Лекции 10 и 11 (А. П. Перевозчиков) Свойства макромолекул и макромолекулярных систем, проявляющиеся в ходе реализации программ развития и в эволюции Аксиоматика и закономерности организации и эволюции макромолекулярных систем живых организмов

Last universal Common Ancestor, (LUA or LUCA, the cenancestor or "number one" (на сленге) Как полагают этот наиболее общий предок всех живущих на Земле организмов уже существовал 3,5 -3,8 миллиардов лет назад. D-глюкоза как источник энергии, АТФ, гликолиз. Процессы репликации ДНК, транскрипции и трансляции РНК (рРНК. тРНК) были такие же, как описано у современных организмов. Клетки были окружены мембраной с билипидным слоем.

Carl Woese et al., 1990 – Филогенетическое дерево жизни (кладограмма на основании ДНК-посл. малой рибосомной РНК)

Царства живых организмов Protista -unicellular eukaryotes and algae Plantae -multicellular photosynthetic cell walls Fungi -multicellular filamentous heterotrophic cell walls Monera -prokaryotes Animalia 250,000 sp.60,000 sp.5,000 sp. 1,000,000+ sp. ? 5 Kingdom Classification

Newman, Bhat 2009 предложили модель, согласно которой организм создаётся из комбинации простых модулей (сообществ клеток), характеризующихся по главному динамичному свойству (DPM)

Newman, Bhat 2009: Pattern language for development and morphological evolution Мы предполагаем, что механизмы развития современных животных могут быть поняты в терминах языка паттернирования форм многоклеточных. Элементами этого языка являются преобразования физического умолчания недифференцированных агрегатов клеток: топологически жестких, геометрически сферических, и пространственно обнообразных форм. Главные преобразования (трансформации): 1) образование стабильной смеси клеток, пребывающих в более чем одном биохимическом состоянии, 2) стабильное образование отчётливых клеточных слоёв, 3)образование внутренних полостей, 4) удлинение клеточной массы (пример - конвергентное удлинение), 5) создание неоднородных паттернов клеточных типов и 6) образование дисперсных субпопуляций клеток без дезинтеграции организма.

Newman, Bhat 2009: Pattern language for development and morphological evolution Сравнительные анатомы долгое время считали, что тела животных представляют собой книги, написанные на одном морфологическом языке. Недавно, молекулярные эволюционисты открыли, что Metazoa могут быть описаны с учётом общего эмбрионально-генетического словаря. Оба взгляда происходят, по нашему мнению, от молчаливого принятия единообразного языка паттернирования развития животных. Грамматика этого языка появилась внезапно более 500 млн. лет назад, когда группы белков и сигнальных путей одноклеточных начали действовать в мезомасштабе, заставляя работать физические законы для создания программируемых событий и определённого окружения для нужд конструирования многоклеточных организмов.

Аксиоматическое представление о макромолекулах на Земле Биохимическая универсальность Подразумевает единство на молекулярном уровне структурно-функциональных элементов, составляющих живые системы от архей до высших животных и растений (С. Фокс и К. Дозе,1975).

Биохимическая универсальность : виды биомолекул, составляющих живые системы, имеют сходные структуры у всех организмов

Био-Сложность (обратная сторона Био-Разнообразия) Genome Complexity (Geno-Complexity) Complexity of DNA Sequence in a Genome Phenotype Complexity (Pheno-Complexity) Complexity of the Functional Genomics Transcriptome Proteome Systems Complexity Complexity of a Biological System or Organism

Gene Number in Eukaryotes* Human32, Gb Mustard Weeds25, Mb Fly13, Mb Worm19, Mb Yeast 5, Mb Species # of Genes Genome Size Набор генов в геноме вряд ли отражает возрастание сложности организации * Non-coding genes, such as Mir, are not included.

Геном человека Geno-Complexity: The complement of genomic DNA encrypted with genetic information Exon ~2% Intron24% Intergenic74% 3,000 Mb Genome 40,000 Human Genes 50% Repetitive Elements

1234 exon 5 ORF intron Хромосомный ген в сравнении с кДНК-геном организован сложнее mRNA Protein Transcription & Splicing Translation Regulatory Folding Function Transcription Factors Transcribed Genomic Sequence Full-length cDNA

Белковые изоформы и сложные межбелковые взаимодействия увеличивают сложность макромолекулярных систем Eubacteria Archaea Eukarya Unicelluar Organisms InvertebratesVertebratesMammalsHuman Conserved Core Proteins Lineage- Specific Proteins Domain AccretionProtein Architecture Vertebrate- Specific Proteins Protein Diversity Functional Diversity

Эукариотические протеомы организованы по одним и тем принципам Proteome Human FlyWorm Yeast Mustard Weed Number of Genes 31,77813,33818,266 6,144 25,706 % of DB Matches* (* Similarity search of protein sequences in the database)

Пример эволюционного происхождения мультифункциональных белков Эволюция структуры фермента - синтазы жирных кислот

Most natural fatty acids have an even number of carbons. Unsaturated fatty acids usually have cis double bonds stearic acid, C18:0 CO 2 H palmitic acid, C16:0 oleic acid, C18:0( 9 ) CO 2 H CO 2 H palmitoleic acid, C16:0( 9 )

