| ЧЕЛОВЕК . ВОЗНИКНОВЕНИЕ РЕЧИ . СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ |
| ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ НА САЙТ ЮРИЯ ПАВЛОВА! |
|---|
|
|
|
|---|
|
|
Научение на молекулярно-генетическом уровне
Новый опыт и экспрессия генов
Мозг – орган, экспрессирующий наибольшее число генов в организме. На молекулярном уровне специфичность каждой из клеток организма создается составом белков, из которых она построена и которые обеспечивают ее функции. Эти белки синтезируются за счет активности генов в составе ДНК, содержащейся в ядре клетки - в геноме организма. Ген – материальный носитель наследственности, единица наследственной (генетической) информации, способная к воспроизведению. У высших организмов (эукариот) она расположена в определенном участке (локусе) данной хромосомы. Развитие молекулярной генетики привело к раскрытию химической природы генетического материала и представлению о гене как участке молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК) со специфическим набором нуклеотидов, в линейной последовательности которых закодирована генетическая информация. Каждый ген ответственен за синтез определенного белка (фермента или др.). Контролируя их образование, гены управляют всеми химическими реакциями организма и определяют т. о. его признаки. Уникальное свойство генов – сочетание их высокой устойчивости (неизменяемости в ряду поколений) со способностью к наследуемым изменениям – мутациям, которые являются источником генетической изменчивости организмов и основой для действия естественного отбора. Экспрессия гена - синтез белка посредством считывания информации с гена в виде молекулы матричной РНК (мРНК) и ее трансляция в белковую молекулу. В каждой клетке экспрессируются далеко не все гены, а только определенная их часть, которая и определяет молекулярную специфику ее композиции и функций. Обычно, для построения того или иного органа достаточно экспрессии в его клетках лишь нескольких процентов от общего числа генов в геноме. Формирование нового опыта требует экспрессии генов в мозге. Современные представления о молекулярно-биологических механизмах обучения и памяти строятся на положении о кратковременной и долговременной формах хранения информации в мозге. В основе этой теории лежит открытие Г. Мюллера и А. Пильзекера, обнаруживших в 1900 году, что переход из кратковременной и легко нарушаемой памяти в долговременную и устойчивую память происходит у человека в течение первого часа после получения им новой информации. Они назвали этот процесс консолидацией памяти. Основным шагом в понимании биологических механизмов консолидации памяти стало открытие 1960-х годов, показавшее, что переход памяти из кратковременной в долговременную форму требует синтеза новых молекул РНК и белка, т.е. экспрессии генов. Было установлено, что волна синтеза новых белков в клетках при запоминании информации совпадает с периодом консолидации памяти, обнаруженным Мюллером и Пильзекером, а химическая блокада экспрессии генов в этот период нарушает образование долговременной памяти. Оказалось также, что "критическое окно" амнестического действия блокаторов экспрессии генов универсально для самых разных видов обучения и различных организмов, от беспозвоночных до человека. Данное предположение также хорошо согласовывалось с гипотезой об участии клеточного роста и изменения морфологии синапсов в долговременной памяти. Таким образом, понятие долговременной памяти постепенно трансформировалось из условного обозначения относительной продолжительности явления, в компонент биологической концепции, связывающей научение и опыт с морфогенезом и развитием. Критическим звеном этой концепции стал молекулярный механизм консолидации памяти, отождествляемый с активацией транскрипции генов в нервных клетках при научении. Научение: активация транскрипционных факторовТранскрипция – биосинтез молекул РНК на соответствующих участках ДНК; первый этап реализации генетической информации