«Строительные блоки» нервной системы — нервные клетки (ней- роны). Главной особенностью нейронов является способность наруж- ной мембраны генерировать нервные импульсы и через особое обра- зование — синапс — передавать информацию от одного нейрона к другому. Импульс передается через синапс с помощью особых биохи- мических веществ-посредников (медиаторов). Синапсы и медиаторы могут быть как возбуждающие, так и тормозные. Предположительно мозг человека содержит 10 11 нейронов, причем по своей организации и функциональному назначению нервные клетки обнаруживают чрез- вычайное разнообразие. Нейроны химически, морфологически и фун- кционально специализированы. Как и любая живая клетка, каждый нейрон в ЦНС реализует гене- тически обусловленную программу жизнедеятельности, выполняя предназначенные ему задачи: обработку приходящих возбуждений и генерацию собственного ответа. Для выполнения данных задач он нуж-
268 дается в ресурсах, а для пополнения ресурсов (запасов нейроактив- ных веществ, «расходующихся» в процессах жизнедеятельности) не- обходим определенный уровень их синтеза. Принято считать, что все эти процессы находятся под контролем генотипа. По современным представлениям, функциональная специализа- ция нейронов складывается на молекулярно-генетическом уровне. Она проявляется: во-первых, в формировании особых молекулярных об- разований на поверхности нейрона (хеморецепторов), которые обла- дают избирательной чувствительностью к действующим на нейрон медиаторам и другим биологически активным веществам; во-вторых, в особенностях секреторного аппарата нейрона, который обеспечива- ет синтез медиаторов и соответствующих ферментов. Биохимическая специализация возникает в результате взаимодействия генетической программы нейрона и той информации, которая поступает из его внешнего окружения [7, 80, 119, 126]. Однако подобные представления в значительной степени априор- ны, потому что конкретные генетические механизмы, контролирую- щие жизнедятельность нейронов и нервной системы в целом, еще далеко не изучены. По некоторым данным, в мозге экспрессируется не менее 2500 генов, но так или иначе охарактеризованы около 5% от этого числа. Каждый нейрон, имея, как и любая другая клетка, ядерный аппа- рат, несет в себе полную генетическую информацию о морфофунк- циональных особенностях организма, но в нейронах, как и в других клетках организма, активируется лишь часть генетической информа- ции. Однако число экспрессируемых в нейронах генов резко превыша- ет число генов, экспрессируемых в клетках других тканей организма. Мощность работы генетической информации в нейронах доказывает- ся методом ДНК-РНК-гибридизации и путем прямого анализа синте- зируемых белков [139]. Метод ДНК-РНК-гибридизации позволяет оценить число участков ДНК, с которых в клетках данной ткани считывается генетическая информация. Для этой цели из клеток выделяется полный набор молекул информационной РНК, которые списаны с функционирующих участков ДНК, т.е. со всего набо- ра экспрессированных генов. В смеси с полным набором ДНК из данных клеток выделенные молекулы информационной РНК вступают в комплемен- тарные сочетания (гибридизируются) с гомологичными им участками ДНК. Определяя объем набора участков ДНК, вступающих в гибридизацию, можно судить об активности генома. Показано, что молекулы информационной РНК, выделенные из клеток соматических тканей (печень, почки), вступают в гибридиза- цию с относительно небольшим объемом ДНК (около 4—6%). Это свидетельствует о том, что сравнительно небольшая специализиро- ванная группа генов обеспечивает специфические особенности сома-
269 тических тканей. В то же время для тканей мозга аналогичное число намного выше. По разным данным, оно колеблется в довольно широ- ких пределах, в среднем составляя около 30%, т.е. в несколько раз больше, чем в любом другом органе. Более того, в нервных тканях разных отделов мозга, по-видимому, экспрессируется различное чис- ло генов. Есть основания полагать, что наибольший объем экспресси- руемых генов характерен для филогенетически молодых отделов моз- га, в первую очередь для областей коры, связанных с обеспечением специфически человеческих функций. Так, установлено, что в клет- ках ассоциативных зон коры больших полушарий экспрессируется приблизительно 35,6% уникальных последовательностей ДНК, а в клетках проекционных зон — 30,8% [26, 139]. Не исключено, что имен- но различия в объеме экспрессируемой генетической информации лежат в основе функциональной специализации разных отделов мозга. Одной из наиболее поразительных особенностей нервной систе- мы является высокая точность связей нервных клеток друг с другом и с различными периферическими органами. Создается впечатление, что каждый нейрон «знает» предназначенное для него место. В процес- се формирования нервной системы отростки нейронов растут по на- правлению к своему органу — «мишени», игнорируя одни клетки, выбирая другие и образуя контакты (синапсы) не в любом участке нейрона, а, как правило, в его определенной области. Особенно зага- дочной выглядит картина того, как аксонам (главным отросткам ней- рона, через которые распространяются возникшие в нейроне импуль- сы) приходится протягиваться на значительные расстояния, изме- нять направление своего роста, образовывать ответвления прежде, чем они достигнут клетки-«мишени». В основе столь высокой точности образования связей лежит прин- цип химического сродства, в соответствии с которым большинство нейронов или их малых популяций приобретают химические различия на ранних этапах развития в зависимости