Зміст ДНК в нервових клітинах

1. Реплікативний синтез ДНК і проліферація нервових клітин

2. Репарація ДНК в мозку тварин

3. Особливості організації хроматину в нервових клітинах

4. РНК мозку

5. Мозгоспеціфіческая експресія генів

6. Характеристична послідовність нуклеотидів у РНК мозку

7. Альтернативний процесинг пре-мРНК в мозку

8. Експресія геному і онтогенез мозку тварин

9. Експресія генів в ЦНС безхребетних

10. Експресія генів в розвивається нервовій системі хребетних

Висновки

Введення

У більшості областей головного мозку клітини є диплоїдними. У людини, зокрема, на обох парах хромосом кожної клітини міститься близько 6 пг ДНК, тобто близько 4-1012 Д або 6 109 пар нуклеотидів - Загальна довжина молекул ДНК диплоїдного набору хромосом клітини людини близька до 1,5 м. У цілій клітині ДНК більше, але ненабагато, - за рахунок мітохондріальної ДНК. Це перевищення сягає кількох десятків відсотків - для середніх і великих за розміром нейронів.

В кінці 1960-х - початку 1970-х років в результаті численних досліджень методом цитофотометрії ДНК за Фельгену отримало широке поширення уявлення про існування надлишкової в порівнянні з диплоїдним набором ДНК в клітинах мозку ссавців і птахів. Особливо популярною була точка зору про тетраплоїдні великих нейронів - таких, як клітини Пуркіньє мозочка і пірамідні нейрони гіпокампу.

Застосування більш досконалих методів в наступні роки показало, що більшість "підозрюваних" нейронів насправді містить диплоидное кількість ДНК, хоча в обмежених популяціях нейронів певних типів вміст ДНК може бути вищим. Найбільш вірогідно гіпердіплоідізація виявлена ​​в клітинах Пуркіньє мозочка, у невеликій частині яких виявлено виборче множення генів рибосомальної РНК. Загальноприйняте майже до недавнього часу подання про накопичення надлишкової ДНК в ядрах нейронів неокортекса ссавців в перші тижні постнатального онтогенезу не підтвердилися при дослідженні більш досконалими методами.

У нейронах деяких безхребетних явище поліплоїдізації поширене дуже широко: в ЦНС черевоногих молюсків, наприклад, поліплоїдних є практично всі великі нейрони.

Вище ми звертали увагу на відсутність якісних відмінностей ДНК клітин мозку від ДНК інших клітин організму, маючи на увазі однаковий набір генів, але в той же час глибокі розходження в наборі працюючих і непрацюючих генів. Протягом останніх чотирьох років з'явилися дані про особливу роль у функціях мозку ряду монотонно повторюються трінуклеотідних послідовностей в ДНК. содержится в различных частях генома группами по 8-33 копий. Наприклад, трінуклеотід CAG міститься в різних частинах геному групами по 8-33 копій. Збільшення кількості копій в 3-10 разів асоціюється з низкою важких нервових хвороб. , GCC и CTG . Аналогічна ситуація встановлена ​​для послідовностей CGG, GCC і CTG. Це служить яскравою ілюстрацією того, яке велике значення точної організації всіх елементів ДНК нейронів, навіть відносно простих і монотонних.

1. Реплікативний синтез ДНК і проліферація нервових клітин

Формування нейронольних популяцій в головному мозку щурів і мишей в основному завершується до моменту народження. Виняток становлять популяції зернистих нейронів нюхових цибулин, зубчастої фасції гіпокампу та кори мозочка, формування яких найбільш активно відбувається у перші три тижні після народження, а в невеликих масштабах, мабуть, відбувається і у дорослих тварин. Спроби довести можливість мітотичного поділу повністю диференційованих нейронів більшістю цитологів визнані непереконливими. возникает репликация ДНК и митозы в мотонейронах из спинного мозга цыплят. Лише при створенні певних дуже специфічних умов in vitro виникає реплікація ДНК і мітози в мотонейронах зі спинного мозку курчат.

Джерелом утворення нейронів у період активного нейрогенеза служать камбіальні клітини спеціальних гермінативних зон. При цьому міграція нейробластів у відповідні зони созревающего мозку досить впорядкована. Так, для неокортекса ссавців, що має добре виражену мікроколончатую організацію, топографія мікроколонок визначається топографією проліферативних одиниць вентрикулярного шару. Останні являють собою морфологічно відокремлені групи камбіальних клітин, які, зазнаючи ряд клітинних поділів, дають початок відповідної відокремленої групи нейронів у певній зоні неокортекса, тобто микроколонки.

У мозку дорослих теплокровних тварин нейрогенез надзвичайно обмежений. У приматів нейрогенез, мабуть, повністю закінчується в перші місяці після народження, тобто задовго до повного функціонального дозрівання мозку.

У безхребетних тварин формування нейронал'них популяцій ЦНС може тривати, очевидно, протягом всього життя. Так, у аплізіі нейрональні популяції всіх центральних гангліїв багаторазово збільшити в перші місяці постметаморфного онтогенезу, причому виділяється обмежена в часі стадія пізнього ювенільного розвитку, на якій відбувається бурхливе збільшення чисельності нейронів одночасно у всіх гангліях. Ще більш стрімко при цьому зростає обсяг нейропіля. Одночасно з цим у агошзіі з'являється здатність до найбільш складної для неї формі навчання - сенситизации.

Формування популяцій клітин глії в головному мозку ссавців найбільш активно відбувається у перші тижні постнатал'ного онтогенезу і в обмежених масштабах триває протягом усього життя. Основним джерелом гліальних клітин, як і нейронів, служать плюрипотентні клітини гермінативних зон. Однак на відміну від нейронів, які втрачають здатність до мітотичного поділу до міграції з гермінативних зони, гліальні клітини зберігають її і в місцях своєї майбутньої кінцевої диференціювання.

2. Репарація ДНК в мозку тварин

Дія систем "ремонту", репарації ДНК в будь-якій клітці є необхідною умовою нормального функціонування її генетичного апарату. Цей процес особливо важливий для клітин довгоживучих, повільно оновлюються популяцій, класичним прикладом яких є саме клітини нервової системи. Помічено, що прогресивні порушення функціонування нервових клітин у старіючому мозку людини і тварин корелюють з поступовим накопиченням пошкоджень в їх ДНК. При дії помірних доз гамма-опромінення у нейронах і гліальних клітинах спостерігається стимуляція репаративного синтезу ДНК. сопровождается накоплением каких-то нерепарируемых повреждений ДНК, которые в конце концов приводят к деградации ДНК и гибели нейронов. Разом з тим у нейронах мозочка гамма-опромінення in vivo супроводжується накопиченням якихось нерепаріруемих ушкоджень ДНК, які зрештою призводять до деградації ДНК і загибелі нейронів. Очевидно, існує певна порогова доза ушкоджень, після якої системи репарації ДНК в клітинах вже не здатні впоратися з їх дезорганізують дією.

Велика частина синтезу ДНК в мозку інтактних дорослих щурів обумовлена ​​саме процесами репарації. Швидкість репарації багатьох експериментально індукованих ушкоджень ДНК мозку дуже невелика. Щодо швидке видалення частини таких пошкоджень у перші години після їх індукції зазвичай змінюється фазою набагато більш повільної репарації. У першу чергу репаруючу пошкодження транскрипційно активних, важливих для виживання та повноцінного функціонування клітин генів, тоді як в репресованих областях хроматину пошкодження можуть накопичуватися. В основі такої вибірковості може лежати більш висока доступність транскрипційного ділянок хроматину ферментам репарації і спільне розташування транскрипційних і репаративних ферментів в певних ділянках ядерного матриксу.

