ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ КОРНЕВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАБОЛИЗМА ГЕНОМА Дейчман А.М.

ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ КОРНЕВЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕТАБОЛИЗМА ГЕНОМА
ФОРМИРУЮТ КОНТУРЫ НОВОЙ ПАРАДИГМЫ
Дейчман А.М.
ГУ Российский Онкологический Научный Центр им. Н.Н.Блохина, РАМН, Москва 115478,
Каширское шоссе д.24, Россия (amdeich@rambler.ru , deichman@mtu-net.ru)
В данной работе предлагаются 2 новых гипотетических механизма, ответственных
за формирование (контроль) гипервариабельности/консервативности
олигонуклеотидных
фрагментов генома, и имеющих, по крайней мере, биохимические, биофизические,
молекулярно-биологические, иммунологические и эволюционные аспекты (конспективно).
Первый механизм – вариабельная Поэпитопная Обратная Трансляция (вПОТ).
Предполагаемое место действия – внутренние мембраны митохондрий (Мт) и хлоропластов
(Хп, контактируют с мембраной тилакоидов). При индукции вПОТ белковый эпитоп в 5-10
АК, «застрявший» на трудно-проницаемой даже для малых ионов внутренней мембране
органеллы,
вызывает
обратимый
энерго-биохимический
сбой
(нарушение
протон/
/электронных потоков, воспроизводства АТФ, метаболизма углеводов, липидов, др.; при
митоптозе сбой необратим) и ориентирует вблизи себя набор соответствующих мембраносвязанных тРНК (Аа-тРНК). При этом антикодоновые участки сближенных конец-в-конец
тРНК (Аа-тРНК) превращаются в мини-матрицы (праймерные затравки) для синтеза
Нуклеиновых Эквивалентов (НЭ) эпитопа (15-30 нуклеотидов). Предполагается, что
несколько специфических функций может осуществлять специальная мембрано-связанная
многокомпонентная мультиферментная система, которую (по аналогии с рибосомой,
сплайсосомой, эдитосомой) можно назвать «ретранслосомой» (рисунки не приводятся).
В другом варианте антикодоновые участки (с прилежащими отдельными
нуклеотидами?) последовательно вырезаются/сшиваются. В полуавтономных органеллах с
репликативным, трансляционным и РНК-редактирующим аппаратами, необходимые для
этого эндо-/экзонуклеазные, протеиназная, лигазная активности имеются. Во всех случаях,
из-за
вырожденности
нуклеотидов,
кода,
использования
нестандартных
аминокислот,
нестандартных/соседних
с
антикодоном
Мт-тРНК/импортируемых-тРНК,
ошибки
полимеразы/Аа-синтазы, – могут образоваться неидентичные НЭ (включая сенс-/антисенскопии); более вероятны – рибо-варианты НЭ. Хотя, учитывая рост возможностей изучаемых
искусственных/естественных РНК-/ДНК-зимов, не исключаются и дезоксирибо-варианты.
Внутри Яд (где синтезируются некоторые белки) также может функционировать подобный
механизм; у одноклеточных он может быть связан с цт-мембраной (не рассматриваются).
Механизм не нарушает центральную догму (ЦМБД) «впрямую», а преодолевает ее «в
обход»: у эпитопа набор конформаций не тот, что в белке; и он не ориентирован на
однозначное (ДНК↔РНК→Белок) декодирование (системы – разноуровневые).
Частично показан второй механизм – ВНП-передача (Вектор-подобных Нуклеиновых
Последовательностей) с НЭ внутри. Возможны 2 варианта ее между: (1) ДНК-содержащими
Мт/Яд/Хп и клетками одного организма; (2) клетками разных организмов: система
Генетической Челночной Обратной Связи, ГЧОС-система (вид горизонтального переноса).
Примеры: обмен плазмидами у бактерий/дрожжей; с Яд/Мт- плазмидами связывают:
формирование лекарственной устойчивости в культуре клеток животных и ЦМС у высших
растений.
