CC BY
81
2017, том 19 [7]
УДК 575:57.016 - 616.82/.85
БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНОМА И НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТИ
Волобуев А.Н., Петров Е.С., Романчук Н.П., Пятин В. Ф., Сивакова Е.В., Адыширин-Заде К.А., Антипова Т.А.
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет», г. Самара, Российская Федерация
Аннотация. Представлены некоторые принципы анализа нуклеотидных последовательностей молекул ДНК. Рассмотрены основы хранения информации с помощью ДНК. Исследованы принципы построения генетического кода. Показана целесообразность вырождения генетического кода. На основе применения теории цепей Маркова дан анализ конкретных нуклеотид-ных последовательностей. Рассмотрен метод секвенирования нуклеотидной последовательности. Нутригенетика и нутриге-номика заложили основы генетического контроля в нутрициологии, посредством влияния основных пищевых ингредиентов на геном, метаболические пути и гомеостаз. Индивидуальные особенности генотипа определяют ответ на пищу и каким образом, генетические вариации организмов влияют на усвоение пищи. Повышения нейропластичности мозга может помочь формированию более эффективных стратегий вмешательства для улучшения функции мозга. Наши результаты наглядно демонстрируют потенциал улучшения пластичности мозга и могут дать людям беспрецедентную надежду на персональное расширение своих возможностей.
Ключевые слова: геном, нуклеотидная последовательность, цепи Маркова, информационный критерий Байеса, секвениро-вание, нейропластичность, нейрореабилитация, хрономедицина
Введение. Геном - уникальная структура организма, в которой заключена огромная информация о строении организма, его функционировании, репродукции и т.д. В основе генома лежит материальная структура - молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Ген это участок молекулы ДНК кодирующий первичную структуру молекулы белка, а также несущий другую важную информацию, необходимую для жизнедеятельности организма. Важнейшей характеристикой ДНК является ее нуклеотидный состав. ДНК впервые была выделена и изучена Фридрихом Мишером, который начал свои исследования в 1869 г. ДНК построена из четырех мононуклеотидных единиц: дАМФ (дезок-сиаденозин-5'-фосфорная кислота), дГМФ (дезоксигу-анозин-5'-фосфорная кислота), дТМФ (дезокситими-дин-5'-фосфорная кислота), дЦМФ (дезоксицитидин-5'-фосфорная кислота) или сокращенно из четырех оснований (нуклеотидов) А (аденин), G (гуанин), Т (ти-мин), С (цитозин) [5].
Целью работы является биофизический анализ некоторых принципов хранения информации с помощью цепи ДНК.
Принципы построения молекулы ДНК. Частота встречаемости разных оснований в молекулах ДНК разных организмов различная. Но она не несет генетической информации.
Согласно модели Уотсона и Крика, молекула ДНК состоит из двух полимерных цепочек. Последовательность нуклеотидов в каждой цепи может быть произвольной, но она ограничена принципом их комплемен-тарности:
- против А должно быть Т и наоборот;
- против G должно быть С и наоборот.
Молекулы ДНК состоят из динуклеотидов АТ, ТА, GC, CG и имеют очень большую длину до 2 м. Число возможных перестановок в последовательности п нуклеотидов в каждой полимерной цепи равно 4П. С помощью данного 4-х буквенного алфавита можно закодировать практически бесконечное число генетической информации. Если принять молекулярный вес гена, состоящего из определенной последовательности динук-леотидов, ~106, то возможное число таких генов равно ~41500 [13]. Это число значительно превышает число всех генов, существовавших с момента зарождения жизни. Обычно ген содержит от 900 до 1500 динуклеотидов.
На основе информации, заключенной в ДНК синтезируются белки. Этот процесс идет в два этапа. На первом этапе специальный фермент РНК-полиме-раза снимает с гена (кодирующего белок участка ДНК) копию (матрицу) в виде молекулы мРНК (матричной
—-Ече^с-—
~ 57 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Вестник представлен в научной электронной библиотеке (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—--—
рибонуклеиновой кислоты). В отличие от ДНК молекула мРНК состоит из одной полимерной цепочки. Этот этап получил название транскрипция (перезапись). При этом, по какой-то причине тимин Т заменен на урацил и, что не мешает процессу транскрипции. Урацил и также является комплементарным аденину А.
На втором этапе с помощью органоида клетки рибосомы синтезируется белок. Синтез белка осуществляется на основе генетического года. Этот этап называется трансляция (перевод).
Впервые правильный принцип построения генетического кода указал в [15] Г.А. Гамов. Происхождение генетического кода проанализировано в [7].
В колонке 2 показаны возможные аминокислотные остатки, в колонке 3 их сокращенные обозначения. В колонке 4 указано, сколькими кодонами кодируется аминокислотный остаток - т.н. степень вырождения кодировки. В колонках 4 - 9 показаны кодоны, кодирующие аминокислотные остатки. Например:
- аминокислотный остаток Trp кодируется одним кодо-ном TGG;
- аминокислотный остаток Asn кодируется двумя кодонами AAT и AAC;
- аминокислотный остаток Arg кодируется шестью кодонами CGE, CGC, CGA, CGG, AGA и AGG.
