CC BY
54
УДК 577.123
A.M. Deichman
THE HYPOTHETICAL MECHANISMS OF HYPERVARIABILITY AND CONSERVATIVE FORMATION OLIGONUCLEOTIDE SITES OF GENOME. POSSIBLE PROSPECTS
N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center RAMS, Moscow
ABSTRACT
In suggested paper the some aspects (biochemical, biophysical, molecularly-biological, immunological, ecology-evolutional) and prognoses, associated with probable operation of two new inside-/intracellular hypothetical mechanisms of formation of hypervariability/conservatism genomes of DNA-containing cell organelles of different eukaryote’s cell are represented.
Key words: DNA-containing cell’s organelles; RNA editing; vertical/horizontal transfers; genetic code.
А.М. Дейчман
ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГИПЕРВАРИАБЕЛЬНЫХ И КОНСЕРВАТИВНЫХ ОЛИГОНУКЛЕОТИДНЫХ УЧАСТКОВ ГЕНОМА. ВОЗМОЖНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
ГУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН, Москва
РЕЗЮМЕ
В данной статье представлены некоторые аспекты (биохимические, биофизические, молекулярнобиологические, иммунологические, эколого-эволюционные) и прогноз, связанные с возможным функционированием 2 новых внутри/межклеточных гипотетических механизмов формирования гипервариабельности/консервативности геномов ДНК-содержащих клеточных органелл различных эукариот.
Ключевые слова: ДНК-содержащие клеточные органеллы; редактирование РНК; вертикаль-
ный/горизонтальный переносы; генетический код.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направлений работ в НИИ ЭДиТО (ГУ РОНЦ) является направление, связанное с теоретико-прогностическим анализом возможного изучения и последующего применения новых гипотетических механизмов [2-13; 31-34]. Это механизмы поддержания гипервариабельности, консервативности - а в целом пластичности - при экспрессии генов и целых геномов в ДНК-содержащих клеточных органеллах эукариот: ядре, митохондриях, хлоропластах. Данные механизмы имеют биохимические, биофизические, молекулярно-биологические, иммунологические и эволюционные (включая экологические) аспекты и разрабатываются на основе устойчивых тенденций в этих областях. Не исключено, в перспективе эти механизмы могут обнаружить фундаментальное общебиологическое значение. В статье представлена лишь часть спектра проблем, связанных с данной и только начавшей разви-
ваться тематикой; некоторые из доступных автору обоснований, подробностей и не процитированных ссылок можно найти в перечне работ [2-13; 31-34]. Автор надеется, что личный контакт и список литературы позволят заинтересованным исследователям прояснить интересующие их моменты.
Проблема гипервариабельности различных участков генома и целого генома, в частности, одного из вариантов механизма точечных мутаций в антителах, рецепторах В- и Т-клеток, различных генах, онкогенах, вирусах [2; 34], очевидно, важна для таких областей медицины, как онкология, иммунология, вирусология, лекарственная устойчивость, молекулярная генетика, молекулярная биология, многих биотехнологических наук. Эта проблема одновременно может касаться поддержания гипервариабельности и консервативности [2-13; 31-34] целых геномов и генов, в частности, в составе гомологичных генов разных биологических видов [22], и быть важной не только для
биологии и медицины, но и для изучения эволюционных и экологических проблем целой и генетически единой биосферы [21; 27]. Краткое описание механизмов и результат их действия применительно к конкретным системам можно найти в последующих 3 подразделах. Необходимо учесть, что на данном этапе изучения и разработки проблемы теоретическое осмысление роли и анализ возможных последствий существования подобных механизмов - т.е. создание определенного понятийного аппарата - имеет не меньшее значение для обнаружения механизмов, чем прямые экспериментальные проверки. Еще только предстоит понять, какие именно методы можно для этого применить.
ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
Речь идет о 2 конкретных механизмах [2; 34]. 1-й
- вариабельная обратная трансляция отдельного эпитопа белка: вПОТ - вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция. Эпитоп может быть линейным или конформационным. Во 2-м случае структура эпитопа может быть фиксируемой различного рода сшивками в результате действия внутриклеточных ферментов или химически активных радикалов, концентрация и оборот которых зависят от метаболического состояния клетки [2]. При этом образуется нуклеиновый эквивалент (НЭ) эпитопа (см.ниже). 2-й механизм
- передача вектор-подобной нуклеиновой последовательности (с НЭ внутри):
1) между разными органеллами одной клетки или разными клетками, включая герминативные и клетки иммунной системы одного организма -ВНП-передача;
2) между клетками (их органеллами) разных организмов - система Генетической Челночной Обратной Связи, ГЧОС-система. Межклеточная передача нуклеотидных последовательностей здесь - новый вариант горизонтального (но не целых генов) переноса [2; 34].
