Долговременная память, длящаяся более чем один день, зависит уже от индукции новых генов через вторичных посредников и регуляторов транскрипции. Авторы предположили, что ранние эф-фекторные гены ответственны за синтез белков, которые сохраняют память в течение дней. Память, сохраняемая в течение недель и месяцев, поддерживается другими — поздними эффекторными генами, которые включаются ранними регуляторными генами.
На основе накопленных за последние годы сведений об экспрессии генов при обучении некоторые исследователи приходят к выводу о том, что память'использует тот же генетический аппарат, который связан с онтогенетическим развитием организма, с регуляцией роста и дифференциацией его клеток. Подчеркивается общность молекулярного каскада экспрессии генов при обучении и развитии. Оба процесса реагируют на изменения экстраклеточной среды. На стадии развития организма новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, обеспечивающей клеточную дифференцировку и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем.
При обучении комбинация экстраклеточных сигналов вызывает реэкспрессию генов, бывших активными на стадии созревания и онтогенетического развития организма.
На рис. 37 показано сходство основных этапов процессов экспрессии генов при развитии и обучении. Экстраклеточные сигналы активируют вторичные мессенджеры, которые высвобождают каталитические субъединицы протеинкиназ. Протеинкиназа транспортируется в ядро клетки и там через транскрипционные факторы действует на ранние гены (c-fos и c-jun), вызывая их экспрессию. Последние кодируют транскрипционные факторы для поздних генов — белки: FOS и JUN. Эти белки и вызывают экспрессию поздних генов, которая определяет синтез различных структурных белков и молекул, необходимых для синаптического роста.
Рассмотренные клеточные и молекулярные механизмы обучения не касаются проблемы специфичности этого процесса. Однако при обучении синаптическое облегчение проведения сигнала возникает селективно, т.е. на отдельных синапсах. Для объяснения этого явления Т.Н. Греченко и Е.Н. Соколов (1987) предположили, что вся мембрана нейрона проецируется на геном. Продукты реакций отдельных локусов мембраны, вызванные экстраклеточным сигналом в виде белка-регулятора (БР), стимулируют экспрессию или
157
РАЗВИТИЕ
Трофические факторы
ОБУЧЕНИЕ
Внеклеточные сигналы
мессенджеры (Са. цАМФ, ДАГ)
Экспрессия «генов-мишеней» (N-GAM, GAP-43)
Консолидация
функционал ь-
ных систеи!
Модификация функциональных систем
Рис. 37. Общность молекулярных каскадов экспрессии генов, обеспечивающей долговременное хранение информации при обучении и развитии. В процессе развития новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, определяющей клеточную дифференциацию и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем. При обучении новые комбинации экстраклеточных сигналов вызывают реэкс-прессию генов, бывших активными в развитии. Это приводит к модификации функциональных систем и ее сохранению в долговременной памяти (по К.В. Анохину, 1997).
репрессию генома. Это достигается тем, что БР транспортируется в ядро к генам с помощью специального транслокационного белка (ТЛБ), который содержит метку активированного участка мембраны. После экспрессии генов (гена, кодирующего белок соот-ветствущего рецептора, и гена, ответственного за белок-метку) и синтеза соответствующих белков с помощью мРНК белок вместе с ТЛБ транспортируется к тому участку мембраны, который был закодирован белком-меткой. Эта схема предполагает, что механизм
158
экспрессии генов используется избирательно для изменения проводимости через селективные синапсы.
Большие возможности для выяснения молекулярных механизмов памяти открывает изучение собственно модификаций генома, вызываемых обучением. Исследование изменений ДНК под влиянием обучения в значительной степени тормозилось общепринятым представлением о «неприкосновенности» ДНК и ее причастности только к хранению генетической (врожденной) информации. В течение многих лет в молекулярной генетике господствовала идея о постоянстве генома. Однако в процессе жизнедеятельности клетки молекулы ДНК не остаются неизменными: отдельные участки ДНК умножаются, выпадают, перемещаются и модифицируются. Изменилось представление молекулярных биологов и о процессах транскрипции и трансляции. Мнение о том, что считывание генетической информации с ДНК всегда идет только в одном направлении: ДНК—>РНК—>белок, подверглось критике.