В конце таблицы 1 показаны кодоны терминации (конца синтеза данного белка). Каждый из этих кодо-нов останавливает синтез белка.
Особенности формирования генетического кода.
Генетический код представляет собой соответствие между последовательностью нуклеотидов в мРНК и аминокислотной последовательностью белка. Одной аминокислоте соответствует последовательность из трех нуклеотидов в мРНК. Последовательность трех нуклеотидов называется кодон. Количество аминокислотных остатков всех белков организма равно 20. Количество кодонов равно 43 = 64. Поэтому часть аминокислот кодируется несколькими кодонами, от 1-го до 6-и. Генетический код выглядит следующим образом [4], таблица 1.
Таблица 1
Генетический код в целом универсален для всей живой природы. Однако существуют и исключения. Код митохондрий несколько отличается от основного кода. Это указывает на то, что генетический код является результатом эволюции.
Принципы анализа нуклеотидных последовательностей ДНК. Цепи Маркова. Анализ нуклеотидных последовательностей осуществляется различными способами. Часто необходимо провести сравнение двух участков нуклеотидных последовательностей. При этом используют т.н. точечные диаграммы [14]. По осям координат записывают исследуемые последовательности. В местах пересечения, соответствующих одному и тому же нуклеотиду, ставят точку. Далее исследуют количество точек на главной диагонали.
N 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 Met M 1 ATG
2 Trp W 1 TGG
3 Phe F 2 TTT TTC
4 Tyr Y 2 TAT TAC
5 His H 2 CAT CAC
6 Asn N 2 AAT AAC
7 Asp D 2 GAT GAC
8 Cys C 2 TGT TGC
9 Gln Q 2 CAA CAG
10 Lys K 2 AAA AAG
11 Glu E 2 GAA GAG
12 Ile I 3 ATA ATT ATC
13 Val V 4 GTT GTC GTA GTG
14 Pro P 4 CCT CCC CCA CCG
15 Thr T 4 ACT ACC ACA ACG
16 Ala A 4 GCT GCC GCA GCG
17 Gly G 4 GGT GGC GGA GGG
18 Ser S 6 TCT TCC TCA TCG AGT AGC
19 Leu L 6 CTT CTC CTA CTG TTA TTG
20 Arg R 6 CGT CGC CGA CGG AGA AGG
ter * 3 TAA TAG TGA
—-Ече^с-—
~ 58 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Вестник представлен в научной электронной библиотеке (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—---
Мы рассмотрим принципы анализа нуклеотидных последовательностей в цепи ДНК с использованием теории цепей Маркова [1].
Встречаемость разных оснований в молекуле ДНК неодинакова. Частоты пар соседних вдоль цепи ДНК оснований отличаются от произведений частот самих
оснований рич Ф РиРу, где и и V - типы оснований. Это указывает на зависимость вероятностей встречаемости оснований в паре вдоль молекулы ДНК друг от друга. Вдоль молекулы ДНК положение основания определяется не только синтезируемым белком.
_Таблица 2
TG CT CC AG AA CA GG TT GA TC GC AT AC GT TA CG
Puv PuPv 1,29 1,26 1,18 1,16 1,15 1,15 1,14 1,07 1,04 1,00 0,99 0,85 0,84 0,82 0,65 0,42
В таблице 2 показаны некоторые относительные частоты динуклеотидов вдоль ДНК позвоночных. Не все основания полностью комплементарны (совместимы) друг другу. При < 1 комплементарность основа-
РиРу
ний вдоль цепи ДНК снижена. На нуклеотидную последовательность кодирующих участков налагаются строгие ограничения, связанные с последовательностью аминокислотных остатков синтезируемых белков. На эти ограничения накладываются ограничения на уровне кодонов, связанные с ограничениями на ди-нуклеотидном (вдоль ДНК) уровне. Ограничения на уровне кодонов могут в значительной мере сниматься вырожденностью генетического кода. По-видимому, также ограничения на уровне кодонов снижают мутационную устойчивость цепи ДНК, способствуя эволюционным процессам.
Марковская цепь определяется как последовательность случайных величин, обладающая тем свойством, что распределение величины Хп зависит только от значения Хп_1. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК можно считать Марковской цепью. В цепи Маркова взаимозависимыми являются и удаленные друг от друга основания. Часто бывает необходимо определить расстояние, на которое распространяется взаимодействие между основаниями вдоль ДНК, выявить особенности последовательностей нуклеотидов, повторы или сходные участки последовательностей, мутационные замены отдельных нуклеотидов и т.д.
