Особливістю еукаріотичних геномів є наявність великої кількості інтронів мікро- та мінісателітів, диспергованих елементів, ендогенних 'реліктових' ретровірусів та інших некодуючих нуклеотидних послідовностей, сумарна довжина яких більш ніж на порядок переважає довжину генних екзонів, які кодують первинну структуру білків. Яку ж функцію може виконувати цей 'надлишок' ДНК' У вісімдесятих роках та на початку дев'яностих переважав погляд, що ця надлишкова ДНК є еволюційним реліктом, що тільки займає місце у клітинному ядрі і не має функцій, корисних для організму, в якому вона присутня. Виник навіть термін на позначення некодуючих послідовностей ' егоїстична ДНК. У кращому випадку їй приписували радіопротекторну роль ' захист кодуючих послідовностей від пошкоджень /1/. Згодом почали з'являтись роботи, в яких обгрунтовувалась роль 'егоїстичних' послідовностей як регулятоних елементів, які можуть впливати на час та рівень експресії генів. Ці роботи базувались в основному на спостереженнях, що транспозиція певних типів мобільних елементів відбувається лише в строго визначений проміжок онтогенезу і лише в певні сайти геному, а порушення цих процесів корелює з рядом хворобливих станів - таких як виникнення ракових пухлин та аутоімунних захворювань. Все ж залишається незрозумілим, як саме ці процеси пов'язані з розвитком особини та чи дійсно їх порушення є причиною хвороб. Імовірно все ж, що зміна розподілу мобільних елементів у геномі є наслідком інших процесів, які привели до хвороби.

Отже, наявні пояснення ролі 'егоїстичної' ДНК є імовірними але не досить переконливими. Погляд на геном як на місце скупчення еволюційного сміття або на утворення, що містить у собі бомбу з часовим механізмом ' потенційно шкідливі для організму мобільні елементи, є досить нелогічним. Радіопротекторні властивості такого 'сміття' ' cумнівна перевага.

Після секвенування геному людини надлишковість нашого генетичного матеріалу виявилась ще більш разючою. Встановлено, що у гаплоїдному наборі хромосом міститься всього лише біля 30 тисяч генів, кожен з яких займає приблизно 100 тисяч нуклеотидів. Це означає, що кодуванням білків займається менш ніж 2% хромосомної ДНК. Невже ж ті дев'яносто вісім відсотків, що є некодуючими являють собою збіговисько паразитів на тлі геному'

Парадоксальність надлишковості геному поряд з молекулярними основами людського розуму є найцікавішими, найбільш інтригуючими загадками сучасної біології. А коли ці дві проблеми мають спільний розв'язок, спільне пояснення '

При передачі коду - чи коду телевізійної передачі, чи генетичного коду, в зашумленому середовищі, (відповідно, завади електромагнітного поля або вбудовування мобільних елементів та вірусних ДНК в геном) система має якимось чином розвивати та застосовувати засоби, які б відвертали зміну коду, оскільки закодована інформація повинна не тільки досягнути свого призначення, а й створити грунт для появи нового організму.
    Існують різноманітні алгоритми перевірки і виправлення помилок спотвореного коду, наприклад використання ECC (error correction code), коди Хеммінга, циклічні коди. Застосування їх можливе за умови надлишковості коду, що виражається в наявності контрольних послідовностей. Але поряд з цим існують також і методи перетворення самого сигналу, що генерують стійку до шуму форму сигналу

Нижче подано метод розширеного спектру , який використовують у кабельному телебаченні. Є два види розширеного спектру: стрибки по частоті (frequency hopping) і пряма послідовність (direct sequence) . Для стрибків по частоті весь відведений діапазон розділяється на велику кількість вузьких частотних смуг, на кожній із яких передача відбувається лише дуже короткий час, а потім 'перестрибує' на наступну частоту.

Такі стрибки здійснюються в певній визначеній послідовності. Цей спосіб надає стійкості до шуму так само як і звуження каналів - 'шумні' ділянки смуги або ігноруються або на них передача затримується на такий короткий проміжок часу, що коди з виправленням помилок можуть позбутися завад.

На відміну від частотних стрибків пряма послідовність дозволяє передавати сигнали по всій частотній смузі одночасно. Чим більше відношення ширини канала до швидкості передачі даних тим більшу стійккість до шуму має передача за методом прямої послідовності розширеного спектру.