В 70-х годах Д. Балтимор (Baltimor D.) и X. Темин и С. Мицута-ни (Temin H., Mizutani S.) одновременно в одном и том же журнале «Nature» опубликовали данные о существовании фермента — обратной транскриптазы (или ревертазы), который способствует синтезу ДНК на основе информации, содержащейся в РНК. Так было открыто явление обратной транскрипции— передача информации в обратном направлении, от РНК к ДНК.
Изучение активности процесса обратной транскрипции при выработке у крыс пищедобывательного двигательного рефлекса в зависимости от их способности к обучению показало, что у быстро обучающихся животных активность обратной транскрипции в гиппокампе, которая измерялась по РНК-зависимому синтезу ДНК, в два раза выше по сравнению с медленно обучающимися животными (Р.И. Салганик и др., 1981). Группы животных составлялись селекционным методом. В одной наследственно закреплялась способность к быстрому обучению, другая формировалась из «неспособных» крыс, медленно обучающихся животных.
Открытие обратной транскрипции (получение ДНК с копий РНК) позволяет предполагать,' что существует процесс интеграции новых ДНК в геном, что может обеспечивать усиленный синтез клеточных структур, необходимых для сохранения новых связей между нейронами.
Экспериментальные доказательства модификации генома при обучении получены Н.А. Тушмаловой и ее сотрудниками (1973, 1993). Возрастание функциональной активности генома при обучении оценивалось двумя методами: по степени метилирования ДНК мозга и избирательной индукции синтеза ДНК. Метилирова-
159
ние относится к обратимой модификации ДНК, т.е. не передаваемой по наследству. Изменение степени метилирования ДНК исследовалось у крыс под влиянием выработки трех групп условных рефлексов: пищевых, пищедобывательных (чтобы получить пищу, крыса нажимала на полочку-педаль) и оборонительных — при электрокожном подкреплении. Измерения производились в коре, гип-покампе и мозжечке. Контролем служили животные, получавшие условные и безусловные раздражители в случайном порядке, и животные, не участвующие в опытах с обучением. Исследователи обнаружили увеличение степени метилирования ДНК при выработке и угасании условных рефлексов. Максимальное увеличение метилирования соответствует ранним стадиям обучения, с закреплением условного рефлекса оно возвращается к исходному уровню. Сильнее оно представлено в гиппокампе, чем в коре, и в нейронах, чем в глии.
Повышение степени метилирования в процессе обучения свидетельствует об ускорении транскрипции, так как метилирование (присоединение метильных групп СН3) рассматривается как «метка» отрезков ДНК, с которых осуществляется транскрипция.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113
На основе накопленных за последние годы сведений об экспрессии генов при обучении некоторые исследователи приходят к выводу о том, что память'использует тот же генетический аппарат, который связан с онтогенетическим развитием организма, с регуляцией роста и дифференциацией его клеток. Подчеркивается общность молекулярного каскада экспрессии генов при обучении и развитии. Оба процесса реагируют на изменения экстраклеточной среды. На стадии развития организма новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, обеспечивающей клеточную дифференцировку и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем.
При обучении комбинация экстраклеточных сигналов вызывает реэкспрессию генов, бывших активными на стадии созревания и онтогенетического развития организма.
На рис. 37 показано сходство основных этапов процессов экспрессии генов при развитии и обучении. Экстраклеточные сигналы активируют вторичные мессенджеры, которые высвобождают каталитические субъединицы протеинкиназ. Протеинкиназа транспортируется в ядро клетки и там через транскрипционные факторы действует на ранние гены (c-fos и c-jun), вызывая их экспрессию. Последние кодируют транскрипционные факторы для поздних генов — белки: FOS и JUN. Эти белки и вызывают экспрессию поздних генов, которая определяет синтез различных структурных белков и молекул, необходимых для синаптического роста.
Рассмотренные клеточные и молекулярные механизмы обучения не касаются проблемы специфичности этого процесса. Однако при обучении синаптическое облегчение проведения сигнала возникает селективно, т.е. на отдельных синапсах. Для объяснения этого явления Т.Н. Греченко и Е.Н. Соколов (1987) предположили, что вся мембрана нейрона проецируется на геном. Продукты реакций отдельных локусов мембраны, вызванные экстраклеточным сигналом в виде белка-регулятора (БР), стимулируют экспрессию или
157
РАЗВИТИЕ
Трофические факторы
ОБУЧЕНИЕ
Внеклеточные сигналы
мессенджеры (Са. цАМФ, ДАГ)
Экспрессия «генов-мишеней» (N-GAM, GAP-43)
Консолидация
функционал ь-
ных систеи!
