Структурная организация генома и теория сетей

ПРОБЛЕМЫ НАУКИ

Известия ТСХА, выпуск 2, 2010 год

УДК 575.113.001

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА И ТЕОРИЯ СЕТЕЙ

В.И. ГЛАЗКО

Рассмотрены проблемы, связанные с развитием теории сетей. Обсуждаются универсальные свойства организации сетей и межсетевых взаимоотношений, не завися щие от их масштаба, а также успехи их использования для выя вления закономерностей изменчивости составов видовых сообществ, образования меж-генных сетей, взаимодействий между социальными и экологическими факторами, транспортными с истемами и распространением инфекций. Рассматриваются возможные основы организации программ генной экспрессии, обусловленные консерватизмом нуклеотидных последовательностей, участвующих в динамической организации хроматина.

Ключевые слова: ген, геном, теория сетей, межсетевые взаимодействия, микросателлиты, хроматин.

Коэкспрессия (синэкспрессия) генов. Одной из центральных проблем современной генетики является выяснение механизмов организации и упорядоченной смены программ генной экспрессии, генетических основ клеточной дифференцировки в многоклеточных популя циях высших организмов. Вопрос о механизмах координации генной экспрессии в клетке изучается давно. Путь к пониманию таких процессов открыло развитие нового метода изучени генной экспрессии — метода ДНК-микроматриц или ДНК-биочипов. Его принцип лежит в получении ДНК-копий (кДНК) последовательностей мРНК и гибридизацию их на фрагментах ДНК (пробах) соответствующих структурных генов ДНК, прикрепленных к твердой подложке в известном порядке. Это дает возможность получать «срезы» экспресирующихся генов во времени или профили генной экспрессии.

Такие «временные срезы» позволили увидеть высочайшую скоординированность вовлечения генов в общий процесс в строго определенных местах и временных интервалах. Одновременно экспрессирующиеся гены у эукариот локализованы в разных участках генетического материала, что привело к необходимости созда-ни новой гипотезы регул ции экспрессии групп генов у эукариот, отличную от оперонной, известной у прокариот. Принципом гипотезы я в-ля ется то, что регуля ция экспрессии происходит не по двухступенчатой схеме, как у прокариот, а по трехступенчатой, с учетом того, что про-моторные элементы контролируются пря мыми факторами регуляции транскрипции. В таком случае положение структурных генов в разных хромосомах становитс непринципиальным. Дл обозначени этой концепции был предложен термин «коэкспре-

сирующая ся группа» (synexpression group), который обозначает ря д генов, имеющих общие закономерности пространственно-временной экспрессии и одновременно участвующих в одном общем метаболическом процессе. Это достигается путем котран-сл ции всего коэкспрессирующегос комплекса генов [7].

Такое понимание регуляции экспрессии генов открывает новый подход к изучению эволюционных процессов, поскольку позволяет предполагать, что в них участвуют не отдельные генные единицы, а целые комплексы генов, экспрессия которых контролируется генами («мастер»-генами, генами-организаторами или, как их иногда называют, генами-хозя евами), осуществля ющими регуляцию функции посредством синтеза активирующих транскрипцию факторов, т.е., по сути, «промотором» или «регуло-гом» группы коэкспрессирующихся генов. Изменение такого «регулога» позвол ет переместить всю коэкспре-сирующуюся группу, определя ющую данную функцию, в новое метаболическое окружение (контекст). Такая коэкспрессирующа с группа генов

вместе с ее генами-регул торами дл удобства может быть обозначена как отдельный модуль генной экспрессии [15]. Соединение генных модулей должно приводить к повышению интегрированности различных генных программ. Наоборот, утрата модуля приведет к рудиментации функции. Множественные коэкспресирующиеся группы объединя ются в большие генные сети и могут регулировать экспрессию друг друга [7].

Модульное строение генома позво-ля ет по-новому осмысливать процессы, лежащие в основе изменчивости и адаптивности. Быстрота адаптации естественно выше, если отбор признаков основываетс не на изменени х в экспрессии отдельных генов (мутации), а на изменении целых модулей, контролирующих экспрессию целого

ря да генов. Таким путем может достигаться большая генетическая пластичность, как это предполагалось ранее. Кроме того, количество мутационных шагов, приводя щих к адаптивному изменению, для такой схемы значительно меньше.

