Автоматика из ДНК и белков: что у нее общего с электроникой?

    (ответ биолога на статью «Вы неправильно пишете животных»)

    image

    В каждой клетке есть тысячи генов. Никогда не бывает так, чтобы они все работали одновременно. Клетки мышц, печени и мозга несут одинаковый набор генов. Они такие разные, потому что в них работают разные гены. Все клетки умеют включать и выключать отдельные гены в ответ на разные внешние воздействия. То есть система, которая управляет активностью генов — это такая система автоматического управления. Ученые хотят понимать, как такая автоматика работает, чтобы уметь ее чинить и взламывать. Например, в клетках человека есть система из примерно трехсот генов и белков, которая управляет делением клетки. Когда она ломается и клетка начинает все время делиться, возникает рак.

    image

    Упрощенная схема генной сети, регулирующей деление клеток человека

    Как устроена внутриклеточная автоматика?


    В «железе» обычно используются электрические импульсы. Сигналы в биологии, как правило, химические, то есть изменения концентрации каких-нибудь веществ. В нервной системе есть электрические сигналы, но это только приспособление к быстрой дальней передаче, подобно оптоволокну в технике. Передача нервного импульса от клетки к клетке происходит в химической форме, долговременная память и сложная интеграция сигналов в нейроне тоже химическая.

    Где есть сигналы, там будут наводки — сигналы не на своем месте и шумы — случайная фигня, прилипающая к сигналам. В электронике приход сигналов по адресу обеспечивается проводами и изоляцией. Наводки возникают из-за паразитных емкостных и индуктивных связей между проводниками. В клетке бактерии ее содержимое более-менее равномерно перемешано, и любой химический сигнал (а их тысячи) доступен в любой ее точке. Клетки животных и растений разделены на отсеки с разным химическим составом, но типов этих отсеков меньше десятка и в каждом есть сотни и тысячи разных веществ.

    Приход сигнала в нужное место клетки происходит благодаря молекулярному узнаванию по принципу «ключ-замок». Одна молекула белка может узнавать другой белок, белок может узнавать определенную последовательность ДНК, белок может узнавать маленькие молекулы, такие как сахара. Это узнавание не всегда идеально точное, поэтому молекулы, похожие по форме на штатного партнера по узнаванию, будут создавать наводки. Кроме наводок, в электронике есть шумы. Они возникают из-за теплового движения атомов, которое вносит долю хаоса в движение электронов. В клетке химические шумы тоже связаны с тепловым движением. Когда сигнал слабый, например, десять штук молекул данного типа на всю клетку, эти молекулы будут разбросаны по клетке случайно, и не факт, что равномерно. В результате их концентрация в каком-то углу клетки будет случайно колебаться, и это будет шум.

    Что конкретно регулируется в живой клетке?


    Клетку можно рассматривать как завод, который производит все необходимое ему оборудование и может собирать из него второй такой же завод. Основным оборудованием являются рибосомы — станки с ЧПУ, собирающие все белки. Структура собираемого белка записана на ленте — матричной РНК (мРНК). Рибосома движется по мРНК и по ее инструкции собирает цепочку нового белка из отдельных звеньев — аминокислот. Выходящая из рибосомы белковая цепочка сворачивается в компактный клубок зрелого белка, который начинает работать. Белки могут ускорять химические реакции (ферменты), а так же заниматься транспортом веществ, передачей сигналов, защитой и многими другими делами.

    image

    мРНК образуются как копии отдельных участков клеточной ДНК. ДНК можно сравнить с архивом технологической документации в кабинете главного инженера, а мРНК — с копиями чертежей, которые выдаются в цех. Копировальный аппарат, создающий эти копии — это тоже белок, который называется РНК-полимераза. Она может садиться на ДНК и начинать ее копирование не везде, а только на специальных участках ДНК — промоторах, которые находятся перед каждым геном или группой работающих вместе генов.

