Как при помощи генных сетей превратить яйцо сначала в личинку, а затем во взрослую муху? Муха, как и другие насекомые, состоит из сегментов. Сегменты объединяются в три группы — голова, грудь и брюшко. На сегменте может быть пара конечностей. В груди три сегмента, на каждом по паре ножек. Второй грудной сегмент имеет еще крылья, а третий — жужжальца (маленькие рулевые крылышки, практически незаметные без лупы). Брюшко состоит из восьми сегментов, конечностей на них нет. В голове исходно было шесть сегментов, но в ходе эволюции насекомых границы между ними совершенно стерлись. Их конечности — это усики, которыми муха нюхает и щупает, и три пары ротовых конечностей. У жука или таракана это были бы жвалы, максиллы и нижняя губа, а у мухи они все сливаются в хоботок.
Чтобы все органы были на своем месте, каждая клетка должна знать, в каком месте зародыша она находится. Поэтому на ранних стадиях развития зародыша, когда в нем еще нет никаких органов и все клетки выглядят одинаково, в нем появляется биохимическая «координатная сетка» с передне-задней, спинно-брюшной и лево-правой осями. Мутации генов, образующих координатную сетку, могут легко и быстро изменить облик животного — передвинуть органы на другое место, изменить их количество и так далее. Поэтому такие гены важны для эволюции животных и очень активно изучается. Генная сеть разметки зародыша у мухи дрозофилы — любимой игрушки генетиков — пожалуй, самая изученная среди генных сетей животных.
Алгоритм разметки яйца по передне-задней оси в принципе несложный:
1) определить, какой конец яйца будет головой, какой хвостом
2) разделить зародыш вдоль передне-задней оси на 17 сегментов
3) разделить каждый сегмент на переднюю, среднюю и заднюю часть
4) разметить голову (6 сегментов), грудь (3 сегмента) и брюшко (8 сегментов)
5) разметить индивидуальные различия сегментов
Генная сеть, которая этим занимается, имеет модульное устройство. Каждый модуль выполняет свой шаг общего алгоритма. Муха дрозофила оказалась очень удобным объектом для изучения генных сетей развития, потому что у нее встречаются очень яркие и показательные наследственные уродства. Например, мутация antennapedia, при которой усики превращаются в ноги, или
Такие мутации, при которых одна часть тела становится очень похожа на другую, получили название «гомеозисные». Начав с этих мутантов, генетики со временем расшифровали всю сеть генов, управляющих развитием мухи. Эта работа удостоилась Нобелевской премии в 1995 году.
Все начинается с генов полярности яйца — bicoid и nanos. Они работают еще до оплодотворения яйца, пока оно созревает в яичнике мухи-матери. Вспомогательные клетки, накачивающие питательные вещества в яйцо, расположены с одной его стороны, поэтому у яйца с самого начала есть два разных конца. Матричная РНК bicoid накапливается на переднем конце яйца, где она закреплена и не может никуда уплыть. мРНК nanos аналогично закреплена на заднем конце. После оплодотворения по этим мРНК начинают синтезироваться белки. Их молекулы распространяются по яйцу. Поскольку синтез белков bicoid и nanos идет на одном конце яйца, а распад — везде, получается градиент белка bicoid, убывающий от переднего конца зародыша к заднему, и градиент nanos от заднего к переднему концу.
Если микропипеткой ввести мРНК bicoid в другое место яйца, там вырастет вторая голова. Если искусственно выключить мРНК bicoid, получается зародыш без головы и с двумя задницами.
Дальше белки bicoid и nanos включают гены самого зародыша, то есть с них начинает считываться новая мРНК). Первыми начинают работать гены группы gap, от английского gap – промежуток. Первые два гена этой группы — hunchback и caudal – образуют градиенты от головы к хвосту (hunchback) и от хвоста к голове (caudal). Но их градиенты более плавные, чем у bicoid и nanos.
Остальные четыре гена группы gap образуют каждый по одной-две широких (больше одного сегмента) полосы с достаточно четкими границами. Они включаются белками-продуктами вышестоящих генов (bicoid, nanos, hunchback и caudal). Полное выключение одного из генов этой группы дает укороченный зародыш, у которого не хватает нескольких сегментов, тех, в которых в норме этот ген работал.
Области активности генов блока gap
Почему получается, что четыре гена блока gap (kruppel, giant, knirps и tailless) делят зародыш на полосы, в каждой из которых работает один из четырех генов?
Во-первых, все они подавляют активность друг друга. В отдельно взятой клетке устойчиво было бы состояние, в котором один ген из такой группы активно работает и подавляет все остальные (триггер). Но развивающееся яйцо мухи устроено сложнее. В нем в этот момент в общей внутриклеточной жидкости (цитоплазме) плавают тысячи отдельных клеточных ядер. Размеры яйца достаточно велики, чтобы скорость распада регуляторных белков была сравнима с их скоростью диффузии на другой конец яйца. При сочетании диффузии и взаимного подавления появляется другое устойчивое состояние, когда яйцо разделено на несколько полос, в каждой из которых работает один ген из группы. Чем медленнее диффузия белков или быстрее распад, тем мельче будут эти полоски или пятна. Участие таких систем (их называют реакционно-диффузионными) в разметке тела животных предсказал еще Алан Тьюринг (да, который придумал «машину Тьюринга») в 1952 году. Тогда мало что было известно про гены и белки, но уравнения, описывающие полосатые и пятнистые структуры, были выведены Тьюрингом верно. Здесь или здесь можно поиграть с простой реакционно-диффузионной моделью из двух веществ и прочувствовать, как она может себя вести.
Связи между генами gap и генами полярности яйца. Bcd – bicoid, hb – hunchback, cad – caudal, Kr – Kruppel, kni – knirps, gt – giant, tll – tailless.
