Два типа механизмов контроля развития
Управление развитием в этом случае может быть представлено в виде сети, которая по мере своего роста образует многоуровневую с параллельным дублированием систему (Alonso, Wilkins, 2005). Если узлы сети представляют собой гены, то управление может осуществляться через локальный контроль экспрессии генов. Определяющее значение при этом имеет структура промоторов и энхансеров (в широком смысле), а также специфичность транскрипционных факторов. Для животных получены следующие средние оценки возможностей регулирования одного гена: среднее число энхансеров равно семи, на каждый энхансер приходится в среднем по десять связывающих сайтов (Wray, 2003; Alonso, Wilkins, 2005). В свою очередь работа энхансеров зависит от инсуляторов, а связь транскрипционных факторов с энхансерами может модулироваться разнообразными кофакторами. Промоторные области также различаются своей архитектурой и их работа, как и работа энхансеров, зависит от молекулярного контекста. Контекстная активность часто характерна и для транскрипционных факторов, которые связываются с определенной регуляторной последовательностью при одних условиях, но не других. Наконец, известны примеры, когда сайты связывания, активные при данных условиях, при изменении последних активируют другие связывающие сайты, отвечающие этим новым условиям (см. Harbison et al., 2004). Большое значение имеет регулирование конформационных состояний транскрипционных факторов и кофакторов (Taatjes et al., 2004). На уровне РНК-транскриптов управляющее воздействие осуществляется также через разнообразные механизмы (альтернативный сплайсинг, транс-сплайсинг, полиаденилирование и кэпирование, РНК-редактирование). На посттрансляционном (белковом) уровне возможен сплайсинг протобелков с удалением интеинов и транс-сплайсинг двух белковых молекул с образованием одной. Следующий уровень - сетевое регулирование работы разных генов через взаимодействие кодируемых ими продуктов. Далее мы вернемся к анализу основных особенностей управляющих сетей. Поскольку организмы обитают в изменяющейся среде, то они к ней приспосабливаются и через создание альтернативных путей развития. Это явление получило название фенотипической пластичности — «способности индивидуального генотипа экспрессировать различные фенотипы в различных биотических и абиотических условиях» (Agrawal et al., 2002. Вторая регуляторная система работает по типу систем автоматического регулирования в технике. Ее назначение в том, чтобы поддерживать ключевые параметры жизнедеятельности и развития организма в заданных интервалах. Эта система контролирует возмущающее влияние на развивающийся организм факторов среды, а также мутационное давление, снимая или ослабляя действие тех из них, которые нарушают нормативное развитие (нормативное развитие соответствует наивысшей приспособленности, определяемой по репродуктивным способностям организма дать более жизнеспособное и более многочисленное потомство). Авторегулирование, в отличие от рассмотренных выше управляющих механизмов, действующих локально, является функцией всего организма. Имеется и другое принципиальное отличие. Контроль развития осуществляется на уровне генов. Возмущающее влияние среды не влияет на генотип, так что регуляторные компенсации осуществляются на уровне управляющих сетей через изменение тех или иных физико-химических параметров сетевых реакций. Поскольку сети, будучи сложными системами, обладают инерцией, то переход организма из одного морфологического состояния в другое при изменении условий существования характеризуется переходными процессами в изменении регулируемого параметра, чувствительного к данным изменениям среды. При длительном средовом воздействии на организм нестандартных условий, например, при переносе насекомых-фитофагов на несвойственное кормовое растение, переходные процессы к новому морфологическому состоянию будут отличаться регулярными затухающими трансгенерационными (от четырех до десяти поколений) изменениями признака. Фенотипическая устойчивость (нечувствительность) организма на мутационное давление обеспечивается многими механизмами. Один из них связан с работой шаперонов. Изменение под действием мутаций кодонов может привести к таким изменениям первичной структуры белка, которые сделают его нефункциональным, например, из-за неправильного фолдинга. Фолдинг белков находится под контролем термошоковых белков, которые и играют роль буфера. Они, в частности, содействуют образованию именно тех конформационных состояний, которые для данного организма функциональны и которые без помощи этих белков дали бы нефункциональные аналоги. Среди термошоковых белков особое значение имеют шапероны Hsp90. Субстратом для их активности выступают более ста белков, в основном молекулы с сигнальными функциями. Шапероны Hsp90 защищают эти белки от агрегации. Кроме того, они поддерживают их функционально значимую конформацию, в том числе и в тех случаях, когда первичная структура субстратных белков в результате мутаций соответствующих генов изменяется. Поэтому шапероны данного класса были названы накопителями, или конденсаторами (capacitor) генетической изменчивости (Rutherford, Lindquist, 1998). Функция шаперонов может быть нарушена в результате использования их ингибитора гелданомицина или стрессовых воздействий. В этом случае заглушаемый шаперонами спектр мутаций реализуется в структуре белков, проявляясь далее в морфофункциональных отклонениях и разнообразных дефектах в строении организма (см. Sollars et al., 2003 на примере Drosophila и других животных; Quietsch et al., 2002; Sangster, Queitsch, 2005 на примере Arabidopsis). Аналогичное уменьшение активности шаперонов приводит к наследственным преобразованиям хроматина, т.