У мозку ссавців виявлені практично всі ферменти, необхідні для ефективної репарації пошкоджень ДНК. Так, в мозку щурів і кроликів є основні ферменти, необхідні для синтезу дезоксинуклеозидтрифосфатов, - рібонуклеотідредуктаза і тимидинкиназа. Активність цих ферментів особливо висока в мозку ембріонів і немовлят тварин. У дорослих тварин вона зберігається на досить низькому рівні, відповідному невисоким потребам у поповненні фондів дезоксинуклеозидтрифосфатов для репаративного синтезу ДНК. Зміст різних ДНК-полімераз в мозку ссавців також залежить від віку. Функціональне значення різних ДНК-полімераз в клітинах еукаріот досить добре досліджена.

Головною реллікатівной ДНК-полімеразою є полі-Мераз а. Провідну роль у реплікації ядерної ДНК поряд з а-полімеразою виконує ДНК-полімераза 5: передбачається, що 5-полімераза здійснює безперервний синтез лідируючої ланцюга ДНК, а а-полімераза - синтез фрагментів Окадзакі "запізнілої" ланцюга. ДНК-полімераза, невеликий внесок у загальну активність вносить ДНК-полімераза у. ДНК-полімераза р здійснює стимульований ультрафіолетовим опроміненням репаративний синтез ДНК в ізольованих ядрах нейронів і є, таким чином, головною, якщо не єдиною, репаративної полімеразою в зрілих нейронах.

ДНК-полімераза р є конститутивним ферментом, що синтезуються в клітинах всіх типів на більш-менш однаковому рівні, не залежному від їх проліферативної активності. она делает одну ошибку на каждые 10 ³ - 10 ⁴ нуклеотидов. Це сама часто "помиляються" з усіх еукаріотичних ДНК-полімераз: при копіюванні ДНК in vitro вона робить одну помилку на кожні 10 ³ - 10 ⁴ нуклеотидів. . Мабуть, існують якісь додаткові чинники, що підвищують точність її роботи in vivo.

У мозку ссавців виявлені також і інші ферменти, які беруть участь у реплікативної і репаративної синтезі ДНК. Найбільш відповідної за своїм каталітичним властивостям на роль репаративної екзонуклеазами є ДНКаза ВШ, яка, мабуть, належить до мозгоспеціфіческім ферментам. У ядрах нейронів і глії мозку дорослих морських свинок виявлена ​​ДНК-лігаза, що бере участь у завершальних етапах репаративного синтезу. Незрозумілою залишається функція виявленої в мозку людини термінальної дезоксинуклеотидилтрансферазы, здатної до нематрічному синтезу ДНК. Цікаво, що цей широко розповсюджений у ссавців фермент виявляється тільки в клітинах тимусу і нервової системи. Висловлюються припущення, що його роль пов'язана з унікальною здатністю цих клітин запасати і зберігати ненаследуемую інформацію.

ДНК-топоізомерази I і II, які беруть участь у різних матричних процесах регуляції топологічної структури ДНК, виявлені в ядрах нейронів і гліальних клітин.

На закінчення зупинимося на гіпотезі про так звану метаболічної ДНК.

Передбачається, що, крім стабільної геномної ДНК, в диференційованих клітинах існує специфічна фракція відносно швидко обмінюються ДНК, яка, мабуть, представлена ​​екстракопіямі найбільш активних генів. У цілому ця концепція до цих пір не отримала достатнього обгрунтування, хоча повідомлення про існування швидко обмінюються фракцій ДНК у тих чи інших клітинах час від часу з'являються у науковій літературі. Найбільш переконливі дані про існування таких ДНК в ембріональних фібробластах курчати, де йому приписується роль міжклітинного переносника інформації.

Питання про існування метаболічно лабільною ДНК в клітинах мозку тварин і її природі залишається спірним. Швидке включення радіоактивних попередників у ДНК мозку і подальше швидке зникнення їх з цієї ДНК спостерігали багато дослідників.

Однак є й повідомлення про високу стабільності радіоактивності, що включилася в ДНК мозку.

У літературі наводяться переконливі аргументи на користь того, що швидкий обмін знову синтезованої ДНК є артефактом, пов'язаних з її радіоактивної деградацією внаслідок включення мічених попередників.

Вважають також, що метаболічна нестабільність цієї ДНК обумовлена ​​швидкою загибеллю значної частини активно діляться клітин. Проте деякі дослідники вважають, що метаболічно лабільна ДНК в клітинах мозку дійсно існує і може виконувати якісь особливі, хоча поки і не з'ясовані функції.

Нещодавно стабільність ДНК в клітинах кори мозочка людини досліджували по співвідношенню в ній природних ізотопів вуглецю. Виявилося, що основна маса ДНК в цих клітинах надзвичайно стабільна.

Ясно, що якщо метаболічна ДНК в мозку людини й існує, вона становить мізерну від сумарної ДНК частку.

3. Особливості організації хроматину в нервових клітинах

Хроматин всіх еукаріотів організований у вигляді серії повторюваних нуклеопротеїдних частинок - нуклеосом. Кожна Нуклеосома складається з так званого кора, що містить октамер гістонів Н2А, Н2В, НЗ, Н4 і обернутий навколо нього ділянку ДНК - 146 н. , играющим особую роль в соединении нуклеосом друг с другом и в образовании наднуклеосомньгх уровней организации хроматина. п., а також лінкерной області, асоційованої з гістоном HI, граючим особливу роль поєднанні нуклеосом один з одним і в освіті наднуклеосомньгх рівнів організації хроматину.

Нуклеосомная і наднуклеосомная організації, безсумнівно, грають важливу, хоча і багато в чому ще не з'ясовані роль у функціональній активності хроматину. Укладання двуспіральной ДНК в нуклеосоме супроводжується сильними спотвореннями її вторинної структури і кардинально змінює умови її взаємодії з різними регуляторними білками. Показано, що наявність нуклеосом в промоторної області генів перешкоджає ініціації транскрипції РНК-голімеразой II. У той же час наявність нуклеосом в кодує області не перешкоджає елонгації вже ініційованих ланцюгів мРНК. обеспечиваются специальными механизмами, исключающими образование нуклеосом в критических участках промоторной области. Тому початкові реакції транскрипції генів in vivo забезпечуються спеціальними механізмами, що унеможливлюють утворення нуклеосом в критичних ділянках промоторної області. У кодує же області активно транскрипційного генів відзначається лише часткове порушення нуклеосомной структури, що пояснюється тимчасовим витісненням гістонів рухається РНК-полімеразою.

, по-видимому, является универсальным самоподдерживающимся механизмом выключения генов. Освіта локальних наднуклеосомних структур за участю гистона HI, мабуть, є універсальним самопідтримуваним механізмом вимикання генів. Дослідження останніх років показали також, що тканиноспецифічною транскрипція генів забезпечується складними взаємодіями різних негативних і позитивних регуляторів, котрі дізнаються специфічні послідовності в промоторах індивідуальних генів. Характерними особливостями структури активних ділянок хроматину є: часткове або повне порушення нуклеосомной і наднуклеосомной організації, присутність особливих варіантів гістонів або їх постсінтетіческая модифікація, існування локальних торзионная напружень в доменах хроматину і виборча асоціація з ядерним матриксом.

