Код в коді: розкритий другий генетичний код

Провідний науковий журнал Nature повідомив про виявлення другого генетичного коду - такого собі «коду всередині коду», який був недавно зламаний молекулярними біологами та комп'ютерними програмістами. Більш того, для того щоб його виявити, вони використовували не еволюційну теорію, а інформаційні технології.

Новий код отримав назву Код сплайсингу. Він знаходиться всередині ДНК. Цей код контролює основний генетичний код дуже складним, однак, передбачуваним чином. Код сплайсингу управляє тим, як і коли відбувається збірка генів і регулюючих елементів. Розкриття цього коду всередині коду допомагає пролити світло на деякі давні таємниці генетики, які спливли на поверхню після проведення Проекту по розшифровці повної послідовності генома людини. Одна з таких таємниць полягала в тому, чому в такому складному організмі, як людський, існує всього лише 20 000 генів? (Вчені очікували виявити набагато більше.) Чому гени розбиваються на сегменти (екзонів), які поділяються некодуючими елементами (інтрони), а потім після транскрипції з'єднуються разом (тобто сплайсіруются)? І чому гени включаються в одних клітинах і тканинах, і не включаються до інших? Протягом двох десятиліть молекулярні біологи намагалися з'ясувати механізми генетичної регуляції. Ця стаття вказує на дуже важливий момент в розумінні того, що відбувається насправді. Вона не дає відповіді на всі питання, але вона демонструє, що внутрішній код існує. Цей код - система передачі інформації, яку можна так зрозуміло розшифрувати, що вчені могли б прогнозувати, як в певних ситуаціях і з незрозумілою точністю може вести себе геном.

Уявіть, що в сусідній кімнаті ви чуєте оркестр. Ви відкриваєте двері, заглядаєте всередину і бачите в кімнаті трьох або чотирьох музикантів, що грають на музичних інструментах. Це те, на що, за словами Брендона Фрея, який брав участь в розкритті коду, схожий людський геном. Він каже: «Ми змогли виявити тільки 20,000 генів, але ми знали, що вони утворюють величезну кількість білкових продуктів і регулюючих елементів. Як? Один з методів називається альтернативним сплайсингом ». Різні Екзони (частини генів) можуть збиратися різними способами. «Наприклад, три гена білка нейрексіна можуть створювати більше 3000 генетичних послань, які допомагають керувати системою зв'язків мозку», - говорить Фрей. Тут же в статті йдеться про те, що вченим відомо, що 95% наших генів мають альтернативний сплайсинг, і в більшості випадків в різних типах клітин і тканин транскрипти (молекули РНК, що утворюються в результаті транскрипції) експресуються по-різному. Повинно бути щось, що управляє тим, як збираються і експресуються ці тисячі комбінацій. В цьому і полягає завдання Коду сплайсингу.

Читачі, які хочуть отримати побіжний огляд відкриття, можуть прочитати статтю в Science Daily під назвою «Дослідники, які зламали 'Код сплайсингу', розкривають таємницю, що лежить в основі біологічної складності». У статті мовиться: «Вчені з університету Торонто отримали фундаментально нове уявлення про те, як живі клітини використовують обмежену кількість генів для освіти таких неймовірно складних органів, як мозок». Сам журнал Nature починається зі статті Хейді Ледфорд «Код всередині коду». 1 Потім послідувала стаття Техедора і Валькарсел під назвою «Регуляція генів: злом другого генетичного коду. 2 І, нарешті, вирішальною стала стаття групи дослідників з університету Торонто під керівництвом Бенджаміна Д. Бленкоу і Брендона Д. Фрея, «Розшифровувавши код сплайсингу». 3

Ця стаття - перемога інформаційної науки, яка нагадує нам дешифрувальників часів Другої Світової Війни. Їх методи включали алгебру, геометрію, теорію ймовірностей, векторне числення, теорію інформації, оптимізацію коду програми, і інші передові методи. У чому вони не потребували, так це в еволюційної теорії, яка ніколи не згадувалася в наукових статтях. 4 Читаючи цю статтю, можна побачити, під яким сильним напругою знаходяться автори цієї увертюри:

«Ми описуємо схему 'коду сплайсингу', в якій використовуються комбінації сотень властивостей РНК для того, щоб передбачити обумовлені тканинами зміни в альтернативному сплайсинг тисячі екзонів. Код встановлює нові класи схем сплайсингу, розпізнає різні регулюють програми в різних тканинах і встановлює контрольовані мутаціями регулюють послідовності. Ми розкрили широко поширені регулюють стратегії, включаючи: використання непередбачено великих об'єднань властивостей; виявлення низьких рівнів включення екзонів, які послаблюються властивостями специфічних тканин; прояв властивостей в інтрони глибше, ніж вважалося раніше; і модуляція рівнів сплайс-варіанти структурними характеристиками транскрипта. Код допоміг встановити клас екзонів, включення яких заглушає експресію в тканинах дорослого організму, активуючи деградацію мРНКа, і виключення яких сприяє експресії під час ембріогенезу. Код полегшує розкриття і детальний опис регульованих подій альтернативного сплайсингу в масштабах всього генома ».

В команді, зламали код, брали участь фахівці з кафедри електронної та обчислювальної техніки, а також з кафедри молекулярної генетики. (Сам же Фрей працює в підрозділі корпорації Microsoft, Microsoft Research) Подібно дешифрувальників минулого часу, Фрей і Бараш розробили «новий метод біологічного аналізу, проведеного за допомогою комп'ютера, який виявляє 'кодові слова', заховані усередині генома». За допомогою величезної кількості даних, створених молекулярними генетиками, група дослідників проводила «зворотний розробку» коду сплайсингу до тих пір, поки вони не змогли передбачити, як він буде діяти. Як тільки дослідники з цим впоралися, вони перевірили цей код на мутаціях і побачили, як вставляються або видаляються Екзони. Вони виявили, що код навіть може викликати тканеспеціфіческіе зміни або діяти по-різному в залежності від того, доросла це миша або ембріон. Один ген, Xpo4, пов'язаний з раком; дослідники відзначили: «Ці дані підтверджують висновок про те, що експресія Xpo4 гена повинна суворо контролюватися, щоб уникнути можливих згубних наслідків, включаючи онкогенез (рак), так як він активний під час ембріогенезу, але його кількість знижено в тканинах дорослого організму. Виявляється, що вони були абсолютно здивовані рівнем контролю, який вони побачили. Навмисно чи ні, але в якості ключа до розгадки Фрей використав не випадкову мінливість і відбір, а мова розумного задуму. Він зазначив: «Розуміння складної біологічної системи подібно розуміння складної електронної схеми».

Хейді Ледфорд сказав, що уявна простота генетичного коду Уотсона-Кріка, з його чотирма підставами, триплетними кодонами, 20 амінокислотами і 64 «символами» ДНК - приховує під собою цілий світ складності. 1 Ув'язнений всередині цього більш простого коду, Код сплайсингу набагато складніше.

Але між ДНК і білками знаходиться РНК - окремий світ складності. РНК - це трансформер, який іноді переносить генетичні послання, а інколи керує ними, задіюючи при цьому безліч структур, здатних впливати на його функцію. У статті, опублікованій в цьому ж випуску, група дослідників під керівництвом Бенджаміна Д. Бленкоу і Брендона Д. Фрея з університету Торонто в Онтаріо, Канада, повідомляє про спроби розгадати другий генетичний код, який може передбачати, як сегменти інформаційної РНК, транскрибоване з певного гена, можуть змішуватися і поєднуватися, щоб утворювати різноманітні продукти в різних тканинах. Це процес відомий як альтернативний сплайсинг. На цей раз немає ніякої простий таблиці - замість неї алгоритми, які об'єднують понад 200 різних властивостей ДНК з визначеннями структури РНК.

Робота цих дослідників вказує на швидкий прогрес, якого досягли обчислювальні методи в складанні моделі РНК. На додаток до розуміння альтернативного сплайсингу, інформатика допомагає вченим прогнозувати структури РНК і встановлювати маленькі регулюють фрагменти РНК, які не кодують протеїни. «Це чудовий час», - говорить Крістофер Берг, комп'ютерний біолог з массачусетського інституту технологій в Кембриджі. «У майбутньому нас чекає величезний успіх».

