком случае говорят о факультативном гетерохроматине.

«Биохимические основы наблюдаемых различий между гетеро- и эухроматином неизвестны... Упаковка отдельных участков генома в гетерохроматин... представляет собой такой способ генетической регуляции, который недоступен бактериям. Существенный момент этой свойственной лишь эукариотам формы генетического контроля состоит в том, что прямая наследственная передача информации о функциональном статусе тех или иных генов осуществляется в виде структурной информации, заложенной в хроматине, а не с помощью петли обратной связи, в которой действуют саморегулирующиеся белки-активаторы генной активности, способные перемещаться в ядре с одного места на другое». [Албертс и др., 1986]

Действительно, белки-регуляторы не могут объяснить устойчивую (но отличающуюся в разных типах клеток одного организма) конденсацию хроматина в одних крупных областях ядра и разрыхление — в других областях, так как эти белки свободно диффундируют в пространстве ядра. Конденсацию конститутивного гетерохроматина можно было бы отнести за счет невыявленных пока особенностей его ДНК, но такое объяснение непригодно для факультативного гетерохроматина, который в одних клетках упакован плотно, а в других (при неизменной последовательности нуклеотидов ДНК) — рыхло. Наблюдаемые факты хорошо объясняются лишь изменением расположения хроматина относительно сложно организованного (и различного в разных зонах организма) волнового поля.

В пользу волнового управления транскрипцией свидетельствуют и хромосомы, определяющие пол особи. Все клетки женских особей млекопитающих имеют две X-хромосомы, тогда как клетки мужских организмов обладают одной X-хромосомой и одной Y-хромосомой. Одна из X-хромосом женщин обязательно должна быть выключена (инактивирована). В противном случае организм гибнет. Поэтому в каждой клетке женской особи с равной вероятностью одна или другая X-хромосома конденсируется (превращается в тельце Барра) и становится частью гетерохроматина.

Каждый женский организм имеет мозаичное строение в том смысле, что он образован разными клонами клеток: примерно в половине клеточных клонов активна X-хромосома, унаследованная по материнской, а в другой половине — по отцовской линии. Эта закономерность распространяется и на кожный покров женщины; часть его наследует свойства матери, а часть — отца. Данный феномен объясняет, в частности, существование трехцветных кошек при отсутствии трехцветных котов.

Характерные для прокариот механизмы генетического контроля, основанные на использовании свободно диффундирующих белков-регуляторов, неспособны объяснить принципиальную разницу в функционировании X-хромосом. Действием белков-регуляторов нельзя объяснить полную инактивацию в одном и том же ядре одной из двух случайно выбираемых и иногда полностью идентичных хромосом. Но то, что нельзя отнести к действию белков-регуляторов, прекрасно объясняется различиями в расположении X-хромосом относительно сложно структурированного волнового поля.

Как видим, между спецификой генетической системы эукариот и особенностями КСГ обнаруживается длинный ряд тонких, детальных соответствий. Объяснить их вне КСГ еще никому не удалось. Что же, отнести все эти совпадения к случайным причудам Природы? Так может говорить разве что человек, почему-то изо всех сил не желающий ничего ни видеть, ни слышать.

www.ling1.net/articles/385