    Включение и выключение генов определяется в основном на этапе посадки РНК-полимеразы на промотор. Если РНК-полимераза легко садится на промотор гена, то с него делается много мРНК-копий и рибосомы производят много молекул белка, кодируемого этим геном — он будет включен. Если что-то помешает посадке РНК-полимеразы, то ген окажется выключен. То есть, включение и выключение генов происходит на этапе взаимодействия РНК-полимеразы и промотора. Различные другие молекулы могут помогать или мешать их связыванию. Эти другие молекулы, в первую очередь специальные регуляторные белки, вместе с промотором и соседними участками ДНК образуют логический элемент, который может интегрировать несколько разных входных сигналов.

    Логические элементы на ДНК и белках


    Пожалуй, самый изученный пример генного переключателя — лактозный оперон кишечной палочки. Французы Жакоб и Моно за его исследования были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Кишечная палочка, как понятно из ее названия, живет в кишечнике. Это может быть кишечник самых разных животных, от пчелы до человека. Ей там приходится питаться тем, что попалось хозяину, поэтому она может есть много разных питательных веществ.

    image

    Кишечная палочка под микроскопом и на чашке Петри

    Кишечная палочка может расти, например, на питательной среде, состоящей только из глюкозы и минеральных солей и производить все необходимые ей аминокислоты и витамины. Вместо глюкозы могут быть и другие сахара (фруктоза, солодовый сахар — мальтоза, молочный сахар — лактоза и десяток других), а так же полисахариды, например крахмал.

    Для усвоения каждого из этих сахаров нужны свои ферменты. Производство этих ферментов стоит запускать, только когда соответствующий сахар есть в среде, иначе материалы и энергия на производство этих ферментов будут потрачены зря. То есть, гены этих ферментов усвоения сахаров должны включаться только когда есть этот сахар. Для усвоения каждого сахара нужно, как правило, несколько ферментов, а не один. Их гены находятся в цепи ДНК рядом и их активность управляется одним общим регуляторным участком ДНК в начале первого гена. Такая группа совместно работающих и синхронно управляемых генов называется «оперон».

    image

    Схема лактозного оперона

    Лактозный оперон состоит из трех генов. Первый (LacZ) кодирует транспортный белок, накачивающий лактозу в клетку, а два других (LacI и LacA) — ферменты, совместная работа которых превращает лактозу в «дефолт-сахар» — глюкозу. В начале лактозного оперона находится участок связывания РНК-полимеразы (промотор) и участок связывания регуляторных белков (оператор).

    Активность лактозного оперона управляется двумя сигналами. Первый сигнал, это, очевидно, концентрация лактозы. Если лактозы нет, то и ферменты ее усвоения не нужны. Второй сигнал чуть сложнее. В одном из экспериментов Жакоб и Моно растили кишечную палочку на среде, содержащей и лактозу, и с глюкозу. В таких условиях палочка сначала потребляет глюкозу, а лактозный оперон у нее выключен. Когда глюкоза кончается, рост бактерий приостанавливается минут на 15-20, а затем продолжается уже за счет лактозы. Во время паузы лактозный оперон включается. То есть, второй регуляторный вход выключает лактозный оперон, когда у клетки есть более доступные сахара, чем лактоза (усвоение глюкозы не требует никаких дополнительных ферментов).

    Дальнейшие эксперименты показали, что лактозный оперон не реагирует на саму глюкозу. Вместо этого внутри клетки кишечной палочки уровень голода (точнее, «вкусность» доступных сахаров) кодируется специальным сигнальным веществом. Оно называется «циклический аденозин-монофосфат», или цАМФ. Пока палочка растет на глюкозе, цАМФ в клетке практически нет. Если нет глюкозы, но есть мальтоза или крахмал (чуть более трудноусвояемые вещества), вырабатывается немного цАМФ. Если нет мальтозы, но есть фруктоза или лактоза, уровень цАМФ в клетке будет выше. Если нет никаких сахаров, но есть молочная кислота — еще выше, и наконец, если ничего вкусного нет и приходится жрать глицерин, то уровень цАМФ будет самым высоким. Итак, лактозным опероном управляют два сигнала: концентрация лактозы и концентрация цАМФ.