е. к эпигенетическим изменениям (Sollars et al., 2003). Важный механизм канализации развития связан с работой малых РНК. Показано, что инактивация в мышечных клетках дрозофилы микроРНК (о них дальше) имеет последствия только в стрессовых ситуациях. В2 РНК (178 нуклеотидов) из мыши экспрессируется на микросателлитных SINE-последовательностях с помощью РНК-поли-меразы III. В стрессовых ситуациях, связанных с тепловым шоком, экспрессия В2 РНК увеличивается почти в сто раз и эта малая РНК, связываясь с РНК-полимеразой II, ингибирует транскрипцию многих генов (Storz et al., 2005). Из других механизмов канализации упомянем функциональную избыточность генома, эпистаз, усложнение регуляторной сети (Siegal, Bergman, 2002). Напомним, что в концепции И.И. Шмальгаузена развитие обладает большой устойчивостью против генетических помех и помех, определяемых средовыми воздействиями на организм. Механизмы такой устойчивости разнообразны. Важная роль принадлежит так называемым генным сетям. Молекулярные гены в качестве функциональных единиц показывают различные формы взаимодействия. Структуру взаимодействия можно описать в виде сети. Управляющие системы также могут быть описаны с точки зрения их сетевой организации. Сети составляют также материальную основу для развертывания авторегуляторных процессов. Здесь мы ограничимся обсуждением сетей, действующих на уровне транскрипции. Транскрипционные сети играют ключевую роль в жизни клеток, поскольку на их основе строятся другие сети, прежде всего метаболические (с метаболитами в качестве узлов сети и реакциями между метаболитами в качестве представления внутрисетевых связей), сигнальные (через которые внешний сигнал передается и дублируется внутри клетки) и ряд других. С учетом сказанного выше управляющая транскрипционная сеть является одновременно и авторегуляторной.
Эти сети, как и любые другие (метаболические, сигнальные, нейронные, пищевые внутри экосистем или сети в неживой природе), характеризуются своей архитектурой, поведением (динамическими параметрами) и организующими принципами развития (см. Halfon, Michelson, 2002; Колчанов и др., 2003,2004; Babu et al, 2004; Barabasi, Oltvai, 2004; Schlitt, Brazma, 2006; Rutherford et al., 2007; Csermely, 2008). Архитектура сетей зависит от четырех главных параметров: (1) распределения узлов по числу связей, (2) размеров сети и средней длины функционирующих путей, по которым перемещается информация, (3) внутрисетевой организации (модулярной структурой, наличием кластеров, разделением на компартменты) и (4) локальных характеристик.
1. По первому параметру сети укладываются в несколько общих типов, из которых наиболее обычны три: случайные, иерархические и нешкалируемые (безмасштабные — scale-free network) сети. Большинство биологических сетей и сетей в технике принадлежит к категории нешкалируемых. В них нет типичных узлов, а их структура определяется особенностями развития. В процессе роста новые узлы чаще будут связываться с теми, которые имеют больше связей. Эта закономерность понятна, когда мы рассматриваем рост «мировой паутины». Появление новых морфологических типов связано с расширением генетических регуляторных сетей через дупликацию генов. Дуплици-рованные гены будут давать белки, в функциональном плане более близкие к белкам, которые кодируются исходными генами. В итоге архитектура нешкалируемых сетей определяется степенным законом: вероятность узла иметь ранг (степень — число связей, выходящих из данного узла) к увеличивается экспоненциально с ростом k-k , где к есть среднее значение ранга для всех элементов сети. Это означает, что небольшое число узлов имеет много связей (ребер), тогда как большая часть узлов показывает небольшую связность. Узлы с большим числом связей получили название концентраторов (или хабов — hub). Более точно, концентраторами являются узлы, имеющие ранг, больший, чем среднее для всей сети значение. Было показано (Barabasi, Oltvai, 2004), что в нешкалируемых сетях, относящихся к социальным образованиям, к различным сетевым структурам внутри клетки и внутри Интернета, не более 20% узлов являются концентраторами. Авторы рассчитали, что у дрожжей 93% белков имеют пять и меньшее число связей, тогда как 7% белков имеют 15 и более связей. Устранение концентратора будет, как правило, иметь генетические последствия, тогда как устранение слабо связанных узлов останется без последствий.