Жирные кислоты входят в состав фосфолипидов, триглицеридов и сфинголипидов glycerophospholipids CH 2 O C R O R C OCH O CH 2 O P OCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 3 + O - O Phospholipid bilayers are the central structural elements of biological membranes. triacylglycerols R C OCH CH 2 O C R O O O Triacylglycerols are stored as energy reserves. Fatty acids also are found as cholesterol esters in lipoproteins, and are attached covalently to some proteins. HOCH=CH-CH 2 R R-C-NH-CH CH 2 O P OCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 3 + O - O O sphingolipids Sphingolipids on cell surfaces are sites of cell recognition. Inositol phospholipids participate in intracellular signaling.

+H3N+H3N MAT KR DHcoreERTEKS CO SH OH O-phospho- pantetheine ACP Animals: 1 multifunctional protein Approx. number of amino acid residues in each domain OH Ферментные активности комплекса синтазы жирынех кислот эволюционируют в один мультидоменный белок (от микроорганизмов к позвоночным) OH TE CO 2 - +H3N+H3N ER +H3N+H3N CO 2 - DH CO 2 - +H3N+H3N OH AT CO 2 - +H3N+H3N KR CO 2 - +H3N+H3N SH KS CO 2 - +H3N+H3N OH MT CO 2 - +H3N+H3N +H3N+H3N O-phosphopantetheine ACP E. coli: 8 separate proteins

Фенотипическая сложность эукариотического протеома Domain Accretion Protein Architecture Protein Diversity Functional Diversity Domain Expansion Somatic Rearrangement Alternative Splicing Horizontal Transfer Modifications Biological Processes Paralogous Expansion Protein Interactions Evolution Somatic de novo Systems Duplication Divergence Recombination

Способы создания разнообразия эукариотических белков в ходе эволюции и онтогенеза Lateral Gene Transfer: Bacterial Genes Domain Invention: Vertebrate-specific Proteins New Architecture: Combinatorial Domain Accretion Domain Expansion: Multiple Domains in a Protein Paralogous Expansion: Gene Duplication (I) Genome Evolution (Germ-line) Somatic Rearrangement: Ig & TCR Gene Families Alternative Splicing: Protein Isoforms (II) Gene Expression (Somatic) Alternative Splicing: Domain Ablation or Alteration

Genome Complexity Gene Sequence Functional VariantsAlternative Splicing DNA MethylationHistone Acetylation Protein ModificationProtein Processing Protein Interactions Иерархия сложности в пост-геномную эру Organism Complexity Human BiologyDisease Biology

Protein DiversityFunctional Diversity Biological Processes PhysiomePatholome CellomeMetabolome Proteome Genome Интегративность (иерархичность) научных дисциплин, изучающих живые системы в пост-геномную эру Functional ProteomicsStructural Proteomics Gene Repertoire Protein Repertoire Systems Biology

Полимеризация (дупликация) и полиморфизм (дивергенция) на морфогенетическом уровне (принцип полимеризации и олигомеризации беспозвоночных В. А. Догеля) и на генетическом (дупликация генов с последующей дивергенцией обоснована С. Оно)

Эволюционные древа животных, построенные на основании молекулярно-генетических (слева) и морфологических (справа) критериев

Модулярность органогенеза

Цикличность функционирования макромолекулярных систем Создаются по принципу отрицательной обратной связи в цепочках (каскадах) регуляции

Молекулярные основы мышления и памяти

Нейроны пытаются понять сами себя!

Нейропластичность (часто трактуемая как пластичность мозга или пластичность его коры) отражает изменения,происходящие в ходе развития (организации) структур мозга и выявляемые при изучении в постнатальном периоде. Удивительное следствие нейропластичности заключается в то, что район мозга, отвечающий за выполнение какой-то функции может менять свое расположение (перемещаться) при повреждение места его прежней локализации, что подтверждает важность головного мозга как регулятора сохранения целостности всего индивида

Fabio Benfenati, 2007 Acta Biomed 78, Suppl Различные формы обучения и памяти. Декларативная, или эксплицитная память может быть определена как семантическая (словесная), или автобиографическая (память об эпизодах), за неё ответственен гиппокамп. Недекларативная, или имплицитная память, представленная в виде отдельных групп бессознательно запоминающихся парадигм, за которые отвечают определенные районы мозга.

Считается, что кратковременная память определяется только в виде функциональных изменений в уже существующих в клетках сигнальных цепочках, опосредуемых их более тонкой настройкой. Судьба кратковременных изменений двояка: они либо затухают (стираются), или забываются полностью (забывчивость), либо многократно усиливаются (переписываются в долговременную память в ходе процесса, именуемого консолидацией памяти.