Импульсный
пробой:
показан
транспорт
некоторых
нуклеиновых
последовательностей через мембрану митохондрий (~ искусственная ситуация). Некоторые
(рабдо-,
бунья-,
поти-)
вирусы
курсируют
между
фотосинтезирующими
и
нефотосинтезирующими организмами, проявляя видо- и/или тканеспецифичность в
отношении одного из облигатных хозяев – растений или насекомых; и мн. др.
Совокупность двух механизмов в разных клетках (включая герминативные), может
использоваться в разном сочетании с другими (репликацией, прямой и обратной видами
транскрипции/сплайсинга,
рекомбинацией,
трансляцией,
редактированием
РНК,
неизвестными), и для разных целей (принцип сквозного дополнения). В частности, для: (1)
иммунной защиты, (2) формирования генетического кода (разнообразия в его рамках), (3)
контроля кодирующих/некодирующих участков гена/генома, (4) редактирования РНК, (5)
сплайсинга, (6) генетических/эпигенетических механизмов.
Гипотетические механизмы и митохондрии: иммунная система
Данные механизмы могут быть ответственны за формирование АГ-специфических
участков антител, рецепторов В- и Т-клеток. Чужеродный АГ разрезается (в фаголизосомах,
протеосомах, др.) на фрагменты, среди которых есть аналоги «собственных» (1), «чужие
знакомые» (2), «чужие новые» (3). Природа эпитопов: линейные или конформационные
(могут фиксироваться различными сшивками: ферментами, радикалами,
токсичными
продуктами кислорода). Первые два типа эпитопов могут регулироваться презентацией их
вместе с МНС-молекулами I или II классов имеющимися клонами В- и Т-лимфоцитов.
Только «чужие новые» эпитопы вызывают полноценный специфический иммунный ответ.
Для ответа, известно, требуется физический контакт макрофага (Мф, АПК) с Т-хелпером, и
Т-хелпера с НДП (Низко Дифференцированным Предшественником в костном мозге/тимусе;
контакт: возможен и для других групп клеток/процессов). Предполагается, что появившийся
при вПОТ-механизме НЭ встраивается в ВНП и передается в ряду: Мф (АПК)→Т-
хелпер→НДП. С самого начала дифференцировка стволовых кроветворных клеток, а далее
селекция лимфоцитов и реаранжировка иммуноглобулиновых генов, происходят в
присутствии одного из НЭ. Иммуногенез В-лимфоцитов, не исключено, может дополняться
ретропозирующим встраиванием (при гомологичной рекомбинации) реаранжированного
V(D)JC гена
в соответствующий локус генома наивной В-клетки. Наивность В-клетки
условна, т.к. все лимфоциты содержат какой-либо вариант НЭ (другие гемопоэтические
клетки также могут содержать/регулироваться НЭ). Сортинг эпитопов сопровождается
количественным (избыток эпитопов первых двух видов) и качественным («чужие новые»
эпитопы) видами ответа. вПОТ/ВНП-передача-механизмы могут способствовать совместной
эволюции геномов клеток/вирусов; оборотной стороной в.н. «нормального» иммуногенеза, в
частности, может быть крайняя изменчивость ВИЧ-вариантов.
Гипотетические механизмы и хлоропласты: генетический-код-формирующий аспект
Мт и Хп имеют эндосимбиотическое происхождение от прокариот-предшественников
и структурно-функциональное сходство: двуслойные мембраны; связаны с биохимическими
путями воспроизводства энергетических метаболитов, универсальных макроэргов (АТФ,
др.), использованием протонных насосов и электронных цепей. Кроме того, они обладают
сходно устроенными и функционирующими кольцевыми геномами, содержащими подобные
наборы генов: рРНК, тРНК, мембранных и некоторых других белков. Существуют и
значительные различия между ними. В Хп число генов (37) и количество видов (32) тРНК
соответствует таковому в цитоплазме, в то время как в Мт количество генов тРНК (2-27)
обычно минимизировано. В Хп около трети генов белков уникальны, а в Мт ~ 95% генов
имеют своих ядерных двойников; различны объемы некодирующих областей, степень
интронированности генов и интенсивность редактирования РНК. Только Хп обладают светабсорбирущим аппаратом. Генетическая информация, считают, направляется от Хп к Мт и
Яд, но не наоборот. Поэтому вПОТ-механизм в Хп может иметь другое применение.