Такой подход к проблеме предполагает наличие коэволюции функций и регуля ции экспрессии генов, другими словами, коэволюцию фенотипической изменчивости и кодирующих последовательностей «регулогов». Отдельные группы генов, свя занные в сеть ко-регулирующими факторами, позвол ют приходить к разнообразию (форм, функций) не через различия в продуктах гена, а через различие в регуля ции экспрессии генов, сетевых взаимоотношений, в которых гены взаимодействуют в течение развити .

Генные сети. Огромная сложность регуляции может быть объя с-нена моделью, в которой более высокий пор док организации занимают транс-активирующие факторы, интегрирующие множественные ко-экс-пресирующиес группы. К насто щему времени накоплено уже достаточно много примеров подобной регу-ля ции [7]. Например, показано, что ключевым объединяющим фактором в экспрессии 43 генов, контролирующих формирование молочного жира, вл етс в основном один фактор ре-гуля ции транскрипции [10].

Высокий уровень связи между участием разных генов в обеспечении определенной функции и регул цией их экспрессии, указывающей на наличие упор доченности регулогов в геномах живых организмов, позволило ввести представление о генных сет х [2]. Подробное изучение модулей таких сетей и их взаимосвя зей, охватывающих весь генетический материал, может позволить исследовать геном и его протеому на новом, качественно более высоком уровне, т.е. картировать генетический материал и меж-генные взаимодействия на функцио-

нальных взаимоотношениях между его компонентами. В представления о генных сетях закладываются следующие характеристики [7]: группа генов «ядра» (гены-исполнители, или гены-«рабы»), обеспечивающие про-я вление рассматриваемого фенотипического признака; центральные регуля торы («мастер»-гены), кодирующие факторы регул ции транскрипции коэкспрессирующейся группы генов, несущих общие нуклеотидные последовательности в их регул торных районах, в частности, в промоторных областя х; рецепторы к факторам, индуцирующим активацию таких общих факторов транскрипции.

Универсальность системной организации в природной и культурной средах. Представление о сетевых взаимоотношениях между развитием различных признаков у многоклеточных организмов, организмами в попул ци х, видовых сообществах имеет давнюю историю [5]. Системная биология, как часть развития теории систем, начала формироваться еще в средине XIX века [5]. Один из основателей биоинформатики A.A. Ля пунов писал, что "теория систем — это кибернетика без математики, а кибернетика — теория систем с применением математического аппарата" [4]. Наиболее успешно теори сетей развивалась в работах экономистов, таких как Н.Д. Кондратьев [3], А.В. Чаянов [8]. В своих работах Н.Д. Кондратьев предвосхищал формирование р да пон тий будущей общей теории систем, таких как система, связи, элементы, жёсткие и дискретные системы, материальные и информационные свя зи, подсистема, цель системы, её замкнутость, эмерджентность, ввел понятие статики и динамичности систем, в дальнейшем определ емые как пон ти гомеостаза и его нарушени . Динамику систем подразделил на качественные и количественные. Количественные изменени — это изменени чис-

ла элементов системы, их объёмных показателей, качественные не сводимы к количественным изменени м и представляют как бы формирование новых подсистем из предсуществую-щих элементов. Нар ду с классификацией всех изменений на качественные и количественные Н.Д. Кондратьев делит также динамические процессы на эволюционные, или необратимые, и волнообразные (повтори-мые, или обратимые). Эволюционными он называет такие изменени , которые при отсутствии резких внешних воздействий всегда протекают в одном и том же направлении. Эволюционный процесс представл ет собой некоторую направленную последовательность звеньев; в данный момент времени может присутствовать только одно звено в последовательности состояний объекта, а не два, три или более. В то же время конкретный эволюционный процесс может по-вторитьс в другое врем и в другом месте. Волнообразными, или обратимыми Н.Д. Кондратьев называет такие процессы, при которых явление, изменяя своё состоя ние, через какое-то время может вернуться к исходному состоя нию. Именно обратимые изменени элементов экономического процесса, их подверженность колебаниям, он определял как суть закономерностей циклической динамики. Циклическим колебания м подвержены не только экономические, но и социальные, и политические я в-лени . К насто щему времени волно-ва динамика любой открытой системы, подвергающейся действию разнонаправленных факторов, сходных по интенсивности влияния, описана дл многих систем в нано- и макромасштабе. Тем не менее, родоначальником общей теории систем прин то считать биолога Людвига фон Берта-ланфи [1].