Переважна частина ядерної ДНК мозку організована в типову нуклеосомную структуру. Однак у порівнянні з хроматином печінки хроматин мозку більш гетерогенні по довжині лінкерних ділянок і володіє більш різноманітним набором негістонових білків. Довжина нуклеосомних одиниць в більшості еукаріотичних клітин близька до 200 н. п. Деякі варіації цієї величини пов'язані з мінливістю в довжині лінкерних ділянок, тоді як з кором нуклеосом завжди асоційований фрагмент ДНК довжиною 146 н. п. У диференційованих нейронах неокортекса нуклеосомная ДНК незвично коротка і становить - 160-162 н. п., а клітини неастропітарной глії неокортекса і нейрони мозочка мають звичайні по довжині нуклеосоми. Перехід в нейронах неокортекса до атипично коротким нуклеосомами корелює з остаточною диференціюванням цих нейронів: у кроликів, мишей і щурів він проходить в перший тиждень постнатального онтогенезу, а у більш зрелорождающіхся морських свинок - між 32-м ч 44-м днями ембріогенезу. Аналогічно, в пренатально дифференцирующихся нейронах гіпоталамуса щурів короткі нуклеосоми присутні вже за два дні до народження.

Скорочення нуклеосом не завжди супроводжує процес морфофункціонального дозрівання нейронів. Наприклад, укорочення не спостерігається при дозріванні постмітотіческіх нейронів неокортекса, ізольованих з мозку 16-денних ембріонів щурів і культивованих на селективної середовищі до віку, відповідного другому тижні постнатал'ного онтогенезу. У мозочку дозрівання зернистих нейронів в перший місяць постнатального онтогенезу супроводжується не зменшенням, а навіть збільшенням довжини нуклеосом. Взагалі усереднені дані про довжину нуклеосом не слід автоматично переносити на всю складну популяцію нервових клітин. Так, в мозку щурів процес укорочення нуклеосом характерний тільки для нейронів глибоких шарів неокортекса. Істотна різниця в довжині нуклеосом існує і у різних гліальних клітин.

Функціональне значення описаного переходу до коротких нуклеосомами при дозріванні нейронів неокортекса до теперішнього часу залишається нез'ясованим. Припущення про те, що укорочені нуклеосоми забезпечують укладання полінуклеосомной ланцюга в більш відкриту, сприяє транскрипції наднуклеосомную структуру, є спрощеним.

Дослідження цього питання на більш широкому колі об'єктів підтверджують, що однозначного зв'язку між транскрипционной активністю генів і довжиною нуклеосом не існує. Транскрипційних активність хроматину визначається, як уже зазначено вище, великим числом факторів. Можливо, існування коротких нуклеосом в хроматині нейронів лише якимось чином полегшує дію цих чинників. и негистоновыми белками. Зокрема, можуть змінюватися умови взаємодії лінкерних ділянок хроматину з гістоном HI і негістонових білками. составляет - 0,5 молекулы на 1 нуклеосому, что примерно в два раза ниже, чем его содержание в хроматине глиальных клеток и клеток соматических тканей. У хроматині нейронів неокортекса зміст гистона HI становить - 0,5 молекули на 1 нуклеосому, що приблизно в два рази нижче, ніж його зміст в хроматині гліальних клітин і клітин соматичних тканин. Це добре узгоджується з даними про більш високій частці активного хроматину в мозку в порівнянні з соматичними тканинами і в нейронах у порівнянні з гліальними клітинами.

, а аналогичная фракция хроматина из клеток неастроцитарной глии содержит его в очень малом количестве. Фракція активного хроматину нейронів практично не містить гистона HI, а аналогічна фракція хроматину з клітин неастроцітарной глії містить його у дуже малій кількості. . Навпаки, фракції неактивного хроматину нейронів і глії містять порівняно високі кількості HI. . Зниження частки активного хроматину в нейронах і гліальних клітинах мозку людини при хворобі Альцгеймера також корелює з підвищенням вмісту гистона HI.

в образовании наднуклеосомных уровней организации хроматина, а также его избирательное вытеснение из активных участков хроматина в настоящее время уже не вызывают сомнений. Таким чином, роль гистона HI в освіті наднуклеосомних рівнів організації хроматину, а також його виборче витіснення з активних ділянок хроматину в даний час вже не викликають сумнівів. . Менш вивчена роль різних варіантів гистона HI. , HI а и Н1в в значительных количествах обнаруживаются лишь в активно делящихся клетках, Hlc , - d , - е - в делящихся и неделящихся, а гистон Н1° характерен для терминально дифференцированных неделящихся клеток. Відомо, що з шести виявлених у клітинах ссавців варіантів гистона HI, HI а і Н1В в значних кількостях виявляються лише в активно діляться клітинах, Hlc, - d, - ті - в діляться і неподільних, а гістон Н1 ° характерний для термінально диференційованих неподільних клітин . , а терминальная дифференцировка нейронов - с накоплением HI °. Припинення проліферативної активності нейронів корелює з накопиченням гистона Hie, а термінальна диференціювання нейронів - з накопиченням HI °.

Корові гістони в хроматині нейронів неокортекса представлені великим числом варіантів, для багатьох з яких виявлені форми, кон'юговані з убіквітину. Одна з форм гистона Н2В, мабуть, є мозгоспеціфіческой. Високий вміст з'єднаних з убіквітин форм гістонів в хроматині зазвичай пов'язують з високою матричної активністю.

Хроматин нервових клітин є динамічним, активним утворенням, стан якого змінюється в ході нормального розвитку та при дії різних зовнішніх і внутрішніх стимулів. У перші тижні постнатального онтогенезу в хроматині нейронів неокортекса щурів відбувається помітне зменшення числа ділянок з підвищеною чутливістю до ДНКазе в мозку старіючих тварин ці зміни ще більше виражені, що свідчить про зменшення матричної активності хроматину в ході старіння.

Одним з механізмів регуляції матричної активності хроматину є оборотне ацетилювання гістонів. У ядрах нейронів ацетилювання гістонів більш виражено в порівнянні з гліальними клітинами. Це корелює з більш високою активністю ендогенних РНК-полімераз нейронів і з великим числом активних ділянок ініціації транскрипції. З іншого боку, в перші дні постнатального онтогенезу ступінь ацетилювання гістонів в неокортексі щурів швидко зменшується.

5 и - 38 кД, имеющих специфическое сродство к однонитчатой ДНК. Виявлено, що кінцева диференціювання нейронів неокортексу і мозочка щурів в перші тижні постнатального онтогенезу супроводжується змінами в наборах негістонових білків хроматину, найбільш примітним з яких можна вважати появу білків - J 5 і - 38 кД, що мають специфічне спорідненість до однонітчатой ​​ДНК. Свій вплив на матричні процеси вони надають, сприяючи локального розплітання подвійної спіралі ДНК.

-ДНК. У ядрах нейронів неокортекса виявлені також білки, що мають спорідненість до специфічної левоспіральной формі ДНК - Z-ДНК. -ДНК-связывающие белки привлекают большое внимание как возможные регуляторы транскрипции и других генетических процессов. В останні роки такі Z-ДНК-зв'язуючі білки привертають велику увагу як можливі регулятори транскрипції та інших генетичних процесів.

При термінальній діфференііровке нейронів відбуваються також зміни в наборах особливої ​​фракції негістонових білків, міцно пов'язаних з ДНК, деякі з яких є мозгоспеціфіческімі.

Важливу роль в регуляції транскрипції генів можуть грати, нарешті, процеси фосфорилювання, метилювання та, можливо, інші посттрансляційних модифікації негістонових білків хроматину. Помітні зміни в наборах фосфоріліруемих і метіліруемих негістонових білків спостерігаються в ядрах нейронів і гліальних клітин неокортекса щурів в перші тижні постнатального онтогенезу. При цьому головна відмінність між ядрами нейронів і гліальних клітин полягає в більшому мешлірованіі групи специфічних для нейронів негістонових білків - 100 кД. У ядрах нейронів і глії мозку мишей виявлено протеінкіназная і метілазная активності, значна частина яких міцно асоціюється з хроматином.