Предполагается, что вПОТ-механизм в Хп служит «ретранслятором особого рода»:
вероятно, здесь формируются 2 вида соответствий: (1) АК/кодон, складывающееся в
«ретранслосоме» Хп на фоне всех лучевых (ЭЛП – ЭнергоЛучевой Поток), пóлевых и
физико-химических особенностей данного региона поверхности Земли (биосферы) и
определяющее генетический код и разнообразие в его рамках – контекстно эволюционному
периоду (рисунка нет). Но такое физико-химическое соответствие может динамически
зависеть от (2) взаимодействий между элементарными частицами (прежде всего
абсорбируемыми
наборами
фотонов,
др.)
и
квазиэлементарными
частицами
(элементарными актами возбуждения конденсированной среды) глико-липо-протеидных
компонент внутренней мембраны Хп (в области гранов тилакоидов).
Обеспечение сортинга эпитопов/НЭ, вероятно, происходит за
взаимодействия
самоорганизующихся
супрамолекулярных
счет механизмов
мембрано-связанных
нуклеопротеидных комплексов «ретранслосомы» Хп/Мт («фотонные машины»). Они могут
включать наноструктурные элементы, способные к предварительному избирательному
распознаванию пространственно-геометрической конфигурации, а также катализу, переносу
и
молекулярному
переключению.
Внутри
динамических
комплексов
возможно
попеременное обобществление электронных оболочек нескольких отдельных элементов.
При этом периодически формируются структуры, способные к образованию лабильных
молекулярных ансамблей и межмолекулярных низкоэнергетических нековалентных связей.
Не исключено, процесс обобществления электронов сопровождается сбросом избытка
одних, и поглощением других наборов фотонов («скрытый фотонный фейерверк») между
молекулами и их частями. Участие принимают по крайней мере некоторые из обозначенных
связей:
водородные,
гидрофобные,
ионные,
стекинг,
ван-дер-ваальсовые,
диполь-
дипольные, координационные, донорно-акцепторные, электростатические.
«Ретранслосома» Хп/Мт – неравновесная нелинейная «поисковая» система. В ней
эволюционируют все частицы (элементарные, квазиэлементарные) и компоненты
(белковые, нуклеиновые, ЭЛП, физико-химический фон). Современный универсальный код
эволюционирует. Некоторые предпосылки: вырожденность кода (использование одной АК
разными
кодами-предшественниками?);
использование
нестандартных
нуклеотидов
(десятки) и дополнительных (селеноцистеин, др.; включаются с использованием/
/вытеснением стоп-кодонов) аминокислот (расширение генетического алфавита?); ведущая
роль 2-го или 1-го и 2-го нуклеотидов кодона (свидетельство существования моно- или
дуплетного пре-кодов?); др. Если пре-коды существовали (Мт-геномы – их потомки?), то
потеря накопленной в них информации предотвратима с помощью вПОТ-подобного
механизма межкодовой/межгеномной ретрансляции.
Возможная связь гипотетических механизмов с редактированием РНК и другими
внутриклеточными механизмами
Такая связь представлена на схеме 1: видно, что ВНП с рибо-/дезоксирибо-вариантами
НЭ внутри может переноситься в геном (генетический полиморфизм), либо встраиваться
в
новосинтезируемый
редактируемый/нередактируемый
транскрипт
транс-сплайсинг-
подобным механизмом (РНК-/Белковый полиморфизмы, быстрая проверка функциональной
ВНП-передача
Генетический
RT- и RT-подобная
Активности
Редактирование:
полиморфизм
Обычная ген
экспрессия
Изменения в :
мРНК
«гид»-РНК
(gRNA)
U+/--
Белковый
Гипотетическая
вПОТ
полиморфизм за
НЭ
(=NE)
тРНК
Другие
виды
редактирования
счет изменений в
мРНК, тРНК,
рРНК. Проверка
рРНК
функциональной
значимосити.