Для примера проведем первоначальное исследование марковской цепи из 9-и нуклеотидов CTATAATAG. Найдем вероятность, что за кодоном ATA следует нук-леотид А. Эта вероятность равна P(.4|ATA) =
"ATAA "ATA
-, где nATA = 2 - число кодонов ATA в последовательности, nATAA = 1 - число последовательностей АТАА в общей последовательности нуклеотидов. Для дальнейшего анализа используем метод функции правдоподобия, предложенный выдающимся генетиком Р.А. Фишером. Метод функции правдоподобия, в частности, позволяет установить порядок цепи Маркова, т.е. определить расстояние, на которое распространяется взаимодействие нуклеотидов. Предположим, что исследуемая последовательность нуклеотидов узнается некоторым ферментом. Функция правдоподобия характеризует вероятность появления данной последовательности в общей последовательности цепи нуклеотидов. Но эта вероятность зависит от порядка марковской цепи последовательности нуклеотидов. Последовательность, составленная из независимых оснований, будет соответствовать марковской цепи 0-го порядка. Функция правдоподобия цепи
Маркова нулевого порядка исследуемой последова-
1 1
тельности нуклеотидов равна L (0) = — =
Цепь порядка 1 предполагает, что вероятность нахождения какого-либо основания в позиции i зависит только от вероятности присутствия одного из четырех оснований в позиции i — 1.
Функция правдоподобия, например, для марковской цепи нуклеотидов 1-го порядка вычисляется по формуле: ¿(1) = P{C)P(J\C)P{A\T)P{T\A)P{A\T)P{A\A)P(J\A)P{A\T)P{G\A) =
= i . . ^ta . ^AT . ^TA . "AA . ^AT . ^TA . "AG = i_i .1.1.1.1.1.1.1 = .
nc nj n_A nj n_A n_A nj n_A
3 4 3 4 4 3 4
256
Функция правдоподобия для марковской цепи нуклеотидов 2-го порядка, используя Р(СТ) = Р(С)Р(Г|С) = - •
4
11 1 1= -, вычисляется аналогично: ¿(2) = —. Функция правдоподобия для цепи 3-го порядка равна ¿(3) = — и т.д.
4 108 16
Любая цепь или последовательность характеризуется своими параметрами. Например, последовательность единиц (или букв А) характеризуется одним парамет-
ром - единицей (или буквой А). Последовательность случайных чисел характеризуется тремя параметрами: математическим ожиданием, дисперсией и корреляци-
онной (или ковариационной) функцией элементов последовательности. В связи с этим заметим, что справедлива эргодическая гипотеза, которая, в частности, предполагает, что математическое ожидание элемента последовательности во времени равно математическому ожиданию всех элементов последовательности в данный момент времени по длине цепи.
—-эъэ+ы-з-—
~ 59 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—--—
Цепь Маркова к-го порядка характеризуется е = 3 • 4к параметрами. Второй сомножитель определяет число возможных перестановок 4-х нуклеотидов. Таким образом, для цепи Маркова 0-го порядка (последовательность независимых оснований или случайных чисел) число параметров равно 3, для марковской цепи 1-го порядка число параметров равно 12, 2-го порядка 48, а 3-го порядка 192 параметра. Отношение функций правдоподобия следующих друг за другом порядков
цепи Маркова обозначим
L(fc)
Яь —
L(fc)
Величина
L(fc+1)'
-2ln_r.w - — — 2(lnL(fc) — ln(fc + 1)) подчиняется
2
Ь(к+1)
распределению х2 [7] с числом степеней свободы рав ным разности параметров цепей Маркова. Для рас сматриваемой модельной последовательности нуклео
2 и
тидов варианты распределения х -------
108
равны: —2ln—- =
F L(l)
= 15,6 с числом степеней свободы v = 12 —
L(l)
3 = 9,—2ln—- = 1,73 с числом степеней свободы v =
—2ln-
262144
L(2)
L(2)
48 — 12 — 36 и —2ln—-■ — 3,82 с числом степеней сво-
боды v — 144.
L(3)
Для того, чтобы выбрать адекватный порядок цепи нуклеотидной последовательности, отражающий истинный уровень связи нуклеотидов вдоль цепи ДНК (фактически, противодействующий кодированию белков), часто используется информационный критерий Байеса (Bayesian Information Criterion): BIC(fc) = Const - 2lnL(k) + 3 • 4fclnnfc, где nk - число подпоследовательностей длины к + 1, находящихся в рассматриваемой последовательности; пк равно числу элементов последовательности минус к. То значение к, для которого BIC(fc) минимально, принимается за оценку. Постоянная величина роли не играет, т.к. осуществляется только сравнение критериев BIC(fc). Ее можно условно принять равной нулю. Таким образом: BIC(0) = Const - 2lnL(0) + 3ln(9 -0) = 31,54; BIC(1) = 36,04; BIC(2) = 102,8; BIC(3) = 349,6.
Естественно, расчет такой короткой последовательности носит в основном иллюстративный характер. Но уже этот расчет показывает, что нужно выбирать 1-й порядок цепи Маркова для адекватного анализа последовательности нуклеотидов. Нулевой порядок цепи неприемлем, т.к. нуклеотиды в ДНК нельзя считать независимыми.
Результаты расчета цепи Маркова для последовательности 431 нуклеотида мРНК кодирующей части генома ß-глобина цыпленка [1].
Таблица 3.
k BIC(k) lnL(fc) £ v
0 1213,04 -597,49 3
1 1196,19 -562,93 12 68,94 9
2 1365,7 -540,12 48 45,62 36
3 2068,46 -454,77 192 170,70 144
4 5334,38 -290,52 768 328,50 576
Наименьший В1С получен для цепи 1-го порядка. Таким образом, цепь Маркова 1-го порядка лучше всего соответствует последовательности нуклеотидов кодирующей части генома -глобина цыпленка. Секвенирование цепей ДНК. В заключение рассмотрим принцип секвенирования цепей ДНК. Секвенирование - это определение нуклеотидной последовательности цепи ДНК.
