Функциональная генетика

Функциональная генетика — направление в генетике, целью которого является установление количественных закономерностей функционирования (работы) генетического аппарата (генома) клетки в связи с различными проявлениями её жизнедеятельности (биологическими процессами).

К этим процессам относится жизненный или митотический цикл, специализация (дифференцировка) и выполнение «работы», соответствующей её специализации (функционирование) в норме и патологии.

История

Идея о том, что между ДНК и РНК имеются количественные связи и что изучение этих связей ведет к управлению наследственностью, существует с периода формирования современных представлений о биологической роли нуклеиновых кислот. Она отражена в общепринятой схеме передачи генетической информации от ДНК к РНК и белку и в названии глобальной научной проблемы — «исследование структуры и функции генома клетки». Функциональная генетика создает возможность экспериментального изучения непосредственно «функции» генома («структуру» изучает молекулярная биология).

В середине прошлого века многие ученые пытались выявить связи между ДНК и РНК. Для этого широко использовали биохимический метод Шмидта и Таннгаузера (1945г), позволяющий определять соотношение РНК/ДНК или ДНК/РНК в клетках, выделенных из тканей животных. Конечный результат характеризовал клеточную популяцию. Чтобы преодолеть ограничения метода, исследователи обратились к количественной цитохимии. Пионерами в её становлении были цитологи, которые традиционно используют микроскопы и различные методы окраски клеток. С самого начала было ясно, что по мере создания и внедрения методов количественной цитохимии наука о клетке приобретёт новое качество. Количественная цитохимия по определению является междисциплинарным направлением в науке. В процессе её становления возникла целая индустрия по созданию специальных измерительных приборов: измерительных микроскопов, проточных флуориметров и иных средств автоматизации цитологических исследований. Одновременно создавались новые и модифицировались известные цитохимические методы, исследовались также источники специфических ошибок метода измерений в целом. Подобные работы, проводимые в Институте химической физики АН СССР в период с 1966 по 1993г., позволили установить несколько количественных закономерностей, имеющих отношение к основной теме (1-6).

Факты

Изучались однородные по морфологическим признакам клеточные популяции. В каждой клетке определяли содержание ДНК и РНК. Результаты их измерений в виде точек наносили на график, где по оси абсцисс отложено содержание ДНК, а по оси ординат - содержание суммарных РНК, выраженные в единых весовых единицах - единицах плоидности «с» (величина постоянная для вида животного). В результате получается некое двумерное распределение точек на плоскости в координатах ДНК-РНК, похожее на звездное небо. Было замечено, что:

1. Границы двумерных распределений однородных по морфологическим признакам клеточных популяций в принятых координатах соответствуют форме простых геометрических фигур типа эллипса и трапеции. Размеры фигур и их положение на графике постоянны для клеток определенного типа и не зависят от вида животного.
2. Форма распределений результатов измерений смешанных клеточных популяций на графике соответствует сумме из нескольких простых геометрических фигур.
3. При исследовании клеток, находящихся в фазе пролиферативного покоя, форма распределения клеточной популяции в координатах ДНК-РНК соответствует вертикально расположенному эллипсу, большой диаметр которого приходится на 2с ДНК (для «нормы») или кратному показателю, если исследуются полиплоидные клетки. Малый диаметр указывает на ошибку метода.
4. Если популяция состоит из пролиферирующих (находящихся в фазе синтеза) клеток, то её форма соответствует трапеции. Её параллельные стороны приходятся на 2с и 4с ДНК, а наклонные расположены под разными углами к оси абсцисс. Было замечено, что верхняя граница распределения практически совпадает с биссектрисой координатного угла. На неё приходятся результаты измерений наименее дифференцированных (по морфологическим признакам) клеток. На нижнюю границу - результаты измерений наиболее дифференцированных клеток (исследовали тимоциты и клетки костного мозга). Замечено также, что среднее количество РНК в клетках по мере увеличения содержания ДНК монотонно увеличивается.
5. Данные, приведенные в п. 3 и 4, говорят о двух способах «функционирования» генома клетки - один осуществляется во время фазы синтеза, другой – во время фазы пролиферативного покоя, а также о существовании прямой зависимости между содержанием ДНК (х) и РНК (у) в нормальных пролиферирующих клетках. Эта зависимость описана формулой у = ах, где а – коэффициент. Высказано предположение о том, что данный коэффициент является новой разновидностью биологических констант и, одновременно, многофункциональным показателем: относительной скоростью биосинтеза РНК (v - кинетический параметр), а также показателем доли генома, «функционирующего» в клетках определенного типа и её своеобразным количественным паспортом.
6. Данные, представленные в п. 4 и предположения из п. 5, позволили сформулировать гипотезу, согласно которой в популяции пролиферирующих и дифференцирующихся клеток – в тимоцитах (традиционная модель для изучения процесса клеточной дифференцировки), существует несколько групп клеток с разным соотношением РНК/ДНК. Гипотеза подтвердилась. Было установлено число таких групп n = 6, оценены значения a1 = 1; a2 = 0,82; a3 = 0,64; a4 = 0,44; a5 = 0,28 и a6 = 0,19 и вероятность перехода дочерних клеток, образующихся при митозе, на очередной этап процесса клеточной дифференцировки (p ~ 0,75). Так впервые в мировой практике были оценены кинетические параметры процесса клеточной дифференцировки.