2. По размерным показателям важной характеристикой является средняя длина пути. Для нешкалируемых сетей она обычно небольшая и может составлять одну сотую размера сети (определяемого по наибольшей длине между двумя произвольно взятыми узлами сети).
3. Нешкалируемые сети характеризуются кластерной организацией. В кластеры обычно объединяются узлы с низким рангом. В то же время концентраторы и связанные с ними узлы характеризуются меньшим уровнем кластерирования. Существенно, однако, что концентратор является связующим звеном между разными кластерами и в этом смысле является ключевым элементом для кластеров следующего порядка.
Усложнение сетей связано с их иерархической структуризацией (кластеры в этом случае будут характеризовать внутриуровневую организацию). Например, транскрипционные факторы образуют по меньшей трехуровневую иерархию единиц. Элементарная представлена взаимодействующей парой транскрипционный фактор -» ген. В первом приближении сами гены можно разделить на регуляторные (кодирующие регуляторные факторы) и эффекторные (кодирующие ферменты). Транскрипционные сети характеризуются большим числом авторегуляторных циклов, в которых транскрипционный фактор в зависимости от его плотности регулирует активность своего собственного гена. На следующем уровне действуют регуляторные мотивы, включающие транскрипционный фактор, все его гены-мишени, и другие транскрипционные факторы, действующие на данные мишени. Образованию регуляторных мотивов способствует сложная структура гена, включающая cz's-регуляторные последовательности ДНК с одним и более (у многоклеточных животных обычно от четырех до восьми) сайтами связывания транскрипционных факторов. Эти последовательности в отличие от белок-кодирующих областей располагаются без строгой регулярности и могут быть верховыми, низовыми и внутри-интронными. Регуляция осуществляется через дифференциальный контроль во времени уровней экспрессии. Взаимодействие транскрипционного фактора с сайтом регуляторной области является контекстно-зависимым. С этим связана многофункциональность транскрипционных факторов, которые в состоянии соединяться при изменении физико-химических условий с различными регуляторными сайтами одного гена. Для общей характеристики нынешних представлений о наследственности важно подчеркнуть, что эволюция си-регуляторных сайтов гена является мощным источником разнообразия. Регуляторный мотив характеризуется определенными кинетическими параметрами. Он может быть системой с обратной связью, в простейшем случае, образованной двумя транскрипционными факторами, например А, и А2, каждый из которых определяет экспрессию другого, действуя на соответствующие гены. При этом один из них, например А,, репрессирует работу собственного гена, т.е. гена, который этот транскрипционный фактор кодирует: А, активирует ген, кодирующий А2, А2 активирует ген, кодирующий А,, и А, репрессирует ген, кодирующий А,. Следующий уровень иерархии представлен модулем, который можно определить как систему взаимодействующих мотивов, показывающую внутри себя больший уровень связности и отделяющуюся от других аналогичных модулей меньшим уровнем взаимодействия. Основная масса генов-мишеней регуляторной сети контролируется небольшим числом транскрипционных факторов. Верно и обратное отношение: основная масса транскрипционных факторов контролирует много генов и выполняет функцию тонкой настройки работы генетической сети.
4. Из других свойств сети важным разграничением является разделение связей на сильные и слабые. Первые действуют локально, внутри пространственно ограниченных кластеров, модулей, вторые характеризуются дальнодействием и осуществляют связь между разными модулями. Эти связи также подчиняются степенной зависимости. Основная нагрузка в сети приходится на сильные связи. Это, в частности, показано для метаболических сетей, в которых небольшое число реакций пропускает через себя основной объем метаболических потоков (Almaas et al., 2004). Слабых связей много, но они распределены диффузно и от них мало зависит нормальная работа сети. В то же время они (Csermely, 2004) являются стабилизирующим элементом системы при возмущающем действии со стороны среды.