Существует ряд методов, с помощью которых проводится секвенирование. Один из наиболее популярных методов, которым в частности впервые была установлена последовательность нуклеотидов в ДНК человека (проект «Геном человека» 1990-2003 гг.), является метод секвенирования по Ф. Сэнгеру, за что ему была присуждена Нобелевская премия в 1980 г. Упрощено суть метода состоит в следующем. Выделенные из клеток молекулы ДНК делят на рестрикци-онные фрагмены с помощью рестриктаз - ферментов, которые разрезают молекулу ДНК, после распознавания ими определенной нуклеотидной последователь-
ности. Например, рестриктаза ВатН1 распознает последовательность GGATCC, а рестриктаза EcoRI последовательность GAATTC и т.д. Затем осуществляется процесс амплификации фрагментов ДНК. Амплификация - это накопление копий фрагментов ДНК. Амплификация осуществляется следующим образом. Фрагменты ДНК сначала денатурируют путем их нагревания, получая отдельные нити. Затем добавляют т.н. праймеры. Праймеры - это короткие фрагменты нуклеотидной последовательности (несколько нуклеотидов), соединяющиеся с фрагментом нити ДНК и служащие для начала работы ДНК-по-лимеразы.
Далее полученную смесь разделяют на четыре части, в каждую из которых добавляют один из дидезоксинук-леотидов (далее dd): ddATP, ddCTP, ddGTP или ddTTP и ДНК-полимеразу. ДНК-полимераза катализирует полимеризацию нити ДНК, комплементарную копируемому фрагменту, с помощью полимеразной цепной реакции. В результате получается копия фрагмента. Но
—-Ече^с-—
~ 60 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Вестник представлен в научной электронной библиотеке (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—---
эта копия заканчивается, если ДНК-полимераза захватывает dd.
В результате получаются фрагменты разной длины, но с определенным dd на конце. Участок фрагмента перед dd называется префикс.
Допустим, мы определяем последовательность в цепи 9-и нуклеотидов CTATAATAG. В 4-х пробирках образуются префиксы С, СТ, СТА, СТАТ, СТАТА, СТАТАА, СТАТААТ, СТАТААТА, CTATAATAG. Если полученные смеси подвергнуть электрофорезу в геле на 4-х дорожках, то более длинная последовательность пройдет более короткий путь и последовательности разделятся по длине. Выяснив каким-либо методом (например, методом радиоакивно меченого дезокси-нуклеотида), какой нуклеотид в самом коротком префиксе (С), мы находим начальную букву последовательности. Затем мы выясняем какие нуклеотиды в более длинном префиксе (СТ) и находим вторую букву последовательности и т.д.
В настоящее время методы секвенирования в значительной мере автоматизированы и процесс, при относительно низкой стоимости, не занимает много времени. 1Т-технологии и автоматический анализ полногеномного секвенирования нового поколения повышают качество оказания медицинской помощи. Организации генома и нейропластичность. В основе современных представлений о пространственно-временном функционировании головного мозга лежит концепция нейропластичности, а нервная система представляется структурой, состоящей из интерактивно распределенных морфологически и функционально динамических глио-нейро-синаптических сетей, способных к модуляции под воздействием внешних и внутренних стимулов, что и называется нейро-пластичностью. Стабилизация компенсаторно-восстановительного пространственно-временного контура биоэлектрической активности мозга осуществляется посредством гомеостатической нейропластичности, на базе которой развивается адаптивная нейропластич-ность [6, 10].
Геном человека и его обширные нейросети - это основной фундамент мозга, биоинформационная карта строения и функционирования организма. Организм постоянно контактирует со своим геномом, используя нейронные программы мозга. В этом и заключаются когнитивные возможности организма. При этом мозг постоянно функционирует, благодаря своей нейропла-стичности и активизации нейронных сетей. Нейроны - это высокотехнологичные процессоры головного мозга, а их электрические и химические сигналы - это основа формирования памяти и мышления. Развитие нейросетей и, соответственно, нейропластич-ности строго индивидуально в различные возрастные периоды.
Поток информации передается параллельно по многим каналам. При этом широкополосная нейропередача, изменяя состояние мембраны нейронов, меняет свойства синаптического сигнала. Информация кодируется посредством локальных внесинаптических флуктуа-ций нейропередатчиков мозга. Эти колебания определяют, как и какие нейроны или нейрональные компарт-менты в сети будут обрабатывать входящие синапти-ческие сигналы. Если нейрональная обработка синап-тического сигнала будет достаточно быстро изменять свои параметры во времени, то этот процесс будет «нейронально пластичным». Такие изменения могут носить как кратковременный, так и долговременный характер.