    Как эти сигналы действуют на активность генов? Активный ген — это такой, на котором РНК-полимераза производит много матричных РНК. РНК-полимераза начинает работу над данным опероном всегда с посадки на один и тот же участок ДНК (он называется «промотор»). Где там место для лактозы и цАМФ? РНК-полимераза не может распознавать все те сотни сигналов, которые регулируют активность тысяч генов. Для этого существуют специальные регуляторные белки (они называются «транскрипционные факторы»). В управлении лактозным опероном участвуют два регуляторных белка, по одному на каждый входной сигнал: лактозный репрессор и катаболический активатор.

    image

    Лактозный репрессор (фиолетовый) на ДНК

    Лактозный репрессор — это белок, который умеет связываться либо с лактозой, либо с определенной последовательностью ДНК. В геноме кишечной палочки есть две такие последовательности, обе в начале лактозного оперона, по обе стороны от промотора. Молекулы лактозного репрессора прочно слипаются друг с другом в группы по четыре белковых молекулы. Связывание такой четверки с ДНК закручивает нить ДНК в крутую петлю, в которой оказывается промотор. РНК-полимераза не может сесть на такой закрученный промотор и ген оказывается выключен. Если в клетке появляется лактоза, она связывается с лактозным репрессором и он отваливается от ДНК, освобождая промотор для РНК-полимеразы — оперон начинает работать. Так устроен регуляторный вход оперона по концентрации лактозы.

    image

    Катаболический активатор на ДНК

    Катаболический активатор похожим способом реагирует на концентрацию цАМФ. Правда, есть несколько отличий в деталях:

    — катаболический активатор садится на ДНК чуть сбоку от промотора и не перекрывает его. Наоборот, он усиливает связывание РНК-полимеразы с промотором и повышает активность оперона.
    — катаболический активатор связывает цАМФ и ДНК. Без цАМФ он не может связаться с ДНК.
    — катаболический активатор нужен для полной активности лактозного оперона, но и без него оперон все же будет работать примерно на 5% от полной активности. Лактозный репрессор же регулирует оперон в диапазоне от 0 до 100%.
    — молекулы катаболического активатора соединяются в пары, а не в четверки. В следующем посте мы увидим, к чему приводит эта разница.

    То есть, мы можем написать таблицу истинности для лактозного оперона:

    image

    Лактозный оперон работает почти как логический элемент AND. Только 5% активности в состоянии «лактоза+, цАМФ — » слегка выпадают из идеальной картины.

    Продолжение с графиками и матаном: https://geektimes.ru/post/283686/
    Поделиться публикацией

    Комментарии 31

      +3
      Спасибо за статью, очень интересно!

      Такой вопрос, а что происходит с регуляторами при митозе клетки? Впрочем, вопрос можно расширить и до прокариот.

      Для репликации ДНК ее надо раскрутить, а это подразумевает снятие всех регуляторов. Почему в этот момент не возникает «полимеразный взрыв» и клетка не начинает нарабатывать все подряд?
        +1
        В процессе репликации задествована куча белков. Конкретно по вашему вопросу, думаю, «лишним» взаимодействиям могут мешать SSB белки https://en.wikipedia.org/wiki/Single-stranded_binding_protein.