2-й механизм уже частично показан разными авторами [15; 34; 39] и касается обмена плазмидными (половыми) кассетами у дрожжей и бактерий; устойчивости к лекарствам и гербицидам в клетках животных, связанной с передачей плазмид (преимущественно по материнской линии). Показан естественный транспорт из цитоплазмы нескольких тРНК, не синтезируемых в митохондриях (кинетопластах) трипаносом [37]. С помощью радиоавтографии был доказан поток РНК из трофоцитов в яйцеклетку домашней мухи [19]. Некоторые вирусы, например, рабдо-, бу-нья- и потивирусы [1], курсируют между фотосинтезирующими и нефотосинтезирующими организмами, проявляя видо- и/или тканеспецифичность в отношении геномов одного из двух облигатных хозяев: растений или насекомых. Известна роль митохондриальных плазмид в регуляции работы ядра при формировании цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) у высших растений [22].
Кроме того, в результате экспериментального электроиндуцированного импульсного пробоя показана возможность высокой вероятности трансмембранного переноса через митохондриальные поры животных для некоторых последовательностей нуклеиновых кислот клеток и вирусов. Такие искусственно вызванные события частично имитируют естественный перенос нуклеотидных последовательностей и ядерно-кодируемых белковых субъединиц [15]. Считают, что такой перенос необходим для ядерномитохондриального и межмитохондриального обменов в связи с процессами, связанными со старением, апоптозом, клеточной пролиферацией, митохондриальными болезнями, множественной лекарственной устойчивостью, внутриклеточным транспортом частиц, репарацией генома и материнской/отцовской митохондриальной наследственностью [15; 39].
Идеологически, методологически и экспериментально большую сложность однако представляет первый механизм (вПОТ). Идеологическая сложность состоит в преодолении центральной догмы молекулярной биологии, ЦМБД: ДНК-^-РНК^Белок. Эта сложность при определенных оговорках - механизм не однозначного, а вариабельного прочтения (1), и касается он не целого белка, как в ЦМБД, а лишь его фрагмента в ~ 5-10 аминокислот (2) - преодолима «в обход» [2; 13; 34]. Несмотря на кажущееся вероятным сходство процессов трансляции и «обратной трансляции», принципы работы и системы, требующиеся для «прямого» и «обратного» информационных потоков, должны быть разноуровневыми (об этом ниже), хотя определенная сопряженность вышеназванных процессов не исключена, т.к. для обеих систем могут использоваться общие компоненты: тРНК, (Аа-тРНК), мембрана и др. В этом случае центральная догма (ЦМБД) «впрямую» не нарушается, но обходится.
Методологическая сложность состоит в том, что пока в эксперименте не будут прояснены принципы работы самого механизма, любые предположения в отношении его функционирования можно выстраивать только на основе косвенных данных. Такая ситуация однако не редкость при постановке вопросов в науке, диагнозов в медицине, определении неисправностей в технике [27] и т.д. Гипотетическая концепция должна быть выстроена так (быть «сквозной», саморазвивающейся [21; 27; 34]), чтобы оказаться полезной даже в случае ее неполной верности.
Экспериментальная сложность: гипотеза проверяема, т.к. включает конкретные действующие компоненты - тРНК (Аа-тРНК), белково/нуклеозимные и ферментативные активности, обозначает место действия - внутренние мембраны митохондрий и хлоропла-стов (тилакоидов) - и возможную связь с другими биохимическими и молекулярно-биологическими механизмами и процессами [34]. Среди последних: редактирование РНК, прямые и обратные транскрипции и сплайсинг, репликация, репарация; синхронная и совместная эволюция геномов клеток разных биологических видов или клеток и вирусов соответственно.
Заметим, что впервые сходная по тематике экспериментальная работа была выполнена в 2001 г. М. Nashimoto [36]; однако точка зрения на происхождение, роль и состав активных компонентов предлагаемых механизмов у нас совпадают мало. Методом state-of-the-art-RNA-technology и RNA-selection in vitro М. Nashimoto синтезировал содержащие петля/стебель характерные RNA-hammerhead-структуры - типичные базовые представители эволюционирующих структур RNA-World, которые он назвал «reverse translation RNAs» (83-х нуклеотидную rtRNAArg и др.). Эти рибо-зимные структуры одним своим участком специфически связывали определенную аминокислоту (свободную или сходную по свойствам концевую); одновременно они содержали кодон этой аминокислоты у 3’-конца hammerhead-структуры, способной к 3’^5’ перемещению в другую олиго-РНК. Последняя состояла из 8 нуклеотидов, комплементарных свободному 5’-концу rtRNA^6 [36]. Таким образом была продемонстрирована потенциальная возможность одного из этапов т.н. «обратной трансляции» (rT-механизм). Интересно, что аналогичная 3’^5’ направленность, как известно, характерна по крайней мере для gRNA-зависимого рибонуклеотидного синтеза при U-вставочно-делеционном редактировании пре-мРНК в кинетопластах трипаносом [37], считывания РНК-компонент теломераз и ревертаз и спаривания нуклеотидов антикодона тРНК с нуклеотидами кодона мРНК. Однако 3’^5’ направленный синтез на отстающей прерывисто реплицируемой ДНК-нити -другой вариант: каждый отдельный фрагмент ДНК здесь синтезируется в обычном 5’^3’ направлении и лигируется с соседним.