   Пояснимо вищесказане. Існує цікава операція, що реалізується зазвичай на двох регістрах і суматорі. В живій системі її можуть виконувати білкові ланцюжки. Наведемо приклад для двійкової системи зчислення в ЕОМ. Звісно, для четвіркової системи основ (аденін, гуанін, цитозин, тимін) в живій системі методи будуть відмінні. Отже, розглянемо операцію XOR. Ця операція цікава тим, що при проведенні її двічі над тим самим масивом даних отримаємо вихідне число. Наприклад, якщо я обчислю:

11001010 XOR 11111111,

00110101 XOR 11111111,

я знову отримаю 11001010. Тепер я беру два цифрові сигнали, один з яких є потоком даних, а інший ' значно швидший потік випадкових чисел (шум). Якщо я здійсню операцію "XOR" над двома потоками, я отримаю купу сміття. Але я можу позбутись його і відновити потік даних, якщо я повторно здійсню операцію 'XOR', використовуючи таку ж послідовність випадкових чисел.

Саме так чинить пряма послідовність розширеного спектру. Вона комбінує дані з швидкою послідовністю випадкових чисел у модуляторі і вибирає їх з набору випадкових чисел в демодуляторі.

Якщо ви зробите ті ж самі висновки, що і я, коли хтось вперше ознайомив мене з цією ідеєю, то обов'язково прийдете до питання: "Ну то й що ж тепер'"

В передатчику після змішування даних з випадковими числами розширюється спектр сигналів, що передаються. Тепер уявіть собі процеси, що відбуваються у приймачі. Я знову змішую випадкові числа з отримуваним сигналом. Результатом цих моїх дій є, по-перше, широкополосний спектр справжнього сигналу знову звужується (це необхідно для справжньої (більш низької) швидкості передачі даних), по-друге, суміш випадкових чисел розмиває будь-який сигнал, що випадково 'спіймав' мій приймач. Якщо сигнал не містить певної послідовності випадкових чисел (а він її не містить), процес змішування в приймачі відбувається так само як і розмивання даних у передатчику, тільки навпаки. Потужність сигналу з даними, знову зібралась в вузький діапазон, а потужність завад розмазалась по широкому діапазону. Отже, потрібна потужність збільшується, а потужність завад зменшується.

З цього випливає, що числені користувачі (послідовності нуклеотидів, що кодують білки для клітин різної спеціалізації) можуть одночасно говорити по одному каналу (ДНК). Ваш передатчик і приймальний прилад використовують не такі послідовності випадкових чисел, як мої. Оскільки в мене інша послідовність, мій приймач не звужує вашу передачу, вона залишається розмитою і, як наслідок, являє собою малопотужний шум. Я вас не чую.

Сучасні пояснення принципів роботи гловного мозку базуються, як правило, на проведенні аналогій між будовою та функціонуванням центральної нервової системи та комп'ютера. Нерви при цьому розглядаються як провідники електричних імпульсів, а клітини головного мозку прирівнюються до комірок зберігання та обробки цифрової інформації. Все ж здатність мозку до сприйняття і переробки інформації може мати іншу природу.

Наприклад, сьогодні уже майже забуті аналогові комп'ютери, за допомогою яких можна було моделювати деякі технологічні і навіть біологічні процеси на базі використання електричних схем, що містили резистори, конденсатори, транзистори та інші елементи. Обчислення, виділення предикатів математичної та формальної логіки можуть бути представлені струмами, що течуть крізь іонні канали нейрональних клітин ' калієві (А-струм), хлорні та кальцієві канали.

Важко уявити собі, що пам'ять людини реалізується на грунті динамічних процесів обміну різнополярними частинками. Принаймні реалізація довготривалої пам'яті за допомогою міжнейронних струмів та напруг потребує їх постійної регенерації, що є енергетично невигідним. Згадуючи аналогову техніку можна вказати на неможливість зберігання проміжних результатів (відсутність проміжної пам'яті) завжди було головним її недоліком. Якщо довготривала пам'ять має молекулярну природу то простіше асоціювати її з ДНК та РНК. Саме нуклеїнові кислоти мають високу стабільність, можуть специфічно взаємодіяти між собою, точно відтворюватись та набувати різноманітних конформацій на рівні вторинної та третинної структури, франментуватись і навіть редагуватись.