Геном человека - это геном биологического вида Homo sapiens. В нормальной ситуации в большинстве клеток человека должно присутствовать 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две — X-хромосома и Y-хромосома — определяют пол (XY — у мужчин или ХХ — у женщин), эти 46 хромосом составляют один геном. Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов ДНК, в которых по оценкам содержится 25000-30000 генов.
Стабильная регуляция функции гена обеспечивается структурными и регуляторными генами. К структурным генам относятся гены, которые контролируют (кодируют) первичную структуру матричных, или информационных, РНК, а через них последовательность аминокислот в синтезируемых полипептидах. Другую группу структурных генов составляют гены, определяющие последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях рибосомной РНК и транспортной РНК, т.е. структурные гены отвечают за передачу генетического кода от одного поколения клеток к другому, а также управляют синтезом белков. Регуляторные гены контролируют синтез специфических веществ, так называемых ДНК-связывающих белков, которые регулируют активность структурных генов. Регуляторные гены взаимодействуют со структурными и регулируют все биохимические процессы в клетке, позволяя ей тем самым приспосабливаться к изменениям окружающей среды, например к изменениям количества и качества поступающих в нее питательных веществ. Если околоклеточная среда стабильна, регуляторные гены тормозят (репрессируют) структурные.
Молекула ДНК может содержать множество генов. Ген - это участок молекулы ДНК, который занимает на хромосоме строго определенную позицию и последовательность ДНК которого содержит информацию, необходимую для синтеза белка. Геном человека включает, по приблизительным оценкам 50-100 тысяч генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию - кодирует определенный белок (например,
—-эъэ+ы-з-—
~ 61 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—--—
ферменты или структурные белки клетки) или молекулу РНК. Гены человека сильно варьируют по размерам - от нескольких сотен до нескольких миллионов пар оснований. Известно, что кодирующие белок последовательности занимают лишь около 10% генома. Остальные 90% приходятся на долю некодирующих участков. Большая часть генов состоит из перемежающихся кодирующих (экзоны) и некодирующих (нитроны) частей.
Основным «строительным материалом» живых организмов является белок. Клетки человека способны синтезировать около 100 тысяч различных белков. Белок представляет из себя сложную молекулу, состоящую из одной или более цепочек, построенных из остатков аминокислот. Последовательность аминокислот в белке закодирована в последовательности оснований гена. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая из аминокислот будет располагаться в данной позиции белка.
Нутригенетика и нутригеномика заложили основы генетического контроля в нутрициологии. Нутригено-мика изучает влияние основных пищевых ингредиентов на геном, описывает влияние пищевых молекул на метаболические пути и контроль гомеостаза. Сегодня уже доказано, что некоторые нутриенты могут оказывать влияние на ДНК, эпигенетические (например, метилирование), транскрипционные (влияние на мРНК) и посттрансляционные процессы (фосфорилирование, гликозирование белков). Нутригенетика оценивает, как индивидуальные особенности генотипа определяют ответ на пищу, т.е. как генетические вариации организмов влияют на усвоение пищи. В современной биофизике, биологии, философии биологии, а в последнее время в геронтологии и гериатрии принято, что функции живого всегда «связаны» с определенной структурой, как своим носителем, что структура в соответствии со своим внутренним устройством проявляет ту или иную функцию, вступая во взаимодействие с окружением.
В настоящее время, полученные данные путем гибридизации общей ДНК с молекулами информационной РНК, свидетельствуют, что по мере роста усиливается активность, сложность генных эффектов в нейронах. У эмбриона человека в возрасте 22 недель в нейронах активны около 8% генов, а в нейронах взрослых — 25% и более. Еще одной важной особенностью ранних этапов развития ЦНС является генетически обусловленная избыточность в образовании количества нейронов, их отростков и межнейронных контактов. Говоря другими словами, нейронов в ходе эмбриогенеза мозга возникает значительно больше, чем это характерно для взрослого индивида. Более того, формирующиеся нейроны образуют заведомо большее, чем требуется, количество отростков и синапсов.
Каждый нейрон, имея, как и любая другая клетка, ядерный аппарат, несет в себе полную генетическую информацию о морфофункциональных особенностях организма, но в нейронах, как и в других клетках организма, активируется лишь часть генетической информации. Молекулы информационной РНК, выделенные из клеток соматических тканей (печень, почки), вступают в гибридизацию с относительно небольшим объемом ДНК (около 4-6%). Это свидетельствует о том, что сравнительно небольшая специализированная группа генов обеспечивает специфические особенности соматических тканей. В то же время для тканей мозга аналогичное число намного выше. Более того, в нервных тканях разных отделов мозга, по-видимому, экспрессируется различное число генов. Есть основания полагать, что наибольший объем экс-прессируемых генов характерен для филогенетически молодых отделов мозга, в первую очередь для областей коры, связанных с обеспечением специфически человеческих функций. Так, установлено, что в клетках ассоциативных зон коры больших полушарий экс-прессируется приблизительно 35,6% уникальных последовательностей ДНК, а в клетках проекционных зон — 30,8%. Не исключено, что именно различия в объеме экспрессируемой генетической информации лежат в основе функциональной специализации разных отделов мозга. Одной из наиболее поразительных особенностей нервной системы является высокая точность связей нервных клеток друг с другом и с различными периферическими органами. Создается впечатление, что каждый нейрон «знает» предназначенное для него место. В процессе формирования нервной системы отростки нейронов растут по направлению к своему органу - «мишени», игнорируя одни клетки, выбирая другие и образуя контакты (синапсы) не в любом участке нейрона, а, как правило, в его определенной области.