Наконец, важная роль в работе регуляторных модулей принадлежит сигнальным путям, замыкающимся на геноме. Через них генетическая система распознает внешние сигналы и определенным образом на них отвечает. В этом смысле генетическая система представляет клеточный аналог нервной системы многоклеточных животных (Balazsi, Oltvai, 2005). Обычно сигнал, воспринимаемый клеточным рецептором, может дублироваться в клетке и передаваться в ядро разными путями и с разной временной задержкой. Все это обеспечивает устойчивость прохождения сигнала. В то же время транскрипционная сеть может однотипно реагировать на разные внешние сигналы. Одни и те же гены и их продукты действуют во многих типах клеток. Это означает, что функция таких генов полностью определяется транскрипционным контекстом. Без этого контекста охарактеризовать функцию гена невозможно. Например, транскрипционный фактор CREB контролирует клеточное деление и дифференциацию, которая в разных типах клеток имеет свою специфику. Особенно хорошо этот фактор изучен в нейронах, в которых он ответственен за консолидацию кратковременной памяти в долговременную. Материально долгосрочная память осуществляется через активацию молчащих и образование новых синапсов, а также повышение их рабочих характеристик, связанное в первую очередь с увеличением синаптической поверхности дендритных спинул и, как результат, рецепторных полей. Все это требует транскрипции и синтеза многих синаптических и сопутствующих (митогенных, цитоскелетных, матриксных) белков. При больших напряжениях (решении сложных задач) включается программа неирогенеза (Scotto-Lomassese et al., 2003; Abrous et al., 2005) и образования новых нейронов и глиальных клеток. Нейронный контекст активности CREB определяется многими клеточными параметрами. При формировании памяти параллельно CREB активируются многие другие транскрипционные факторы, выполняющие параллельные и сопутствующие функции. В качестве примера упомянем, факторы FOXO из семейства Forkhead. У человека это семейство включает более ста белков. Члены класса О могут фос-форилироваться по многим позициям. Максимальное фосфорилирование ингибирует транскрипционную активность этих белков. При меньших уровнях фосфорилирования они способны индуцировать апоптоз через активацию транскрипции FasL или, напротив, устойчивость клеток к стрессу Кроме того, FOXO могут включать гены, участвующие в процессах клеточной дифференциации, метаболизма глюкозы и энергетического баланса. Регулируются эти белки разными механизмами, в том числе через Akt-сигнальный каскад. Akt-киназа фос-форилирует и ингибирует FOXO в ответ на действие лигандов — инсулина и факторов роста. При стрессах фосфорилирование осуществляется через JNK/SAPK-сигнальный каскад. Эти и многие другие сопутствующие транскрипционные факторы, определяя активность CREB, в свою очередь сами активны в каком-то транскрипционном контексте. В итоге общая структура транскрипционной сети, связанной с CREB, будет отличаться необычайно большой горизонтальной и вертикальной сложностью. Транскрипционная сеть существует как саморегулирующийся аппарат клетки. Об этом свидетельствует наличие переходных процессов при обусловленных изменением среды сдвигах генных сетей, характерных для длительных модификаций. Но это означает, что транскрипционная сеть образует непрерывную самоподдерживающуюся и самовоспроизводящуюся при клеточных делениях систему. Она, таким образом, составляют основное свойство клеточной жизни и не воссоздаются каждый раз заново при появлении нового организма. В условиях стресса транскрипционные и связанные с ними метаболические сети разного уровня перестраиваются, причем четко прослеживается тенденция к упрощению. (Luscombe et al., 2004; Ekman et al., 2006; Palotai et al., 2008). Если в нормальных условиях кластеры (модули) внутри взаимодействующей сети (интерактома) слабо выделяются при наличии большого числа взаимодействующих узлов с малой связностью, то при стрессах кластеры за счет потери вспомогательных взаимодействий очерчиваются более резко, а их число по той же причине увеличивается, т.е. имеет место фрагментация интерактома. Так, в интерактоме дрожжей Saccharomyces cerevisiae в нормальных условиях можно выделить 42 модуля, тогда как при разного рода стрессовых воздействиях число модулей может увеличиться до 117. Уменьшается также число взаимодействующих концентраторов с 494 в норме до 182 при стрессе. Соответственно уменьшается общий диаметр сетей, имеет место полная диссоциация некоторых кластеров и уменьшение числа концентраторов. Связи перераспределяются, и большее их число замыкается на концентраторах, ранг которых, следовательно, повышается. Концентраторы в этом смысле выступают в роли интеграторов, переводящих клеточную жизнь на новые рельсы. Концентраторы ограничивают и локализуют нарушения (повреждения), не давая им возможности оказать воздействие на другие области сети. Некоторые сетевые модули, связанные с протеасомами, транспортными системами, действующими между ядром и цитоплазмой, регуляторами актинового скелета сохраняют устойчивость при стрессе. Одновременно усиливается генетический контроль за клеточным циклом. Иными словами в условиях стресса усиливается централизация в управлении клеточной жизни, а роль местных регуляторных процессов снижается. При изменении среды интерактому необходимо некоторое время, чтобы достичь нового стационарного состояния, отвечающего данному уровню средового воздействия. Этот временной интервал может захватывать несколько последовательных поколений, как это было показано в опытах на тлях (Смирнов, 1957, 1961; Шапошников, 1961, 1965). Таким образом, сети решают пять основных задач (Korcsmaros et al., 2007): 1. Отфильтровывают локальные шумы внешнего и внутреннего происхождения. 2. Обеспечивают надежную передачу сигнала (взаимодействия) от одного элемента сети к другому. 3. Распознают сигналы и шумы в процессах научения клеток, осуществляемых через постоянное преобразование сети. 4. Служат защитой против стрессовых воздействий. 5. Самоорганизуются, обеспечивая оптимальный режим работы в условиях меняющейся среды.