Само по себе подавление генами друг друга даст разметку зародыша на какие-то полоски, но расположение полосок активности четырех генов относительно друг друга и концов зародыша будет очень изменчиво. Чтобы полоски были всегда на своем месте (например, для knirps – одна полоска в голове, другая в задней половине между полосками kruppel и giant), нужен второй управляющий сигнал — градиенты bicoid и других белков полярности яйца. Входные функции gap-генов по этим регуляторам имеют максимумы при разных уровнях входного сигнала (такую входную функцию мы вывели в конце второй статьи). Поэтому гены gap включаются каждый своим уровнем белков bicoid, hunchback и caudal, и зоны их активности закономерно расположены от головы до хвоста зародыша.
После того, как гены gap сделали грубую разметку зародыша на 7 полос (они не совпадают ни с сегментами, ни с головой-грудью-брюшком), включается следующий модуль — pair-rule («гены парного правила»). Он делит зародыш уже на сегменты, которых должно быть 17. Модуль pair-rule состоит из пяти генов, и все они, как вы, возможно, догадались, подавляют друг друга. Каждый из этих генов работает либо во всех четных, либо во всех нечетных сегментах — кодируемые ими белки распадаются быстрее, чем белки группы gap, и полоски соответственно получаются более узкие. Выключение части генов этой группы дает укороченный зародыш, у которого исчезают все четные или все нечетные сегменты.
Зоны активности генов из группы pair-rule. На фотографии справа 14 полосок, а не 17, потому что в первых трех сегментах головы работает другая система разметки.
Модуль pair-rule сам по себе, без участия gap и bicoid, может разметить зародыш на узкие полоски, но число этих полосок было бы неустойчиво: сегментов может получиться и 12, и 18, и даже 20. В норме гены pair-rule сложно управляются генами gap, и первая грубая разметка (на 7 зон) помогает точно и надежно сделать окончательную разметку (на 14+3 сегмента).
Следующий пункт алгоритма — разметить переднюю, среднюю и заднюю часть каждого сегмента. Это делают гены segment polarity. Они тоже подавляют друг друга и включаются вышестоящими модулями геной сети (pair-rule и gap). Только параметры диффузии и распада их продуктов подобраны так, что полоски получаются совсем тоненькие — по пол-сегмента. Подавление их друг другом слабее и организовано сложнее, чем у генов pair-rule. Поэтому их полоски активности частично перекрываются и в каждом сегменте получается частая «линейка» из по-разному перекрывающихся полосок.
Выключение генов segment polarity обычно приводят не к укорочению зародыша и потере его частей (как характерно для gap и pair-rule), а к более тонким эффектам. Обычно при этом половина каждого сегмента, в которой должен был работать этот ген, превращается в зеркальное отражение другой половины. Это хорошо заметно, потому что личинка мухи имеет ряды мелких шипиков, направленных назад — для удобства ползания. У мутантов по генам segment polarity появляются ряды шипиков, направленных вперед.
Наконец, наступает очередь самых известных и открытых первыми генов этой сети — модуля hox. Их работа придает сегментам индивидуальность, чтобы на сегментах головы выросли усики и хоботок, а на грудных — ноги и крылья. Гены hox, в отличие от предыдущих модулей, не подавляют активность друг друга и могут работать вместе в одном сегменте зародыша. Странное свойство генов hox, не получившее объяснения до сих пор: они расположены в хромосоме тесной группой, причем в том же порядке, в котором они работают в теле зародыша.
Разметка зародыша устроена по принципу «чем дальше от груди, тем больше hox-генов и активнее работает»: активность гена abdominal-A начинается со 2 сегмента брюшка, нарастает до полной в 4 и продолжается на максимальном уровне во всех последующих сегментах; ген abdominal-B работает с 5 по 8 сегмент брюшка, повышая активность в каждом следующем сегменте. Ген ultrabithorax включается в пол-силы в третьем грудном сегменте и на полную мощность по всему брюшку. При его выключении у мутантов bithorax клетки 3 грудного сегмента не знают, что они — 3 грудной сегмент, в них работает тот же набор hox-генов, что и во 2 грудном (т. е. только antennapedia) и развитие 3 грудного сегмента идет по программе 2 грудного — с крыльями вместо жужжалец и мощными летательными мышцами.
Если выключить все hox-гены в отдельном сегменте, он получится уродливым, но будет больше всего похож на 1 грудной, с ногами и без крыльев. Так получается потому, что далекие предки насекомых были похожи на трилобитов или многоножек. У них было много одинаковых сегментов с ногами. В дальнейшем их тело укоротилось, задняя часть потеряла ноги, став брюшком, а несколько передних сегментов присоединились к голове и их ноги стали деталями ротового аппарата (жвалы, максиллы и нижняя губа).
Математические модели генной сети разметки зародышей
В случае лактозного оперона и петель прямой связи у кишечной палочки можно построить достаточно простые математические модели с умеренным числом параметров, которые предскажут поведение генов при любых входных сигналах. Для лактозного оперона достаточно:
— четырех констант связывания (репрессор и активатор с ДНК, лактоза с репрессором, цАМФ с активатором)
— четырех параметров стехиометрии (4 лактозы на 1 репрессор, 2 цАМФ на 1 активатор, по 1 репрессору и активатору на оперон)
— двух параметров регуляции (влияние репрессора и активатора на вероятность посадки РНК-полимеразы)
— базового уровня активности оперона (когда нет ни репрессора, ни активатора)
— транскрипционной задержки
Итого 12 параметров.
Посмотрим теперь на регуляторные области, скажем, Hox-генов. На схеме ниже один из регуляторных блоков гена abdominal-B.
Цветные полоски обозначают участки связывания регуляторного белка. Весь этот блок имеет размер около 1700 нуклеотидов — в 10 раз длиннее, чем регуляторная область лактозного оперона. В нем 39 мест посадки 7 разных регуляторных белков из всех вышестоящих блоков этой генной сети. И таких регуляторных блоков у abdominal-B четыре. Они включаются последовательно с 5 по 8 сегмент брюшка и создают ступенчатое повышение уровня белка abdominal-B в этих сегментах. То есть для матмодели одного этого гена, по-хорошему, нужно более 100 констант связывания, столько же параметров регуляции, и неизвестное количество параметров для описания взаимодействия между разными входами — в худшем случае до полутора тысяч на попарные взаимодействия между всеми участками посадки белков в одном регуляторном блоке. То есть полная модель этой генной сети заведомо будет иметь более тысячи параметров. И в этом основная проблема: выходных сигналов, которые мы можем измерить в эксперименте, не так много — фактически только уровни каждого из 25 белков и их распределение по длине эмбриона. Поэтому никто даже не пытался смоделировать эту сеть с той же детализацией, что лактозный оперон.