Циркуляция движущейся матрицы охватывает системы сетей с большим числом нейронов. Из-за очень большого числа участвующих связей и из-за изменчивости уровней возбуждения и торможения при каждом данном прохождении по сети в матрицу могут включаться новые нейроны, а другие исключаться. Установлено, что белок, служащий сырьём для материала генокода, состоит из незаменимых аминокислот, то есть - таких, которые наш организм не вырабатывает самостоятельно. Они поступают только из растительной пищи.
Поэтому, настоящее и будущее изучение активности теломеразы, продолжение изучения 3-Э структуры ДНК и РНК и проблемы взаимного распознавания ДНК, РНК и белков, регулирующего активность генов, позволяют с одной стороны, достоверно проводит первичную и вторичную профилактику заболеваний, а с
—-Ече^с-—
~ 62 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Вестник представлен в научной электронной библиотеке (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—---
другой - способствовать качественному активному и когнитивному долголетию.
Установлено, что самое большое количество активированных структурных и регуляторных генов содержится в головном мозге человека - более 3 тысяч. Поэтому, нами в комбинированную терапию при сердечно-сосудистых и цереброваскулярных заболеваниях включен функциональный продукт питания «Самарский здоровяк» (ФПП «Самарский здоровяк») для профилактической ревитализации вазоактивной, нейрометаболической и нейропротективной функций головного мозга человека.
Актуальность общественного внимания к проблеме возрастных когнитивных нарушений, диктует необходимость мультидисциплинарного рассмотрения данной неврологической и психиатрической проблемы, как взаимоотношения «бионеврологии» и «биопсихиатрии» в тандеме с нейропсихиатрией [8]. Таким образом, ФПП «Самарский здоровяк» - это, полифункциональный продукт питания, состоящий из низкодозовых комбинированных (примерно 10-15) компонентов и достаточным набором необходимых белков. В настоящее время разработано более 35 составов ФПП «Самарский здоровяк» для диетического, профилактического и функционального питания при когнитивных нарушениях и пограничных расстройствах личности.
ФПП «Самарский здоровяк с фитокомпонентами, пре-и пробиотиками обеспечивают циркадианное функционирование нейрооси «мозг - кишечник» с одновременным питанием «мозга» и «микробиоты» [2,3]. Исследователи подчеркнули, что новая концепция, рассматривающая микрофлору кишечника как ключевой регулятор поведения и функционирования головного мозга, представляет собой смену парадигмы в нейро-науке и клинической гериатрии. Системно-локальное и индивидуальное сочетанное (медикаментозное и немедикаментозное) вмешательство в циркадианную ось «микробиота - кишечник - мозг» с помощью психобио-тиков - микроорганизмов с потенциально положительным влиянием на когнитивное и психическое здоровье, на ежедневном полифункциональном диетическом комплексе - ФПП «Самарский здоровяк», решает демографические и экономические задачи [3, 12]. ФПП «Самарский здоровяк в течение 15 лет на фундаментально - исследовательском и 10 лет на продовольственном рынке функционального питания, установил следующие клинические полифункциональные воздействия на ось «мозг-кишечник» [12]:
1. геропротекторный,
2. дезинтоксикационный,
3. пребиотический,
4. гепатопротекторный,
5. пробиотический,
6. антиоксидантный,
7. постоянный синтез ферментов и гормонов. Учеными установлено, что гормоны выступают в качестве посредников в регуляции транскрипции генов. Иначе говоря, гормоны, хотя, возможно, и не только они, служат материальным связующим звеном между ЦНС (мозгом) и генной системой организма. Особенно наглядно роль гормонов в регуляции генной активности выступает в исследованиях влияния эмоционального стресса на генетические процессы. Стресс представляет собой неспецифическую реакцию, обусловливающую привлечение энергетических ресурсов для адаптации организма к новым условиям. При действии стрессогенного стимула сигналы из анализаторных отделов коры поступают в гипоталамус. Гипоталамус передает сигнал гипофизу, в результате чего возрастает синтез гормонов и их выброс в кровь. Существуют три основные «эндокринные оси», участвующие в реакциях такого типа: адрено-кортикальная, соматотроп-ная и тироидная. Они связаны с активизацией надпочечников и щитовидной железы. Показано, что эти оси могут быть активизированы посредством многочисленных и разнообразных психологических воздействий.