Останнім часом великої популярності набула ідея квантового комп'ютера, що оперує квантовими бітами (кубітами), носіями яких є фотони, електрони, атоми або збуджені стани молекул. Інформація, що переноситься кубітами обробляється паралельно, що вимагає використання спеціальних алгоритмів /2/. Сумнівно, що мозок може містити квантові логічні елементи атомного або фотонного типу, але в основі пам'яті може лежати взаємодія складних молекул, що призводить до зміни їх конформації або хімічної структури.

Умови для взаємодії інформаційних молекул є тільки у клітинному ядрі. Тут міститься вся клітинна ДНК і значна частина клітинної РНК. Це означає, що саме ядро може бути 'архівом даних'.

Якщо подібне припущення є справедливим, то багатоклітинний еукаріотичний організм потрібно розглядати як мультипроцесорний прилад, що складається з множини автономних ядерних біопроцесорів. Інформація у цитоплазму надходить у вигляді мРНК, що кодують білки, а для обміну інформацією між клітинами використовуються рецептори, наприклад рецептори гормонів, імуноглобулінові, рецептори нейромедіаторів, таких як ацетилхолін. Передача сигналу від них до ядра відбувається численими сигнальними шляхами, задіюючи своєрідні ядерні 'обробники подій" ' програми 'на всяк випадок'

Ідея використання нуклеїнових кислот як молекулярних елементів обчислювальних приладів існує вже давно /4, 5/. Є навіть теорія хвильового геному, за якою ДНК має здатність сприймати, обробляти та випромінювати інформацію у вигляді модульованого електромагнітного випромінювання /6/. На жаль, подібні ідеї та теорії не дозволяють зрозуміти сутність елементарних логічних операцій. Крім того, ці операції можуть виявитись зовсім не елементарними, оскільки навіть алгоритми роботи найпростішого квантового комп'ютера є зрозумілими лише для небагатьох спеціалістів, а алгоритми роботи молекулярного біокомп'ютера можуть виявитись на кілька порядків складнішими.

Послідовності нуклеотидів, що забезпечують інформаційні функції повинні підлягати певним граматичним правилам. Очевидним також є існування орфографічних правил, що визначаються закономірностями формування вторинної та третинної структури нуклеїнових кислот, а також співвідношенням структури молекул з їх інформаційними властивостями. Вивчення подібних правил може стати основною задачею структуральної лінгвістики /7/.

В еукаріотичних геномах міститься до 50% сателітної ДНК, що складається з блоків тандемних повторів. Ці тандемні повтори поділяються на мікросателітні (до 4 п.н. в повторі) та мінісателітні (більше від 4 п.н.) послідовності. Блоки комплементарних нуклеотидних повторів можуть взаємодіяти між собою та приймати участь в міжмолекулярних взаємодіях, необхідних для біопроцесорної обробки інформації та/або регуляції експресії генів /8/. Інший тип послідовностей складають так звані SINE (короткі дисперговані елементи) та LINE (довгі) дисперговані елементи. Довжина SINE-элементів знаходиться в межах 400 п.н., а LINE- элементів - досягає 7 000 п.н. В геноме людини міститься близько 1 млн. Alu-повторів, що належать до SINE-елементів, і більше 100 тисяч довгих MaLR-повторів /1/. Загальними для диспергованих елементів є їх транскрибованість та здатність до транспозиції. Ці особливості можуть визначатись участю цих елементів в роботі ядерного біопроцесору. Транскрибованість, наприклад, може бути пов'язана з необхідність переводу двохниткової ДНК в однониткову РНК, здатну до міжмолекулярних взаємодій. Транспозиція ж мобільних елементів може приводити до змін у їхньому взаєморозміщенні, що є імовірною причиною функціональної адаптації структури біопроцесорної ДНК.

Найцікавішою особливістю структури еукаріотичних генів є їх мозаїчна інтрон-екзонна структура. Гени без інтронних вставок в еукаріотів є досить рідкісним явищем. Екзони, як правило, кодують послідовності, що в подальшому транслюються у струтуру білку, але критерії вибору послідовностей на роль екзонів відомі тільки полімеразам і регуляторним послідовностям /9/.

Середня довжина екзонів складає 137 п.н., тоді як довжина інтронів може переважати 100 000 п.н. /1/. Вважається, що в результаті сплайсингу інтрони видалаяються з мРНК, але, враховуючи дані про відносну довжину екзонів та інтронів, більш правильним буде розглядати цей процес як контрольоване видалення екзонів з з мозаїчної молекули, основна частина якої складається з інтронів.