Можно пытаться упростить задачу и описывать действие каждого регуляторного белка на ген только тремя параметрами (связывание, стехиометрия и параметр регуляции). Можно подобрать эти параметры (например, при помощи Марковских цепей) так, чтобы модель точно воспроизводила реальные полоски активности генов. Для первых двух блоков сети (гены полярности яйца и гены gap) такие модели даже сделаны (например).
Проблема в том, что разные запуски алгоритма подбора дают разные параметры модели — но все они работают правильно и воспроизводят активность генов в реальном зародыше мухи! У этих моделей есть общие черты (например, все gap-гены подавляют друг друга и активируются материнскими белками), но различий не меньше, чем сходств.
А раз разные попытки моделирования дают разные результаты, вряд ли хоть один из них совпадает с реальностью. Хуже того, такие модели воспрозводят нормальную работу, но сильно промахиваются в предсказании результатов мутаций.
В следующей части поговорим о том, почему эти неприятности с изучением генных сетей неизбежны в биологии (и сеть разметки зародыша дрозофилы еще одна из простейших в изучении!), что с этим можно сделать, и у каких инженеров стоит поучиться биологам.
Комментарии (108)
DrZlodberg
06.02.2017 15:22А как распределяются сегменты у дофиганожек? У них тоже комплект, который точно описывает количество сегментов или там просто голова, хвост, а всё остальное пульсирующая комбинация однотипных белков. Хотя там же внутренности могут быть не одинаковые. Или не могут?
Так получается потому, что далекие предки насекомых были похожи на трилобитов или многоножек. У них было много одинаковых сегментов с ногами. В дальнейшем их тело укоротилось, задняя часть потеряла ноги, став брюшком, а несколько передних сегментов присоединились к голове и их ноги стали деталями ротового аппарата (жвалы, максиллы и нижняя губа).
А у трилобитов и многоножек ротовой аппарат обходится без них?
HellMaus
06.02.2017 15:51У дофиганожек, по-моему, во всем теле за головой пульсирующая комбинация однотипных, только на самом конце есть. У них еще с каждой линькой добавляются новые сегменты. С внутренностями хитро, для кишки есть своя отдельная система разметки, а половая система ориентируется и на кишку, и на кожно-мышечную разметку с hox-генами.
У трилобитов ротовой аппарат обходится без них, трилобиты жевали отростками оснований почти всех ног. Из современных видов ближе всего к этому состоянию рак-щитень (https://en.wikipedia.org/wiki/Triops_longicaudatus). У многоножек ротовой аппарат такой же, как у насекомых, и головные hox-гены размечают его аналогично мухам.
mindcaster
06.02.2017 15:56Интересно, делал ли кто-нибудь эксперимент, выключив во всех сегментах hox-гены? Получилась бы жизнеспособная примитивная «ползалка» или эволюция зашла уже слишком далеко и функционала бы уже было недостаточно…
DrZlodberg
06.02.2017 16:00+1Ползать оно не сможет как минимум ввиду того, что это совсем другой тип движения, который требует отдельной настройки нервной системы. Многоножки же не извиваются как змеи, а двигаются строго по прямой (повороты я не рассматриваю). Ну и с ротовым аппаратом могут быть проблемы, как я понял.
Но вообще, подозреваю, отключали уже всё, до чего смогли дотянуться. Было бы интересно посмотреть на полный комплект возможных вариантов развития.
HellMaus
06.02.2017 17:26+1Делали, без всех hox-генов оно дохнет, т.к. они важны в разметке нервной системы.
mindcaster
06.02.2017 15:48+4Вы сделали мой день. Очень интересная, познавательная (и понятная для далеких людей типа меня) статья, пишите еще! Спасибо!
6opoDuJIo
06.02.2017 17:30+1А каким образом работает разметка по вертикальной оси? Подозреваю что она тоже есть, и я не думаю что она управляется градиентом, зависящим от гравитации.
HellMaus
07.02.2017 00:17+2Конечно, гравитация тут ни при чем, потому что яйцо может быть отложено в гнилой банан в любом положении. Вертикальное направление задается до откладки, еще в яичнике. Ядро продолговатой яйцеклетки сползает к одной из ее сторон, и через обмен химическими сигналами между ядром и вспомогательными клетками этой стороны она помечается на оболочке яйца как будущая спина.
У растений есть системы, которые управляются гравитацией, они направляют рост корней вниз и стеблей вверх. Там внутри клеток плотные зерна крахмала, которые смещаются вниз и через какие-то промежуточные звенья это задает направление деления клетки.
killik
07.02.2017 04:39+1Хм, а пшеница у Максима Сураева на МКС получилась вполне колосьями в одну сторону, а корнями в другую.
HellMaus
07.02.2017 12:55+1Там гравитация дублируется светом.
killik
09.02.2017 10:27Причем весьма чувствительные сенсоры. Видел, как картошка в закрытом гараже за пару весенних месяцев протянула четырехметровые ростки из мешка у противоположной стены аж до ворот, не отвлекаясь ни на какую гравитацию. А свет там был только из щелей.
QDeathNick
09.02.2017 17:16Помню дед выращивал в погребе картошку на потолке. Натягивал бечевку, нанизывал картофелины и из них вырастали длинные двухметровые белые корни, на которых вырастали маленькие ровные клубеньки, он их собирал и на следующий год высаживал на огород. Сейчас так уже никто не делает, и такой качественной картошки не купить даже на рынке.
loly_girl
09.02.2017 18:12А в чём смысл этой процедуры?
HellMaus
10.02.2017 11:56В том, чтобы сажать не один большой клубень, а десять маленьких. Экономия посадочного материала.