Методология

Методология Функциональной генетики общая с биофизикой. Различия лишь в том, что биофизику создали физики, которые пришли в биологию со своими знаниями и научными ценностями.

В результате современную биофизику трактуют как «физику живого». В Функциональной генетике используются не знания физиков, а логика их мышления. Цели и задачи научных исследований, а также подбор необходимых клеточных моделей, всецело зависят от биологов. Цитологи оценивают морфологию клеток, придают им определенный биологический смысл и на этом основании определяют тактику последующего научного исследования. Это уже не «физика живого», а биология будущего. Методология Функциональной генетики базируется на кинетике, как науки о скоростях различных, в том числе и биологических, процессов (учение Н.Н. Семенова и Н.М. Эмануэля). Её правила (правила математики) формируют особенности профессионального языка, в котором на первое место выходит требование к точности (однозначности) используемых терминов и понятий. Это относится, в частности, к слову «клетка». В современной биологии царствующей методологией является «феноменология», естественная для раннего этапа развития науки. Соответственно этой методологи под словом «клетка» подразумевается стационарный, абстрактный, усредненный «образ» клетки, совпадающий с её рисунком или фотографией из учебника по биологии. Стационарному «образу» противостоит «кинетический образ» (или «кинетическая модель клетки»), имеющий вид одной или нескольких линий на графике ДНК-РНК, который отражает жизненный путь клетки определенного типа. Такой «образ» (или «модель») позволяет на фиксированных (мертвых) клетках изучать «кинетику внутриклеточных биологических процессов», при этом под термином «биологические процессы» подразумеваются любые проявления её жизнедеятельности, характеризующиеся закономерными количественными и качественными особенностями функционирования генома. Как и ранее, источником знаний о «клетке» остается клеточная популяция. В прежних условиях ученые не могли выявить количественные связи между ДНК и РНК, поскольку изучали суммарные свойства всегда сложных по составу клеточных популяций. В обычных популяциях преобладают клетки, находящиеся вне фазы синтеза (от 80 до 100%). В них нет явной связи между ДНК и РНК – содержание РНК варьирует в зависимости от активности клеток, тогда как содержание ДНК остается постоянным. Особую научную ценность приобретает изучение коэффициента а (РНК/ДНК) и кинетических параметров процесса клеточной дифференцировки. Их установление и систематизация открывают принципиально новые возможности в деле изучения механизмов функционирования генома и решения целого ряда прикладных задач, включая управление «наследственностью».

Литература

• Переверзев Б.Л. «Количество РНК в жизненном цикле нормальных и опухолевых клеток» - ДАН СССР, 1978, том 241, № 4, с.946-948.
• Конрадов А.А., Переверзев Б.Л., Максимов В.М. «О связи количественных характеристик двумерного распределения клеток по содержанию ДНК и РНК со свойствами этих клеток» - Известия АН СССР (серия биологическая), 1984, №1, с.124-129.
• Переверзев Б.Л. «Количественная цитохимия нуклеиновых кислот нормальной и злокачественной клетки»- Дисс.докт.наук. Киев, 1988.
• Pereversev B. «Genetics lies in the center of biological problems» - Science in Russia, 1993, № 1, р. 72- 75. 5. Переверзев Б.Л. «Подход к экспериментальному изучению функции генома клетки» - РХЖ, 2001, XLV, №1, с.88 – 91.
• Переверзев Б.Л. «Две генетики. Функциональная генетика как основа будущей биологии» - Вестник сибирского отделения Академии военных наук, 2015, №31, с.188-194.