М. Nashimoto считает, что в эпоху RNA-World (3,6-4,2 млрд лет назад) существовал короткий период RNA/Protein-симметрии, когда благодаря вышеназванному процессу закладывались основы и трансляции, и т.н. «обратной трансляции» в отношении «примитивных» белков (т.е. белков не обязательно современного типа). Но rT-механизм, обеспечив огромный пул, скорее, необходимых, чем случайных РНК, исчерпал себя, стал даже генетически опасным и исчез [36]. Данный (наш) подход однако предполагает, что механизм типа вПОТ был взят под контроль клеткой (доклеточными структурами), продолжает существовать, а характерные hammerhead-структуры могли сохраниться, но, скорее, эволюционировали в различные другие виды РНК-структур: современные тРНК, рРНК, низкомолекулярные РНК и др. роль которых в жизни клетки переоценить трудно.
Смысл вПОТ-механизма состоит в создании небольших нуклеотидных матриц, вероятно, используемых затем клеткой в самых различных процессах, а именно: образование гипервариабельных антиген-специфических участков антител и рецепторов В- и Т-клеток; потенциально возможное управление редактированием РНК; синхронное «насыщение» целых геномов (включая гены, части их, гены различных видов низкомолекулярных и регуляторных РНК, по-
вторяющиеся последовательности - за эволюционно значимый период). При этом предполагается, что различные области геномов разных биологических видов постоянно корректируются по своим уникальным и/или консервативным участкам и др. [2; 34].
Сам механизм, включающий несколько активностей, требует существования специальной многокомпонентной мультиферментной супрамолекулярной структуры [16; 34], которую по аналогии с рибосомой, сплайсосомой, эдитосомой и др. можно назвать «ретранслосомой». За счет включения наномолеку-лярных элементов эта динамическая структура может обладать свойствами самоорганизации и сортинга [16] некоторых ее компонентов и, скорее всего, может быть «привязана» к менее проницаемым (даже в отношении малых ионов), но функционально более активным внутренним мембранам клеточных органелл (митохондрий, хлоропластов/тилакоидов). Такие мембраны содержат фракции тРНК, трудноотделимые даже в жестких условиях лизиса [24], которые, скорее, имеют отношение к мембрано-связанным, чем к другим типам внутриорганелльных рибосом. Вероятно, на этих мембранах происходит сортинг эпитопов, и некоторые из них (условно «чужие») способны вызвать энерго-биохимический сбой в работе органелл [34] (см. следующий раздел).
Кратко, биохимизм вПОТ-механизма состоит в том, что для синтеза вышеназванных небольших нуклеотидных матриц - нуклеиновых эквивалентов (НЭ) эпитопов ~ до 15-30 нуклеотидов длины - используются антикодоновые участки тРНК (Аа-тРНК). Предполагается, что при сближении антикодонов эти участки либо выполняют роль мини-матриц при полимеразной реакции (рис.1, 2), либо последовательно вырезаются и сшиваются; необходимые эндонуклеазная, лигазная, протеазная и другие активности внутри ДНК-содержащих клеточных органелл, обладающих белок-синтезирующим, репликативным, а часто и РНК-редактирующим аппаратами, имеются [22]. Не исключено, НЭ может оказаться новой минимальной генетической единицей.
В разных генетических системах могут использоваться разные варианты вПОТ-механизма; это соответствует диатропическому принципу связности единства и разнообразия биологических видов, а также достижения сходных результатов различными путями [27]. В силу многих причин - вырожденности кода, возможного использования нестандартных и соседних по отношению к антикодонам нуклеотидов, использования митохондриальных или импортируемых [37] цитоплазматических тРНК, ошибки полимеразной реакции и др. - в результате действия вПОТ-механизма [13; 34] могут образоваться неидентичные варианты НЭ эпитопа (включая сенс-/антисенс-копий и др.). А один и тот же вПОТ-механизм может по-разному использоваться в ДНК-содержащих клеточных органеллах. Это возможно потому, что строение и функции эндосимбиотических митохондрий и хлоропластов имеют черты не только сходства, но и различия.
54 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОНКОЛОГИ
Рис. 1. Вариабельная (неинвариантная) т.н. «обратная трансляция» отдельного эпитопа (вПОТ: вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция) на сближенных антикодоновых участках набора тРНК:
1, 2, 3 .. .7 - аминокислоты эпитопа;
Рис. 2. Вариабельная обратная трансляция отдельного эпитопа (вПОТ) на сближенных антикодоновых участках набора Аа-тРНК:
1, 2, 3 .7 - аминокислоты эпитопа;
1’, 2’, 3’ .7’ - аминокислоты из соответствующих Аа-тРНК-комплексов.