        Подробнее про репликацию с красивыми схемами http://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-replication-and-checkpoint-control-in-s-14202419
          +2
          У эукариот на время копирования ДНК РНК-полимеразы блокируются фосфорилированием. У прокариот так нельзя, потому что копирование ДНК начинается из одной точки и занимает порядка часа, т.е. быстрорастущие бактерии все время копируют свою ДНК. Сильных проблем с регуляцией генов это не создает, потому что ДНК-полимераза идет очень быстро (~1000 нуклеотидов в секунду) и проскакивает отдельный оперон за 3-5 секунд.
          Развернутая двойная спираль есть только на небольшом участке перед ДНК-полимеразой и около 1500 нуклеотидов за ней. Развернутые участки отделяются от свернутых ферментами-топоизомеразами, которые позволяют одной нити ДНК прокрутиться вокруг другой. Так что копирование ДНК у бактерий в каждый момент времени затрагивает примерно на 0,2% генома, а остальной геном работает как обычно.
          –2
          Чуть не надумал стать биопрограммистом )
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              0
              дело в представлении структурт белка. Для удобства на этой картинке не показаны все атомы белка, структура показана схематически, что создает впечатление, что белок «меньше». Кстати, в сети в свободном доступе огромная база по таким структурам, и вьюверы http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do. Если поковыряться — можно даже смотреть стерео (не знаю не вредно ли это для глаз, но можно без спец приспособлений). Очень впечатляюще, рекомендую!
                0
                Она существенно больше. Если там выдержаны традиции инфографики, то показаны отдельные атомы. Атомов же в ДНК единицы (или даже десятки) миллиардов — из оценки в сотни миллионов пар оснований на ДНК.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                0
                Очень интересно и доступно для понимания (не профессионалу).
                Жду продолжения!
                  0

                   Шикарная статья, спасибо, пишите еще!


                  Лактозный репрессор же регулирует оперон в диапазоне от 0 до 100%.

                  Эту фразу я либо не понял, либо она лишняя (сбивает с толку). Из таблички под ней следует, что лактозный репрессор не "регулирует", а "переключает", и не до 100%, а до 5%, а до 100% доводит уже катаболический. Можете пояснить этот момент?

                    0
                    Я подробнее про это напишу дальше. Имелось в виду то, что при наличии цАМФ и катаболического активатора репрессор может подавлять активность оперона от 100% до 0%. А при наличии лактозы (т.е. репрессор неактивен), регуляция цАМФ действует только от 5% до 100%.
                    0
                    такой материал я и люблю читать!
                      0
                      Не хватало именно такого цикла статей! Спасибо.
                        0
                        А каким геном определяется синтез лактозного репрессора, и как происходит регуляция этого гена?

                        «Катаболический активатор похожим способом реагирует на концентрацию цАМФ» — не может белок реагировать. Он либо образует комплекс с цАМФ, либо не образует. Никакой обратной связи между концетрацией цАМФ и концентрацией активатора не наблюдаю из статьи.

                        Равно как и в ситуации с репрессором — чем регулируется его концентрация в цитоплазме?

                        По идее, должен быть механизм поддержания некоего уровня цитоплазматической концентрации как активатора, так и супрессора, чтобы механизм работал. Возможно, сами эти белки также могут блокировать/активировать гены, ответственные за их синтез? (как ауто, так и гетеровзаимодействием).
                          0
                          Совершенно верно, механизм поддержания уровня репрессора есть. Он выключает свой собственный ген, причем это не зависит от лактозы. Для активатора тоже есть такие механизмы, но более сложные, т.к. он регулирует десятки генов и его концентрация в клетке выше.

                          «Катаболический активатор похожим способом реагирует на концентрацию цАМФ» — да, действительно, я криво сформулировал. Имелось в виду, что активатор работает посредником между цАМФ и опероном, подобно тому как лактозный репрессор — посредник между лактозой и опероном.
                          0
                          Вот если бы научились принудительно запускать регенерацию органов in vivo, без 3D биопринтинга и хирургии, было бы здорово! То есть: запуск пролиферации группы клеток, выращивание нового органа, останов пролиферации. Новый орган готов.
                            0
                            Увы, регенерация прямо на месте — дело не быстрое и будет занимать много месяцев. Биопринтинг позволяет сделать новый орган гораздо быстрее.
                              0
                              Но это опять хирургия, кровь, выпадение из привычной жизни на время восстановления. Тем не менее, аппаратом Елизарова, по сути, удлиняют кости, а вместе с ними и близлежащие ткани, сосуды и мыiцы in vivo. Осталось ускорить эти процессы при помощи индуцированных стволовых клеток из жировой ткани пациента.
                                0
                                Вполне ожидаемо, что с роботизацией и освоением микро- и наноуровней, операции станут сильно проще и эффективней.