В последнее дес тилетие интерес к организации сетей существенно расширилс и начинает приобретать

самосто тельное значение в различных областях исследований, начина с традиционных биологических, экономических и конча структурнофункциональной организацией интернета. Развитие теории сетей позволило прийти к заключению о том, что большинство реальных сетей, вне зависимости от возраста, функции и масштаба, имеет сходную, достаточно универсальную архитектуру, что позвол ет исследовател м из разных областей использовать ее как общую парадигму. Открытие универсальности в организации сетей, независимой от их масштабов, привело к формированию новой научной дисциплины — науки о сет х, со своим арсеналом задач и методов. Разработаны правила формализации эмпирических данных в качестве сети, основанные на теории построени графов. Критическим для такой формализации являются исходные предположения о взаимодействиях между разными узлами сети, их природе, временном масштабе. Выбор таких предположений определяет адекватность конечных результатов реальным процессам.

Успехи в выявлении «узлов» сетей различной природы. К настоящему времени развитие теории сетей позволило получить ряд важных данных в выя снении, в частности, причин исчезновени видов. Показано,

что исчезновение одного вида вл -етс следствием каскада уменьшений численности других видов, обусловленных исчерпанностью пищевых ресурсов, свя занных с экологическими изменениями [9]. Обнаружены закономерности в изменчивости систем социально-экологических взаимоотношений. Это особенно важно, поскольку до сих пор считалось, что только государственные структуры могут контролировать использование природных ресурсов, однако оказалось, что анализ 10 переменных во взаимоотношени х социума и эколо-

гии может способствовать выработке такой модели социальной самоорганизации, в которой возможно само-поддержание их устойчивого взаимодействия [16]. Современное развитие экономического кризиса нагл дно проиллюстрировало известные глобальные связи между транснациональными ключевыми экономическими институтами. Описаны взаимосв -зи развити техногенной компоненты социума (авиалинии, дороги) и рас-пространени пандемий в человеческих популя ция х [18].

Особое значение изучение сетевых взаимоотношений имеет дл решени вопросов о необходимости сохранени отечественных генетических ресурсов с.-х. видов растений и животных в услови х глобальной индустриализации сельского хоз йства. По данным ЕЛО, к настоя щему времени системы индустриального животноводства включают 67% мировой продукции мя са птиц, 42% свинины, 50% производства яиц, 7% говядины и теля тины и 1% баранины и козля тины [12]. Перемещение генетического материала на международном уровне происходит сегодн в очень большом объеме, как внутри развитого мира, так и из развитых стран в развиваю-щиес . Эта миграци генов ограничена узким числом пород. Например, наиболее распространенна во всем мире порода крупного рогатого скота, голштинско-фризская, имеется, по крайней мере, в 128 странах мира. Крупна бела порода свиней разво-дитс в 117 странах, сааненские козы — в 81 стране, суффолькская порода овец — в 40 странах. В новой системе классификации с.-х. животных, разработанной [ 12], породы подраздел ютс на имеющиес только в одной стране («местные» породы) и разводимые более чем в одной стране, которые получили условное название «трансграничных». В категории трансграничных пород различают «региональные» — разводимые более чем

в одной стране в рамках одного региона, и «международные», которые наблюдаютс в нескольких регионах одновременно.

Развитие транснациональных индустриальных с.-х. корпораций, с одной стороны, существенно удешев-л ет получение конечного продовольствия, но с другой — несет в себе много рисков в долгосрочном масштабе. Кроме очевидного снижения биоразнообразия с.-х. видов, свя занного с использованием в индустриальном животноводстве ограниченного количества трансграничных пород и с вытеснением местных, удешевление конечной продукции, в частности, требует увеличения скученности животных при их содержании, что способствует увеличению распростра-нени инфекционных заболеваний.

