В поисках памяти - Эрик Кандель

Мы обнаружили, что непродолжительное однократное введение серотонина на несколько минут усиливает синаптическую связь сенсорного нейрона с мотонейроном, увеличивая выделение серотонина сенсорной клеткой. Как и у интактного животного, это кратковременное усиление синаптической связи представляет собой функциональное изменение и не требует синтеза новых белков. Пятикратное введение серотонина, имитирующее пятикратный удар током, напротив, усиливает синаптическую связь на несколько дней и приводит к отрастанию новых синаптических связей, то есть вызывает анатомические изменения, требующие синтеза новых белков (рис. 18–4). Этот результат показывал, что мы можем вызывать образование новых синапсов у сенсорного нейрона, растущего в культуре, но нам по-прежнему нужно было выяснить, какие белки задействованы в формировании долговременной памяти.

18–4. Изменения в отдельном сенсорном нейроне и отдельном мотонейроне, лежащие в основе кратковременной и долговременной памяти.

Тогда моя научная карьера сплелась с одним из величайших интеллектуальных приключений современной биологии — распутыванием молекулярного механизма регуляции работы генов, единиц хранения закодированной информации, лежащей в основе всего живого на планете.

Это приключение началось в 1961 году, когда Франсуа Жакоб и Жак Моно из парижского Института Пастера опубликовали статью, озаглавленную «Генетические регуляторные механизмы и синтез белка». Используя в качестве модельного объекта бактерий, они сделали замечательное открытие, что работа генов может регулироваться, то есть включаться и выключаться, как водопроводный кран.

Жакоб и Моно высказали предположение, известное нам теперь как факт, что даже у сложных организмов, таких как человеческий, почти каждый ген, входящий в состав генома, присутствует в каждой клетке тела. У каждой клетки в ядре содержатся все хромосомы организма, а значит, и все гены, необходимые для развития этого организма. Из чего следовал принципиальный для биологии вопрос: почему гены не функционируют одинаково в каждой клетке тела? Жакоб и Моно выдвинули гипотезу, которая в итоге полностью подтвердилась, что клетка печени является клеткой печени, а клетка мозга — клеткой мозга потому, что в клетках каждого типа включены (экспрессируются) только некоторые из генов, а все остальные выключены (репрессированы). Поэтому клетки каждого типа содержат собственный неповторимый набор белков — подмножество всех белков, которые в принципе могут синтезировать клетки организма. Этот набор белков и позволяет клеткам выполнять особенные биологические функции.

Гены включаются и выключаются по мере надобности, обеспечивая оптимальную работу всей клетки. Некоторые остаются выключенными на протяжении большей части жизни организма, другие, например задействованные в выработке энергии, всегда включены, потому что кодируемые ими белки жизненно важны для клетки. Но в клетках каждого типа одни гены экспрессируются лишь в определенное время, а другие включаются и выключаются в ответ на сигналы, поступающие из самого организма или из окружающей среды. Из этих доводов у меня в голове однажды вечером родилась светлая мысль: что есть обучение, как не набор сенсорных сигналов, поступающих из окружающей среды, так что сенсорные сигналы разного типа (или поступающие в разной последовательности) обеспечивают разные формы обучения?

Какие сигналы регулируют работу генов? Каким образом гены включаются и выключаются? Жакоб и Моно установили, что у бактерий гены включаются и выключаются другими генами. В связи с этим они выделили две разновидности генов: структурные и регуляторные. Структурные гены кодируют функциональные белки, определяющие структуру и функции клетки, такие как ферменты и ионные каналы. Регуляторные гены кодируют так называемые регуляторные белки, которые включают и выключают структурные гены. Затем Жакоб и Моно задались вопросом, как регуляторные белки действуют на структурные гены. Они предположили, что на отрезке ДНК, где находится каждый структурный ген, имеется не только участок, который кодирует определенный белок, но и регуляторный участок — особое место, которое теперь называют промотором. Регуляторные белки связываются с промоторами структурных генов, тем самым определяя, будет ли данный структурный ген включен или выключен.

Чтобы структурный ген мог включиться, регуляторные белки должны собраться на его промоторе и помочь отделить друг от друга две цепочки ДНК. После этого информация с одной из этих цепочек копируется на информационную РНК. Этот процесс называют транскрипцией. Информационная РНК выносит содержащиеся в гене инструкции для синтеза белка из ядра в цитоплазму клетки, где структуры, называемые рибосомами, синтезируют белок согласно этим инструкциям, осуществляя так называемую трансляцию. После того как с гена считывается записанная в нем информация, две цепочки ДНК снова сцепляются, и ген остается выключенным, пока регуляторные белки снова не запустят его транскрипцию.

Жакоб и Моно не только разработали основы теории регуляции работы генов, но и открыли регуляторные гены, участвующие в этом процессе. Есть две разновидности таких генов: репрессоры, кодирующие регуляторные белки, которые выключают структурные гены, и, как показали последующие исследования, активаторы, кодирующие регуляторные белки, которые включают структурные гены. Путем блестящих рассуждений и остроумных генетических экспериментов Жакоб и Моно выяснили, что, когда в распоряжении обыкновенной бактерии кишечной палочки, живущей у нас в кишечнике, имеется богатый запас одного из источников ее пищи — сахара лактозы, у нее включается ген, который кодирует фермент, позволяющий переваривать лактозу. Когда же лактоза кончается, ген этого пищеварительного фермента внезапно выключается. Как это происходит?

Жакоб и Моно установили, что в отсутствие лактозы ген-репрессор кодирует белок, который связывается с промотором гена пищеварительного фермента, не давая информации считываться с ДНК этого гена. Когда же они вновь добавляли лактозу в среду, на которой выращивали этих бактерий, лактоза входила в клетки и связывалась с белком-репрессором, из-за чего он отпадал от промотора. В результате промотор оставался свободным и мог связываться с белками, кодируемыми геном-активатором. Белки-активаторы включали структурный ген и обеспечивали синтез фермента, позволяющего бактерии усваивать лактозу.

Результаты этих исследований свидетельствовали о том, что кишечная палочка способна подстраивать интенсивность транскрипции генов в соответствии с поступающими извне сигналами. Дальнейшие исследования показали, что, когда эта бактерия оказывается в среде с небольшим содержанием глюкозы, в ней начинается синтез циклического АМФ, который запускает процесс, позволяющий клетке переваривать в первую очередь именно этот, более питательный сахар.