Після сплайсингу мРНК переходить в цитоплазму, а числені петлеподібні молекули інтронної РНК залишаються у ядрі. Якою ж є їх подальша доля' Ці молекули можуть нести інформацію про кількість і властивості РНК, що надійшла у цитоплазму. Також, вони безпосередньо можуть регулювати дозрівання пре-мРНК крізь складні процеси міжмолекулярної взаємодії. Неможна також виключити існування глобальної мультимолекулярної багатофункціональної біопроцесорної сітки, де інтрони функціонують як регулятори експресії генів, і така регуляція здійснюється як на рівні транскрипції (через енхансери (посилювачі) та сайленсери (інгібітори)) так і на рівні сплайсингу.

Ядерна РНК об'єднується в так звані гетерогенні ядерні рибонуклеопротеїнові комплекси (гяРНП), асоційовані з компонентами апарату сплайсингу і ядерним матриксом. Для комплексів гяРНП характерним є диффузний розподіл у цитоплазмі, але частина їх може локалізуватись у районах спеклів і навіть повертатись у ядро з цитоплазми.

Факти свідчать про те, що переміщення РНК від гену до ядерної мембрани не є наслідком простої дифузії. Розміщення генів у геномі відповідно до моделі ядерної фіксації (gene gating model) функціонально пов'язане з певними ділянками ядерної мембрани аі ядерними порами/1/.

Ядро оточене складною оболонкою, до внутрішнього боку якої прилягає електроннощільний шар ядерної ламіни. Пронизана білковим скефолдом (скелетом або ядерним матриксом) нуклеоплазма містить хроматин ' впорядковану структуру, що складається з геномної ДНК, а також гістони та негістонові білки.

Залежно від ступеня компактизації ДНК розрізняють еухроматин, в якому більшість генів активно експресуються і гетерохроматин, що має понижену транскрипційну активність. Гетерохроматин, в свою чергу поділяється на конститутивний, що часто містить повторювані послідовності ДНК, і факультативний, що формується тільки на певних стадіях життєвого циклу і тільки на одній з хромосом з пари гомологів. Структурно відмінні ділянки хроматину бувають фланковані інсуляторами ' межовими послідовностями нуклеотидів, що приймають участь в активації транскрипції генів

В еукаріотів виділяють три рівня структурної організації хроматину: 1) нуклеосомна фібрила; 2) соленоїд (нуклеомер); 3) петельно-доменна структура, що включає хромомеры /1/. Хромомери формуються в результаті специфічної взаємодії ядерного матриксу з MAR/SAR-послідовностями ДНК (Matrix Associated Region / Scaffold Associated Region) /8/. Топологічні домени, виокремлені за допомогою MAR/SAR-послідовностей, можуть змінюватись в процесі індивідуального розвитку організму, що супроводжується зміною характеру експресії великих блоків генів в клітинах, що диференціюються. Крім того, ці послідовності беруть участь в формуванні осі хроматиди, що утворює разом з петлями хроматину тіло метафазної хромосоми /1/.

Розподіл ділянок гетеро- та еухроматину в інтерфазних хромосомах є строго визначеним і, очевидно, може бути видовою ознакою. Теломерні частини хромосом знаходяться поблизу оболонки, тоді як экспресовані гени локалізуються переважно у внутрішніх частинах інтерфазних ядер. Показано, що матеріал окремих хромосом в ядрі не змішується і займає дискретні зони, на периферії яких містяться компоненти апарату сплайсингу и треки синтезованої РНК /1/.

Найбільшим нехромосомним компартментом ядра є ядерце - нуклеопротеїновий комплекс, в якому розрізняють три основні високовпорядковані зони: фібрилярний центр, оточений фибрилярною зоною и зовнішню гранулярну область. Вважається, що спостережувані зміни структури ядерця визначаються його функцією мікрокомпартменту біогенезу рибосоми. Останнім часом з'явились дані, що вказують на участь ядерця в регуляції клітинного циклу /1/. Морфологічно в нуклеоплазмі виділяють клубки переплетених ниток, часто асоційованих з периферією ядерця (згорнуті тільця), щільні фібрилярні кільця (ядерні тільця PML, ядерні домени WT1 и тільця Барра (компактний гетерохроматин неактивної X-хромосоми). На межах доменів конденсованого хроматину розміщені перихроматинові фібрили ' рибонуклеопротеїнові комплекси діаметром 3+20 нм. Також, тут є компоненти апарату сплайсингу. Синтез РНК тісно асоційований з дискретними міжхроматиновими гранулами (спеклами), причому кожне ядро має від 20 до 50 спеклів /1/.