Управление развитием в этом случае может быть представлено в виде сети, которая по мере своего роста образует многоуровневую с параллельным дублированием систему (Alonso, Wilkins, 2005). Если узлы сети представляют собой гены, то управление может осуществляться через локальный контроль экспрессии генов. Определяющее значение при этом имеет структура промоторов и энхансеров (в широком смысле), а также специфичность транскрипционных факторов. Для животных получены следующие средние оценки возможностей регулирования одного гена: среднее число энхансеров равно семи, на каждый энхансер приходится в среднем по десять связывающих сайтов (Wray, 2003; Alonso, Wilkins, 2005). В свою очередь работа энхансеров зависит от инсуляторов, а связь транскрипционных факторов с энхансерами может модулироваться разнообразными кофакторами. Промоторные области также различаются своей архитектурой и их работа, как и работа энхансеров, зависит от молекулярного контекста. Контекстная активность часто характерна и для транскрипционных факторов, которые связываются с определенной регуляторной последовательностью при одних условиях, но не других. Наконец, известны примеры, когда сайты связывания, активные при данных условиях, при изменении последних активируют другие связывающие сайты, отвечающие этим новым условиям (см. Harbison et al., 2004). Большое значение имеет регулирование конформационных состояний транскрипционных факторов и кофакторов (Taatjes et al., 2004). На уровне РНК-транскриптов управляющее воздействие осуществляется также через разнообразные механизмы (альтернативный сплайсинг, транс-сплайсинг, полиаденилирование и кэпирование, РНК-редактирование). На посттрансляционном (белковом) уровне возможен сплайсинг протобелков с удалением интеинов и транс-сплайсинг двух белковых молекул с образованием одной. Следующий уровень - сетевое регулирование работы разных генов через взаимодействие кодируемых ими продуктов. Далее мы вернемся к анализу основных особенностей управляющих сетей. Поскольку организмы обитают в изменяющейся среде, то они к ней приспосабливаются и через создание альтернативных путей развития. Это явление получило название фенотипической пластичности — «способности индивидуального генотипа экспрессировать различные фенотипы в различных биотических и абиотических условиях» (Agrawal et al., 2002. Вторая регуляторная система работает по типу систем автоматического регулирования в технике. Ее назначение в том, чтобы поддерживать ключевые параметры жизнедеятельности и развития организма в заданных интервалах. Эта система контролирует возмущающее влияние на развивающийся организм факторов среды, а также мутационное давление, снимая или ослабляя действие тех из них, которые нарушают нормативное развитие (нормативное развитие соответствует наивысшей приспособленности, определяемой по репродуктивным способностям организма дать более жизнеспособное и более многочисленное потомство). Авторегулирование, в отличие от рассмотренных выше управляющих механизмов, действующих локально, является функцией всего организма. Имеется и другое принципиальное отличие. Контроль развития осуществляется на уровне генов. Возмущающее влияние среды не влияет на генотип, так что регуляторные компенсации осуществляются на уровне управляющих сетей через изменение тех или иных физико-химических параметров сетевых реакций. Поскольку сети, будучи сложными системами, обладают инерцией, то переход организма из одного морфологического состояния в другое при изменении условий существования характеризуется переходными процессами в изменении регулируемого параметра, чувствительного к данным изменениям среды. При длительном средовом воздействии на организм нестандартных условий, например, при переносе насекомых-фитофагов на несвойственное кормовое растение, переходные процессы к новому морфологическому состоянию будут отличаться регулярными затухающими трансгенерационными (от четырех до десяти поколений) изменениями признака. Фенотипическая устойчивость (нечувствительность) организма на мутационное давление обеспечивается многими механизмами. Один из них связан с работой шаперонов. Изменение под действием мутаций кодонов может привести к таким изменениям первичной структуры белка, которые сделают его нефункциональным, например, из-за неправильного фолдинга. Фолдинг белков находится под контролем термошоковых белков, которые и играют роль буфера. Они, в частности, содействуют образованию именно тех конформационных состояний, которые для данного организма функциональны и которые без помощи этих белков дали бы нефункциональные аналоги. Среди термошоковых белков особое значение имеют шапероны Hsp90. Субстратом для их активности выступают более ста белков, в основном молекулы с сигнальными функциями. Шапероны Hsp90 защищают эти белки от агрегации. Кроме того, они поддерживают их функционально значимую конформацию, в том числе и в тех случаях, когда первичная структура субстратных белков в результате мутаций соответствующих генов изменяется. Поэтому шапероны данного класса были названы накопителями, или конденсаторами (capacitor) генетической изменчивости (Rutherford, Lindquist, 1998). Функция шаперонов может быть нарушена в результате использования их ингибитора гелданомицина или стрессовых воздействий. В этом случае заглушаемый шаперонами спектр мутаций реализуется в структуре белков, проявляясь далее в морфофункциональных отклонениях и разнообразных дефектах в строении организма (см. Sollars et al., 2003 на примере Drosophila и других животных; Quietsch et al., 2002; Sangster, Queitsch, 2005 на примере Arabidopsis). Аналогичное уменьшение активности шаперонов приводит к наследственным преобразованиям хроматина, т.