Протеїнкіназа здійснює цАМФ-незалежне фосфорилювання білків хроматину. Її активність в ядрах нейронів значно вище, ніж в ядрах гліальних клітин. При дії ряду нейромедіаторів на нейрони мозку щурів спостерігається фосфорилювання ядерних білків та стимуляція синтезу РНК. Фосфорилювання частини негістонових білків індукується у клітинах верхнього шийного ганглія при дії фактора росту нервів. У хромафінних клітинах надниркових залоз фосфорилювання негістонових білків хроматину Памфіл-залежної протеїнкінази є центральною ланкою в транссінаптіческого регуляції синтезу тирозин-3-мо-нооксігенази ацетилхоліном. Показано, що фосфорилювання негістонових білків хроматину підвищується при виробленні оборонних умовних рефлексів.

4. РНК мозку

Загальний вміст РНК в більшості нервових клітин дуже велике. Середнє відношення РНК: ДНК досягає 50 і порівняно рідко буває нижче 3. Це перевищує відношення, характерне для особливо інтенсивно метаболірующіх клітин секреторних тканин, де воно становить 2-4,5. У мотонейронах головного мозку і в спінальних гангліях кількість РНК в одній клітині сягає 500-2500 пг. Така велика кількість РНК обумовлено головним чином наявністю потужного рибосомальному білоксинтезуючої апарату в цитоплазмі нейрона. Швидко обмінюється месенджер-РНК, теж відносно широко представлена ​​в нейронах, займає в кількісному відношенні скромне місце в порівнянні з рибосомальної РНК.

Рибосомна РНК мозку і апарат трансляції не мають принципових відмінностей від інших тканин і органів. Тому, відзначивши особливу потужність останнього, зосередимо далі увагу на особливості синтезу та різноманітті мРНК мозку, що обумовлюють якісну своєрідність білків і багатьох інших компонентів нервових клітин.

5. Мозгоспеціфіческая експресія генів

Так само як і у всіх диференційованих клітинах і тканинах організму, в нейронах і гліальних клітинах мозку "працює" лише частина генів. Це, з одного боку, гени, відповідальні за продукцію білків, необхідних для забезпечення метаболічних процесів, більш-менш подібних у різних клітинах і тканинах, а з іншого боку, гени, які беруть участь у синтезі білків, що регулюють специфічні функції даної тканини. Активність інших генів, не потрібних для функцій даних клітин, пригнічена. Частка активних генів у кожній даній тканини зазвичай невелика - менше 10% - і неоднакова в різних клітинах і тканинах. У мозку ця частка є вищою, ніж в інших органах, що відображає особливу складність його функцій. На жаль, точні значення цих параметрів поки не встановлені.

В останні роки проводиться систематичне дослідження характеру експресії великого числа індивідуальних генів в мозку ссавців. Для цього випадково вибрані з колекції кДНК клонів мозку щура послідовності гибрідизуючою з препаратами полі + РНК з різних тканин в так званих Нозерн блоттах. За результатами гібридизації можна судити про присутність відповідних даному клону послідовностей РНК в досліджуваних тканинах, їх кількості, гетерогенності і т.д. Аналіз таким методом 191 випадково обраного клону дозволив авторам розбити всі експресуються в мозку полі + РНК на чотири класи: I - "нерегульовані", тобто однаково експресуються в усіх досліджених тканинах і, швидше за все, що кодують так звані білки "домашнього господарства", необхідні для життєдіяльності будь-якої клітини; II - регульовані, тобто експресуються в клітинах всіх трьох тканин, але різною мірою; III - мозгоспеціфіческіе, тобто експресуються тільки в клітинах мозку; IV - рідкісні, тобто присутні у мозку в кількості, недостатній для строго відтвореного виявлення використаним методом. Якщо вважати мозгоспеціфіческімі РНК III і IV класів, в цю категорію потрапляє більше половини синтезованих в мозку мРНК, що добре узгоджується з оцінками, отриманими за допомогою методів сумарної ДНК-РНК-гібридизації.

Важливо відзначити, що визначення нуклеотидної послідовності клонованих мозгоспеціфіческіх мРНК дозволяє відтворити амінокислотну послідовність кодованого білка.

Такий аналіз був здійснений Саткліффом, наприклад, для одного з клонів, що кодують РНК III класу. Цей клон гибрідизуючою з моз-госпеціфіческой мРНК, яка присутня у різних відділах мозку щура, але в різній кількості. Кодований цієї РНК поліпептид не містить ділянок гомології з раніше вивченими білками.

За допомогою антитіл до синтетичних фрагментами цього поліпептиду вивчена його локалізація в мозку. Він виявлений в аксонах, іннервують клітини Пуркіньє в мозочку, пірамідні нейрони поля САЗ гіпокампу; в радіальних волокнах глибоких шарів цінгулярной і соматосенсорной кори; в групах волокон зводу, стріатуму, латерального нюхового тракту та інших структур. Джерелом цих волокон є нейрони медіального ядра трапецієподібного тіла, центральної покришки мосту, вентромедіального і базальноаркуатного ядер гіпоталамуса, а також нейрони, розкидані по іншим структурам.

Цю роботу Саткліфф і співавторів можна вважати зразком технічно здійсненним і універсальної методології пошуку нових мозгоспеціфіческіх мРНК і дослідження первинної структури, місць синтезу та функціональної ролі кодованих ними мозгоспеціфіческіх білків.

Особливий інтерес у цьому відношенні становлять мРНК III і IV класів, що мають обмежену локалізацію всередині мозку і його окремих структур. Судячи зі змісту найбільш рідкісних мозгоспеціфіческіх мРНК, вони повинні транскрибувати в обмежених популяціях нервових клітин і, можливо, пов'язані з вузькою функціональною спеціалізацією цих популяцій.

Для виборчого клонування таких РНК в останні роки використовують процедуру "вирахування", суть якої полягає у видаленні з сумарних препаратів кДНК послідовностей, загальних для різних відділів мозку, і наступному клонуванні такого "вичтенного" препарату кДНК. Так, вже клоновані мРНК, що мають обмежене поширення в неокортексі мавп, але їх вивчення ще тільки починається.

.С. Venter начато составление всеобъемлющего каталога генов, экспрессирующихся в мозге человека. У лабораторії J. С. Venter розпочато складання всеосяжного каталогу генів, експресуються в мозку людини. Для цього автори, здійснюють великомасштабне сиквенирування клонів з бібліотек кДНК мозку людини і його частин. До теперішнього часу вони отримали часткові послідовності для приблизно 3000 клонів, більшість з яких є раніше не відомими. Найближчим завданням є картування відповідних генів у хромосомах людини і використання отриманих даних для ідентифікації генів, відповідальних за різні спадкові захворювання.

6. Характеристична послідовність нуклеотидів у РНК мозку

Кілька мозгоспеціфіческіх клонів з колекції Сатка-Ліффі і співавторів виявляли незвичайний характер гібридизації з препаратами полі + РНК, впізнаючи в них загальну коротку мозгоспеціфіческую РНК. Ця мала РНК знайдена у всіх відділах мозку щурів, хоча і в неоднакових кількостях. Аналіз нуклеотидної послідовності декількох клонів показав, що єдиним спільним для них елементом є консервативна 82-нуклеотидна послідовність, яка і відповідальна за гібридизацію з ВС1 РНК. Інваріантними в цій послідовності є 51 нуклеотид] ще 24 нуклеотиду однакові в 90% проаналізованих клонів. Праворуч ця послідовність є сусідами з олігонуклеотидами, що містять в основному залишки аденіну. Решта примикають або близькі до неї послідовності в різних клонах абсолютно різні. "). Эта последовательность присутствует в некодирующих областях многих генов и соответствующих пре-мРНК и в большинстве случаев удаляется при процессинге последних. Ее функция до сих пор неизвестна, хотя есть основания полагать, что она служит неспецифическим стимулятором транскрипции содержащих ее генов. В любом случае ID -последовательность не является нейроспецифическим регулятором транскрипции, поскольку она присутствует и в многих пре-мРНК соматических тканей. Присутність однієї і тієї ж або схожою нуклеотидної послідовності в різних мозгоспеціфіческіх РНК як би маркує їх, що і послужило підставою для її позначення як характеристичної seguence "). Ця послідовність присутня в некодуючих областях багатьох генів і відповідних пре-мРНК і в більшості випадків видаляється при процессингу останніх. Її функція до цих пір невідома, хоча є підстави вважати, що вона служить неспецифічним стимулятором транскрипції містять її генів. У будь-якому випадку ID-послідовність не є нейроспецифічних регулятором транскрипції, оскільки вона присутня і в багатьох пре-мРНК соматичних тканин.

