Максим Ухин
В клетках имеются микротрубочки, по которым осуществляется перенос жизненно важных веществ. Иллюстрация создана GigaChat
Мир – и в том числе микромир – находится в состоянии постоянного перемещения различных структур и молекул. «Оформленные» и кажущиеся стабильными клеточные ядра вдруг теряют свою оболочку из двух мембран, а на их месте, как бы из оптического небытия, возникают «окрашенные» нитчатые тельца (хромосомы). Они расщепляются вдоль, чтобы начать движение половинок к полюсам новообразующихся клеток.
В клетках имеются микротрубочки, по которым осуществляется перенос жизненно важных веществ. Отличный пример – транспорт пузырьков (везикул) с нейромедиаторами к синапсам, или точкам нейрональных контактов.
Идет транспорт и через сдвоенные мембраны митохондрий, этих энергостанций клеток, синтезирующих энергетическую валюту живой клетки – молекулу АТФ. Считается, что митохондрии суть «внедрившиеся» некогда в клетки внешние микроорганизмы, у которых тоже двойная мембранная оболочка. В митохондриях для «переправки» веществ в обоих направлениях имеется специальный протеин ТМЕМ (MEMbrane Transporter). У микробов для этой же цели есть секреторные системы из белков. Для «продвижения» токсинов в клетки бактерии выдвигают протеиновые трубки – пили (как, например, у бактерии Helicobacter pylori, поражающей слизистую желудка), представляющие собой молекулярные «копья».
Интенсивный трафик осуществляется через поры ядерной оболочки (NPC – Nuclear Pore Complex): в ядро переносятся молекулы транскрипционных факторов, включающие транскрипцию – переписывание генов, в виде молекул информационной РНК, использующихся сегодня для разных вакцин. Молекулы через те же NPC выходят из ядра, чтобы стать матрицей для синтеза белков на рибосомах, состоящих из белков и РНК, синтезируемой в ядрышке.
Все это стало открытиями, сделанными с помощью электронного микроскопа и народившейся затем молекулярной биологии. Но задолго до того ботаники и садоводы знали про петуний, «уроженцев» Южной Америки, на белых лепестках (petals) которых время от времени появляются кроваво-красные прожилки. Нечто подобное наблюдается и у маиса-кукурузы, початки которой представляют порой мозаику зерен разной окраски.
Столь необычное поведение кукурузы заинтересовало Барбару Мак-Клинток, открывшую явление «транспозиции», или перемены мест даже не генов, а их элементов, которые она назвала «прыгающие» (jumping). За открытие транспозонов американке вручили в 1983 году Нобелевскую премию.
С наступлением геномного миллениума выяснилось, что охота к перемене мест проявилась около миллиарда лет, то есть еще до выхода жизни из морей и океанов на сушу. В свете гипотез, согласно которым митохондрии есть некогда внедрившиеся внуриклеточные паразиты и жизнь начиналась с РНК (RNA-world), стали говорить о ретровирусах и транспозонах. Известно – и пример ретровируса COV тому доказательство, что вирусы со временем становятся менее патогенными. К ретровирусам помимо раковых относится и ВИЧ.
Геномы человека и животных велики. Но гены, контролирующие синтез протеинов, занимают в нем всего около 2%, в то время как только один транспозон человека LINE (Long Interspersed Nuclear Element – Длинные повторы ретровирусов) в 10 раз больше. За 13 лет до Нобелевки МакКлинток случилось событие, которое Френсис Крик, сооткрыватель двойной спирали ДНК, назвал ниспровержением «центральной догмы биологии».
Дело в том, что Хауард Темин и Дэвид Балтимор доказали наличие у некоторых раковых вирусов фермента обратной транскриптазы (RT – Reverse Transcriptase), который синтезирует ДНК на РНК! В Стокгольм их вызвали всего лишь через пять лет после этого (открывателю первого ракового вируса Раусу этого пришлось ждать 55 лет!).
Сегодня прыгающие гены связывают с нейродегенеративными заболеваниями (паркинсонизм и БАС – боковой амиотрофический склероз, лобно-височная деменция), а также преждевременным старением, или прогерией. Бороться с транспозонами помогают лекарства, способные омолодить клетки при прогерии и стимулировать развитие стволовых клеток костного мозга, дающие клетки крови. Но указывается и на возможность побочных эффектов их применения у людей.
В Гарварде из стволовых клеток сформировали органоиды кожи, детально проследив динамику их развития: через две недели началась дифференцировка-специализация клеток, а через два месяца появились первые волосяные фолликулы. Еще через пару месяцев в органоиде появились слои с пигментированными волосами, сальными железками и сенсорными нейронами. Это соответствует 18-му дню развития мышонка (у мышей беременность длится 21 день). Гарвардцы полагают, что подобные органоиды со временем обеспечат технологию производства персонализированной кожи.
Органоиды позволили показать функциональное различие верхних (апикальных) и нижних (базальных) синапсов на дендритных, или древовидных, отростках нервных клеток. В дендритных синапсах осуществляется передача нервных импульсов, идущих к нейронам. Контакты могут быстро образовываться и так же быстро исчезать. Это явление получило название «нейрональная пластичность». Ее определяют как изменение силы синапсов под воздействием проявляемой нервными клетками активности. Изменение силы отражается в консолидации памяти, хранение которой не всегда желательно.
Авторы исследования в статье в журнале Nature Protocols отмечают, что открыто новое явление двух типов синаптической пластичности у одного нейрона. Дело в том, что функциональное различие «верхних» и «нижних» синапсов дендритного древа нейронов диктует различный контроль информации, избираемой клеткой для ее консолидации и дальнейшего хранения.
Сегодня характер моторного обучения исследуют на клеточном уровне, а именно по активности нейронов моторной, или двигательной, коры. Оказалось, что важная роль в этом принадлежит апикальным дендритам клеток 2–3 слоев моторной коры, синапсы которых усиливаются с помощью активности соседних клеток. Усиление (консолидация) синапсов в нижнее-базальных отделах дендритного древа происходит за счет потенциалов действия, генерируемых телами нейронов. Тем самым делается вывод, что два участка древа получают во многом разные «входы» информации. Это может иметь значение для создателей будущих биоинформационных систем.