Изучение индивидуальных различий в метаболизме стало особенно актуальным в связи с появлением такой области исследований, как фармакогенетика. Фар-макогенетика - область изучения генетических и биохимических факторов, обусловливающих индивидуальные различия в чувствительности к лекарственным препаратам. Например, через некоторое время после введения одинаковой дозы препарата его уровень в крови у разных людей может различаться более чем в 20 раз, причем эти различия имеют весьма устойчивый характер. Прогресс в изучении генетических предпосылок формирования индивидуально-психологических особенностей человека связан с дальнейшим синтезом психогенетики и нейрофармакогенетики. Причем наряду с выявлением общих усредненных закономерностей необходимо изучать межиндивидуальную изменчивость на популяционном уровне. В конечном счете это должно привести к созданию особого междисциплинарного направления в исследовании человека - «психонейрофармакогенетики». Установление общих закономерностей в совокупности с межиндивидуальной изменчивостью биохимических механизмов представляет собой перспективу исследований в генетике мозга, поскольку ведет к раскрытию глубинных опосредующих механизмов (нормативных и индивидуализированных), наиболее тесно связанных с прямыми продуктами действия генов. Однако следует иметь в виду, что успехи в изучении генетического полиморфизма, влияющего на мозг, вряд ли позволят исчерпывающим образом объяснить все стороны поведения человека, поскольку детерминанты поведения и психики не могут быть сведены к
—-эъэ+ы-з-—
~ 63 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—--—
набору биохимических «ключей». Роль генетических факторов в формировании ЦНС изучается на клеточном, морфофункциональном и системном уровнях. Первый связан с генетической детерминацией функций клеточных элементов и нервной ткани, второй -морфологических и функциональных особенностей отдельных образований, из которых состоит головной мозг, третий - организации функциональных систем, лежащих в основе поведения и психики. Каждый генетический процесс в организме протекает не изолированно, а под контролем ряда соподчиненных систем - генной системы клетки, систем ткани, органа и, наконец, организма. Гипотеза нейроэндокрин-ной регуляции процесса реализации генетической информации предполагает существование на молекулярном уровне общих механизмов, обеспечивающих как регуляцию активности нервной системы, так и регуля-торные воздействия на хромосомный аппарат. Важными посредниками, осуществляющими взаимодействие между ЦНС и генной системой, являются гормоны. По-видимому, существуют генетически обусловленные биохимические различия в метаболизме ЦНС, которые создают предпочтительные условия для формирования некоторых устойчивых индивидуально-психологических особенностей. Заключение. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК является основой хранения информации о строении организма, его функционировании, репродукции и т.д. Эта информация записывается с помощью генетического кода. Однако на последовательность нуклео-тидов накладываются ограничения, связанные с ком-плементарностью оснований вдоль цепи ДНК. Эти ограничения на уровне последовательности кодонов могут в значительной мере сниматься вырожденностью генетического кода. По-видимому, также ограничения на уровне кодонов снижают мутационную устойчивость цепи ДНК, способствуя эволюционным процессам.
С целью сравнения последовательности нуклеотидов в ДНК, определения расстояния, на которое распространяется взаимодействие между основаниями вдоль ДНК, выявления особенностей последовательностей нуклеотидов, повторов или сходных участков последовательностей, мутационных замен отдельных нуклео-тидов и т.д. проводится генетико-математический анализ нуклеотидных последовательностей. Использование теории цепей Маркова позволяет определить истинный уровень связи нуклеотидов вдоль цепи ДНК. Секвенирование нуклеотидной последовательности в настоящее время в значительной мере автоматизировано имеет относительно низкую стоимость и не занимает много времени. Усовершенствован авторский метод секвенирования нуклеотидной последовательно-
сти. IT-технологии и автоматический анализ полногеномного секвенирования нового поколения повышают качество оказания медицинской помощи. Современная нутригенетика и нутригеномика персонифицировали генетический контроль в нутрициоло-гии.
Повышения нейропластичности мозга может помочь формированию более эффективных стратегий вмешательства для улучшения функции мозга. Эти результаты наглядно демонстрируют потенциал улучшения пластичности мозга и могут дать людям беспрецедентную надежду на персональное расширение своих возможностей [9,11,12].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Вейр Б. Анализ генетических данных. Пер. англ. (М: Мир, 1995).
[2] Волобуев А.Н., Пятин В.Ф., Романчук Н.П. Циркадианная биофизика и хрономедицина / Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». 2016. Том 18, №5. С.97-100.
[3] Волобуев А.Н., Романчук Н.П. Пятин В.Ф. Циркадианная биофизика и нейропластичность / Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». 2016. Том 18, №8. С.79-83.
[4] Козлов Н.Н. Математический анализ генетического кода. (М.: БИНОМ, 2015)
[5] Ленинджер А Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки. Пер. с англ. (М.: Мир, 1974).
[6] Пятин В.Ф., Романчук Н.П. Геронтологические и гериатрические аспекты нейропластичности головного мозга человека// Клинические и фундаментальные аспекты геронтологии. - Самара, 2017. C. 371-385.
[7] Резерфорд А Биография жизни. От первой клетки до генной инженерии. Пер. с англ. (М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2016).
[8] Романов Д.В., Романчук Н.П. Ранняя диагностика когнитивных нарушений.- Самара. 2014.-34с.
[9] Романчук Н.П., Пятин В.Ф., Волобуев А.Н. Нейропластичность: современные методы управления / Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». 2016. Том 18, №9. С.92-94.
[10] Романчук Н.П., Пятин В.Ф., Волобуев А.Н. Нейрофизиологические и биофизические принципы нейропластичности / Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». 2017. Том 19, №2. С.97-101.