-последовательность: ВС1, ВС2 и ТЗ. У препаратах цитоплазматичної РНК мозку також виявлені короткі молекули РНК, що містять ID-послідовність: ВС1, ВС2 і ТЗ. -последовательности, гомологичные внутреннему промотору генов РНК-полимеразы III. Синтез цих малих РНК здійснюється РНК-полімеразою III, що довідався консервативні ділянки в ID послідовності, гомологічні внутрішньому промотора генів РНК-полімерази III. Виявлені в клітинах еукаріот малі РНК, як показано в останні роки, відіграють найважливішу роль у таких процесах, як сплайсинг і З "-процесинг пре-мРНК, трансляція і трансмембранний транспорт секретується білків і т.п.

7. Альтернативний процесинг пре-мРНК в мозку

Альтернативний процесинг полягає в утворенні різних зрілих мРНК з одного первинного транскрипту в результаті з'єднання різних комбінацій екзонів та / або використання різних сигналів Поліаденілювання. Одним з найбільш добре вивчених випадків використання альтернативного сплайсингу для утворення різних продуктів в різних клітинах є система синтезу регуляторних пептидів, кодованих геном кальцитоніну. Цей ген кодує невелике сімейство пептидів, два з яких (кальцитонін і катакальцін) переважно утворюються в клітинах щитовидної залози, а третій - в клітинах нервової системи.

Дослідження структури гена кальцитоніну і зрілих мРНК, що кодують ці пептиди у щура і людини, показало, що I-III Екзони є загальними для цих мРНК. -кодирующую и 3'-некодирующую последовательности, включая специфический для CGRP -мРНК сигнал полиаденилирования, присутствуют только в CGRP -мРНК. IV екзон, що кодує кальцитонін і катакальцін, присутня тільки в мРНК кальцитоніну і містить специфічний для неї сигнал Поліаденілювання, а V та VI екзон, що містять CGRP-кодує і 3'-некодуючих послідовності, включаючи специфічний для CGRP-мРНК сигнал Поліаденілювання, присутні тільки в CGRP-мРНК. / CGRP -гена в клетках щитовидной железы и нейрона пока еще остаются неясными и сейчас интенсивно изучаются. Механізми вибору різних шляхів сплайсингу первинного транскрипту CT / CGRP-гена в клітинах щитовидної залози і нейрона поки ще залишаються неясними і зараз інтенсивно вивчаються.

Альтернативний сплайсинг первинних транскриптів забезпечує також різноманітність білків мієліну в ЦНС ссавців. -локуса: при этом белок 21,5 кД кодируется мРНК, содержащей последовательность всех 7 экзонов гена, белок 18,5 кД - всех, кроме II экзона, белок 17 кД - всех, кроме VI экзона, а белок 14 кД - всех, кроме II и VI экзонов. Зокрема, показано, що різні основні білки мієліну у миші кодуються одним геном shi-локусу: при цьому білок 21,5 кД кодується мРНК, що містить послідовність всіх 7 екзонів гена, білок 18,5 кД - всіх, крім II екзона, білок 17 кД - всіх, крім VI екзона, а білок 14 кД - всіх, крім II і VI екзонів. При цьому утворюються білки ідентичні за амінокислотним послідовностей, кодуються загальними екзонами.

Ще одним прикладом служить так званий РРТ ген щура, який кодує препротахікініни а - і р-типів - попередники цілого сімейства нейропептидів - тахікінінов. Перший з них містить послідовність речовини Р, а другий - речовини Р і речовини К. Аналіз первинної структури показав, що ці РНК утворюються в результаті альтернативного сплайсингу по екзоном, що кодує речовина К.

Різноманітність потенціал-залежних і ліганд-залежних іонних каналів у мембранах нервових клітин забезпечується існуванням кодують такі канали мультігенних сімейств і знову-таки альтернативним сплайсингом - Один і той же ген у дрозофіли кодує чотири поліпептидні ланцюги, що беруть участь у формуванні функціонально активного К-каналу. Ці поліпептиди мають однакові центральні домени, що містять характерні для потенціал-залежних каналів елементи.

Як і в описаних вище системах, різні поліпептидні ланцюги К-каналу виникають в результаті альтернативного сплайсингу одного первинного транскрипту. Для формування функціонально активного К-каналу необхідна асоціація чотирьох однакових або різних поліпептидів: очевидно, що комбінування різних поліпептидів може забезпечити широке розмаїття розрізняються за фізіологічно значимим параметрами каналів.

Ще один яскравий приклад використання альтернативного сплайсингу - освіта сімейства синаптичних рецепторів глутамінової кислоти. Кожен з чотирьох рецепторів цього сімейства існує у двох варіантах, що розрізняються лише коротким сегментом, попереднім четвертому трансмембранному домену. Відповідно до існуючої топологічної моделі рецептора цей сегмент має цитоплазматичну локалізацію. У генах кожного з рецепторів альтернативні варіанти 38-ами-нокіслотного сегмента кодуються двома сусідніми екзонами, а самі варіанти рецепторів утворюються в результаті альтернативного сплайсингу пре-мРНК за цими екзонів. Додамо, що існування альтернативних варіантів для кожного з рецепторів функціонально важлива: вони мають різні фармакологічні і кінетичні властивості і по-різному розподілені у відділах ЦНС.

15, и в ряде других случаев. Нарешті, роль альтернативного сплайсингу показана при утворенні чотирьох форм тірозінгідроксілази у людини, трьох форм ацетилхолінестерази в електричному органі ската, трьох форм периферію у миші, поліпептидів у аплізіі, специфічних для нейрона R 15, і в ряді інших випадків.

Очевидно, альтернативний сплайсинг є еволюційно древнім і широко поширене в клітинах нервової системи способом збільшення якісного розмаїття синтезованих в них поліпептидів.

8. Експресія геному і онтогенез мозку тварин

Вище вже зазначено, що загальне число транскрипційного в мозку генів у 1,5-2 рази вище, ніж у всіх інших тканинах, і становить, мабуть, кілька десятків тисяч. Різноманіття експресуються в цілому мозку генів пояснюється двома причинами:

1) різноманітністю таких у кожному індивідуальному нейроні і 2) відмінностями в наборах генів, експресуються в різних нейронах. Саме накладаючись один на одного, ці два чинники є причиною виняткового різноманіття утворюються мРНК і відповідних білків. Слід підкреслити, що різноманітність синтезованих в будь-якій тканині послідовностей РНК пов'язано переважно з відносно рідко зустрічаються молекулами, які становлять невелику частку від загальної маси РНК. До мозку це застосовно в більшій мірі, ніж до будь-якого іншого органу чи тканини. Тому вимірювання сумарного синтезу РНК і її загальної кількості практично не дозволяють судити про якісні характеристики транскрипції геному.