в клетке, в процессе которого последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается» в нуклеотидную последовательность РНК. Возможна также обратная транскрипция. Нуклеотидный код – система «записи» наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, представленная у животных, растений, микроорганизмов и вирусов в виде последовательности нуклеотидов. Первыми генами, активация которых была обнаружена в мозге при обучении, оказались так называемые непосредственные ранние гены, кодирующие транскрипционные факторы. "Непосредственные ранние гены" (НРГ) были впервые обнаружены при изучении механизмов геномного ответа на действие факторов роста, запускающих процессы клеточного цикла. Индукция их транскрипции происходила, несмотря на подведение ингибиторов синтеза белка, то есть строилась на механизмах, заранее готовых для восприятия экстраклеточных стимулов. Первые из идентифицированных продуктов генов данного семейства оказались ядерными белками, связывающимися с ДНК и регулирующими транскрипцию других генов. По этим свойствам данные гены значительно напоминали группу "непосредственных ранних генов" бактериофагов и эукариотических ДНК-вирусов, поэтому, по аналогии с вирусными генами, эта группа быстро активирующихся генов получила название "клеточных непосредственных ранних генов". Это же семейство часто обозначается как "гены первичного ответа", "гены раннего ответа" или просто "ранние" гены. Одним из первых в данной группе был клонирован ген c-fos. Его структура и свойства хорошо изучены, и он может служить прототипом генов данного семейства. Первоначально было установлено, что в ходе эмбрионального развития c-fos играет важную роль в регуляции процессов клеточного роста и пролиферации. Оказалось также, что один белок, кодируемый геном c-fos, сам по себе не может инициировать или подавить транскрипцию генов-мишеней, необходимых для инициации клеточного деления или дифференцировки. Он должен образовывать димеры с молекулами других транскрипционных факторов, получивших название АР-1. Транскрипционные факторы – это регуляторные ядерные белки, контролирующие экспрессию других генов. Транскрипционные факторы являются специализированными регуляторами, которые обеспечивают слаженную работу генома. Гены транскрипционных факторов в свою очередь могут регулироваться другими транскрипционными факторами. Гены, экспрессия которых находится под контролем индуцируемых транскрипционных факторов, были названы, по аналогии с вирусными системами, "поздними" генами, "генами позднего ответа" или "эффекторными" генами , а весь двухфазный механизм регуляции транскрипции с участием этих двух классов генов является одним из наиболее универсальных способов обеспечения процессов клеточного деления и роста в развитии. В середине 1980-х годов несколько исследовательских групп обнаружили экспрессию гена c-fos в мозге обучающихся взрослых животных. Это повлекло за собой широкий спектр исследований участия этого и других НРГ в самых разных задачах обучения (подробнее см. "Молекулярная генетика мозга. Оптимизация обучения человека").
Активация ранних генов и экспрессия поздних геновРанние гены кодируют транскрипционные факторы, регулирующие активность эффекторных «поздних» генов. Поэтому если долговременные изменения в мозге при формировании памяти действительно инициируются продуктами ранних генов, то геномный ответ нервных клеток на обучение должен быть двухфазным: вначале должна происходить экспрессия ранних генов, а затем – активация регулируемых ими генов-мишеней. Действительно, транскрипционные факторы, кодируемые ранними генами, инициируют вторую волну синтеза белка, которая начинается через несколько часов после первоначального воздействия. В полном соответствии с этим введение в мозг ингибиторов синтеза белка через 3-6 часов после обучения нарушает консолидацию долговременной памяти. При этом известно, что сами гены транскрипционных факторов во время второй фазы не экспрессируются.