от занимаемого положения. Эта дифференцированность выражается в наличии своеобразных хи- мических меток, которые и позволяют аксонам «узнавать» либо ана- логичную, либо комплементарную метку на поверхности клетки-«ми- шени». Предполагается также, что в этом процессе важную роль игра- ют топографические взаимоотношения нейронов и временная последовательность созревания клеток и их связей [83]. Согласно современным представлениям, значительную роль в про- цессах развития нервной ткани играет временной режим экспрессии генов, тесно связанный в своих механизмах с процессами межткане- вых и межклеточных взаимодействий. Считается, что именно точные сроки экспрессии специфических генов детерминируют формирова- ние специфического соотношения определенных медиаторных или гормональных продуктов в конкретные периоды развития. Жесткая временная последовательность экспрессии генов лежит и в основе фор-
270 мирования морфологических особенностей мозга — структур и связей между ними. Методом ДНК-РНК-гибридизации было показано, что в онтоге- незе по мере формирования нейрона возрастает объем активирован- ной генетической информации. Данные, полученные путем гибриди- зации общей ДНК с молекулами информационной РНК, показали, что по мере роста усиливается активность, сложность генных эффек- тов в нейронах. У эмбриона человека в возрасте 22 недель в нейронах активны около 8% генов, а в нейронах взрослых — 25% и более [139]. Еще одной важной особенностью ранних этапов развития ЦНС является генетически обусловленная избыточность в образовании ко- личества нейронов, их отростков и межнейронных контактов. Говоря другими словами, нейронов в ходе эмбриогенеза мозга возникает зна- чительно больше, чем это характерно для взрослого индивида. Более того, формирующиеся нейроны образуют заведомо большее, чем тре- буется, количество отростков и синапсов. По мере созревания ЦНС эта избыточность постепенно устраняется: нейроны, оказавшиеся не- нужными, их отростки и межклеточные контакты элиминируются. Гибель (выборочная элиминация) лишних нейронов, так называе- мый апоптоз, служит устранению избыточных отростков и синапсов и выступает как один из способов «уточнения» плана формирования нервной системы. Кроме того, гибель нейронов ограничивает и тем самым контролирует рост числа клеток. Она необходима для установле- ния соответствия количества клеток в популяциях нейронов, связан- ных друг с другом. Апоптоз — активный процесс, реализация которо- го требует активации специфических генов. Избыточность и элиминация нейронов выступают как два сопря- женных фактора, взаимодействие которых способствует более точной координации и интеграции растущей нервной системы. У человека интенсивный и избыточный синаптогенез (образование кон- тактов между нейронами) происходит в течение первых двух лет жизни. Ко- личество синапсов в раннем онтогенезе значительно больше, чем у взрос- лых. Постепенно уменьшаясь, их число доходит до типичного для взрослых уровня приблизительно к 7-10 годам. Сохраняются же (это существенно) именно те контакты, которые оказываются непосредственно включенными в обработку внешних воздействий, т.е. под влиянием опыта происходит про- цесс избирательной, или селективной, стабилизации синапсов. В силу того, что избыточная синаптическая плотность рассматривается как морфологи- ческая основа усвоения опыта, эти данные свидетельствуют о высокой по- тенциальной способности к усвоению опыта детей раннего возраста. Кроме того, можно полагать, что воспринимаемый благодаря этому на данном воз- растном этапе опыт, образно говоря, «встраивается» в морфологию мозговых связей, в известной мере определяя их богатство, широту и разнообразие. С другой стороны, гипотеза генетического программирования пред- полагает, что специфическое химическое «сродство» между оконча-
271 ниями аксонов и постсинаптической клеткой генетически запрограм- мировано и однозначно приводит к формированию стабильных меж- клеточных контактов и связей. Однако число синапсов ЦНС человека оценивается цифрой 10 14 , в то время как геном содержит лишь 10 6 ге- нов. Таким образом, маловероятно, что специфичность каждого от- дельного синапса программируется отдельным геном или его опреде- ленным участком. Более рациональным выглядит предположение, что одним или несколькими генами кодируется медиаторная специфич- ность нейронов, а их рост до органа-«мишени» контролируется одним общим регуляторным механизмом. Такой эпигенетический механизм мог бы производить тонкую настройку связей нейронной сети. Однако реальные механизмы этого процесса пока не известны. В заключение можно сказать, что исследования функций генети- ческого аппарата нейрона и нервной системы в целом находятся в начальной стадии. Тем не менее с начала 90-х годов XX в. ведется систематическая работа по составлению всеобъемлющего каталога генов, активных в мозге человека. Очевидно, на этом пути еще предстоят значительные открытия, которые, предположительно, будут связаны с решением следующих вопросов: - Какая часть генов из числа всех генов, экспрессирующихся в мозге, является «мозгоспецифической», т.е. активирующейся только в мозге? - Имеют ли «мозгоспецифические» гены общие черты, отличаю- щие их от генов, которые активны в других тканях? - Существуют ли особенности в составе мРНК нервных клеток разных типов? - Как осуществляется регуляция экспрессии «мозгоспецифичес- ких» генов? - Каковы структура и функции белков, кодируемых «мозгоспе- цифическими» генами?
Ви переглядаєте статтю (реферат): «НЕЙРОННЫЙ УРОВЕНЬ» з дисципліни «Психогенетика»