е. к эпигенетическим изменениям (Sollars et al., 2003). Важный механизм канализации развития связан с работой малых РНК. Показано, что инактивация в мышечных клетках дрозофилы микроРНК (о них дальше) имеет последствия только в стрессовых ситуациях. В2 РНК (178 нуклеотидов) из мыши экспрессируется на микросателлитных SINE-последовательностях с помощью РНК-поли-меразы III. В стрессовых ситуациях, связанных с тепловым шоком, экспрессия В2 РНК увеличивается почти в сто раз и эта малая РНК, связываясь с РНК-полимеразой II, ингибирует транскрипцию многих генов (Storz et al., 2005). Из других механизмов канализации упомянем функциональную избыточность генома, эпистаз, усложнение регуляторной сети (Siegal, Bergman, 2002). Напомним, что в концепции И.И. Шмальгаузена развитие обладает большой устойчивостью против генетических помех и помех, определяемых средовыми воздействиями на организм. Механизмы такой устойчивости разнообразны. Важная роль принадлежит так называемым генным сетям. Молекулярные гены в качестве функциональных единиц показывают различные формы взаимодействия. Структуру взаимодействия можно описать в виде сети. Управляющие системы также могут быть описаны с точки зрения их сетевой организации. Сети составляют также материальную основу для развертывания авторегуляторных процессов. Здесь мы ограничимся обсуждением сетей, действующих на уровне транскрипции. Транскрипционные сети играют ключевую роль в жизни клеток, поскольку на их основе строятся другие сети, прежде всего метаболические (с метаболитами в качестве узлов сети и реакциями между метаболитами в качестве представления внутрисетевых связей), сигнальные (через которые внешний сигнал передается и дублируется внутри клетки) и ряд других. С учетом сказанного выше управляющая транскрипционная сеть является одновременно и авторегуляторной.
Транскрипционные сети
Эти сети, как и любые другие (метаболические, сигнальные, нейронные, пищевые внутри экосистем или сети в неживой природе), характеризуются своей архитектурой, поведением (динамическими параметрами) и организующими принципами развития (см. Halfon, Michelson, 2002; Колчанов и др., 2003,2004; Babu et al, 2004; Barabasi, Oltvai, 2004; Schlitt, Brazma, 2006; Rutherford et al., 2007; Csermely, 2008). Архитектура сетей зависит от четырех главных параметров: (1) распределения узлов по числу связей, (2) размеров сети и средней длины функционирующих путей, по которым перемещается информация, (3) внутрисетевой организации (модулярной структурой, наличием кластеров, разделением на компартменты) и (4) локальных характеристик.
1. По первому параметру сети укладываются в несколько общих типов, из которых наиболее обычны три: случайные, иерархические и нешкалируемые (безмасштабные — scale-free network) сети. Большинство биологических сетей и сетей в технике принадлежит к категории нешкалируемых. В них нет типичных узлов, а их структура определяется особенностями развития. В процессе роста новые узлы чаще будут связываться с теми, которые имеют больше связей. Эта закономерность понятна, когда мы рассматриваем рост «мировой паутины». Появление новых морфологических типов связано с расширением генетических регуляторных сетей через дупликацию генов. Дуплици-рованные гены будут давать белки, в функциональном плане более близкие к белкам, которые кодируются исходными генами. В итоге архитектура нешкалируемых сетей определяется степенным законом: вероятность узла иметь ранг (степень — число связей, выходящих из данного узла) к увеличивается экспоненциально с ростом k-k , где к есть среднее значение ранга для всех элементов сети. Это означает, что небольшое число узлов имеет много связей (ребер), тогда как большая часть узлов показывает небольшую связность. Узлы с большим числом связей получили название концентраторов (или хабов — hub). Более точно, концентраторами являются узлы, имеющие ранг, больший, чем среднее для всей сети значение. Было показано (Barabasi, Oltvai, 2004), что в нешкалируемых сетях, относящихся к социальным образованиям, к различным сетевым структурам внутри клетки и внутри Интернета, не более 20% узлов являются концентраторами. Авторы рассчитали, что у дрожжей 93% белков имеют пять и меньшее число связей, тогда как 7% белков имеют 15 и более связей. Устранение концентратора будет, как правило, иметь генетические последствия, тогда как устранение слабо связанных узлов останется без последствий.