Модификация функциональных систем
Рис. 37. Общность молекулярных каскадов экспрессии генов, обеспечивающей долговременное хранение информации при обучении и развитии. В процессе развития новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, определяющей клеточную дифференциацию и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем. При обучении новые комбинации экстраклеточных сигналов вызывают реэкс-прессию генов, бывших активными в развитии. Это приводит к модификации функциональных систем и ее сохранению в долговременной памяти (по К.В. Анохину, 1997).
репрессию генома. Это достигается тем, что БР транспортируется в ядро к генам с помощью специального транслокационного белка (ТЛБ), который содержит метку активированного участка мембраны. После экспрессии генов (гена, кодирующего белок соот-ветствущего рецептора, и гена, ответственного за белок-метку) и синтеза соответствующих белков с помощью мРНК белок вместе с ТЛБ транспортируется к тому участку мембраны, который был закодирован белком-меткой. Эта схема предполагает, что механизм
158
экспрессии генов используется избирательно для изменения проводимости через селективные синапсы.
Большие возможности для выяснения молекулярных механизмов памяти открывает изучение собственно модификаций генома, вызываемых обучением. Исследование изменений ДНК под влиянием обучения в значительной степени тормозилось общепринятым представлением о «неприкосновенности» ДНК и ее причастности только к хранению генетической (врожденной) информации. В течение многих лет в молекулярной генетике господствовала идея о постоянстве генома. Однако в процессе жизнедеятельности клетки молекулы ДНК не остаются неизменными: отдельные участки ДНК умножаются, выпадают, перемещаются и модифицируются. Изменилось представление молекулярных биологов и о процессах транскрипции и трансляции. Мнение о том, что считывание генетической информации с ДНК всегда идет только в одном направлении: ДНК—>РНК—>белок, подверглось критике.
В 70-х годах Д. Балтимор (Baltimor D.) и X. Темин и С. Мицута-ни (Temin H., Mizutani S.) одновременно в одном и том же журнале «Nature» опубликовали данные о существовании фермента — обратной транскриптазы (или ревертазы), который способствует синтезу ДНК на основе информации, содержащейся в РНК. Так было открыто явление обратной транскрипции— передача информации в обратном направлении, от РНК к ДНК.
Изучение активности процесса обратной транскрипции при выработке у крыс пищедобывательного двигательного рефлекса в зависимости от их способности к обучению показало, что у быстро обучающихся животных активность обратной транскрипции в гиппокампе, которая измерялась по РНК-зависимому синтезу ДНК, в два раза выше по сравнению с медленно обучающимися животными (Р.И. Салганик и др., 1981). Группы животных составлялись селекционным методом. В одной наследственно закреплялась способность к быстрому обучению, другая формировалась из «неспособных» крыс, медленно обучающихся животных.
Открытие обратной транскрипции (получение ДНК с копий РНК) позволяет предполагать,' что существует процесс интеграции новых ДНК в геном, что может обеспечивать усиленный синтез клеточных структур, необходимых для сохранения новых связей между нейронами.
Экспериментальные доказательства модификации генома при обучении получены Н.А. Тушмаловой и ее сотрудниками (1973, 1993). Возрастание функциональной активности генома при обучении оценивалось двумя методами: по степени метилирования ДНК мозга и избирательной индукции синтеза ДНК. Метилирова-
159
ние относится к обратимой модификации ДНК, т.е. не передаваемой по наследству. Изменение степени метилирования ДНК исследовалось у крыс под влиянием выработки трех групп условных рефлексов: пищевых, пищедобывательных (чтобы получить пищу, крыса нажимала на полочку-педаль) и оборонительных — при электрокожном подкреплении. Измерения производились в коре, гип-покампе и мозжечке. Контролем служили животные, получавшие условные и безусловные раздражители в случайном порядке, и животные, не участвующие в опытах с обучением. Исследователи обнаружили увеличение степени метилирования ДНК при выработке и угасании условных рефлексов. Максимальное увеличение метилирования соответствует ранним стадиям обучения, с закреплением условного рефлекса оно возвращается к исходному уровню. Сильнее оно представлено в гиппокампе, чем в коре, и в нейронах, чем в глии.
Повышение степени метилирования в процессе обучения свидетельствует об ускорении транскрипции, так как метилирование (присоединение метильных групп СН3) рассматривается как «метка» отрезков ДНК, с которых осуществляется транскрипция.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113