“гид”-РНК (gRNA),
подоб.(snoRNA и др.)
СХЕМА №1
значимости этих компонент). Реально/потенциально редактируются любые участки генома
клеток/вирусов:
экзоны,
интроны,
межгенные
области,
спейсеры
полицистронных
транскриптов, некоторые пре-нмРНК (сами нмРНК?), повторяющиеся последовательности
(Alu, др.). При этом изменяются: некоторые сенс-/стоп-/старт-кодоны, длина транскриптов и
рамок
считывания,
соотношение
ГЦ/АТ-пар,
пуринов/пиримидинов,
степень
консервативности/(гидрофобности) участков ДНК/(белков), др.; это – процессы поддержания
феногенотипического равновесия (схема 3). Широко-известные виды редактирования РНК:
Ц→У (у животных/растений) и А→И≈Г (у животных/вирусов) дезаминирование; Увставки/делеции (у трипаносом). Фотосинтезирующие организмы могут нарабатывать
стандартные/новые НЭ, которые перераспределяются между геномами (обычно Яд) и в
нефотосинтезирующей части биосферы. Такой синхронный пандемический перенос
нуклеиновой
информации,
вероятно,
позволяет
создавать
уникальные
участки, и
вносить динамическую компоненту в поддержание консервативности (горизонтальным
переносом). Среди регуляторов экспрессии генов отмечена огромная роль миРНК (вид
нмРНК), участвующих в контроле транскрипционных факторов и многих нормальных/
/патологических процессов (дифференцировки, пролиферации, ангиогенеза, апоптоза,
гематопоэза, эмбриогенеза, канцерогенеза, др.). Длина НЭ сопоставима с таковой для:
некоторых РНК-матриц при редактировании РНК; микро РНК; малых интерферирующих
РНК; спейсеров; др. Поэтому роль НЭ (новая минимальная генетическая единица?),
возможно, связана: (1) с эволюционно-длительным (генетический/эпигенетический аспекты)
формированием отдельных участков генома (экзонов, интронов, миРНК, др. нмРНК,
повторяющихся последовательностей); (2) с физиологической регуляцией экспрессии
генов-регуляторов, др. Вместе с миРНК, НЭ (через ВНП, РНП/ДНП; конкурентно),
возможно, участвуют в контроле сложных генных сетей. Предлагаемые механизмы
(схема 3) могут способствовать формированию новых представлений о корнях экологогенетического единства и биоразнообразия (включая конкурентно взаимодополняющую
роль пищевых цепочек и ГЧОС-системы), межгеномной/межкодовой ретрансляции,
диатропическом соотношении процессов микро-/макроэволюции.
Abstract
The two new hypothetical mechanisms (concept) are offered: variable Individual Epitope Reverse
Translation (vIERT) and Vector-Like Nucleic Sequences transfer (VLNS-transfer). These
mechanisms, probably, participate in the formation/control hypervariability and conservative
small sites genome (exons, intrones, low differentiation RNAs, speicers, repeat sequences) at
various normal (antigen-specific sites of Abs, B-and T-cell receptors formation; genetical code and
gene nets formation, RNA editing, differentiation, proliferation, angiogenesis, apoptosis, micro- and
macroevolutions) and pathological (cancerogenesis, HIV-evolution, oth.) processes.
Ссылки:
1.
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).
2.
Дейчман А.М. Редактирование РНК. // М.: Русаки. – 2001. – 131с.
3.
Дейчман А.М. Один из вариантов точечных мутаций, возможно, запускается поэпитопной обратной
трансляцией. Гипотетическая концепция. – М.: Рук. депон. ВИНИТИ, 1993. – №1502-В93. – 56с