- действие пептидазнои активности.
Обе полуавтономные органеллы:
1) имеют собственные двойные мембраны, наборы генов тРНК, рРНК, белков, оригинальные аппараты синтеза белка, нуклеиновых кислот, редактирования РНК;
2) связаны с переносом протонов и электронов, воспроизводством АТФ. Но эти органеллы далеко не идентичны: в деталях число уникальных генов, степень интронированности и продукты генов, интенсивность и особенности редактирования РНК существенно различны; только хлоропласты имеют третью двойную (тилакоидную) мембрану и ответственны за фотосинтез [22].
Эти черты сходства и различий позволяют предположить различное использование гипотетических механизмов вариабельной обратной трансляции отдельного эпитопа (вПОТ-механизм) в митохондриях и хлоропластах (см. в двух последующих разделах).
МЕХАНИЗМ ВАРИАБЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ ТРАНСЛЯЦИИ ОТДЕЛЬНОГО ЭПИТОПА И ИММУННАЯ СИСТЕМА
Один из вариантов использования вПОТ-механизма может быть связан с иммунной системой [2; 13; 34]. Первой клеткой, взаимодействующей с чужеродным антигеном (АГ) и координирующей специфический иммунный ответ, является антиген-
презентирующая клетка (классические АПК: макрофаг, дендритная клетка и др.). После обработки чужеродного антигена в специальных компартмен-тах АПК (фаголизосомах, протеосомах и др.) АГ разрезается на фрагменты, представленные эпитопами по крайней мере 3 различных типов. 1-й тип -подобные собственным (1), 2-й - чужие знакомые (2), 3-й - чужие новые (3). Соответственно целый иммунный ответ должен быть комплексным: фрагменты 1-го типа не должны вызывать аутоиммунных процессов - этому способствуют взаимодействие с клонами лимфоцитов целой антиидиотипиче-ской сети. Фрагменты 2-го типа должны активировать или привлечь к участию в иммунном ответе уже наработанные ранее клоны лимфоцитов (включая лимфоциты памяти). Это достигается кооперацией АПК, представляющих соответствующие фрагменты АГ в комплексе с МНС молекулами I или II классов, с Т- и В-лимфоцитами.
Но только эпитопы 3-го типа способны вызвать качественный специфический первичный иммунный ответ; это происходит на фоне вторичного ответа в отношении эпитопов 1-х 2 типов. При этом, вероятно, образуется несколько вариантов НЭ, среди которых востребованным для иммунного ответа может оказаться лишь один. В этом случае «ретранслосома» может быть связанной с внутренними мембранами митохондрий АПК, а НЭ, полученный в результате действия вПОТ-механизма, вероятно, является одним
ВНП (ВНП-передача)
Рис. 3. Гипотетические механизмы вПОТ/ВНП-передачи, возможно ответственные за формирование гипервариабельности в АГ-специфических участках антител и рецепторов В- и Т-клеток:
АГ - антиген;
Мф - макрофаг;
Т-хелп - Т-клетка-помощик;
НДП - Низко Дифференцированный Предшественник в костном мозге (тимусе).
Малые кружки обозначают ВНП (векторподоб-ную нуклеиновую последовательность), а стрелки -направление ВНП-передачи между клетками.
из ответственных за вставку Р- и/или ^-нуклеотидов в некодируемые антиген-специфические участки транскрипта и в сам рекомбинирующий иммуноглобулиновый ген (при соматической гипермутации, СГМ=SHM, лимфоцита).
Известно, что полноценный специфический иммунный ответ [25; 29] требует тесного физического контакта в парах Макрофаг/Т-хелпер и Т-хелпер/НДП, где НДП - низкодифференцированный предшественник в костном мозге и, возможно, в тимусе. Клетки взаимодействуют своими поверхностными белковыми маркерами и рецепторами, но не известно, всегда ли такого взаимодействия достаточно [2; 34]. Гипотеза дополнительно связывает такой контакт и с передачей ВНП (с НЭ внутри) в ряду Макрофаг^Т-хелпер^-НДП (рис.3). НЭ, вероятно, необходим для формирования гипервариабельного АГ-специфического участка антител, рецепторов В- и Т-клеток. Независимость ранних стадий созревания лимфоцитов от антигена при первичном ответе может оказаться кажущейся, если последствия от внедрения НЭ в геном НДП лимфоцитов проявляются только на более поздних стадиях.
Кратко заметим, что, если специфический иммунный ответ в норме действительно связан с использованием (вПОТ/ВНП-передача)-подобных механизмов, то для генерации своей изменчивости (эволюции) его мо-
гут использовать и вирусы. Особенно это важно в отношении различных видов быстро эволюционирующих и содержащих гипервариабельные области ВИЧ, способных к интеграции (транспозиции/ретропозиции в геномы различных клеток) и вызывающих у пациентов трудноизлечимый СПИД [2; 6; 34]. В этом случае пути нормального иммуногенеза и генерации вирусной изменчивости могут пересекаться (совместная эволюция геномов клеток и вирусов).
ВОЗМОЖНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ ТРАНСЛЯЦИИ ОТДЕЛЬНОГО ЭПИТОПА В ХЛОРОПЛАСТАХ: ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, ФОРМИРУЮЩИЙ И ЭВОЛЮЦИОННО ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
В хлоропластах возможен другой тип использования вПОТ-механизма. Это связано с несколькими причинами. Назовем некоторые основные. Во-первых, в отличие от митохондрий в хлоропластах код максимально приближен к универсальному: точечное несоответствие между нуклеотидными последовательностями, записанными в генах и обнаруженными с помощью кДНК в их транскриптах, а также интенсивность замены нуклеотидов редактированием РНК здесь много ниже [34; 35]. Во-вторых, число генов и количество видов тРНК хлоропластов соответствует таковому в цитоплазме, в то время, как в митохондриях этот показатель, особенно у животных и грибов, резко минимизирован до почти по одной тРНК на каждую аминокислоту [20; 28]. В-третьих, до трети генов белков хлоропластов уникальны и не имеют ядерных двойников, в то время, как в митохондриях почти все гены (около 95 %) такие двойники имеют [20; 22]. В-четвертых, анализ нуклеотидных последовательностей гомологичных генов всех трех органелл позволяет считать, что в процессе эволюции нуклеиновая информация поступает из хлоропластов в митохондрии и ядро, но не наоборот [22; 28].
Предполагается, что именно в хлоропластах функционирование вПОТ-механизма ведет к формированию соответствия между аминокислотой и ее кодонами, характерного как для современного универсального генетического кода (УГК), так и для белково-нуклеотидного (феногенотипического) разнообразия в рамках кода, связанного с его вырожденностью. Вероятно, это происходит опосредованно, т.к. аминокислота исходно принадлежит белковому эпитопу, а ее кодон - нуклеотидам нуклеинового эквивалента эпитопа. Также предполагается, что на это соответствие влияют не только физико-химические особенности аминокислот и нуклеотидов, но и еще 2 типа взаимодействий: с элементарными и квазиэлементар-ными частицами [18; 23; 26]. Последнее возможно потому, что процесс формирования вышеназванного соответствия является мембрано-зависимым, что в данном случае означает динамическую зависимость
как от состава вещества мембраны, так и от состава компонентов абсорбируемого мембраной потока фотонов (см. ниже).
Поток фотонов состоит из частиц с различно квантованными уровнями энергии (в общем случае возможно участие и других элементарных частиц), абсорбируется глико-липо-протеидными компонентами мембраны хлоропластов (антенным комплексом тилакоидов) и необходим для фотосинтеза. Составы мембран многочисленных фотосинтезирующих организмов различны, подвержены динамическим изменениям и в основном заданы генетически. Но на поверхности мембран хлоропластов (тилакоидов) постоянно возникают быстродействующие элементарные акты возбуждения конденсированной среды вещества мембран, распространяющиеся в виде волны - т.н. квазиэлементарные частицы: фонон, экситон, поляри-тон, магнон, солитон и др. [23; 26]. Квазичастицы могут возникать при поглощении фотонов и других элементарных частиц [17], вызывать конформационные возмущения мембран и тем самым влиять на любые мембрано-связанные процессы. Поэтому при вПОТ-зависимом формировании соответствия аминокислота/кодон в мембрано-связанной «ретранслосоме» ор-ганеллы могут участвовать не только глико-липо-нуклеопротеидные компоненты, но и элементарные и квазиэлементарные частицы. Возможно именно таким образом генетический код как открытая, хотя и устойчивая система аккумулирует определенные физические, химические и биологические свойства.
Сам поток фотонов регионально квантован неоднородно, т.к. имеет солнечную, земную и космическую составляющие, не одинаковые в различных участках поверхности Земли (биосферы). Кроме того, в нестационарной (расширяющейся, пульсирующей) Вселенной поток эволюционирует, т.е. подвергается циклическим и нециклическим изменениям [14]. Тогда внутри «ретранслосомы» хлоропластов мы имеем систему, в которой эволюционируют все компоненты: поток фотонов (элементарных частиц); характер распределения и динамика квазичастиц вещества мембраны; характер взаимодействия и соотношение стандартных и нестандартных аминокислот (эпитопа) и нуклеотидов (нуклеинового эквивалента) и др. компоненты, используемые современным генетическим кодом (УГК). Таким образом, целый генетический код, вероятно, также эволюционирует.