Это соответственно сопровождается повышением использовани антибиотиков и гигиенических средств, накопление которых небезопасно дл человека и окружающей среды.

Важно подчеркнуть, что сетевые взаимоотношени реализуютс по одним и тем же законам как на уровне взаимоотношений природных, техногенных и социальных факторов, так и в процессах межгенных взаимодействий в клетках многоклеточных организмов, формирующих биохимическую основу реализации таких, например, сложных генетических признаков, как молочная продуктивность. К насто щему времени наиболее подробно изучены генные сети, участвующие в эволюции системы лактации у млекопитающих [13], а также определя ющие проя вление некоторых свойств молока крупного рогатого скота, в частности, жирномолочность [10]. Тем не менее, до на-сто щего времени представлени об организации сетей и взаимодействий между ними, в случае описания статичных сетей, их временного среза, не выходит за рамки построени двумерных схем свя зей между различны-

ми «узлами» сетей, а при описании их динамики — за рамки дополнительного введени временной координаты. В то же время, учитывая, что любая совокупность сетей вл етс подсистемой системы более высокого ранга, очевидно, что должен быть внешний по отношению к группе сетей более низкого пор дка универсальный фактор их организации, свя занный с их принадлежностью к системе более высокого пор дка.

Поиски надсетевых организаторов межсетевых взаимодействий. Можно ожидать, что развитие молекуля рно-генетических исследований иерархии организации генных сетей, их взаимодействий позволит выя вить ряд закономерностей, которые найдут свое применение в исследовани х статических и динамических свойств сетевых взаимоотношений элементарных единиц другой природы. Пространство агросферы существует в услови х сложных взаимодействий экологических, техногенных и социальных факторов, в которых инфраструктуры, состоя щие из различных слоев, в определенной степени контролируются общественными организация ми, однако до сих пор процессы таких взаимодействий осуществл ютс относительно спонтанно. Многомасштабная природа и сложность таких межсетевых взаимодействий я вля етс критической причиной трудностей в разработке оптимизации развити и его прогнозов дл современных агроэкосистем. Учет эколого-социо-техногенных взаимодействий в пространстве агросферы, использование методов моделировани комплексных межсетевых взаимодействий могут способствовать, по крайней мере, более объективному выделению участков, и получению наиболее существенных результатов.

Важной особенностью генетического материала у высших эукариот, лежащей в основе объединения структуры и функции всех генных сетей,

является обнаруженная недавно

фрактальная организация генома [14]. Экспериментально было показано, что отдельные компартменты первичной последовательности образуют регул рные глобул рные структуры, но не стохастический клубок. Смена программ генной экспрессии, пред-ставл юща смену сетей работающих генов, включает интегральное изменение упакованности — разупакован-ности таких глобул. Из этого следует, что в иерархии регул торных элементов должен быть универсальный фактор, определяющий доступность для регуляции «мастер»-генов различных генных сетей. К фактору, выполн ющему ведущую роль в упаковке хроматина (фолдингу) и его изменения х, относится белок СТСЕ [11]. Последовательность, включающая

около 30 пар оснований СЛ богатого мотива, является одной из основных мишеней связывания белка СТСЕ. Этот мотив представлен во множестве районов, в частности, генома человека [17]. Следует отметить, что в наших собственных исследовани х на

различных видах парно- и непарнокопытных обнаружено, что полиморфизм длин фрагментов ДНК, фланкированных инвертированным повтором (ЛС)9С, существенно выше, чем (СЛ)9С [6]. Выявленная нами эволю-ционна консервативность участков ДНК, фланкированных инвертированными повторами, в частности СЛ, может отражать их участие в эволю-ционно консервативной организации генных модулей, включающих гены-организаторы и гены-исполнители. Таким образом, накопленные данные свидетельствуют о том, что, во вся -ком случае, иерархия регуляторов генных сетей в качестве объедин ю-щего, «рамочного» фактора, должна включать компонент, связанный с природой самого материала, лежащего в основе формировани отдельных генных сетей, с над-сетью собственно ДНК-фолдинга [19]. По-видимому, выделение таких интегральных, над-системных факторов вл етс ключевой проблемой для выя снения механизмов организации сетей и поисков методов управлени ими.