2. По размерным показателям важной характеристикой является средняя длина пути. Для нешкалируемых сетей она обычно небольшая и может составлять одну сотую размера сети (определяемого по наибольшей длине между двумя произвольно взятыми узлами сети).
3. Нешкалируемые сети характеризуются кластерной организацией. В кластеры обычно объединяются узлы с низким рангом. В то же время концентраторы и связанные с ними узлы характеризуются меньшим уровнем кластерирования. Существенно, однако, что концентратор является связующим звеном между разными кластерами и в этом смысле является ключевым элементом для кластеров следующего порядка.
Усложнение сетей связано с их иерархической структуризацией (кластеры в этом случае будут характеризовать внутриуровневую организацию). Например, транскрипционные факторы образуют по меньшей трехуровневую иерархию единиц. Элементарная представлена взаимодействующей парой транскрипционный фактор -» ген. В первом приближении сами гены можно разделить на регуляторные (кодирующие регуляторные факторы) и эффекторные (кодирующие ферменты). Транскрипционные сети характеризуются большим числом авторегуляторных циклов, в которых транскрипционный фактор в зависимости от его плотности регулирует активность своего собственного гена. На следующем уровне действуют регуляторные мотивы, включающие транскрипционный фактор, все его гены-мишени, и другие транскрипционные факторы, действующие на данные мишени. Образованию регуляторных мотивов способствует сложная структура гена, включающая cz's-регуляторные последовательности ДНК с одним и более (у многоклеточных животных обычно от четырех до восьми) сайтами связывания транскрипционных факторов. Эти последовательности в отличие от белок-кодирующих областей располагаются без строгой регулярности и могут быть верховыми, низовыми и внутри-интронными. Регуляция осуществляется через дифференциальный контроль во времени уровней экспрессии. Взаимодействие транскрипционного фактора с сайтом регуляторной области является контекстно-зависимым. С этим связана многофункциональность транскрипционных факторов, которые в состоянии соединяться при изменении физико-химических условий с различными регуляторными сайтами одного гена. Для общей характеристики нынешних представлений о наследственности важно подчеркнуть, что эволюция си-регуляторных сайтов гена является мощным источником разнообразия. Регуляторный мотив характеризуется определенными кинетическими параметрами. Он может быть системой с обратной связью, в простейшем случае, образованной двумя транскрипционными факторами, например А, и А2, каждый из которых определяет экспрессию другого, действуя на соответствующие гены. При этом один из них, например А,, репрессирует работу собственного гена, т.е. гена, который этот транскрипционный фактор кодирует: А, активирует ген, кодирующий А2, А2 активирует ген, кодирующий А,, и А, репрессирует ген, кодирующий А,. Следующий уровень иерархии представлен модулем, который можно определить как систему взаимодействующих мотивов, показывающую внутри себя больший уровень связности и отделяющуюся от других аналогичных модулей меньшим уровнем взаимодействия. Основная масса генов-мишеней регуляторной сети контролируется небольшим числом транскрипционных факторов. Верно и обратное отношение: основная масса транскрипционных факторов контролирует много генов и выполняет функцию тонкой настройки работы генетической сети.
4. Из других свойств сети важным разграничением является разделение связей на сильные и слабые. Первые действуют локально, внутри пространственно ограниченных кластеров, модулей, вторые характеризуются дальнодействием и осуществляют связь между разными модулями. Эти связи также подчиняются степенной зависимости. Основная нагрузка в сети приходится на сильные связи. Это, в частности, показано для метаболических сетей, в которых небольшое число реакций пропускает через себя основной объем метаболических потоков (Almaas et al., 2004). Слабых связей много, но они распределены диффузно и от них мало зависит нормальная работа сети. В то же время они (Csermely, 2004) являются стабилизирующим элементом системы при возмущающем действии со стороны среды.
