1. Основы бионики: история, предмет, принципы, задачи

Однако каким же образом зародышевые клетки с исходно одинаковой генетической информацией приобретают в онтогенезе несхожее обличье. При одних обстоятельствах, это обусловлено активацией неидентичных генов в клетках разных участков эмбриона и соот-ветственно сопровождается формированием гетерогенных фракций мРНК. По всей вероятности, это связано с неоднородностью химического состава цитоплазмы в отдельных зародышевых сегментах, неодинаково влияющей на структуру хроматина. Что приводит к изменению его пространственной конфигурации и освобождению определенных участков ДНК от связи с гистоновыми белками, то есть к подготовке конкретных фрагментов двой-ной спирали к последующей транскрипции. В принципе, "химически правильное" содержимое клетки весьма важно для регуляторных процессов любого уровня. Например, на-рушение оптимальной концентрации микроэлементов, в частности Mn2+ или Mg2+, меняет активность РНК-полимеразы и соответственно "узнавание" промоторов - стартовых участков транскрипции на ДНК. А стресс-активированное фосфорилирование специфическими фосфокиназами фактора инициации, способно к тотальному подавлению инициации трансляции любых мРНК [6].

В другой ситуации, некий определенный ген может одинаково функционировать во всех клетках эмбриона, но идентично реплицированные мРНК будут неоднозначно транслироваться в разных клетках. То есть, при попадании в конкретную химическую среду цитоплазмы, мРНК благодаря особенностям своей трехмерной организации, приобретает и соответствующую конформационную уникальность [7]. Это приводит к открытию для трансляции вполне определенных участков полинуклеотидной цепи. Естественно, что в других условиях будет и новое пространственное расположение мРНК и закономерно иные участки для трансляции, в итоге, синтезирующие белок с измененными свойствами. С другой стороны, компактная геометрия трехмерной структуры, опосредованная сродст-вом к определенным репрессорным белкам, может вообще "замаскировать" мРНК, лишая ее инициаторные участки связывающих свойств [3]. Данный феномен позволяет предположить, что материнские мРНК, накопленные в процессе оогенеза и находящиеся в цитоплазме яйцеклетки в замаскированном состоянии, дерепрессируются после оплодотворения и запускают самые первые процессы превращения зиготы в эмбриональные стволовые клетки зародыша.

Также к подавлению трансляционной активности мРНК могут быть причастны места ее неспецифической локализации, химические условия которых, способствуют связыванию пространственно модифицированных полинуклеотидов мРНК с репрессорными белками, тогда как на "своей клеточной территории" подавления активности не наблюдается [8]. Кстати не исключено, что дискретность считывания, то есть пропуски последовательности нуклеотидов при трансляции в пределах одного цистрона, кодирующего определенную полипептидную цепь, также опосредованы именно своеобразием пространственной структуры мРНК. Это явление, обнаруженное у фагов, в некотором роде является прообразом феномена "процессинга", свойственного эукариотическим клеткам и заключается в посттранскрипционном формировании мРНК, то есть в доведении ее до стадии функцио-нально зрелого элемента белкового синтеза [8]. В эволюционном плане, обе составные части этого феномена - сплайсинг и редактирование, чрезвычайно важны для клеточной специализации. Также очень значима их роль в качестве весьма оригинального и гибкого способа адаптации биологической системы к изменениям окружающей среды. Который по всей вероятности является одним из существенных механизмов формирования генетической "нормы реакции".

Так, процесс редактирования заключается в химической модификации азотистых оснований, образующих кодирующие кодоны мРНК. Что сопровождается синтезом белков с новыми свойствами, в структуре которых отдельные аминокислоты будут определяться триплетами мРНК, отсутствующими в нуклеотидной последовательности матрицы ДНК [9]. Это один из регуляторных механизмов компенсаторно-приспособительных реакций организма, индуцированный условиями внешнего окружения. В свою очередь, другой способ регуляции активности генов, в том числе и процессов клеточной дифференцировки в морфогенезе - сплайсинг, предусматривает удаление "ненужных" участков (интроны) с последующим сращиванием между собой "нужных" (экзоны) фрагментов мРНК. Это происходит в ядре с помощью комплементарного каталитического взаимодействия так называемых малых ядерных мяРНК с нуклеотидами предшественника мРНК. И в присутствии специальных белков с ферментативной активностью, кодируемых определенными генами и не исключено, что регуляторными. Эти белки, связываясь с мРНК, в зависимости от условий среды и пространственной конфигурации полинуклеотидов, блокируют либо активируют вырезание соответствующих интронных участков. При этом экзоны могут сшиваться в разных комбинациях, то есть какая-то нуклеотидная последовательность, являясь экзоном в одних условиях, ведет себя как интрон при других обстоятельствах [9]. В ряде случаев сплайсинг осуществляется без каталитической активности белков - только взаимодействием пространственно измененных участков трехмерной структуры мРНК с последующим выпетливанием полинуклеотидных фрагментов и удалением этих интронов. Иными словами, экзон-интронная регуляция ответственна за поистине уникальный механизм целесообразного расширения биологических функций. Суть которого в том, что исходно однотипные мРНК, транскрибируемые с одного и того же гена, окажутся в зависимости от физико-химических обстоятельств по разному сформированными для последующей трансляции и в силу чего будут кодировать белки с разными свойствами. То есть, разнообразие белков будет обеспечено не большим количеством разных генов. А разными мРНК, но произошедшими за счет сплайсинга из одного и того же РНК-предшественника в результате транскрипции всего лишь одного гена. Благодаря чему и достигается генети-ческий прогресс, вне всякого сомнения, свидетельствующий о реальных эволюционных достижениях самоорганизующейся биологической системы.

Таким образом, спектр регуляторных процессов, в том числе и на уровне сплайсинга, расширяет представления об эволюционных возможностях эукариотов. И отчасти объясняет какие способы могут быть задействованы для обеспечения разнообразия белков и соответственно для формирования функционально-морфологических элементов, в том числе и филогенетически новых. Недаром, у бактерий, как правило лишенных интронов и подобного сплайсингу способа регуляции, отсутствует и аналог архивной базы для перебора вариантов. Неинформативная зона в транскриптоне прокариотов, то есть на участке считывания генетического кода между промотором и терминаторм, у прокариотов практически отсутствует. Тогда как в эукариотической клетке наоборот - информативная зона составляет незначительную часть транскриптона, а основной его участок представлен в виде резерва нейтральной генетической информации. Естественно, что при таком соотношении эукариотическая клетка обладает более высокой потенцией к биологическому (морфологическому и видовому) многообразию. А также и большими возможностями к совершенству, в плане лучших селективных характеристик, как для усложнения иерархического статуса, так и для экспансии, либо оптимального существования, в самых разнооб-разных условиях внешнего окружения.