Zenitchik
10.02.2017 12:24А мой дед их просто резал. До предела, описанного в школьной ботанике, не доводили, но половинки и четверти клубня — роскошно растут.
loly_girl
10.02.2017 18:35Ведь резать проще, а процент питательных веществ доходит больше, чем при выращивании неполноценных клубней в темноте.
У нас при обычном выращивании мелкой картошки было в несколько раз больше, чем нужно было для посадки.
Вообще, если отдельно получать мелкие клубни, то лучше использовать семена из ягод, так часть вирусов, снижающих урожайность, не передаётся. Если, конечно, выращивается не гибрид F1, а обычный сорт. Можно ещё заказывать семена или посадочные клубни, полученные из микроклональных растений, это ещё лучше.Mad__Max
13.02.2017 20:10А у обычных сортов картофеля разве свойства сорта при размножении семенами сохраняются?
Мне казалось тут как у яблонь и многих ягодных кустарников — свойства сохраняются только при вегетативном размножении (грубо клонировании одного и того же растения), а при половом (семенами) вырастает только что-то отдаленно похожее на исходное растение — того же вида, но без сохранения сортовых свойств.
Ну либо сейчас большая часть сортов уже как раз гибриды…loly_girl
13.02.2017 22:28Конечно, это и отличие сортов от гибридов F1 — их можно размножать семенами. Конечно, при условии, что опыляться они будут растениями того же сорта. Но картофель, как и все паслёновые, самоопыляется, так что никаких сложностей с этим нет.
QDeathNick
13.02.2017 15:08+1Смысл в получении как можно большего количества посадочного материала. Дед картошку выращивал из семян на подоконнике, потом первый урожай вывешивал в погребе, а вот уже те мелкие высаживал в огород. Из семян, как тут уже написали, вырастает картофель без многих вирусов и других «заболеваний». И кстати, семена хранятся очень долго, думаю и через 50 лет можно из них вырастить картофель.
Оффтоп:
Меня вообще удивляла работоспособность деда. Он выращивал всё, что могло расти, и не из покупной рассады, а из своих отборных семян. Построил большую отапливаемую теплицу, но в то время были ограничения на размер частной теплицы и пришлось снести половину. Но и в этой теплице он получал большие урожаи и бабушка торговала на рынке. Сейчас, листая тетрадки с их бухгалтерией, удивляюсь, как может один человек на обычном огороде производить столько овощей, фруктов и цветов. Да ещё успевать заготовить на зиму всяких запасов, выгнать самогонки, наделать настоек, починить машину (хотя они покупали себе новые жигули регулярно). А уж сейчас с новой техникой и без ограничений площади, он был бы знатным фермером.Zenitchik
13.02.2017 15:11К этому нужно иметь любовь. Когда любишь дело — силы им заниматься из ниоткуда образуются.
Я, например, в душе не огородник, поэтому у меня ничего бы не вышло.
QDeathNick
09.02.2017 15:01А может они как раз видят градиент гравитации вне зависимости от того движутся в момент роста или нет. А так как сама МКС в градиенте всегда одинаково ориентирована, так как крутится вокруг своей оси с похожей угловой скоростью, что и вокруг Земли, то они и выросли колосьями вверх.
Zenitchik
09.02.2017 15:22градиент гравитации
Сомнительно. Градиент гравитации у Земли — ни о чём. При моделировании плотных слоёв атмосферы им пренебрегают. На высоте — он ещё меньше.QDeathNick
09.02.2017 17:04+2Почитал про геотропность растений, судя по опытам Томаса Эндрю Найта, центробежная сила может заменить силу притяжения и корни растения будут расти в направлении вектора суммы сил. Если на горизонтально крутящемся колесе высадить, то при достаточных оборотах начнет расти не вниз, а в сторону, перпендикулярно притяжению.
В космосе выращивали растения в магнитом поле и корни росли к магниту.
За определение вектора гравитации отвечают статолиты в статоцитах. Думаю им достаточно малейших сил, и магнитных и притяжения, чтобы сместится и тем самым определить вектор. Так же МКС регулярно корректирует орбиту создавая двигателями силу, которая и определяет положение статолитов.
Ну а если совсем не определяется вектор в градиенте, то растение видимо развивается только на основе фототропизма.
6opoDuJIo
07.02.2017 11:56Не подумал что можно спускаться вдоль градиента по внутренней поверхности яйца. Тогда действительно получается чёткое распределение верх-низ.
begemotv2718
11.02.2017 20:05А насколько вообще материнский организм участвует в разметке? У меня по этому поводу есть один пунктик: узнать, возможна ли trusting trust атака в живых организмах?
HellMaus
11.02.2017 20:07У мухи участвует, но не настолько, чтобы через него можно было изменить потомство. Малые отклонения в системе bicoid-nanos гены зародыша скомпенсирует, а от больших все сдохнет.
У млекопитающих не участвует совсем, никаких аналогов bicoid у нас нет.begemotv2718
11.02.2017 21:49А как изначально сферически-симметричный зародыш знает, куда ему расти? Или у млекопитающих это как-то чисто механически происходит?
HellMaus
12.02.2017 13:13+1А в сферически-симметричном яйце запускается синтез двух белков, которые разрушают друг друга. Поначалу они распределены равномерно, но любой тепловой шум или внешний сигнал сваливает систему в устойчивое состояние, когда один белок в одном полушарии, другой в другом. Так происходит, скажем, у бурых водорослей.
У млекопитающих поляризация начинается позже, на стадии 100-200 клеток. Зародыш в этот момент выглядит как круглый комок одинаковых клеток, потом превращается в пустотелый шарик из клеток, потом с одной стороны шарика его клетка начинает утолщаться. Химические сигналы там по смыслу такие же, как в яйцеклетке водорослей — образуется неустойчивая система из двух разрушающих друг друга белков, которая скатывается в устойчивое состояние с двумя химически разными полушариями.
Нечто похожее может происходить позже, при разметке цветных полос и пятен на шкуре. Вот хорошая статья http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/SCIAM/LEO/LEO.HTM, там безоаровый козел ближе всего к тому, что происходит у ранних зародышей всех млекопитающих.
leshabirukov
13.02.2017 22:45А вот как раз рекламировали книгу про это:
https://geektimes.ru/company/piter/blog/281672/
Читаю, пока нравится.
reversecode
06.02.2017 18:48Очень много всякой информации в сети о том как ученые пытаются изучать, добиваются успеха о том что делает тот или иной ген.