Вторая волна экспрессии геновСреди поздних генов лучше всего исследованы мишени транскрипционных белков fos\ jun, имеющие участки связывания с АР-1 элементами ДНК. Элемент АР-1 присутствует в промоторных областях большого числа генов, многие из которых активируются в ответ на разнообразные экстраклеточные воздействия. В число генов, содержащих АР-1, входят, например, гены S-100, препроэнкефалина, нейрофиламентов, тирозингидроксилазы и N-CAM. Гены молекул N-CAM, относящиеся к семейству генов молекул клеточной адгезии, представляют в этом отношении особый интерес. Молекулы клеточной адгезии, или «морфорегуляторные молекулы», экспрессируясь на поверхности клеточных мембран, регулируют агрегацию и дисагрегацию клеток в процессах развития. Блокада функций молекул клеточной адгезии ведет к нарушениям морфогенетических паттернов в развитии. При этом известно, что ген N-CAM экспрессируется как в эмбриональном, так и во взрослом мозге. Особенно интересно, что функционально активные молекулы клеточной адгезии образуются во время второй волны синтеза белка после обучения. Кроме того, антитела к молекулам клеточной адгезии способны вызвать у животных амнезию только при введении в течение строго фиксированного критического периода через несколько часов после обучения. Этот период совпадает со временем, когда после обучения должны активироваться гены-мишени для продуктов ранних генов. В совокупности с тем, что гены N-CAM несут в своих промоторах АР-1элементы, связывающиеся с транскрипционными факторами семейства fos\ jun, это дает основания полагать, что они включаются при обучении в каскад молекулярных событий, индуцируемых ранними генами. В результате реактивации во взрослом мозге этих и других морфорегуляторных молекул, контролирующих развитие, нервные клетки могут приобретать при формировании нового опыта способность к перестройке своих синаптических контактов и специализации относительно вновь образующихся систем. Научение: активация транскрипционных факторов; формирование нового опыта - перестройка синаптических контактов и специализации относительно вновь образующихся систем.
Научение и развитие на молекулярно-генетическом уровне
На молекулярно-генетическом уровне научение составляет с развитием единый континуум. Таким образом, при научении в нервных клетках наблюдается следующая
последовательность молекулярно-генетических процессов. Вначале рассогласование текущей ситуации с имеющимся опытом запускает активацию каскада "ранних" регуляторных
генов в группах клеток опосредующих эти процессы. Продукты "ранних" генов индуцируют, в свою очередь, экспрессию "поздних" генов, в том числе генов морфорегуляторных
молекул, являющихся ключевыми участниками процессов морфогенеза при эмбриональном развитии. Эти и другие эффекторные гены стабилизируют участие нейронов в
новой, сложившейся в результате обучения функциональной системе.
При этом основные молекулярно-генетические элементы и этапы молекулярного каскада дифференцировки
клетки оказываются чрезвычайно сходными при научении и развитии. В определенном смысле мы можем сказать, что на молекулярном уровне научение выступает как
непрекращающийся процесс развития. Однако механизмы регуляции экспрессии генов при научении имеют одно чрезвычайно важное отличие от сходных
процессов в развитии. На системном уровне активность генов в мозге при научении переходит под когнитивный контроль. (подробнее)
Так выше уже упоминалось, что вопрос о том, вызовет или нет какая-либо поведенческая ситуация
экспрессию "ранних" генов в клетках мозга, критическим образом зависит от содержания прошлого индивидуального
опыта животного и определяется
фактором субъективной новизны данного события.
Библиография Анохин К.В. Обучение и память в молекулярно-генетической перспективе//Двенадцатые Сеченовские чтения. М., 1996. Анохин К.В. Психофизиология и молекулярная генетика мозга/Основы психофизиологии/Под. ред. Ю.И.Александрова. СПб., 2001. Анохин К.В. Психофизиология и молекулярная генетика мозга/Психофизиология/Под. ред. Ю.И.Александрова. СПб., 2010. Шмальгаузен И.И. Пути и закономерности эволюционного процесса. М., 1983. Deacon T.W. The Symbolic Species: The Co-Evolution of Language and the Brain. N.Y., 1997. Edelman G. The Remembered Present: A Biological Theory of Consciousness. N.Y., 1989. Edelman G. Bright Air, Brilliant Fire. On the Matter of the Mind. N.Y., 1992. Gould S.J. Ontogeny and Phylogeny. Harvard, 1977. Pinker S. How the Mind Works. N.Y.; London, 1999. Plotkin H. Evolution in Mind. An Introduction to Evolutionary Psychology. London, 1997. Popper K.P. Knowledge and the Body-Mind Problem. London, 1994. Wilson E.O. Consilience. N.Y., 1998. Материал взят из архивов программы А. Гордона с сайта http://promo.ntv.ru/programs/specials/gordon/index.jsp?part=Article&pn=21&arid=8295
Дата публикации: 17.05.2011г. 01:30
|
|