ТОП авторов и книг ИСКАТЬ КНИГУ В БИБЛИОТЕКЕ
После экспрессии генов (гена, кодирующего белок соот-ветствущего рецептора, и гена, ответственного за белок-метку) и синтеза соответствующих белков с помощью мРНК белок вместе с ТЛБ транспортируется к тому участку мембраны, который был закодирован белком-меткой. Эта схема предполагает, что механизм
158
экспрессии генов используется избирательно для изменения проводимости через селективные синапсы.
Большие возможности для выяснения молекулярных механизмов памяти открывает изучение собственно модификаций генома, вызываемых обучением. Исследование изменений ДНК под влиянием обучения в значительной степени тормозилось общепринятым представлением о «неприкосновенности» ДНК и ее причастности только к хранению генетической (врожденной) информации. В течение многих лет в молекулярной генетике господствовала идея о постоянстве генома. Однако в процессе жизнедеятельности клетки молекулы ДНК не остаются неизменными: отдельные участки ДНК умножаются, выпадают, перемещаются и модифицируются. Изменилось представление молекулярных биологов и о процессах транскрипции и трансляции. Мнение о том, что считывание генетической информации с ДНК всегда идет только в одном направлении: ДНК—>РНК—>белок, подверглось критике.
В 70-х годах Д. Балтимор (Baltimor D.) и X. Темин и С. Мицута-ни (Temin H., Mizutani S.) одновременно в одном и том же журнале «Nature» опубликовали данные о существовании фермента — обратной транскриптазы (или ревертазы), который способствует синтезу ДНК на основе информации, содержащейся в РНК. Так было открыто явление обратной транскрипции— передача информации в обратном направлении, от РНК к ДНК.
Изучение активности процесса обратной транскрипции при выработке у крыс пищедобывательного двигательного рефлекса в зависимости от их способности к обучению показало, что у быстро обучающихся животных активность обратной транскрипции в гиппокампе, которая измерялась по РНК-зависимому синтезу ДНК, в два раза выше по сравнению с медленно обучающимися животными (Р.И. Салганик и др., 1981). Группы животных составлялись селекционным методом. В одной наследственно закреплялась способность к быстрому обучению, другая формировалась из «неспособных» крыс, медленно обучающихся животных.
Открытие обратной транскрипции (получение ДНК с копий РНК) позволяет предполагать,' что существует процесс интеграции новых ДНК в геном, что может обеспечивать усиленный синтез клеточных структур, необходимых для сохранения новых связей между нейронами.
Экспериментальные доказательства модификации генома при обучении получены Н.А. Тушмаловой и ее сотрудниками (1973, 1993). Возрастание функциональной активности генома при обучении оценивалось двумя методами: по степени метилирования ДНК мозга и избирательной индукции синтеза ДНК. Метилирова-
159
ние относится к обратимой модификации ДНК, т.е. не передаваемой по наследству. Изменение степени метилирования ДНК исследовалось у крыс под влиянием выработки трех групп условных рефлексов: пищевых, пищедобывательных (чтобы получить пищу, крыса нажимала на полочку-педаль) и оборонительных — при электрокожном подкреплении. Измерения производились в коре, гип-покампе и мозжечке. Контролем служили животные, получавшие условные и безусловные раздражители в случайном порядке, и животные, не участвующие в опытах с обучением. Исследователи обнаружили увеличение степени метилирования ДНК при выработке и угасании условных рефлексов. Максимальное увеличение метилирования соответствует ранним стадиям обучения, с закреплением условного рефлекса оно возвращается к исходному уровню. Сильнее оно представлено в гиппокампе, чем в коре, и в нейронах, чем в глии.
Повышение степени метилирования в процессе обучения свидетельствует об ускорении транскрипции, так как метилирование (присоединение метильных групп СН3) рассматривается как «метка» отрезков ДНК, с которых осуществляется транскрипция. Метилирование — один из молекулярных механизмов экспрессии генома.
Модификация генома под влиянием обучения была продемонстрирована также по показателю индукции синтеза ДНК. Синтез носил строго избирательный характер, он затрагивал главным образом последовательности ДНК, повторенные в геноме от 10 до 20 раз (ДНК умеренных или средних повторов) (Тушмалова Н.А., 1993; Ашапкин В.В. и др., 1983). Существует гипотеза, что на умеренных повторах ДНК идет активный синтез РНК и что повторы расположены перед геномом и являются сигналами, регулирующими транскрипцию. Н.А. Тушмалова предполагает, что избирательно индуцированный на определенных фрагментах синтез ДНК ответствен за активное накопление информации на ранней стадии обучения.
Анализ нуклеидного состава вновь синтезированной ДНК в неокортексе крысы, однако, показал, что индуцированная обучением ДНК существенно не отличается от суммарной. Поэтому индукция синтеза ДНК, наблюдаемая при обучении, по-видимому, связана с экспрессией генов, определяющих усиление процессов репарации ДНК. Продемонстрировано увеличение синтеза ДНК в коре головного мозга крысы под влиянием психотропного препарата (пирацетама), который применяется в клинике для лечения больных, страдающих нарушением памяти.