Но нет нигде (или я плохо ищу) информации когда, кто, почему, итд включает эти самые гены.
Я так понимаю речь должна идти о полимеразах? или не только о них?
Изучает ли их(это) кто то? Как и когда они появляются и работают? Как много их? итд
У меня много вопросов…
Подскажите информацию где это можно почитать-изучить самостоятельно или раскройте это в своих следующих статьях…HellMaus
06.02.2017 18:49+2Прошу прощения, забыл дать ссылки на предыдущие статьи — там это рассказано. Исправляюсь: https://geektimes.ru/post/282582/ https://geektimes.ru/post/283686/ https://geektimes.ru/post/284878/
reversecode
06.02.2017 18:52Повторят ссылками их не было смысла, достаточно было сказать что вы уже эту тему раскрыли
Статьи автора видны
ок, полистаю почитаю, возможно там именно то что хочется узнать
Но если так, и все механизмы днк уже известны
Что остается непонятым? 3д сворачивание форма белка?
Я так предполагал что именно механизма с полимеразами и не хваталоHellMaus
06.02.2017 20:35+1Механизм посадки полимеразы и ее регуляции понятен, когда регуляторных входов 2-3 (как в лактозном опероне). А когда входов много, в их взаимодействии легко запутаться. Я же в конце этой статьи об этом пишу. Если же мы переходим от одного гена к сети, то там начинаются свои проблемы, о которых я в следующий раз расскажу.
reversecode
06.02.2017 20:51вот про полимеразы, откуда они берутся, куда они деваются, как их много, как долго живут, их разнообразие в разных клетках, их разнообразие в двух клетках одного и того же назовем «органа»
и хотелось бы узнать, на мой взгляд именно этого и не хватает что бы уже начать конструировать биологические организмы? или я что то еще упускаю?HellMaus
07.02.2017 00:21+1РНК-полимеразы, которые нужны для активности генов — это тоже белки, они тоже кодируются своими генами. У бактерий есть обычно одна РНК-полимераза, у животных и растений — три. В любой клетке работают все три, с регуляцией генов это не связано.
Что вы называете «конструировать организмы»? Сделать с нуля, химическим синтезом, аналог существующих клеток из ДНК и белков? Сделать живую клетку на другой химической основе? Сделать живую клетку, сочетая природные детали с искусственными? Это разные задачи, и в них разные грабли.reversecode
07.02.2017 01:01Боюсь дискуссия будет большая и за рамками данной темы
Из того что я понимаю:
Днк — это всего лишь программа
Часть днк, гены — это подпрограммы для генерации белков
Остальная часть днк темный мир
Полимеразы, ползают по днк и активируют тот или иной ген(под программу)
Если в днк остаеться много неизвестных фрагментов, значит понимание как они работают и для чего кроется в том кто их читает — в полимеразах
После этого у меня непонимание
В какой то книге читал что полимеразы также могут генерироваться из самой днк
Поэтому я предположил что полимераз может быть много…
и собственно дальше хочется узнать о полимеразах побольше, что бы понять как происходит конструирование живого организма из одной клетки
Но толком не могу найти более подробную информацию о полимеразах,
Ну не могут же они наугад прыгать по днк включая тот или иной ген? не могут,
Они чем то должны руководствоваться, какой то информацией, возможно эта информация и есть та часть днк которая не относится к генам.
А изучал ли кто чем полимеразы занимаются «всю свою жизнь»? итд
Вот в книгах часто описывают как «полимераза генерит белок», в подробности вдаваться не будем, а изучал ли кто чем занимается полимераза до и после этого?
Надеюсь вы улавливаете что я хочу спросить и узнать, потому что мне наверное сложно выразить свою мысль
«конструирование организма», создание живого организма, мифическое животное, или любой другой живой организм, собака, кошка, человек, итд только придумав все с нуля по своемуOrcus13
07.02.2017 04:08Не уверен что понимаю вашу проблему и то, почему вы прицепились именно к полимеразам, но возражу.
«Конструировать организм» — вы можете начать прямо сейчас. Для этого достаточно облучить репродуктивную клетку достаточным количеством жесткого излучения.
Вопрос лишь в том, как изменение Х повлияет на конечный организм. Пока с этим полная муть. Муть даже с тем, какие функции у многих генов хорошо известных организмов и с тем, как эти гены регулируют работу друг друга.
Для того, чтобы определить конечный организм — необходимо моделирование. Моделирование работы клетки и всего организма in silico, т.е. на компьютере. Но для того, чтобы определить, как замена нуклеотида А на нуклеотид Б в ДНК повлияет на развитие и работу организма — очень, очень далеко. Это можно сделать лишь для ограниченного количество уже известных мутаций в известных генах.HellMaus
10.02.2017 11:55Во-во, проблема с тем, чтобы предсказать результаты генетического изменения.
reversecode
14.02.2017 00:46если мы «знаем» как все работает, то ничего предсказывать не надо
результат будет заранее известен
reversecode
14.02.2017 00:57То что вы предлагаете называется создание химеры))
А вот моделирование конечного организма интересно. Достаточно ли уже все известно что бы этим заниматься?
Почему очень и очень далеко? В чем проблема?HellMaus
15.02.2017 12:49В конце этой статьи я же написал — моделировать трудно, потому что внутренних параметров системы (которые мы прямо не видим) гораздо больше, чем наблюдаемых внешних параметров. В следующей статье распишу это подробнее.
HellMaus
07.02.2017 13:04У бактерий практически вся ДНК — это гены, некодирующей ДНК совсем мало. У животных и особенно растений очень много некодирующей ДНК, и похоже, что большая ее часть — все-таки мусор.
В моих предыдущих статьях подробно расписано, как полимераза «знает», что читать — для этого существуют сотни регуляторных белков, которые связываются с определенными последовательностями ДНК и помогают или мешают посадке полимеразы. Других функций, кроме основной, за РНК-полимеразами не замечено.reversecode
14.02.2017 00:48На основании чего похоже что это мусор? Были ли попытки-опыты по вырезанию мусора и получения того же самого результата? Допустим не с живыми организмами а с растениями?
То есть полимераза нарезает белки которые в свою очередь регулируют ее дальнейшее поведение?Mad__Max
14.02.2017 22:25Не участвует ни в одном известном процессе. Часто там многократные(десятки, а иногда и сотни раз) повторы одного и того же куска кода.
DrZlodberg
07.02.2017 11:49Как я понимаю, для начала было бы неплохо соорудить что-то (пусть простое и не жизнеспособное, но именно то, что планировали) из имеющихся в наличии блоков, чтобы не заморачиваться с их разработкой.
Мы имеем (грубо говоря)
1. доступный набор клеток.
2. набор структур (нервная система, глаза, ноги, покрытие (не знаю как точнее назвать хитин. не кожа же) и т.д.
И вот из этого собрать что-нибудь предсказуемое.
Собственно уже на этом уровне можно (разобравшись как оно работает) конструировать практически что угодно в пределах доступных вариантов из одного организма.
Дальше можно генной инженерией внедрять новые типы клеток/тканей из других организмов.
Когда разберутся с формированием клеток (это, всё-таки, уже другая задача) уже можно будет городить и новые блоки. А как можно развернуться с использованием полностью синтетического генома (вроде добавления новых оснований) даже сложно предсказать.
Mad__Max
11.02.2017 21:46И 3д сворачивание белка (фолндинг) в том числе. ДНК-РНК последовательности известны уже практически для всех белков, а при обнаружении новых без проблем быстро расшифровываются и добавляются в базы данных.
А вот 3д структура (которая нужна для определения выполняемых функций и дальнейшего моделирования) известна пока только для небольшого % белков. Это сложная задача как для экспериментального подхода так и для вычислительного.HellMaus
12.02.2017 13:15Да, предсказание фолдинга — сложнейшая и важнейшая задача для биологии, решается пока плохо. Экспериментальное определение структуры на сегодня удается лучше.
reversecode
14.02.2017 00:52-13д сворачивание и 3д структура — не уверен что понял
То есть как свернуть белок в 3д уже известно,
а вот как работает такой свернутый 3д белок — задача сложно решаема или не решаема пока что вообще?
Если так, то как вообще происходит моделирование?Mad__Max
14.02.2017 22:45+1Как раз «как свернуть белок» в общем виде пока неизвестно — это очень сложная задача.
В общем виде = для произвольного белка, для которого известна только аминокислотная последовательность записанная в ДНК или РНК.
Начать можно отсюда: Фолдинг белка
Предсказание структуры белка
Protein_folding
Рентгеновская кристаллография белков
Моделирование взаимодействий (с другими белками или простыми химическими веществами) и примерное определение его свойств для белка по которому уже есть 3д модель атомарного разрешения в свернутом виде более простая задача и более-менее уже решается. Хотя если моделировать развитие целого организма(изменили что-то в ДНК и хотим смоделировать как это отразится на целом живом организме развившемся из такой модифицированной клетки), то этих взаимодействий будет настолько много, что все-равно не хватит современных вычислительных мощностей даже если бы все структуры были уже известны.reversecode
15.02.2017 00:45-1А тем не менее это должно быть просто, 3д сворачивание, сам по себе то он сворачивается практически всегда правильно
есть один безумный исследователь самоучка
он публиковал когда то
раз
два
три
Mad__Max
15.02.2017 02:32Как обычно очередной «непризнаный гений» альтернативщик (из тех что вечные двигатели стоят, а иногда еще и продают)
Придумано своих критериев оценки «успешности» расчета структуры вместо стандартных общепринятых (среднеквадратичное отклонение координат атомов в расчетной модели от экспериментально определенной структуры).
Единственный рабочий пример — модель всего на 22 аминокислотных остатка.
Хотя всем кто интересуется знают, что сложность расчета структуры при простых подходах растет нелинейно с увеличением длинны белка (Комбинаторный взрыв)
И для очень коротких белков (до примерно 50 остатков, их даже белками обычно не зазывают — а полипептидами) рассчитать 3д структуру по генетическому коду никаких сложностей нет уже давно.
От 50 до примерно 100 остаток, сложнее но сейчас обычно тоже уже решаемо.
Но все самое интересное начинается на белках от 100 аминокислотных оснований и выше.
А средняя длина белков к примеру человека вообще около 500-700 оснований, максимум до 10-30 тыс. оснований встречаются
Вполне заурядный белок при прямом подходе (полное моделирование сворачивания с высокой точностью) требует небольшого суперкомпьютера или выч. кластера и от нескольких месяцев до нескольких лет работы. На один единственный белок, которых у простейших организмов сотни штук, а у сложных типа млекопитающих и человека — десятки тысяч.
При «умных» алгоритмах использующих разные упрощения и оптимизации, предсказать 3д структуру белка на несколько сотен остатков (несколько тысяч атомов) можно за несколько дней-недель при счете на хорошем выч. кластере. Но это будет уже не точная модель повторяющая имеющееся в природе, а только что-то к ней близкое и с некоторой вероятностью (уровнем достоверности).
Пользоваться можно, но для критически важных белков все-равно нужно либо определить структуру экспериментально, либо провести полное моделирование, т.к. предсказанная по упрощенным алгоритмам модель оказывается близка к природной не всегда, а лишь в большинстве случаев.
Rikkitik
15.02.2017 13:34+1Существует компьютерная игра в фолдинг белков Foldit, это реальный исследовательский проект, результаты которого используют биохимики в работе. Игра была создана исследователями из Университета Вашингтона под руководством профессоров информатики и инженерного дела Зорана Поповица (Zoran Popovic) и Дэвида Салесина (David Salesin), а также профессора биохимии Дэвида Бэйкера (David Baker) в 2008 году. Результат раунда игры оценивается по энергии связей. Цель — получить наиболее энергоэффективную пространственную форму.
Скриншот
Mad__Max
15.02.2017 18:34Это я все знаю. В FoldIt я несколько лет назад даже в TOP-100 лучших игроков по миру на какое-то время попал. Потом забросил, после прохождения обучения и нескольких десятков реальных белков становится слишком однообразным.
Сейчас активно участвую в автоматических программах, в частности Rosetta@home из открытых решений занимающей лидирующие места по фолдингу белка и de-novo дизайну искусственных белков под заданные цели.
Дома собственный целый небольшой вычислительный узел построен и 24/7 работает несколько лет: 3 компьютера на 6 и 8 ядерных процессорах и по 2 видеокарты (для GPU вычислений) в каждом.
Zenitchik
15.02.2017 15:40(Комбинаторный взрыв)
Прикол в том, что реальный белок в реальном мире сворачивается параллельно во всех своих точках. Грубо говоря, для того, чтобы быстро свернуть его модель, количество потоков вычисления должно быть сравнимо с количеством аминокислот в белке.
kassini_90
06.02.2017 18:58Расскажите, пожалуйста, как измеряется градиент белков в личинке?
HellMaus
06.02.2017 19:09+3вариант 1: убитую и зафиксированную личинку красят антителами на эти белки с разными флюооресцентными метками. Так можно посмотреть сразу несколько белков:
вариант 2: сделать трансгенную линию мух, у которых какой-нибудь из генов этих белков будет сшит с геном зеленого флюоресцентного белка. Можно смотреть концентрацию белка в динамике на живой личинке.
Orcus13
07.02.2017 04:13+1Трудно не добавить в пост этот линк
Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.? И из какого центра подается команда?
Alexey2005
07.02.2017 17:25Эх, и почему я не родился хотя бы на 50 лет позже… Тогда может уже застал бы возможность генерации живых организмов с наперёд заданным обликом и поведением.
FlameStorm
08.02.2017 11:51Так мы терранами, протоссами или зергами будем? Или всеми сразу? :)
Zenitchik
08.02.2017 11:57А Вы хотите быть идеалом формы или идеалом содержания? (во втором случае, можно через некоторое время «содержать» в себе ещё и идеал формы :) )
loly_girl
08.02.2017 13:00+1Я обычно зерг, потом ворую рабочих у терранов и протоссов и развиваюсь полноценной гармоничной цивилизацией.
Zenitchik
08.02.2017 13:41Я аналогично за протоссов поступал. А у зергов кто ворует?
loly_girl
08.02.2017 14:28Infestor (заразитель) во втором старкрафте.
Zenitchik
08.02.2017 14:34Уже не торт )))
FlameStorm
08.02.2017 17:44Это точно, — в классике только тоссы читеры! )
А дальше то что? В третьем старкрафте гармония восстановится и терраны тоже тыбрить рабочих смогут?
HellMaus
08.02.2017 18:14Всеми сразу, а так же нэками, эльфами, осьминогами и всем, что способна породить фантазия миллионов людей. Если что, я за нэк!
Maccimo
08.02.2017 12:04А что в этой области науки с ЯВУ?
Есть ли какие-нибудь разработки на тему перевода этой АЦТГ-абракадабры в более человекопонятное представление?
Не имею в виду определение функций отдельных генов.
Ген или группа генов — инструмент, хотим разбить витрину — бросаем в неё кирпичом или гантелей, хотим проделать отверстие в стене — берём перфоратор. При этом ни про законы физики, ни про принцип действия перфоратора можем и не знать.
А хотелось бы не только пользоваться инструментом, встраивая ген люминесценции в корову, но ещё и уметь эти инструменты проектировать и собирать.HellMaus
10.02.2017 15:49Если вы о создании принципиально новых белков и генов, то это делают по мелочи, слегка изменяя существующие. Есть интересные эксперименты http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3014984/ и http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pro.147/abstract
ra3vdx
09.02.2017 00:05Вот ещё по теме отличная книга для тех, кто хочет в вопросе разобраться. Там и про Hox-гены и про разметку достаточно много:
Ну и гуглите Нила Шубина «Внутренняя рыба». Есть и книга и фильм. В книге тоже достаточно много внимания уделено гомеобоксу.
MxMaks
09.02.2017 15:35Есть фото мутаций с Фукусимы, когда круглые цветы удлинялись. Это мутация генов координатной сетки?
QDeathNick
09.02.2017 17:27Вот если бы это закрепилось и выросло целое поле, то наверное можно было бы считать мутацией, а пока, это скорее всего просто сбой при единичном онтогенезе.
Т.е. это не изменение программы, а сбой при её выполнении.
Но явно виноваты процессы формирования сетки. Должен был в одной клетке триггер сработать и тем самым определить центр, а он долго не срабатывал и вместо одной точки образовалась полоска центральная.
Тут ещё примерыHellMaus
10.02.2017 12:27Лягушка с шестью ногами оттуда — не мутант, а жертва паразитов: http://phenomena.nationalgeographic.com/2013/02/13/a-flurry-of-frog-legs/
HellMaus
10.02.2017 11:43Да, это сбой формирования координатной сетки, но не факт, что из-за мутации генов. Видел похожие аномалии у одуванчиков в Москве. У дрозофилы уродства вроде bithorax можно вызвать у генетически нормальных особей, устроив развивающимся яйцам перегрев.
wych-elm
10.02.2017 11:52Интересно, если расшифруют такую сеть в человеческом геноме, то можно будет создавать что-то типа шоканов из MK?
HellMaus
10.02.2017 11:53У человека (и у мыши) генные сети разметки разных частей тела настолько переплетены, что для вставки пары рук придется перекраивать всю сеть (((
wych-elm
10.02.2017 17:55Вот, кстати, часто встречаю в биологии что-то типа «X есть только у человека и животного Y». И если мне не изменяет память, то почти все такие животные обретаются около человека (как, например, мыши которые стали жить с людьми с момента изобретения последними сельского хозяйства). Может ли в этом быть как-то замешан механизм горизонтального переноса генов?
QDeathNick
А нет ли игрового симулятора какого-то более продвинутого чем boxcar2d в котором можно было детям объяснить как гены влияют на формирование организма? С такой координатной разметкой хотелось бы.
HellMaus
Если бы был — я бы его давно распиарил ((( Если бы у меня был миллион долларов — выставил бы его призом на конкурсе на лучший такой симулятор.
ArtificialLife
В профиле, в разделе «о себе» нашел «Профессиональные интересы: происхождение нервной системы» — было бы очень круто почитать науч-поп на эту тему.
HellMaus
На эту тему я еще не писал науч-поп. Все впереди!
pavel_kudinov
я создаю такой симулятор, начало тут
сейчас так:
видео 1
видео 2
скриншоты
roadmap hires
P.S. не моё, победитель GECCO 2016 Virtual Creatures Competition
QDeathNick
Спасибо, развлекло, почитал и посмотрел всё что нашёл у вас. Завтра может ещё на GeForce 1080 протестирую вашу CUDA версию.
Но пока не вижу ни генетики, ни координатной сетки.
Вдохновения вам желаю.
ArtificialLife
Увы, тоже не нашел ни чего более сложного. Только клоны.
Сам уже несколько лет хочу написать что-то подобное, но, как ты заметил, более «сложное». Думал попробовать добавить машинкам «интеллект», если так можно выразиться. Скажем, изменение давления в колесах от типа грунта, использование только задних/передних колес для удержания равновесия, использование реактивного прыжка для преодоления препятствий/пропасти и т.д.
pavel_kudinov
выше написал комментарий о своей разработке, если интересно — посмотрите, если будут интересны подробности — обращайтесь
ArtificialLife
Спасибо, уже читаю.
msts2017
ученые работают над этим, еще пару млрд $ и в продакшн.
loly_girl
Помню, на информатике на бейсике мы создавали модель простейшего организма и к нему хищника для отработки генетики и экологии. Без графической части, разумеется.
Zenitchik
Мне кажется, в данном вопросе, самое трудное — составить правильное ТЗ…
Orcus13
Вся суть медицины и биологии в принципе сводится к написанию документации.
Когда ее напишут — наука закончится, останется одна инженерия.
HellMaus
О да. Это боль — писать документацию к проекту, который писали многие поколения отборных быдлокодеров, на языке вроде ассемблера и с любовью к Goto. Примерно так выглядит работа молекулярных биологов.
Zenitchik
Это не асм, это что-то из декларативных. И нейронными сетями пахнет.
HellMaus
Если смотреть на последовательность ДНК, то это что-то между ассемблером и BrainFuck. Уровнем выше будут генные сети, которые по математике имеют много общего с нейросетями.
А пытаться из последовательности ДНК вывести анатомию животного — это как по бинарнику программы демосцены пытаться понять, какие картинки она создает.
Zenitchik
На счёт ассемблера и брейнфака — не согласен. И тот и другой — императивные языки, тогда как последовательность нуклеотидов не задаёт порядка действий интерпретатора, она частью обозначает места резки кода на имеющие смысл фрагменты (язык разметки), частью — механически интерпретируется в структуру белка (с т.з. рибосомы, это данные, а не программа).
На выходе — РНК и белки, имеющие некоторую структуру и вследствие этого — некоторые свойства. Выше — не смею с Вами спорить по этому вопросу — генные сети, которые (как следует из изложенной в Ваших статьях математики) хорошо описываются абстрактными нейронными сетями.
HellMaus
Прошу прощения, в классификации языков программирования я не силен.
(правая половина, полоски одного цвета — одинаковые 3Д структуры). Я не знаю, где в computer science встречается что-то подобное, может быть, в программах демосцены?
С т.з. рибосомы белок-кодирующая последовательность является перфолентой для станка с ЧПУ. Чему соответствует такая лента в Фон-Неймановской архитектуре, программе или данным — судить не берусь.
Аналогом компиляции или интерпретации здесь может быть фолдинг — сворачивание белка или РНК в трехмерную структуру. Там нет четких команд, как в императивных языках, но нет и описания ожидаемого результата, как в декларативных языках. Функция фолдинга (отображение множества последовательностей на множество 3D-структур) имеет важное свойство: для любой последовательности можно, заменяя по одной букве, изменить более половины букв с сохранением 3Д-структуры. Одновременно можно малыми изменениями последовательности радикально изменить 3Д. Нашел иллюстрацию
В биологии отображения нижнего уровня на верхний и дальше имеют такие же свойства: отображение последовательности регуляторного участка гена на регуляторные функции; отображение 3Д-структуры белка на ферментативную активность; отображение топологий генных сетей на топологию порождаемой разметки; отображение устройства нейросети на поведение; отображение анатомии животного на его экологические свойства, и т.д.
Zenitchik
Не соответствует. Дело в том, что перфолента станка с ЧПУ содержит команды управления движением рабочего органа. Т.е. это опять таки императивный язык.
А рибосома обрабатывает каждый триплет однообразно: берёт подходящую аминокислоту и присоединяет её к готовой цепочке. Она в данном случае — как человек в «китайской комнате».
То, что рибосома обрабатывает триплеты последовательно — это особенность реализации рибосомы. Генетический код реализации не диктует. Мыслим автомат, который собирает белок в любом порядке — хоть весь массив за раз.
Фон-Неймановская архитектура тут ни при чём. Дело в принципе.
Кажется, мы друг друга недопоняли: в ДНК записано, каков должен быть порядок аминокислот в белке, и оснований в РНК, которые с неё считываются.
Zenitchik
Пары секунд не хватило, чтобы закончить мыль:
В ДНК записано, каков должен быть оснований в РНК которая с неё считывается и аминокислот в белке, который по ней строится. Кроме того, она размечена на осмысленные куски.
Т.е. это самый настоящий декларативный язык, описывающий структуру синтезируемых молекул.
HellMaus
Да, теперь согласен, что отображение ДНК->белок будет декларативным языком. А про фолдинг и его аналоги в кремнии можете что-нибудь подсказать?
2hot
Есть ещё довольно интересный Gene Pool Swimbots, только уже про эволюцию популяций.
HellMaus
Видел, да.
ilya-s
пишется
Robotex
Пишу подобный, но я лишь в самом начале