Інформатика, комп'ютерна біологія, алгоритми і коди - ці концепції не були частиною дарвіновського словника, коли він розробляв свою теорію. У Менделя була дуже спрощена модель того, як розподіляються ознаки під час успадкування. До того ж, ідея про те, що ознаки кодуються, була представлена ​​тільки в 1953 році. Ми бачимо, що вихідний генетичний код регулюється ще більш складним, включеним в нього, кодом. Це революційні ідеї. До того ж є всі ознаки того, що цей рівень контролю не останній. Ледфорд нагадує нам, що наприклад, РНК і білки мають тривимірну структуру. Функції молекул можуть змінюватися, коли змінюється їх форма Має існувати щось, що контролює складання, так що тривимірна структура виконує те, що вимагає функція. До того ж, доступ до генів, мабуть, контролюється іншим кодом, гістонові кодом. Цей код закодований молекулярними маркерами або «хвостами» на гістонових білках, які служать центрами для скручування і суперскручіванія ДНК. Описуючи наш час, Ледфорд говорить про «постійну відродження в інформатиці РНК».

Техедор і Валькарсел згодні з тим, що за простотою криється складність. 2 «По ідеї все виглядає дуже просто: ДНК утворює РНК, яка потім створює білок», - починають вони свою статтю. «Але в реальності все набагато складніше». У 1950-х роках ми дізналися про те, що всі живі організми, від бактерій до людини, мають основний генетичний код. Але незабаром ми зрозуміли, що складні організми (еукаріоти) мають якимось неприродним і важким для розуміння властивістю: їх геноми мають своєрідні ділянки, інтрони, які повинні вилучатися, щоб Екзони могли з'єднатися разом. Чому? Сьогодні туман розсіюється: «Основна перевага цього механізму полягає в тому, що він дозволяє різним клітинам вибирати альтернативні способи сплайсингу попередника матричної РНК (пре-мРНК) і таким чином один ген утворює різні послання», - пояснюють вони, - «а потім різні мРНК можуть кодувати різні білки з різними функціями ». З меншого коду ви отримуєте більше інформації, за умови, що всередині коду є цей інший код, який знає, як це зробити.

Що і робить злом коду сплайсингу настільки важким, так це те, що фактори, які контролюють складання екзонів, встановлюються безліччю інших чинників: послідовностями, розташованими поруч з кордонами екзона, послідовностями інтронів і регулюючими чинниками, які або допомагають, або гальмують механізм сплайсингу. До того ж, «впливу певної послідовності або фактора можуть змінюватися в залежності від її розташування щодо кордонів Інтрона-екзона або інших регуляторних мотивів», - пояснюють Техедор і Валькарсел. «Тому найскладнішим завданням в прогнозі тканеспеціфіческіе сплайсингу є обчислення алгебри незліченної кількості мотивів і взаємин між регуляторними факторами, які їх розпізнають».

Для вирішення цієї проблеми група дослідників ввела в комп'ютер величезну кількість даних про послідовності РНК і умовах, в яких вони утворилися. «Потім комп'ютера було дано завдання - визначити комбінацію властивостей, які найкраще могли б пояснити експериментально встановлений тканеспеціфіческіе відбір екзонів». Іншими словами, дослідники провели зворотну розробку коду. Подібно дешифрувальників часів Другої Світової Війни, як тільки вчені дізнаються алгоритм, вони можуть будувати припущення: «Він правильно і з точністю встановив альтернативні Екзони і передбачив їх диференціальне регулювання між парами типів тканин». І так само як будь-яка хороша наукова теорія, відкриття дало нове розуміння: «Це дозволило нам по-новому пояснити раніше встановлені регуляторні мотиви і вказало на раніше невідомі властивості відомих регуляторів, а також несподівані функціональні зв'язки між ними», - відзначили дослідники. «Наприклад, код має на увазі, що включення екзонів, що веде до процессірованной білків, є загальним механізмом управління процесом експресії генів під час переходу з ембріональної тканини в тканину дорослого організму».

Техедор і Валькарсел вважають публікацію їх статті важливим першим кроком: «Роботу ... краще розглядати як відкриття першого фрагмента набагато більшого Розеттського каменю, необхідного для розшифровки альтернативних повідомлень нашого геному». За словами цих вчених, майбутні дослідження, безсумнівно, поліпшать їх знання про цей новий коді. На закінчення своєї статті вони побіжно згадують еволюцію, і роблять це дуже незвичайним чином. Вони кажуть: «Це не означає, що еволюція створила ці коди. Це означає, що прогрес буде вимагати розуміння того, як коди взаємодіють. Іншою несподіванкою стало те, що спостережувана на сьогодні ступінь збереження піднімає питання про можливе існування «видоспецифічності кодів».