Библиографический список

1. Берталанфи Л. История и синтез общей теории систем. В кн.: Системные исследования. Ежегодник, 1973. М.: Наука, 1973. С. 20-37.

2. Колчанов Н.А., Ананько Е.А., Колпаков Ф.А. и др. Генные сети // Моле-

куля рная биология, 2000. Т. 34. № 4. С. 533-544.

3. Кондратьев Н.Д. Основные проблемы экономической статики и динамики: Предвар. эскиз. АН СССР. Ин-т социологии; Комис. по науч. наследию Н.Д. Кондратьева. М.: Наука, 1991.

4. Ляпунов А.А. Краткое введение к статье А.А. Малиновского «Наука об организации и организация науки» // Природа, 1972. № 3.

5. Малиновский А.А. Тектология. Теория систем. Теоретическая биология. М.: Эдиториал УРСС, 2000.

6. Нагорнюк Т.В., Глазко В.И. Полиморфизм молекулярно-генетических маркёров у Ungulata и Delphinidae // Докл. РаСхН, 2007. № 4. С. 11-14.

7. Суслов В.В., Колчанов Н.А. Дарвиновская эволюция и регуляторные генетические системы // Вестник ВоГиС, 2009. Т. 13, № 2. С. 410-439.

8. Чаянов А.В. Избранные труды. М.: Колос, 1993.

9. Bascompte J. Disentangling the Web of Life // Science, 2009. Vol. 325.

P. 416-419.

10. Bionaz M.,Loor J.J. Gene networks driving bovine milk fat synthesis during the lactation суск // BMC Genomics, 2008. Vol. 9.

11. Cuddapah S., Jothi R., Schones D.E. et al. Global analysis of the insulator binding protein CTCF in chromatin barrier regions reveals demarcation of active and repressive domains // Genome Research, 2009. Vol. 19. P. 24-32.

12. FAO. 2007. The State of the World’s Animal Genetic Resources for Food and Agriculture, edited by Barbara Rischkowsky and Dafydd Pilling. Rome: FAO, 2007.

13. Lemay D.G., Lynn D.J., Martin W.F. et al. The bovine lactation genome: insights into the evolution of mammalian milk // Genome Biology, 2009. Vol. 10. Issue 4. Article R43.

14. Lieberman-Aiden E., van Berkum N.L., Williams L. et al. Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome // Science, 2009. Vol. 326. P. 289-293.

15. Niehrs C. , Pollet N. Synexpression groups in eukaryotes // Nature, 1999. Vol. 402. P. 483-487.

16. Ostrom E.A. General Framework for Analyzing Sustainability of Social-Ecological Systems // Science, 2009. Vol. 325. P. 419-422

17. Ottaviani A., Schluth-Bolard C. , Rival-Gervier S. et al. Identification of a perinuclear positioning element in human subtelomeres that requires A-type la-mins and CTCF EMBO J., 2009. Vol. 28. N.16. P. 2428-2436.

18. Vespignani A. Predicting the Behavior of Techno-Social Systems // Science, 2009. Vol. 325. P. 425-428.

19. Wang Dong, Fu Xiang-Dong DNA interaction networks: an information highway for regulated gene expression in the 3-dimentional space of the nucleus // Cell Research, 2009. Vol. 19. P. 1316-1319.

SUMMARY

The problems connected with development of the theory of networks were considered. Universal properties of the network organization and the mutual relations between them, independent of their scale, and also the successes of their use for revealing of the laws of variability of species communities, formations of intergene networks, interactions between social and ecological factors, transport systems and distribution of infections were discussed. Possible bases of the organization of the

gene expression programs, related with the conservatism of nucleotide sequences participating in the dynamic chromatin organization were considered.

Key words: gene, genome, the theory of networks, interactions between networks, microsatellites, chromatin.

Глазко Валерий Иванович — д. с.-х. н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Эл. почта: vglazko@yahoo.com