Недостаток многих гипотез о молекулярных механизмах памяти состоит в том, что авторы не учитывают наличие в клетках
160
эукариотов не одного, а многих типов ДНК. В ядре клетки имеется ядерная ДНК, включающая генетическую ДНК, сателлитная ДНК и ДНК ядерной оболочки. В платоплазме выделяют цитоплазмати-ческую (свободно плавающую) ДНК и ДНК клеточных органелл, среди них ДНК митохондрий (Тушмалова Н.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147
158
экспрессии генов используется избирательно для изменения проводимости через селективные синапсы.
Большие возможности для выяснения молекулярных механизмов памяти открывает изучение собственно модификаций генома, вызываемых обучением. Исследование изменений ДНК под влиянием обучения в значительной степени тормозилось общепринятым представлением о «неприкосновенности» ДНК и ее причастности только к хранению генетической (врожденной) информации. В течение многих лет в молекулярной генетике господствовала идея о постоянстве генома. Однако в процессе жизнедеятельности клетки молекулы ДНК не остаются неизменными: отдельные участки ДНК умножаются, выпадают, перемещаются и модифицируются. Изменилось представление молекулярных биологов и о процессах транскрипции и трансляции. Мнение о том, что считывание генетической информации с ДНК всегда идет только в одном направлении: ДНК—>РНК—>белок, подверглось критике.
В 70-х годах Д. Балтимор (Baltimor D.) и X. Темин и С. Мицута-ни (Temin H., Mizutani S.) одновременно в одном и том же журнале «Nature» опубликовали данные о существовании фермента — обратной транскриптазы (или ревертазы), который способствует синтезу ДНК на основе информации, содержащейся в РНК. Так было открыто явление обратной транскрипции— передача информации в обратном направлении, от РНК к ДНК.
Изучение активности процесса обратной транскрипции при выработке у крыс пищедобывательного двигательного рефлекса в зависимости от их способности к обучению показало, что у быстро обучающихся животных активность обратной транскрипции в гиппокампе, которая измерялась по РНК-зависимому синтезу ДНК, в два раза выше по сравнению с медленно обучающимися животными (Р.И. Салганик и др., 1981). Группы животных составлялись селекционным методом. В одной наследственно закреплялась способность к быстрому обучению, другая формировалась из «неспособных» крыс, медленно обучающихся животных.
Открытие обратной транскрипции (получение ДНК с копий РНК) позволяет предполагать,' что существует процесс интеграции новых ДНК в геном, что может обеспечивать усиленный синтез клеточных структур, необходимых для сохранения новых связей между нейронами.
Экспериментальные доказательства модификации генома при обучении получены Н.А. Тушмаловой и ее сотрудниками (1973, 1993). Возрастание функциональной активности генома при обучении оценивалось двумя методами: по степени метилирования ДНК мозга и избирательной индукции синтеза ДНК. Метилирова-
159
ние относится к обратимой модификации ДНК, т.е. не передаваемой по наследству. Изменение степени метилирования ДНК исследовалось у крыс под влиянием выработки трех групп условных рефлексов: пищевых, пищедобывательных (чтобы получить пищу, крыса нажимала на полочку-педаль) и оборонительных — при электрокожном подкреплении. Измерения производились в коре, гип-покампе и мозжечке. Контролем служили животные, получавшие условные и безусловные раздражители в случайном порядке, и животные, не участвующие в опытах с обучением. Исследователи обнаружили увеличение степени метилирования ДНК при выработке и угасании условных рефлексов. Максимальное увеличение метилирования соответствует ранним стадиям обучения, с закреплением условного рефлекса оно возвращается к исходному уровню. Сильнее оно представлено в гиппокампе, чем в коре, и в нейронах, чем в глии.
Повышение степени метилирования в процессе обучения свидетельствует об ускорении транскрипции, так как метилирование (присоединение метильных групп СН3) рассматривается как «метка» отрезков ДНК, с которых осуществляется транскрипция. Метилирование — один из молекулярных механизмов экспрессии генома.
Модификация генома под влиянием обучения была продемонстрирована также по показателю индукции синтеза ДНК. Синтез носил строго избирательный характер, он затрагивал главным образом последовательности ДНК, повторенные в геноме от 10 до 20 раз (ДНК умеренных или средних повторов) (Тушмалова Н.А., 1993; Ашапкин В.В. и др., 1983). Существует гипотеза, что на умеренных повторах ДНК идет активный синтез РНК и что повторы расположены перед геномом и являются сигналами, регулирующими транскрипцию. Н.А. Тушмалова предполагает, что избирательно индуцированный на определенных фрагментах синтез ДНК ответствен за активное накопление информации на ранней стадии обучения.
Анализ нуклеидного состава вновь синтезированной ДНК в неокортексе крысы, однако, показал, что индуцированная обучением ДНК существенно не отличается от суммарной. Поэтому индукция синтеза ДНК, наблюдаемая при обучении, по-видимому, связана с экспрессией генов, определяющих усиление процессов репарации ДНК. Продемонстрировано увеличение синтеза ДНК в коре головного мозга крысы под влиянием психотропного препарата (пирацетама), который применяется в клинике для лечения больных, страдающих нарушением памяти.
Недостаток многих гипотез о молекулярных механизмах памяти состоит в том, что авторы не учитывают наличие в клетках
160
эукариотов не одного, а многих типов ДНК. В ядре клетки имеется ядерная ДНК, включающая генетическую ДНК, сателлитная ДНК и ДНК ядерной оболочки. В платоплазме выделяют цитоплазмати-ческую (свободно плавающую) ДНК и ДНК клеточных органелл, среди них ДНК митохондрий (Тушмалова Н.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147