Взаимозаменяемость генов-регуляторов защищает от болезней
Клетка как компьютер
Алексей Тимошенко, GZT.RU
Биологи обнаружили, что между генами и компьютерными сетями гораздо больше сходства, чем считалось ранее. И в том, и в другом случае ключевые элементы систем дублируются. Данное открытие позволит найти уязвимые и отвечающие за развитие болезней гены.
Ученые из университета Карнеги-Меллон в США обратили внимание на особый класс белков под названием «транскрипционные факторы». Эти белки уникальны – они не просто выстраивают тело клетки и даже не выступают в роли обеспечивающих химические реакции ферментов. Транскрипционные факторы выступают в роли переключателей для других генов: они могут запускать или останавливать синтез сразу многих белков.
Молекулярные переключатели и внутриклеточные компьютеры
Зив Бар-Джозеф, под чьим руководством выполнено исследование, говорит, что ученым удалось обнаружить сходство между различными транскрипционными факторами. Исследователи предполагают, что это не случайное совпадение, а способ обеспечить взаимозаменяемость необходимых для работы клетки генов. Подобный метод дублирования важных узлов сети используется в компьютерных системах, проводящие распределенные вычисления на разных компьютерах.
При поддержке коллег из Израиля и Испании молекулярным биологам удалось разделить молекулярные переключатели на две группы. К некоторым ученым удалось подобрать одну или несколько альтернатив, а другие оказались уникальны и не похожи ни на какие другие.
Далее был проведен эксперимент, который может иметь важные последствия для медицины. В его ходе исследователи показали, что поломка транскрипционных факторов первого типа практически не сказывается на работе других генов. Эти переключатели дублированы своими аналогами, и серьезно затронуть работу клетки может только выход из строя сразу нескольких генов. Такой сценарий крайне маловероятен: генетический материал в клетке надежно защищен несколькими разными системами восстановления поврежденной ДНК.
Но белки, которые регулируют активность многих генов и при этом не имеют аналогов, оказываются критичны для функционирования клетки. Зная точный перечень таких белков, медики смогут сосредоточиться на их детальном изучении, ведь «поломка» кодирующих их генов может вызывать различные заболевания.
Распределенные вычисления
Аналогичное распределение функций применяется программистами для создания систем, позволяющих проводить громоздкие расчеты путем их распределения по многим компьютерам. Выход из строя или отключение от сети отдельных узлов (в клетках их роль играют гены-переключатели) не приводит к краху всей системы, а размер сети может быть практически неограничен.
Сеть World Community Grid, например, объединяет свыше сотни тысяч компьютеров при помощи специального программного обеспечения. Скачав и установив у себя программу, любой пользователь всемирной сети может пожертвовать избытками ресурсов своего процессора для решения различных научных задач. Методом распределенных вычислений на компьютерах добровольцев рассчитывают молекулы, необходимые для лечения ВИЧ-инфекции, последствия глобального потепления и даже изменения белков, которые позволят получить новые, более урожайные, сорта риса.
Рак, память и гены
Открытие ученых позволяет по-новому взглянуть на многие проблемы медицинской и биологической науки. Молекулярные переключатели многофункциональны и отвечают за самые разные процессы: например ген c-Fos связан как с образованием раковых опухолей, так и с обучением и формированием памяти. Ранее, еще в 1989 году нейробиологи обнаружили что ген, который до этого считали связанным с развитием опухолей, начинает работать в клетках мозга у крыс сразу после обучения. Позже удалось и показать, что его мутация у мышей приводит к ухудшению интеллектуальных способностей грызунов, но вот вывести полностью лишенную памяти мышь тогда не удалось: ученые сочли, что функции гена оказались дублированы.
В свете открытия биологов из университета Карнеги-Меллон и аналогии с вычислительными системами такое дублирование предстает вполне естественным. Такая жизненно важная функция как память, с одной стороны требует многих генов, а с другой стороны регуляторы работы всех этих генов продублированы. Исследование, описывающее то, как транскрипционные факторы дублируют друг друга, было опубликовано в журнале Molecular Systems Biology.