Транскрипційного унікальних послідовностей ДНК в мозку ссавців прогресивно зростає в пізньому ембріогенезі та ранньому постнатальному онтогенезі, досягаючи максимуму до моменту функціонального дозрівання. Виявлено, що транскрибуються геному в різних відділах мозку людини неоднакова: у гностичних областях кори великих півкуль вона вища, ніж в проекційних, в лобовій корі лівої півкулі значно вище, ніж правого, в мозочку та стовбурових відділах мозку рівень транскрипції - проміжний. Ці дані дозволяють зробити висновок про те, що розвиток складних гностичних функцій у мозку людини пов'язано з прогресивним збільшенням генетичного різноманіття складових його клітинних елементів.

В останні роки з'явилися роботи, що дозволяють зробити прямі оцінки ступеня генетичної спеціалізації клітин мозку. Вони засновані на дослідженні локалізації різних мозгоспеціфіческіх антигенів за допомогою моноклональних антитіл і локалізації індивідуальних мРНК за допомогою комплементарних клонованих послідовностей. Головним недоліком цих методів є їх низька показність: у кожній роботі досліджується мізерна частка від всіх синтезованих в клітинах мозку мРНК і білків. Додамо також, що в сфері цих досліджень у більшості випадків виявляються білки і мРНК, присутні в мозку у відносно високої концентрації і вже в силу цієї обставини експресуються в обширних популяціях нервових клітин. Так, виявлені антигени, специфічні для основних типів нервових клітин, а також для нейронів певних відділів мозку. У рамках відповідних відділів антигени можуть мати ще більш виражену клітинну специфічність. Відомі антигени, які експресуються в перекриваються популяціях нейронів в одних відділах ЦНС і неперекривающіхся популяціях - в інших. . Аналогічні, хоча поки що й не такі численні дані отримані при дослідженні локалізації мозгоспеціфіческіх мРНК гібридизацією in situ. Судячи з морфологічним, нейрофізіологічним, нейрохімічним та іншими критеріями, в мозку ссавців мінімальними одиницями такої спеціалізації є групи з десятків-сотень клітин, число яких в мозку щура - 7104, а в мозку людини - 5-107, Це явно перевищує загальне число експресуються в них генів. Мабуть, морфофункциональная специфічність клітин у мозку визначається унікальністю всієї комбінації експресуються в них генів і положенням цих клітин в специфічних нейронних ансамблях. У той же час той факт, що такі групи налічують десятки-сотні клітин з однаково експресуються геномом, може пояснюватися необхідністю підвищення надійності роботи всієї системи в цілому. Однак у ЦНС деяких безхребетних така спеціалізація поширюється на індивідуальні нейрони.

9. Експресія генів в ЦНС безхребетних

За допомогою ДНК-РНК-гібридизації показано, що в ЦНС молюска-кальмара експресується 46% унікальних послідовностей геному, що достатньо для кодування декількох десятків тисяч різних мРНК. Отже, генетична складність клітинних елементів в ЦНС високоорганізованих безхребетних порівнянна з такою у ЦНС ссавців. На відміну від ссавців, проте, у кальмара не виявлено специфічної для ЦНС популяції молекул полі + РНК.

Унікальну можливість для дослідження експресії генів в індивідуальних нейронах представляє ЦНС черевоногих молюсків, що складається з невеликого числа великих, у багатьох випадках легко ідентифікованих нейронів, зосереджених у кількох гангліях. У аплізіі деякі нейрони досягають розмірів 0,5 мм і містять - 0,25 мкг ДНК і - 5 нг полі + РНК, що цілком достатньо для аналізу методами молекулярного клонування.

За допомогою процедури диференціальної гібридизації клоновані гени і мРНК, специфічно зкспрессірующіеся в окремих нейронах ЦНС аплізіі. У їх число входять гени, продукти яких добре ідентифіковані; наприклад ген, який кодує гормон відкладання яєць, і чотири споріднених йому гена. Будучи активними у різних нейронах, вони кодують синтез кількох фізіологічно активних пептидів, секреція яких індукує стереотипний поведінковий репертуар відкладання яєць. При цьому один і той же пептид може діяти як нейрогормон на клітини соматичних тканин і нейромедіатор на певні нейрони. Експресія інших генів цього сімейства в клітинах атріальний залоз призводить до синтезу нейроактівние пептидів, що викликають активацію сумчастих клітин, а також секретується в зовнішнє середовище пептидів, які мають активністю статевих феромонів. Таким чином, кодуються цим сімейством генів пептиди регулюють різні компоненти одного складного поведінкового репертуару.

Дуже цікавий також наплізіі, що бере участь у регуляції водно-солоного балансу. Він кодує два мРНК, що утворюються в результаті альтернативного сплайсингу. Одна з них є переважаючим продуктом експресії гена в одному з нейронів, тоді як укорочення форма мРНК переважно синтезується в деяких інших нейронах. Отже, у аплізіі існують механізми вибору різних шляхів сплайсингу в різних нейронах.

Вивчення експресії генів в індивідуальних нейронах цього молюска дозволяє зробити деякі принципові висновки, які можуть бути застосовними і до ЦНС хребетних тварин. Головний із цих висновків полягає в тому, що присутність безлічі "рідкісних" молекул РНК в сумарних препаратах полі * РНК, ізольованих з цілої ЦНС або її великих відділів, є наслідком активної експресії цих РНК в невеликих популяціях нервових клітин, а не їх експресії на однаково низькому рівні в великих популяціях клітин.

Порівняння популяцій мРНК, що синтезуються в нейронах, що використовують один і той же класичний медіатор, але функціонально різних, показує, що такі нейрони зазвичай різняться експресією декількох мРНК, кожна з яких специфічна лише для одного з порівнюваних нейронів. Очевидно, загальне різноманіття синтезованих в ЦНС мРНК складається з перекриваються, але не однакових популяцій мРНК, утворених в індивідуальних нейронах. Залишається додати, що розглянуті дослідження охоплюють лише відносно часто зустрічаються молекули мРНК. Не виключено, що насправді розбіжності у популяціях синтезованих мРНК між індивідуальними нейронами носять більш складний характер.

. До популярних об'єктів нейрогенетики з числа безхребетних належить також одна з вільно живуть нематод - Caenorhabditis elegans. Одним з важливих результатів її дослідження є виявлення так званих селекторних генів. Останні відіграють ключову роль в онтогенезі нейронів нематоди: їх продукти індукують включення серії "генів-реалізаторів", формують фенотип нейронів. -4, детерминирующий специфичность синаптических контактов идентифицируемого мотонейрона VA . Прикладом селекторної гена може служити ген INS -4, детерминирующий специфічність синаптичних контактів ідентифікованого мотонейрона VA. образует синаптические контакты, в норме ему не свойственные. При мутаціях цього гена мотонейрон VA утворює синаптичні контакти, в нормі йому не властиві. Ніяких інших помітних порушень у розвитку ЦНС при цьому не виявляється. -4 является гомеобокс-содержащий ДНК-связывающий белок. Продуктом гена INS -4 є гомеобокс-який містить ДНК-зв'язуючий білок. Очевидно, він регулює транскрипцію групи генів-реалізаторів, які безпосередньо беруть участь у встановленні специфічних для даного мотонейрона синаптичних контактів.