Наконец, важная роль в работе регуляторных модулей принадлежит сигнальным путям, замыкающимся на геноме. Через них генетическая система распознает внешние сигналы и определенным образом на них отвечает. В этом смысле генетическая система представляет клеточный аналог нервной системы многоклеточных животных (Balazsi, Oltvai, 2005). Обычно сигнал, воспринимаемый клеточным рецептором, может дублироваться в клетке и передаваться в ядро разными путями и с разной временной задержкой. Все это обеспечивает устойчивость прохождения сигнала. В то же время транскрипционная сеть может однотипно реагировать на разные внешние сигналы. Одни и те же гены и их продукты действуют во многих типах клеток. Это означает, что функция таких генов полностью определяется транскрипционным контекстом. Без этого контекста охарактеризовать функцию гена невозможно. Например, транскрипционный фактор CREB контролирует клеточное деление и дифференциацию, которая в разных типах клеток имеет свою специфику. Особенно хорошо этот фактор изучен в нейронах, в которых он ответственен за консолидацию кратковременной памяти в долговременную. Материально долгосрочная память осуществляется через активацию молчащих и образование новых синапсов, а также повышение их рабочих характеристик, связанное в первую очередь с увеличением синаптической поверхности дендритных спинул и, как результат, рецепторных полей. Все это требует транскрипции и синтеза многих синаптических и сопутствующих (митогенных, цитоскелетных, матриксных) белков. При больших напряжениях (решении сложных задач) включается программа неирогенеза (Scotto-Lomassese et al., 2003; Abrous et al., 2005) и образования новых нейронов и глиальных клеток. Нейронный контекст активности CREB определяется многими клеточными параметрами. При формировании памяти параллельно CREB активируются многие другие транскрипционные факторы, выполняющие параллельные и сопутствующие функции. В качестве примера упомянем, факторы FOXO из семейства Forkhead. У человека это семейство включает более ста белков. Члены класса О могут фос-форилироваться по многим позициям. Максимальное фосфорилирование ингибирует транскрипционную активность этих белков. При меньших уровнях фосфорилирования они способны индуцировать апоптоз через активацию транскрипции FasL или, напротив, устойчивость клеток к стрессу Кроме того, FOXO могут включать гены, участвующие в процессах клеточной дифференциации, метаболизма глюкозы и энергетического баланса. Регулируются эти белки разными механизмами, в том числе через Akt-сигнальный каскад. Akt-киназа фос-форилирует и ингибирует FOXO в ответ на действие лигандов — инсулина и факторов роста. При стрессах фосфорилирование осуществляется через JNK/SAPK-сигнальный каскад. Эти и многие другие сопутствующие транскрипционные факторы, определяя активность CREB, в свою очередь сами активны в каком-то транскрипционном контексте. В итоге общая структура транскрипционной сети, связанной с CREB, будет отличаться необычайно большой горизонтальной и вертикальной сложностью. Транскрипционная сеть существует как саморегулирующийся аппарат клетки. Об этом свидетельствует наличие переходных процессов при обусловленных изменением среды сдвигах генных сетей, характерных для длительных модификаций. Но это означает, что транскрипционная сеть образует непрерывную самоподдерживающуюся и самовоспроизводящуюся при клеточных делениях систему. Она, таким образом, составляют основное свойство клеточной жизни и не воссоздаются каждый раз заново при появлении нового организма. В условиях стресса транскрипционные и связанные с ними метаболические сети разного уровня перестраиваются, причем четко прослеживается тенденция к упрощению. (Luscombe et al., 2004; Ekman et al., 2006; Palotai et al., 2008). Если в нормальных условиях кластеры (модули) внутри взаимодействующей сети (интерактома) слабо выделяются при наличии большого числа взаимодействующих узлов с малой связностью, то при стрессах кластеры за счет потери вспомогательных взаимодействий очерчиваются более резко, а их число по той же причине увеличивается, т.е. имеет место фрагментация интерактома. Так, в интерактоме дрожжей Saccharomyces cerevisiae в нормальных условиях можно выделить 42 модуля, тогда как при разного рода стрессовых воздействиях число модулей может увеличиться до 117. Уменьшается также число взаимодействующих концентраторов с 494 в норме до 182 при стрессе. Соответственно уменьшается общий диаметр сетей, имеет место полная диссоциация некоторых кластеров и уменьшение числа концентраторов. Связи перераспределяются, и большее их число замыкается на концентраторах, ранг которых, следовательно, повышается. Концентраторы в этом смысле выступают в роли интеграторов, переводящих клеточную жизнь на новые рельсы. Концентраторы ограничивают и локализуют нарушения (повреждения), не давая им возможности оказать воздействие на другие области сети. Некоторые сетевые модули, связанные с протеасомами, транспортными системами, действующими между ядром и цитоплазмой, регуляторами актинового скелета сохраняют устойчивость при стрессе. Одновременно усиливается генетический контроль за клеточным циклом. Иными словами в условиях стресса усиливается централизация в управлении клеточной жизни, а роль местных регуляторных процессов снижается. При изменении среды интерактому необходимо некоторое время, чтобы достичь нового стационарного состояния, отвечающего данному уровню средового воздействия. Этот временной интервал может захватывать несколько последовательных поколений, как это было показано в опытах на тлях (Смирнов, 1957, 1961; Шапошников, 1961, 1965). Таким образом, сети решают пять основных задач (Korcsmaros et al., 2007): 1. Отфильтровывают локальные шумы внешнего и внутреннего происхождения. 2. Обеспечивают надежную передачу сигнала (взаимодействия) от одного элемента сети к другому. 3. Распознают сигналы и шумы в процессах научения клеток, осуществляемых через постоянное преобразование сети. 4. Служат защитой против стрессовых воздействий. 5. Самоорганизуются, обеспечивая оптимальный режим работы в условиях меняющейся среды.