На жаль, вивчення ядерної архітектоніки стикається з величезними методичними труднощами, та все ж на сьогодні інформації достатньо, щоб говорити про надзвичайно високу складність структурної організації клітинного ядра. Цей факт не є доказом на користь існування ядерних біопроцесорів, в яких інформаційні потоки обробляються молекулярними логічними елементами, але дозволяє розглядати подібне припущення a priori.

Розумна репарація'

В останні роки було відкрито і вивчено кілька механізмів редагування РНК на посттранскрипційному рівні. Показано, наприклад, що в мітохондріях слизневиків відбувається вбудовування залишків цитозину в множинні ділянки РНК. В мітохондріях трипаносом в редагуванні РНК, імовірно, приймають участь складні нуклеопротеїдні комплекси - едитосоми /1/.

В мітохондріальних і ядерних транскриптах хребетних тварин при поліаденілуванні мРНК з'вляються беззмістовні кодони, що приводять до передчасної термінації трансляції і до синтезу нових поліпептидних ланцюгів. В мітохондріях вищих рослин в результаті ферментативного дезамінування деякі залишки цитозину замінюються на урацил. Подібний механізм редагування мРНК виявлено також і в хлоропластах /1/.

Вивчення посттранскрипційного редагування мРНК тільки починається, але імовірно, що подібний феномен, що також зустрічається в прокаріотичних мікроорганізмів, для еукаріотів є правилом, а не виключенням. Більш проблематичним є питання про наявність в еукаріотів молекулярних механізмів корекції геномної ДНК.

Випадковість мінливості, що є одною з основних аксіом синтетичної теорії еволюції, має багато опонентів /12, 13/.

варіантом генетичної адаптації є зворотня дуплікація генів, характерна як для бактерій, так і для еукаріот. Дуплікація генів, що детермінують синтез рибосомної РНК, контролюється на молекулярному рівні, але цей вид адаптивної мінливості можна вважати звичайним механізмом регуляції експресії генів.

ПЕРЕЛIК ДЖЕРЕЛ, ЩО БУЛИ ВИКОРИСТАНI:

1. Патрушев Л.И. Экспрессия генов. - М.,"Наука", 2000 г. 527 с.
2. Валиев К.А., Кокин Ф.Ф. Из итогов века: От кванта к квантовым компьютерам // http://aakokin.chat.ru/xx.htm
3. Валиев К.А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография // Вестник РАН. 2000 г. Т. 70, 8. с. 688-685.
4. Гаряев П.П., Македонский С.Н., Леонова Е.А. Биокомпьютер на генетических молекулах как реальность // Информационные технологии. 1997 г. - 5.
5. Лучинин В.В., Мальцев П.П. Биомолекулы как базис информационных систем будущего // Информационные технологии. 1997 г. - 5.
6. Гаряев П.П. Волновой генетический код. - М., 2000 г.
7. Стругацкий А.Н., Стругацкий Б.Н. Попытка к бегству // В сб.: Избранное. М., Московский рабочий , 1989 г. с. 289-379.
8. Davidson E.H., Britten R.J. Regulation of gene expression: possible role of repetitive sequvences // Sience. 1979. Vol.204. P.1052-1059.
9. Глазков М.В. Петельно-доменная организация генов в эукариотических хромосомах // Молекул. биология. - 1995. - Т.29. с. 965-982.
10. Miller J.H. Spontaneous mutators in bacteria: insight into pathways of mutagenesis and repair // Annu. Rev. Microbiol. 1996. Vol.50. - P.625-643.
11. Льюин Б. Гены / Пер. с англ. - М., Мир . 1987. 544 с. (с.295-296).
12. Любищев А.А. Проблемы формы систематики эволюции организмов.
13. Берг Л.С. Номогенез, или эволюция на основе закономерностей // В сб.: Берг Л.С. Труды по теории эволюции. 1977. Л., Наука . С.95-311.
14. Акифьев А.П. Диминуция хроматина феномен, предназначенный для исследования ряда ключевых вопросов генетики: http://www.bionet.nsc.ru
15. Гришанин А.К., Худолий Г.А., Шайхаев Г.О. и др. Генетика. 1996. Т. 32. С. 492.