Нарешті, класичний об'єкт генетичних досліджень - дрозофіла - дозволив отримати велику інформацію про складні процеси онтогенезу центральної нервової системи. Цю інформацію можна узагальнено представити у вигляді моделі багатоступінчастої генетичної детермінації нейрогенеза, основні положення якої, мабуть, зберігають чинність і для хребетних тварин. Відповідно до цієї моделі існує чотири класи генів, що регулюють послідовні етапи нейрогенеза. Перший, найменш вивчений клас, включає гени, відповідальні за перетворення частини клітин недиференційованої вентральної ектодерми на попередники нервових клітин. До другого класу відносяться гени, що детермінують властивості клітин-попередників у відповідності з їх положенням в тій чи іншій частині ЦНС. Серед цих генів - багато хто з так званих гомейотіческіх або сегментарних генів, які детермінують також і формування спільного плану будов організму в цілому. При цьому одні й ті ж гени зазвичай детермінують і формування певного сегмента організму, і специфічні властивості локалізованого в ньому сегмента ЦНС. Зауважимо, однак, що сегментарна і нейроспецифічних експресія гомейотіческіх генів контролюється різними механізмами. Гени третього класу детермінують властивості індивідуальних нейробластів в залежності від їх локалізації всередині даного сегменту ЦНС. , экспрессирующийся только в определенных нейробластах каждого сегмента ЦНС, но не в образующихся из них нейронах. Представником цього класу, мабуть, є ген prospero, експресується тільки в певних нейробластів кожного сегмента ЦНС, але не в утворюються з них нейронах. Мутації цього гена призводять до випадання з розвивається нервової системи декількох специфічних клітинних ліній. Нарешті, гени четвертого класу детермінують індивідуальні властивості кожного з нейронів, що утворюється при поділі одного нейробласти. и even - skipped . Представниками цього класу є гени fushi tarazu і even - skipped. Цікаво, що один і той же ген може брати участь у контролі різних етапів нейрогенеза. является типичным гомейотическим геном, участвующим в формировании общего сегментарного плана строения ЦНС и организма в целом, т.е. Так, ген ftz є типовим гомейотіческім геном, які беруть участь у формуванні загального сегментарного плану будови ЦНС та організму в цілому, тобто входить до другого класу генів. На більш пізніх етапах він бере участь у детермінації властивостей індивідуальних нейронів: у кожному сегменті ЦНС він експресується у групі з 30 ідентифікованих нейронів, які є нащадками - 8 нейробластів. не экспрессируется, а процент экспрессирующих его клеток в потомстве индивидуальных нейробластов варьирует от 0 до 100%. При цьому ні в одному з нейробластів ген ftz не експресують, а відсоток експресують його клітин у потомстві індивідуальних нейробластів варіює від 0 до 100%. контролируется разными механизмами. Зауважимо, однак, що сегментарна і нейроспецифічних експресія гена ftz контролюється різними механізмами. Ще один фундаментальний висновок описаних досліджень полягає в тому, що індивідуальна специфічність елементів нервової системи визначається не унікальними генами, кількість яких свідомо менше числа самих елементів, а унікальними комбінаціями взаємодіючих генів, надійність яких забезпечується рисами функціональної надмірності.

Гени, відповідальні за формування специфічного фенотипу функціонально зрілих нейронів, вивчені головним чином для відносно просто влаштованих нейронних структур, наприклад сітківки ока дрозофіли. Кожен елемент сітківки - омматідіев - складається з 8 чітко помітних по морфології і локалізації фоточутливих нейронів і 12 ненейрональних клітин. Диференціація нейронів у розвиваються омматідіев протікає в суворо фіксованій послідовності. Недиференційовані клітини в початках омматідіев є еквіпотенціальними, а доля дифференцирующихся клітин визначається не їх походженням, а індукують стимулами з боку сусідніх з ними раніше диференційованих клітин.

кодирует мембранный рецептор, необходимый для индукции дифференцировки нейрона R 7, а ген bride of sevenless - за образование в нейроне R 8 лиганда, действующего на этот рецептор. Деякі з генів, відповідальних за генерацію і рецепцію цих стимулів, добре вивчені: ген seveniess кодує мембранний рецептор, необхідний для індукції диференціювання нейрона R 7, а ген bride of sevenless - за освіту в нейроні R 8 ліганда, що діє на цей рецептор. кодирует ядерный белок, интерпретирующий сигнал, воспринимаемый рецептором sevenless . Ген seven in absentia кодує ядерний білок, що інтерпретує сигнал, що сприймається рецептором sevenless. кодирует транскрипционный фактор, необходимый для возникновения в нейронах R 2 и R 6 сигнала, индуцирующего дифференцировку соседних клеток в нейроны R 3 и R 4. Ген кодує rough Фактор транскрипції, необхідний для виникнення в нейронах R 2 і R 6 сигналу, що індукує диференціювання сусідніх клітин в нейрони R 3 і R 4. , R 3, R 4 и R 6, кодируется геном seven - up . Інший Фактор транскрипції, необхідний для диференціювання нейронів Rl, R 3, R 4 і R 6, кодується геном seven - up. , а специфическими для индивидуалъньгх фоторецепторных нейронов компонентами этих программ - гены, кодирующие разные формы фоторецепторных белков. Ключовим елементом у реалізації генетичних програм функціонального дозрівання фоторецепторних нейронів є ДНК-зв'язуючий білок, який кодується геном glass, а специфічними для індівідуал'ньгх фоторецепторних нейронів компонентами цих програм - гени, що кодують різні форми фоторецепторних білків.

Важливу роль в остаточній морфологічної диференціації цировка нейронів відіграють гени, що кодують молекули виборчої міжклітинної адгезії. Однією з різновидів таких молекул у комах є фасцікліни, що забезпечують взаємне впізнавання і асоціацію зростаючих аксонів в розвивається ЦНС і, в кінцевому підсумку, формування стереотипної системи аксони пучків. У ембріональної ЦНС різні фасцікліни експресуються в різних популяціях нейронів і їх відростків: кожен фасцікяін експресується в аксонах - 5 з - 30 аксони пучків передніх і задніх коміссур кожного ганглія і - 15 нейронах кожного полусегмента. У ембріогенезі експресія фасціклінов спостерігається вже в окремих клітинах морфологічно недиференційованої вентральної нейроектодерми, зберігаючись в утворюються з цих клітин нейробластів, гангліонарних материнських клітинах і нейронах. Мабуть, фасцікліни входять до числа найбільш ранніх молекулярних маркерів індивідуальних нейрональньгх ліній. Виявлені закономірності при дослідженні відносно просто влаштованої ЦНС безхребетних не завжди знаходять прямі аналогії в більш складно організованих ЦНС вищих хребетних тварин. Тим не менше з відомою обережністю їх можна використовувати при інтерпретації даних по експресії генів в мозку хребетних.

10. Експресія генів в розвивається нервовій системі хребетних

Виникнення ЦНС з недиференційованих клітин ектодерми до теперішнього часу залишається одним з найзагадковіших процесів в ембріогенезі хребетних. Вважається, що початково клітини ектодерми не мають самостійного нейрогенного потенціалу, а їх диференціювання в нервові клітини індукується якимись сигналами, які надходять з нижчих клітин ембріональної мезодерми. Молекулярна природа цих сигналів та їх первинних ефектів у клітинах ектодерми до останнього часу була зовсім невивченою. Зовсім нещодавно виявлено, що, наприклад, компонентом такого первинного ефекту в ембріонах шпорцевих жаб є індукція гена Х1НЬохб, що містить характерну для багатьох генів, що регулюють онтогенез, еволюційно консервативну послідовність, так званий гомеобокс. Він тісно пов'язаний з визначенням локалізації груп клітин і тканин, з "географією" клітин і функцій в організмі.

Експресія цього гена характерна для найбільш ранніх стадій нейрогенеза. Ген ХШЬохб має чітко виражений сегментарний характер експресії в ембріональній ЦНС: його транскрипти виявляються тільки в задніх двох третинах нервової трубки. Подібно багатьом гомейотіческім генам дрозофіли ген ХШЬохб перестає експресуватися на пізніх стадіях ембріогенезу.

экспрессируется в спинном мозге, причем передняя граница экспрессирующей его области - очень резкая и в точности совпадает с границей спинного и головного мозга. Ген XlHboxl експресується у спинному мозку, причому передня межа експресують його області - дуже різка і в точності збігається з межею спинного та головного мозку. При інактивації кодується цим геном білка специфічними антитілами порушується розвиток передніх відділів спинного мозку: вони трансформуються в структуру, морфологічно ідентичну довгастому мозку.

Очевидно, що кодуються цими генами білки є специфічними транскрипційними чинниками, що регулюють генетичну детермінацію клітинних ліній в певних відділах ембріональної ЦНС. Вони забезпечують реалізацію позиційної інформації в загальному процесі нейрогенеза.

У геномі миші виявлено чотири комплекси тісно зчеплених гомеобокс-містять генів, Нох-1, - 2, - 3, і - 4. Індивідуальні гени кожного комплексу аналогічно гомейотіческім генам дрозофіли експресуються в різних щодо передньо-задньої осі тіла областях ЦНС. Морфологічно помітні сегменти в ембріональній ЦНС хребетних виявляються лише на ранніх стадіях розвитку заднього мозку у вигляді так званих ромбомеров, тоді як на більш пізніх стадіях і в мозку дорослих тварин рудиментом сегментарного будови залишається лише розподіл ядер черепно-мозкових нервів.

Індивідуальні гени Нох-2 комплексу мають загальну область експресії в каудальних відділах ембріональної нервової трубки, тоді як передні кордону експресують області в них різні: чим нижче даний ген розташований в Нох-2 локусі хромосоми, тим вище розташована ця межа.

Зараз інтенсивно накопичуються і узагальнюються нові дані в цій області. Еволюційна консервативність регуляторних генів, експресуються в сегментарних відділах ембріональної ЦНС хребетних, і явні аналогії в характері їх експресії з гомейотіческімі генами дрозофіли роблять вельми привабливою гіпотезу про їх роль у детермінації загального плану будови та ідентичності окремих клітинних ліній в розвивається ЦНС.

Жоден з досліджених генів Нох комплексів не екс-прессіруется в передніх відділах головного мозку хребетних в ембріогенезі. Ці відділи не виявляють явних ознак сегментарного будови. Будучи відносно еволюційно новими придбаннями, вони, мабуть, мають специфічні механізми генетичної детермінації. , гомологичный гомейотическому гену D 11 дрозофилы. Показано, зокрема, що в детермінації відділів переднього і проміжного мозку істотну роль грає ген Dlx, гомологічний гомейотіческому гену D 11 дрозофіли. -1 и гомеобокс-содержащие гены Еп-1 и - 2. Аналогічно, у детермінації середнього мозку і, можливо, передніх відділів мозочка бере участь протоонкогена Wnt -1 і гомеобокс-містять гени Еп-1 і - 2.

Є дані, що змушують по-новому поглянути на питання про функції гомеобокс-містять генів у вищих тварин. -1, Oct -2 и Pit -1, показало, что они являются членами особого подсемейства гомеобокс-содержащих генов, в которое входит также ген Unc -86 нематод. Клонування генів, що кодують транскрипційні фактори Oct -1, Oct -2 і Pit -1, показало, що вони є членами особливого підродини гомеобокс-містять генів, до якого входить також ген Unc -86 нематод. -домен, частью которой является гомеобокс. Загальною ознакою, що об'єднує ці гени, є довга консервативна послідовність, POU-домен, частиною якої є гомеобокс. -86 участвует в детерминации нейронных линий у нематод. Ген Unc -86 бере участь у детермінації нейронних ліній у нематод. -подсемейства специфически экспрессируются в отделах мозга млекопитающих: Вгп-1, - 2, - 3 и Tst - I . Кілька генів POU-підродини специфічно експресуються у відділах мозку ссавців: ВГП-1, - 2, - 3 і Tst - I. Всі чотири гени експресуються в ембріональній нервовій системі, включаючи клітини гермінативних зон.

Динаміка експресії індивідуальних генів в мозку, який розвивається дуже різна і в міру розвитку відділів мозку набуває риси, що відбивають їх патерн експресії в мозку дорослих тварин. Експресія цих генів у клітинах гермінативних зон може означати, що доля індивідуальних клітинних ліній в нервовій системі зумовлена ​​вже до початку їх міграції з гермінативних зони.

Мабуть, кодуються гомеобокс-містять генами транскрипційні фактори можуть регулювати експресію генів не тільки в формуються клітинних лініях у ранньому ембріогенезі ссавців, але і в диференційованих клітинах дорослого організму, причому на дуже різних рівнях клітинної специфічності.

Нарешті, особливого розгляду заслуговує той факт, що в мозку ссавців є ряд генів, особливо швидко реагують на різноманітні екстремальні впливи. Їх включення у ряді ситуацій, зокрема, що супроводжуються підвищенням рівня внутрішньоклітинного Са2 +, служить як би першим відносно неспецифічним ланкою реакції геному нейрона. Далі слід включення більш специфічних ділянок геному. У число таких генів "першочергового реагування" входять гени, відкриті раніше у зв'язку з дослідженням протоонкогенів. - fos и c - jun кодируют факторы - регуляторы транскрипции других генов, - белки Fos и Jun . Зокрема, гени c - fos і c - jun кодують фактори - регулятори транскрипції інших генів, - білки Fos і Jun. . Останні входять, у свою чергу, до складу білка АР-1, що зв'язується з певними локусами ДНК, - наприклад біля 5'-кінця гена, що кодує фактор трофіки нейронів - NGF. . В екстремальних ситуаціях - при епілептичних судомах, що вимагають термінового посилення трофіки нейронів, - цей механізм включає синтез NGF. - fos и c - jun срабатывают под влиянием болевых импульсов и других экстремальных воздействий на ЦНС, включая целые каскады транскрипции генов, кодирующих, например, такие противоболевые факторы, как опиодные пептиды и другие регуляторы. Аналогічні механізми з участю генів c - fos і c - jun спрацьовують під впливом больових імпульсів та інших екстремальних впливів на ЦНС, включаючи цілі каскади транскрипції генів, що кодують, наприклад, такі протибольові фактори, як опіодних пептиди та інші регулятори. - fos и другие гены раннего реагирования нередко называют "третьим мессенджером". Останнім часом c - fos та інші гени раннього реагування нерідко називають "третім месенджером". Нарешті, з'являється все більше даних про участь генів цього типу в механізмах запам'ятовування.

Висновки

1. Більшість нейронів ЦНС хребетних є диплоїдними; невелика частка нейронів в деяких відділах ЦНС може містити надмірну в порівнянні з диплоїдним кількість ДНК.

2. Реплікативний синтез ДНК в диференційованих нейронах відсутня; в мозку дорослих ссавців реплікація ДНК пов'язана головним чином з обмеженими процесами розмноження гліальних клітин.

3. У клітинах мозку ссавців є активно функціонують системи репарації ДНК, що підтримують цілісність і ефективність генетичного апарату.

4. Хроматин нервових клітин має типову для еукаріотичних клітин нуклеосомную організацію. Особливостями хроматину нейронів неокортекса ссавців є незвично короткі нуклеосомние одиниці, присутність рідкісних варіантів гістонів, висока різноманітність негістонових білків і висока матрична активність.

5. У мозку ссавців експресується кілька десятків тисяч унікальних генів, з яких не менше половини мають мозгоспеціфіческій характер експресії.

6. Величезна різноманітність експресуються в мозку генів складається з перекриваються, але не однакових популяцій генів, експресуються в окремих нервових клітинах.

7. Разом з різноманітними мозгоспеціфіческімі месенджер-РНК в центральній нервовій системі синтезується обмежене число особливих малих РНК з послідовностями нуклеотидів, загальними для всіх відділів мозку.

8. Різноманітність білків і регуляторних пептидів, синтезованих в мозку, визначається не тільки великим набором експресуються генів, але і системою альтернативного сплайсингу пре-мРНК.