Но тогда многие современные теории происхождения жизни (первичности РНК-, РНП-, белкового-, ДНК-миров), ориентированные исключительно на УГК, нуждаются в существенном переосмыслении [34]. А вПОТ-подобный механизм [3; 34] может оказаться необходимым также для перевода (ретрансляции) информации с языка одного кода на другой; в частности, это касается постоянно протекающего процесса унификации кодов в ядре и эндосимбиоти-ческих митохондриях и хлоропластах.
Таким образом, предполагается, что вПОТ-механизм перманентно контролирует амино-
нуклеиновое соответствие между аминокислотами белкового эпитопа и нуклеотидами его НЭ (рис. 4) в «ретранслосомах» органеллы - но в контексте конкретного эволюционного этапа. На рис. 4 в мембранозависимой «ретранслосоме» хлоропластов (тилакои-дов) различных фотосинтезирующих организмов учитываются все взаимодействующие компоненты: (1) поток фотонов; (2) взаимодействие фотонов с квази-элементарными частицами вещества мембраны; (3) физико-химическое взаимодействие аминокислот белкового эпитопа и нуклеотидов его НЭ в мембраносвязанной «ретранслосоме», которое, вероятно, может модифицироваться взаимодействием частиц 1-х 2 типов [2; 34].
При этом фотосинтезирующая часть биосферы нарабатывает НЭ-ты, которые в составе векторподобных частиц в несколько/много этапов перераспределяются между ядерными геномами («сверху») биологических видов в рамках сообществ, групп сообществ, включая фаги, вирусы, одно- и многоклеточные организмы целой биосферы. Это соответствует функциям системы Генетической Челночной Обратной Связи (ГЧОС-системы). Возможно, такой горизонтальный перенос является дополнительным к вертикальному - при формировании различных (включая уникальные, консервативные, повторяющиеся) участков геномов. Это касается, в частности, участков гомологичных генов у организмов разных, в том числе таксономически отдаленных, видов [21; 27; 34].
Аналогичную роль в отношении перераспределения НЭ-в между организмами сообщества (их групп) и внутри геномов каждого биологического вида могут выполнять и пищевые цепочки. В этом случае НЭ-ты
Общий поток элементарных частиц (фотонов, др.) на фоне всех полевых и физико-химических особенностей поверхности Земли (биосферы)
I
Аминокислоты ----------------1 » Нуклеиновый
белковою ■* " эквивалент
эпитопа белкового
эпитопа
данного региона
Рис. 4. Формирование амино-нуклеинового соответствия (между аминокислотами и нуклеотидами кодонов УГК) в мембрано-зависимой «ретранслосоме» хлоропластов (тилакоидов) у фотосинтезирующих организмов
могут воспроизводиться в АПК (макрофагах, ДК, др.) при вариабельной обратной трансляции отдельных эпитопов, принадлежащих пищевым антигенам. Включение иммунного (по отношению к нестандартным эпитопам пищевых АГ) варианта использования вПОТ/ВНП-механизмов («снизу») может активизировать процессы, связанные с перемещением НЭ-в (в составе подвижных элементов) в различные участки геномов (в повторяющиеся элементы, интроны, экзоны). Интересно, что некоторые из повторов, в частности А1и-повторы, занимающие ~ 10% всего генома человека, половина которых находится внутри генов, способны перемещаться в область «подверженных экзониза-ции интронов» [30]. В итоге мы можем получить ситуацию «пересечения» путей «сверху» и «снизу».
На рис. 5 изображена возможная многосторонняя связь гипотетических (вПОТ/ВНП-передача/ГЧОС-система) механизмов с редактированием РНК и другими внутриклеточными механизмами экспрессии геномов; это касается процесса формирования РНК-транскрипционного и ДНК-генетического видов полиморфизмов у различных эукариот. (В отношении прокариот, для которых возможность редактирования РНК только изучается [38], а вПОТ-подобный механизм скорее всего можно связать с цитоплазматической мембраной, выводы пока делать рано). Из схемы видно, что в результате ВНП-передачи (в составе транспозон/ретропозонового вектора) НЭ может пе-
реместиться либо в новосинтезированный транскрипт (и сформировать РНК-полиморфизм), либо в один из участков генома (ДНК-полиморфизм).
Предполагается, что путь нуклеиновых эквивалентов в геноме может быть таким: НЭ^пов-торы^-интроны^-экзоны. В новосинтезированный транскрипт нуклеиновый эквивалент (возможно, в виде консенсусного варианта повтора) может попасть как через геном, так и напрямую, в результате транссплайсинг-подобного процесса между ВНП и транс-криптом. Это может вести сначала к активизации ре-дактирорвания РНК и появлению более востребованных редактируемых РНК-версий (а в случае генов белков - и соответствующих белковых продуктов) и только затем - к закреплению временных модификаций в конкретные нуклеотидные замены в геноме (генах). В процессе закрепления могут участвовать различные механизмы или их сочетания, характерные для конкретных генетических систем. Среди этих процессов, вероятно, следующие: перенос в геном НЭ, обратная транскрипция и обратный транссплайсинг отредактированных версий РНК, репарация, репликация и др. [34].