                                Для простых случаев можно предположить, что органы будут выращиваться не целиком, а по частям, и эти части будут выращиваться в самом организме где-то неподалёку. Здесь много мест для потенциальной оптимизации.

                                Но всё это никак не решает другую проблему: когда организм внезапно и серьёзно повреждён механически и для выживания требуется срочная замена уничтоженных органов. Тут только печатать и иметь запас готовых.
                                  0
                                  1)Про печать «конструкта» (термин Миронова, «3D Bioprinting Solutions») согласен. Но до сих пор не решена проблема параллельного выращивания (печатания биопринтером) кровеносных сосудов. «Конструкты» без снабжения пищей и кислородом погибают даже после пересадки (как их питать уже в теле человека, если кровеносной системы нет). А вот раковые клетки успешно стимулируют рост кровеносных сосудов для собственного жизнеобеспечения.
                                  То есть, научившись управлять (перепрограммировать) раковыми клетками, научимся управлять системами жизнеобеспечения.
                                  2) Запас готовых органов. Иммунное отторжение неминуемо. Вариант ксенотрансплантологии пока ещё не готов, публикаций на эту тему нет (об УЖЕ выращенных «химерах» с геномом пациента).Фильм «Не отпускай меня» говорит о «клонах» либо без иммунной системы, либо с универсальной иммунной системой.
                                  3) Реально выращивать «страховку»: фильм «Остров», режиссёр Майкл Бэй.
                                    0
                                    Почему иммунное отторжение неминуемо, если органы растить или печатать из клеток самого пациента? Пуповинная кровь, которая все равно не нужна младенцу после рождения, содержит хорошие стволовые клетки, из которых можно вырастить почти любой тип клеток с минимальным перепрограммированием. И личная ГМ-свинья, полностью идентичная конкретному человеку по маркерам совместимости тканей, может быть сделана про запас.
                                    0
                                    При внезапном серьезном повреждении можно месяц-другой (пока органы на замену растут или печатаются) полежать подключенным к искусственной почке, сердцу и легким.
                                    0
                                    Сердце на месте не срегенерируешь. Почку тоже, если обе своих уже отвалились.
                                      0
                                      Судя по выступлению Миронова, конструкт (а не орган, так как в конструкте оставлена только основная функция), выращивают около месяца. Нужно время на забор аутоиммунных стволовых клеток из жировой ткани. Их размножение в биореакторе. Далее их дифференцировка (iPS). И только потом дифференцированные клетки упаковывают в тканевый сфероид, которым биопринтер печатает конструкт.
                                      За это время можно и не выжить.
                                      То есть, развитие регенеративной медицины застряло на данный момент из-за одновременной печати кровеносных сосудов, вместе с конструктом (про сосуды лимфатической системы даже не вспоминают).
                                      То есть, конструкт — это не настоящий орган. А вот орган из «химеры» (ксенотрансплантология), или из твоего клона, это полновесный, «свой» для иммунной системы, орган.
                                      По идее, напрашивается следующий вывод: забираем СК из жировой ткани. Из них делаем яйцеклетку и сперматозоиды. Оплодотворяем. Но развитие бластоцисты направляем не на строительство организма, а на строительство отдельного органа.
                                      Юридически это не запрещено, эмбриона то нет. Отдельный орган не имеет личности.
                              0
                              Спасибо, статья очень интересная, буду ждать продолжения.
                                0
                                Читаю текст и вижу знакомые аллюзии с заводом и станками. Ну конечно — слышал на днях Вашу запись)
                                Ваша книга практически прочитана, выражаю признательность.
                                Скажите — есть ли в планах выложить текстовую версию лекции о происхождении жизни на Земле? На мой взгляд, весьма востребованная тема, по крайней мере, среди аудитории этого ресурса.
                                  0
                                  Текстовую версию какой именно лекции? Я их прочел много разных.
                                    0
                                    С точки зрения мировоззренческой ценности больше всего понравилась вот эта:
                                      +1
                                      Да, конечно, эту собираюсь выложить.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое