МОЗГ

Междисциплинарный семинар Руководитель семинара — К.В. Анохин

Рубрики

Семинары




Нейроэволюция. Часть 2



Главная » Нейроэволюция » Нейроэволюция. Часть 2

Август 1, 2011

Между 80-90 годами мы решили заняться малой частью вопросов о молекулярной биологии мозга. Основным направлением было обнаружение генов, которые отвечали за основные функции мозга – формирование памяти и обучение. В состоянии покоя эти гены не активны, но стоит только что-то запомнить - и они активизируются. После выполнения своих функций они принимают свое первоначальное состояние.

Нам удалось найти эти гены и с их помощью научились мы из сложной сетки клеток извлекать именно те, которые ответственные за формирование памяти.

В последние годы нам был интересен вопрос, как работает мозг генетически модифицированных животных. Изучая его, мы узнаем, как происходит развитие головного мозга на генетическом уровне.

Анохин К.В. Глава «Молекулярная генетика и психофизиология мозга» в руководстве по основам психофизиологии (Ред. Александрова Ю.И.)

1. Мозг - это орган, который экспрессирует самое большое число генов в организме. Оригинальность и функциональность каждой клетки на молекулярном уровне обеспечивается с помощью белков, из которых непосредственно она состоит. За синтез белков отвечают гены в ДНК, входящие в состав ядра клетки – генома организма. Экспрессия гена - это процесс синтеза белка за счет копирования информации с гена в виде матричной молекулы рибонуклеиновой кислоты (мРНК) и ее дальнейшего преобразования в белковую молекулу. В каждой клетке экспрессируют только гены ответственные за молекулярную функцию и композицию. Как правило, при построении органа экспрессии в клетках достаточно только части генов в геноме.

25 Нейроэволюция. Часть 2

Самый важный фактор, выявленный молекулярной генетикой мозга – это то, что число активных генов в мозге млекопитающих на много больше числа генов, которые экспрессируют в органах и тканях всего организма. В первых работах, где оценивалась сложность состава мРНК, показали, что в мозге мышей число нуклеотодитов 120 миллионов, а в почках и печени всего 30 миллионов. Далее, при молекулярном клонировании крысы удалось посчитать число генов - от 80 до 100 тысяч, из которых от 50 до 60 тысяч экспрессировали в мозге и экспрессия большинства была мозгоспецифичной. На самом деле молекулярная структура мозга может быть еще больше. Конечные продукты мозгоспецифичных генов подвергаются альтернативному сплайсингу и в ходе использования в разнообразных комбинаций функциональных блоков одного гена экспрессия гена в разных клетках может создавать различные белки.

Человеческий мозг подчинен той же закономерности. Исследование тканеспецифичности экспрессии отобранных случайно 2505 генов из библиотеки к ДНК человеческого мозга показал, что половина анализированных генов имеет мозгоспецифическую экспрессию. Данный расчет имеет независимое подтверждение, которое происходит из медицинской генетики. Примерно 50% реестра генетических человеческих заболеваний содержат какие-либо симптомы нарушений функционирования нервной системы. Таким образом, у людей минимум каждый 2-й ген связан с обеспечением какой-либо функции нервной системы.

Значение данного факта в том, что он побуждает серьезно пересмотреть представление про роль и место нервной системы в истории эволюции организмов.

2. Эволюцией генома млекопитающих значительно обеспечивалась эволюция мозга. Процесс эволюции оценивать можно различным образом. Морфологические традиционные способы, которые используют еще с кон. 18 в., основываются на исследовании трансформации строения тканей и органов. Но анатомические критерии не дают учитывать все сложные эволюционные преобразования, которые зачастую выражаются в изменении функций и строения белков и ферментов, гормонов и рецепторов, а также детальных связей между клетками. Это всё - события, которые не меняют макроанатомию, однако кардинально влияют на процессы интеграции, следовательно, в конечном итоге, на выживание организмов. Куда более чувствителен для учета таких эволюционных изменений молекулярно-генетический анализ. Все сохраненные отбором модификации строения и функций гена, все появления в клетке либо органе нового гена, который стабильно экспрессируется, говорят об отдельном эволюционном событии, а общая сумма их как раз отражает процесс происходившей эволюции.

Рассчитав при помощи этого подхода число экспрессирующихся в органе генов, возможно вычислить суммарный объем «усилий» эволюции, что затрачены на создание его. Такие расчеты ведут к поразительным выводам. Из них вытекает, что эволюция генома млекопитающих выполняла в немалой мере задание генетического обеспечения функций и организации мозга.

Данный факт придает абсолютно неожиданный оборот мысли философа и палеонтолога Тейара де Шардена, - “история жизни - это, по сути, развитие сознания, которое завуалировано морфологией”. Очевидно, что до эпохи молекулярной биологии Шарден сумел заметить интуитивно одну из главных тенденций генетической эволюции – связь её с эволюцией нервной системы.

Так, одной из основных задач нейронауки на сегодня стало объяснение «молекулярно-генетического феномена мозга». Ученым необходимо дать ответ на вопрос: какие свойства нервной системы позволили ей определять «нейроэволюцию» и, следовательно, эволюцию генома, направленную на накопление генов экспрессирующихся в мозге.

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо понимать какую функцию несут гены в процессе естественного отбора.

3. На сегодняшний день понимать процессы нейроэволюции помогают биология и психология. В процессе естественного отбора преимущество имеют лишь те особи, которые по каким-либо показателям лучше приспособлены к выживанию в окружающей среде. В процессе естественного отбора у популяции происходит изменение определенных признаков. При этом пропорции генов, связанные с этими признаками также меняются. В своей работе современные ученые - биологи для того, чтобы проанализировать происходящие эволюционные процессы используют показатель, который говорит о том, как меняются относительно друг друга частоты генов одной популяции на определенном отрезке времени.

Но при этом естественный отбор проявляет себя не на генном уровне, а лишь на уровне взаимоотношений организмов (фенотипов) друг между другом, а также со всем тем, что их окружает. В процессе естественного отбора большое количество факторов оказывает влияние на функции и структуры внутри популяции. Это приводит к тому, что меняется, улучшается выживаемость и способность организмов к воспроизводству. С изменением этих функциональных систем связано фиксируемое учеными изменение частот генов внутри популяции. Таким образом, для того чтобы понять и осознать суть происходящих эволюционных изменений, наблюдаемых на генном уровне, необходимо вывить и установить их закономерности. Эти правила должны объяснить взаимосвязь происходящих метаморфоз на уровне «фенотипов» (организмов) с процессами реструктуризации наблюдаемыми на генном уровне.