В заключение также приведем рис. 6, отражающий возможности перспективного анализа предполагаемой связи гипотетических механизмов с группой
Рис. 5. Вероятная сопряженность гипотетических, РНК-редактирующего и других механизмов при формировании белкового и генетического полиморфизмов
Рис. 6. Возможная связь гипотетических механизмов с некоторыми механизмами экспрессии генов/геномов и биологическими процессами
известных/неизвестных процессов и механизмов экспрессии геномов. Среди них есть по крайней мере следующие: формирование гипервариабельности/
/консервативности в олигонуклеотидных фрагментах геномов (включая кодирующую/некодирующую части геномов) у различных видов; редактирование РНК; формирование различных видов полиморфизмов (феногенотипического равновесия); формирования генетического кода и разнообразия в его рамках (включая межгеномную/межкодовую ретрансляции); генетических/эпигенетических изменений и патологий; процессов микроэволюции геномов и макроэволюции организмов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вероятно, предложенные гипотетические механизмы (см. рис. 5, 6), в зависимости от выбора генетической системы и протекающих там процессов, могут работать с разным уровнем сопряженности с другими механизмами. К последним относятся: редактирование РНК, прямая и обратная транскрипции, обратный транссплайсинг, репликация, репарация и др. При такой сопряженности могут быть обеспечены малые/блочные изменения в геномах отдельных видов (при вПОТ/ВНП-передача сочетании механизмов). Возможны и синхронные малые/блочные изменения геномов у нескольких/множества видов в рамках сообщества, групп сообществ, биоценоза (при вПОТ/ВНП-передача/ГЧОС-система сочетании механизмов). Если учитывать возможное действие этих механизмов в различных типах клеток (соматических, герминативных), то они, вероятно, могут иметь не только физиологическое, как это предлагается в случае иммунной системы, но и эволюционное - в отношении конкурентно дополняющих друг друга механизмов микро- и макроэволюции - и экологическое значения [21; 27]. В этом смысле более понятным становится предположение об эколо-го-генетическом единстве биосферы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бишоп Д., Эмерсон С.У. Рабдовирусы и буньявирусы. Филдс Б.Н., Кнайп Д.М. (ред.). Вирусология: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - том 2. - С. 366-445.
2. Дейчман А.М. Один из вариантов точечных мутаций, возможно, запускается поэпитопной обратной трансляцией. Гипотетическая концепция. - М.: Рук. депон. ВИНИТИ, 1993. - № 1502-В93. - 56 с.
3. Дейчман А.М. Черный ящик генетического кода // Химия и Жизнь. - 1994. - № 11. - С. 28-33.
4. Дейчман А.М. Генетический код: взаимодействие аминокислот белков (фрагментов, пептидов) в соответствии с различными правилами, принципами, кодами. Правило исключений. - М.: Рук. депон. ВИНИТИ, 1996. - № 2080-В96. - 53 с.
5. Дейчман А.М. Вероятное формирование ами-но-нуклеинового соответствия (эпитопа) в хлоропластах фотосинтезирующих организмов под действием различных лучевых, полевых и физико-химических
факторов биосферы // Материалы 2-го съезда биофизиков России. - 1999. - 3. - С. 778-9.
6. Дейчман А.М. Вероятные механизмы гипервариабельности различной природы // Русск. Жрнл. ВИЧ/СПИД и родственные проблемы. - 2000. - 4(1). -С. 62-4.
7. Дейчман А.М. Редактирование РНК. - М.: Русаки, 2001. - 131 с.
8. Дейчман А.М., Смирнов А.Ю. Новые гипотетические механизмы и многоуровневая адаптация клеток. Избранн. труды - Санкт-Петербург, 2003. - С. 79-83.
9. Дейчман А.М. Гипотетические механизмы гипервариабельности различных клеточных геномов. -Матер. VI межд. конфер. «Молекулярная генетика соматической клетки» - Москва (Звенигород). - 2005.
- С. 28.
10. Дейчман А.М. Гипервариабельность: проблема не только онкологии. - Матер. VI межд. конфер. «Молекулярная генетика соматической клетки» - Москва (Звенигород). - 2005. - С. 42.
11. Дейчман А.М. Генетическая пластичность стволовых клеток. - Матер. VI межд. конфер. «Молекулярная генетика соматической клетки» - Москва (Звенигород). - 2005. - С. 93.
12. Дейчман А.М. Экология будущего. - Матер. IV межд. конгресса «Слабые и сверхслабые излучения». - Санкт-Петербург. - 2006. - С. 12-3.
13. Дейчман А.М., Котина Е.В. Черный ящик генетического кода - 2 // Химия и Жизнь. - 2006. - № 3.
- С. 34-7.
14. Дэвис П. Случайная Вселенная. - М.: Мир, 1985. - С.1-160.
15. Зоров Д.Б. Митохондриальный транспорт нуклеиновых кислот. Участие бензодиазепинового рецептора // Биохимия. - 1996. - Т.61. - Вып.7. - С. 1320-32.
16. Зоркий П.М., Лубнина Е. Супрамолекулярная
химия: возникновение, развитие, перспективы //
Вестн. Моск. Унив-та. Сер. 2: Химия. - 1999. - 40(5).
- С. 45-6.
17. Каганов М.И. Квазичастицы. - М.: Советская энциклопедия. - Физический энциклопедический словарь (под ред. Прохорова А.М.). - 1983. - С. 249-50.
18. Кизель В.А. Физические причины асимметрии в живых системах. - М.: Наука, 1985. - С. 52-5.
19. Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития. - М.: Изд. МГУ, 2002. - 263 с.
20. Кузьмин Е.В., Зайцева Г.Н. Организация и экспрессия митохондриального генома. - Итоги Науки и Техники. - М.: ВИНИТИ, 1987. -Т.6. - С.15-55.
21. Назаров В.И. Эволюция не по Дарвину. - М.: КомКнига, 2005. - 519 с.
22. Одинцова М. С., Юрина Н.П. Редактирование РНК в хлоропластах и митохондриях растений // Физиология растений. - 2000. - 47. - С.307-20.
23. Рубин А.Б. Биофизика. - М.: Высшая школа, 1987. - Том.1. - С. 248.
24. Филиппович И.И.,, Ноздрина В.Н., Светелукин В.В., Опарин А.П. Изучение локализации транскрипцион-
ной и трансляционной систем в тонких структурах хлоропластов при гранообразовании. - Молекулярная генетика митохондрий (под ред. Нейфаха С.А., Трошина А.С.): - Л.: Наука, 1977. - С. 11-20.
25. Хаитов Р.М., Игнатьева Г.А., Сидорович И.Г. Иммунология. - М.: Медицина, 2000. - 432 с.
26. Хакен Х. Квантовая теория твердого тела. -М.: Наука, 1980. - С. 319-96.
27. Чайковский Ю.В. Эволюция. - М.: Центр системных исследований (ИИЕТ РАН), 2003. - 472 с.
28. Юрина Н.П., Одинцова М.С. Сравнительная характеристика структурной организации геномов хлоропластов и митохондрий растений // Генетика. -1998. - 34(1). - С. 5-22.
29. Ярилин А.А. Основы иммунологии. - М.: Медицина, 1999. - 608 с.
30. Dagan T., Sorek R., Sharon E. et al. AluGene: a database of Alu elements incorporated within protein-coding genes. Copyright 2004, Oxford University Press // Nucleic Acids Res. - 2004. - (Database issue): D489-D492 DOI: 10.1093/nar/gkh132.
31. Deichman A.M. Possible specific role of ribosomes and nucleic sequences from mitochodries and chloroplasts for expression of cell’s genome. - Mater. on “Ribosome synthesis & Nucleolar function” conference. -N .Y.: CSH-Laboratory Press. - 1994. - P. 29.
32. Deichman A.M. AIDS and Hypervariability: Hypothetical Mechanisms. In: Norrby E., Brown F., Chanok R.M. and Ginsberg H.S., eds., Vaccina-94. - N.Y.: (CSHL-Press), 1994. - P. 291-3.
33. Deichman A.M. One Variant of Point Mutation is Possible Triggered by Reverse Translation of Individual Epitope: A Hypothetical Concept // Hematology Reviews: Soviet Medical Review (Section C). - 1997. -7(3). - P. 57-79.
34. Deichman A.M., Choi W.C., Baryshnikov A.Yu. RNA editing. Hypothetical mechanisms. - M.: Practical medicine (www.medprint.ru), 2005. - P.1-265 (in English) and P.1-302 (in Russian).
35. Lavrov D.V., Brown W.M., Boore J.L. A novel type of RNA editing occurs in the mitochondrial tRNA of the centipede Lithobius forficatus // PNAS. - 2000. -97(25). - P. 13738-42.
36. Nashimoto M. The RNA/Protein Symmetry Hypothesis: Experimental Support for Reverse Translation of Primitive Proteins. // J. Theor. Biol. - 2001. - 209. - P. 181-7.
37. Simpson L., Maslov D.A., Blum B. RNA editing in Liechmania mitochondria. In: Benne R., ed., RNA editing. The alteration of protein coding sequences of RNA. - London: Ellis Horwood Ltd., 1993.
- P. 53-85.
38. Wolf J., Gerber A.P., Keller W. TadA, essential tRNA-specific adenosine deaminase from E.coli // EMBO J. - 2002. - 21(14). - P. 3841-51.
39. Zorova L.D., Krasnikov B.F., Kuzminova A.E. et al. Virus-induced permeability transition in mitochondria // FEBS Letters. - 2000. - 466. - P. 305-9.
Поступила 28.07.2006.