[11] Романчук Н.П., Тюрин Н.Л., Борисова О.В., Логинова Л.Н., Кирасирова Л.А. Механизмы взаимодействия цирка-дианной системы с ритмами ЭЭГ и регуляцией вегетативных процессов//Инновации в медицине. Самарский государственный медицинский университет. Самара, 2016. №3. С.51-55.
[12] Романчук П.И., Волобуев А.Н., Сиротко И.И., Никитин О.Л. Активное долголетие: биофизика генома, нутригеномика, нутригенетика, ревитализация. Самара, 2013. 416с.
[13] Уотсон Дж Молекулярная биология гена. Пер. с англ. (М.: Мир, 1978).
—-Ече^с-—
~ 64 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Вестник представлен в научной электронной библиотеке (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
—---
4 Brown D, Rothery P Models in Biology: Mathematics, Statistics, and Computing (Chichester, NY, Jon Wiley & Sons Ltd., 1994).
[15] Gamov G A Possible Relation between Deoxyribonucleic Acid and Protein Structures. Nature 173 Feb 13 (1954) p. 318.
BIOPHYSICAL BASES OF GENOME ORGANIZATION, AND NEUROPLASTICITY
Volobuev A.N., Petrov E.S., Romanchuk N.P., Pyatin V.F., Sivakova S.V., Adyshirin-Zade K.A., Antipova T.A.
Samara State Medical University, Samara, Russian Federation
Annotation. Some principles of the molecules DNA analysis nucleotide sequences are submitted. Bases of the information storage with help DNA are considered. Principles of a genetic code construction are investigated. The expediency of the genetic code degeneration is shown. On the basis of application of the Markov's chain theory the analysis concrete nucleotide sequences is given. The method of the nucleotide sequences sequencing is considered. Nutrigenomics and nutrigenetics have laid the bases of the genetic control in nutricytology by means of the basic food components influence on a gene, metabolic ways and a homeostasis. Specific features of a genotype determine the answer on a food and how genetic variations of organisms influence on a food digestion. Increases of a brain neuroplasticity can help to formation of more effective intervention strategy for improvement of a brain function. Our results evidently show potential of a brain neuroplasticity improvement, and can give people unprecedented hope for personal expansion of the opportunities.
Key words: genome, nucleotide sequences, Markov's chain, Bayesian information criterion, sequencing, neuroplasticity, neuroreha-bilitation, chronomedicine.
REFERENCES
[1] Weir B.S. Genetic Data Analysis. Trans. from English. (M: Mir, 1995).
[2] Volobuev A.N., Pyatin V.F., Romanchuk N.P. Curcadional biophysics and chronomedicine. The journal of articles «Health and Education Millennium». 2016. Vol. 18. No 5. P. 97-100.
[3] Volobuev A.N., Romanchuk N.P., Pyatin V.F. Curcadional biophysics and neuroplasticity. The journal of articles «Health and Education Millennium». 2016. Vol. 18. No 8. P. 79-83.
[4] Kozlov N.N. Mathematical analysis of a genetic code. (M.: BINOM, 2015).
[5] Leninger A.L. Biochemistry. The Molecular Basis of cell Structure and Function. Trans. from English. (M: Mir, 1974).
[6] Pyatin V.F., Romanchuk N.P. Gerontological and geriatric aspects of neuroplasticity of the human brain// Clinical and fundamental aspects of gerontology. - Samara, 2017. P.371-385.
[7] Rutherford A. Creation. The Origin of Life. The Future of Life. Trans. from English. (M: BINOM. Laboratory of sciences, 2016).
[8] Romanov D. V., Romanchuk N. P. Early diagnosis of cognitive disorders. 2014. 34p.
[9] Romanchuk N.P. Pyatin V.F., Volobuev A.N. Neuroplasticity: modern methods of management / Journal of
scientific articles "Health & education in the XXI century". 2016. Volume 18, No. 9. P. 92-94.
[101 Romanchuk N.P. Pyatin V.F., Volobuev A.N. Neurophysiological and biophysical principles of neuroplasticity / Journal of scientific articles "Health & education in the XXI century". 2017. Volume 19, No. 2. P. 97-101. [11] Romanchuk N. P., Tyurin N. L., Borisova O. V., Loginova L. N., Kirasirova L. A. Mechanisms of interaction between the circadian system EEG rhythms and regulation of vegetative processes// Innovations in medicine. Samara State Medical University. Samara. 2016. No. 3. P. 51-55. [121 Romanchuk P.I., Volobuev A.N., Sirotko I.I., Nikitin O.L. Active longevity: biophysics of the genome, nutrigenomics, nutrigenetics, revitalization. 2013. 416p.
[13] Watson J.D. Molecular Biology of the gene. Trans. from English. (M: Mir, 1978).
[14] Brown D, Rothery P Models in Biology: Mathematics, Statistics, and Computing (Chichester, NY, Jon Wiley & Sons Ltd., 1994).
[15] Gamov G A Possible Relation between Deoxyribonucleic Acid and Protein Structures. Nature 173 Feb 13 (1954) p. 318.
—-эъэ+ы-3-—
~ 65 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