Fabio Benfenati, 2007 Acta Biomed 78, Suppl Молекулярные факторы, принимающие участие в реализации механизмов памяти (в случае долговременной памяти задействована экспрессия ряда генов)

Механизмы консолидации, забывания и вспоминания:

Нейропластичность опровергает положение о том, что разные виды мозговых функций закреплены за отдельными его районами

Концепция нейропластичности изменяет наши представления об организации и деятельности головного мозга, которые до сих пор определялись как эволюционно устоявшиеся под действием факторов внешней среды. Десятилетиями вырабатывался взгляд, что более низшие слои переднего мозга и неокортекс формировали в развитии устойчивые структуры, тогда как районы связанные с памятью, такие как гиппокамп, его важные районы (dentate gyrus), где нейроны продолжают формироваться у взрослого организма, остаются очень пластичными (лабильными). Исследователи показали, что ocular dominance columns в низшей неокортикальной зрительной области V1 остаются в целом неизменными по окончании критического периода в развитии, а вот в области, отвечающая за языковые навыки нейронные(сенсорные) цепочки формируются после достижения критических периодов развития. Изменения во внешней среде могут, таким образом, менять поведенческие характеристики и характеристики сознания, модифицируя связи между новыми нейронами в гиппокампе.

Десятилетия исследований показывают, что существенные изменения в более низких слоях неокортекса могут основательно менять модели нейрональной активности в ответ на внешние воздействия. В соответствии с теорией нейропластичности, такие процессы как мышление, обучение и поведение изменяют не только функциональное устройство мозга (сверху донизу), но и,возможно, его физическую организацию Критический анализ устоявшихся представлений о неизменности взаимоотношений между районами неокортекса и его функциями приводит к тому, что нейропластичность - необходимое свойство и что отмеченные выше процессы могут захватывать анатомически разные районы коры и другие участки головного мозга позвоночных.

Все макромолекулярные взаимодействия (включая развитие, нейропластичность, рассмотренные на индивидуальных жизненных отрезках и эволюционно) реализуются в соответствии с общими основными принципами

Эти принципы касаются клеточного метаболизма, пролиферации, дифференцировки и трансдифференцировки, состояния стресса, апоптоза, миграции клеток, межклеточных контактов и обмена сигналами.

Основные принципы Можно сказать, что биомакромолекулы образуют специфические системы, простые и достаточно сложные комплексы или модули (которые могут быть специфичны для каждой ткани) сохраняющиеся и совершенствующиеся в эволюции. Развитие и эволюция многоклеточных организмов (животных) происходят в соответствии с одними и теми же основными принципами организации и взаимодействия макромолекулярных систем:

Основные принципы организации макромолекулярных систем: Биохимическая yниверсальность означает существование и использование для создания форм и структур организмов одних и тех же классов макромолекул Узнавание (recognition) клеток клеткам, белка белками или нуклеиновыми кислотами (НК), узнавание между НК – все эти процессы отвечают за избирательность взаимодействий между макромолекулярными системами (ММС), за межклеточные контакты, за ферментативные и иммунные реакции.

Основные принципы работы макромолекулярных систем: (продолжение): 3. Полимеризация (Polymerization) (за счет матричных свойств), воспроизведение макромолекул и ММС и увеличение их количества. Вместе со способностью узнавания макромолекулами друг друга объясняет такие свойства как: образование нуклеопротеидных и межбелковых комплексов, сборку вирусных капсид, сборку биомембран, процессы репликации, транскрипции, трансляции. 4.Полифункциональность (Multifuctionality) ММ и ММС наделяет одни и стркутуры разными свойствами и обеспечивает таким образом высокую интегративность многокомпонентны систем, комплексов, структур. Полифункциональность первичная и вторичная 5.Функциональный полиморфизм ( Functional dispersion) объясняет происхождение путём небольших модификаций дисперсии функции сходных видов молекул (избыточно полимеризованных молекул), что обеспечивает адаптивную изменчивость систем, даёт гарантию (страховку) их надежности и интегративности.

Основные принципы работы макромолекулярных систем: (продолжение) : 6. Макромолекулярные системы могут в том числе представлять собой функциональные (сигнальные) цепочки способные стабильно функционировать (за счёт положительной обратной связи) или осциллировать (за счёт отрицательной обратной связи), обеспечивая периодичность процессов (молекулярные часы, клеточные циклы и т.п.) Последнее свойство может быть базой для создания нейральных цепочек и сетей

Основные принципы организации и существования биомакромолекулярных систем Биохимическая универсальность Узнавание Полимеризация Мультфункциональность (с ограничениями) Функциональная дисперсия (полиморфизм)

Выводимые (операционные) свойства макромолекул, вытекающие из реализации основных принципов работы макромолекулярных систем. Ремоделирование систем, Иерархичность Модулярность Коопция Цикличность Канализация Cпециализация и интеграция

Основные принципы дают возможность построить языковые модели для ММС Сигнальные цепочки могут соответствовать деятельности хорошо- известных логических функций (конъюнкция, дизъюнкция, импликация и т.п.). С другой стороны, вероятностное описание работы этих логических моделей позволяет описать функционирование макромолекулярных систем как языковых структур* * В. В. Налимов ( )

ПЕРСПЕКТИВЫ СВЕДЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО- БИОЛОГИЧЕСКОГО И МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДОВ К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ (ЖИВОТНЫХ) НА ОДНОМ ЯЗЫКЕ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗЕМНОГО РАЗНООБРАЗИЯ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