Код, ймовірно, працює в кожній окремій клітці і, тому, можливо повинен відповідати більш ніж за 200 типів клітин ссавців тварин. Також він повинен справлятися з величезною різноманітністю схем альтернативного сплайсингу, не кажучи вже про простих рішеннях про включення або пропуску окремого екзона. Обмежене еволюційний збереження регулювання альтернативного сплайсингу (який за підрахунками становить близько 20% між людьми і мишами) піднімає питання про існування видоспецифічності кодів. Більш того, зв'язок між процессингом ДНК і транскрипцією генів впливає на альтернативний сплайсинг, і останні дані вказують на упаковку ДНК гістонові білками і ковалентними модифікаціями гістонів (так званий епігенетичні код) в регуляції сплайсингу. Тому майбутнім методам належить встановити точне взаємодія між гістонові кодом і кодом сплайсингу. Те ж саме стосується ще мало розуміється впливу складних структур РНК на альтернативний сплайсинг.

Коди, коди і знову коди. Те, що вчені практично нічого не говорять про дарвінізм в цих статтях, вказує на те, що еволюційним теоретикам - прихильникам старих ідей і традицій, належить багато над чим поміркувати після того, як вони прочитають ці статті. А ось ті, хто з захопленістю відноситься до біології кодів, виявляться на передовій. У них є чудова можливість скористатися захоплюючим веб-додатком, яке дешифровщики створили для того, щоб стимулювати проведення подальшого дослідження. Його можна знайти на сайті університету Торонто під назвою «Веб-сайт прогнозування альтернативного сплайсингу». Відвідувачі марно шукатимуть тут згадки про еволюцію, і це не дивлячись на стару аксіому, що нічого в біології не має без неї сенсу. Нова версія цього виразу 2010 може звучати так: «Ніщо в біології не має сенсу, якщо не розглядається в світлі інформатики».

1. Хейді Ледфорд, «Код всередині коду», журнал Nature 465, 16-17 (06 травня, 2010) | doi: 10.1038 / 465016a. Повернутися до тексту.
2. Д. Рамон Техедор і Хуан Валькарсел, «Регуляція генів: злом другого генетичного коду», журнал Nature 465, 44-46 (06 травня, 2010) | doi: 10.1038 / 465045a. Повернутися до тексту.
3. Джозеф Бараш, Джон A. Каларко, Вейжан Гао, Кун Пан, Хінч Ванг, Офер Шай, Бенджамін Д. Бленкоу і Брендон Д. Фрей, «Розшифровувавши код сплайсингу», журнал Nature 465, 53-59 (06 травня, 2010) | doi: 10.1038 / nature09000. Повернутися до тексту.
4. Інформація «збереження» згадується кілька разів, але означає тільки ступінь подібності послідовностей між видами, наприклад, між геномами миші і людини. Збереження не має еволюційного значення, якщо не піднімає при цьому питання про еволюцію. Повернутися до тексту.

Ми раді, що змогли розповісти вам про цю історію в день її публікації. Можливо, це одна з найбільш значущих наукових статей року. (Звичайно ж, значущим є кожне велике відкриття, зроблене іншими групами вчених, як відкриття Уотсона і Крика.) Єдине, що ми можемо сказати на це: «Ось це так!» Це відкриття - чудове підтвердження Створення за задумом і величезний виклик дарвінівської імперії . Цікаво, як еволюціоністи спробують виправити свою спрощену історію випадкових мутацій і природного відбору, яка була придумана ще в 19 столітті, в світлі цих нових даних.

Ві зрозумілі, про что говорять Техедор и Валькарсел? Види могут мати свой власний код, властівій только ЦІМ видам. «Тому майбутнім методам Належить Встановити точне Взаємодія между гістонові [епігенетічніх] кодом и кодом сплайсингу», - відзначають смороду. У перекладі це означає: «Дарвіністі тут ні до чого. Смороду просто не здатні з ЦІМ впоратіся ». Якщо простий генетичний код Уотсона-Кріка був проблемою для дарвіністів, то, що вони скажуть тепер про код сплайсингу, який з одних і тих же генів створює тисячі транскриптов? А як вони впораються з епігенетичних кодом, який керує експресією генів? І хто знає, може в цьому неймовірному «взаємодії», про який ми тільки починаємо дізнаватися, задіяні і інші коди, що нагадують Розеттський камінь, тільки початківець показуватися з піску?

Тепер, коли ми розмірковуємо про коди і інформатики, ми починаємо думати про різні парадигмах нового дослідження. Що якщо геном частково діє як мережа зберігання даних? Що якщо в ньому має місце криптографія або відбуваються алгоритми стиснення? Нам слід згадати про сучасні інформаційні системи та технології зберігання інформації. Може бути, ми навіть виявимо елементи стеганографії. Безсумнівно, існують додаткові механізми стійкості, такі як дублювання і виправлення, які можливо допоможуть пояснити існування псевдогенов. Копіювання всього генома можуть бути реакціями на стрес. Деякі з цих явищ можуть виявитися корисними показниками історичних подій, які не мають нічого спільного з універсальним спільним предком, але допомагають дослідити порівняльну геноміку в рамках інформатики та дизайну стійкості, а також допомагають зрозуміти причину захворювання.

Еволюціоністи виявляються в сильному скруті. Дослідники спробували видозмінити код, а отримали лише рак і мутації. Як вони збираються пройти по полю пристосованості, якщо воно все заміновано катастрофами, які чекають своєї години, як тільки хтось починає втручатися в ці нерозривно пов'язані коди? Ми знаємо, що існує якась вбудована стійкість і переносимість, але вся картина являє собою неймовірно складну, розроблену, оптимізовану інформаційну систему, а не безладне з'єднання частин, якими можна нескінченно гратися. Вся ідея коду є концепцією розумного задуму.

AE Уайлдер-Сміт надавав цьому особливого значення. Код передбачає угоду між двома частинами. Угода - це завчасне згоду. Воно має на увазі планування і мета. Символ SOS, як сказав би Уайлдер-Сміт, ми використовуємо за угодою як сигнал лиха. SOS не виглядає як лихо. Воно не пахне як лихо. Воно не відчувається як лихо. Люди не розуміли б, що ці букви позначають лихо, якби вони не розуміли суть самої угоди. Подібним чином, кодон аланина, ГЦЦ, не виглядає, не пахне і не відчувається як аланін. Кодон не мав би ніякого відношення до аланину, якби між двома кодують системами (кодом білка і кодом ДНК) не було заздалегідь встановленого угоди про те, що «ГЦЦ повинен означати аланин». Для передачі цієї угоди використовується сімейство перетворювачів, аміноацил-тРНК-синтетаз, які переводять один код в інший.

Це повинно було зміцнити теорію задуму в 1950-х роках і багато креаціоністи ефективно її проповідували. Але еволюціоністи схожі на красномовних торговців. Вони склали свої казки про феї Дінь-Дінь, яка розбирає код і створює нові види шляхом мутації і відбору, і переконали багатьох людей в тому, що чудеса можуть відбуватися і сьогодні. Ну, добре, сьогодні за вікном 21-е століття і нам відомий епігенетичні код і код сплайсингу - два коду, які набагато складніше і динамічніше, ніж простий код ДНК. Ми знаємо про коди всередині кодів, про коди над кодами і під кодами - нам відома ціла ієрархія кодів. На цей раз еволюціоністи не можуть просто вставити палець в пістолет і з блефом переконувати нас своїми красивими промовами, коли по обидва боки розставлені гармати - цілий арсенал, спрямований на їх головні елементи конструкції. Все це гра. Навколо них виросла ціла ера інформатики, вони давно вийшли з моди і схожі на Греков, які намагаються з списами лізти на сучасні танки і вертольоти.

Сумно визнавати, але еволюціоністи не розуміють цього, або навіть якщо і розуміють, то не збираються здаватися. Між іншим, на цьому тижні, якраз коли була опублікована стаття про Коді сплайсингу, зі сторінок продарвіновскіх журналів і газет посипалася найбільш зла і ненависна за останнім часом риторика, спрямована проти креаціонізму і розумного замисда. На нас чекає почути ще про багатьох подібних прикладах. І поки вони тримають в своїх руках мікрофони і контролюють інститути, багато людей будуть потрапляти на їх вудку, думаючи, що наука продовжує давати їм достатню підставу. Ми розповідаємо вам все це для того, щоб ви читали цей матеріал, вивчали його, розуміли і запаслися інформацією, яка вам необхідна для того, щоб убити істиною цей фанатичний, що вводить в оману дурниця. А тепер, вперед!

Джерело - www.crev.info