Генная сеть (мгсу)
Генная сеть - группа координировано функционирующих генов, обеспечивающих формирование определенного фенотипического признака организма (молекулярного, биохимического, физиологического, морфологического, поведенческого и т.д.)
Основное свойство генных сетей – способность к самовоспроизведению. Это основа устойчивости существования и наследования молекулярно-генетической информации.
Добиологическая молекулярная эволюция
Способность генных сетей к самовоспроизведению является фундаментальным свойством, обретенным в ходе добиологической молекулярной эволюции. Однако очевидно, что основные понятия биологической теории эволюции: особь, наследование, наследственная изменчивость, генотип, фенотип, популяция и т.д., в общем случае неприменимы к добиологической эволюции. Поэтому элементарным объектом добиологической эволюции следует считать фракцию макромолекул (полинуклеотидов, полипептидов). От других фракций она должна отличаться последовательностью мономеров и молекулярной функцией.
Соответственно, в добиологической эволюции элементарной эволюционирующей единицей является устойчивый коллектив (ансамбль) макромолекул, т.е. совокупность фракций макромолекул, которые связаны между собой процессами синтеза (матричного и нематричного), ферментативного катализа, стереохимического взаимодействия, деградации, модификации и т.д.
Сеть функциональных взаимодействий ансамбля и набор концентраций его молекулярных компонент образует динамическую структуру ансамбля. Эволюцией ансамбля собственно и будет являться изменение его динамической структуры.
Подобного рода устойчивые ансамбли макромолекул с одной стороны имеют свойства особей (стабильная внутренняя структура, самовоспроизведение) и с другой стороны популяций (способность эволюции путем мутаций и отбора). Устойчивость системы самовоспроизведения определяется ее циклическим характером.
Кинетические модели Эйгеновского типа
В 1973 г. М. Эйген применил химико-кинетический подход к описанию динамики коллективов информационных макромолекул. Эти модели позволяют описать возможные варианты организации коллективов макромолекул и оценить с эволюционных позиций их свойства, хотя это, вероятно, и не относится к реальному эволюционному процессу
Будем считать, что процессы матричного синтеза макромолекул далеки от равновесия и протекают только в комплексах матриц (полинуклеотидных) и ферментов, осуществляющих этот синтез. Обозначим xi — полную концентрацию макромолекул i-го типа, a zi — концентрацию комплекса (комплексов), производящего макромолекулы i-ro типа.
где ai — параметр синтеза, bi — параметр распада макромолекул i-ro типа, а Ф — единый поток разбавления всех макромолекул, fi — функция формирования комплексов i-го типа, di — константа их дезинтеграции.
Примем так называемое «селекционное ограничение» — дополнительное требование (в некотором смысле – граничное условие), связанное с регулированием потока Ф. Будем использовать только ограничение, обеспечивающее так называемое постоянство внутренней организации коллектива макромолекул, а именно:
а) концентрации мономеров нуклеиновых кислот и белков, а также других субстратов в резервуаре избыточны, т. е. параметры аi, bi, di и функции fi и Ф не зависят от них;
б ) суммарная плотность макромолекул С постоянна, т.е.
что достигается регулированием потока разбавления Ф. Это ограничение обусловлено тем, что реальные системы, где может идти синтез макромолекул — клетки, коацерваты — растут или дробятся не переуплотняясь, а это эквивалентно регулированию стока;
в) механизм разбавления одинаков для всех фракций, что описывается членом -Фxi .
Кроме того, Эйген предполагает, что комплексы zi квазиравновесны, т. е. равновесие по ним устанавливается значительно быстрее, чем изменяются xi и поток разбавления. Тогда, полагая dz/dt = 0, получаем систему алгебраических нелинейных уравнений:
dizi , i=1,n
Введенная динамическая система для коллектива макромолекул оказывается полностью эквивалентна уравнениям популяционной генетики. Введем относительные концентрации
ui = xi/C
и величины
wi = aizi/xi – bi
к оторые являются аналогами «селективных ценностей», или приспособленностей отдельных фракций макромолекул.
Усредняя по коллективу, получаем w =
Э то — аналог средней приспособленности коллектива. Тогда система уравнений динамики приобретает хорошо известный из генетики популяций вид
Суммируя по i, получаем, что
w = Ф
т. е. поток разбавления имеет смысл средней приспособленности коллектива макромолекул. Из популяционной генетики известно, что эта величина определяет темп размножения популяции.
П оэтому естественно требовать, чтобы w = Ф > 0 и окончательно получаем
— аналог уравнений популяционной генетики с отбором. Очевидно, что фракции, для которых wi < w, уменьшают относительные концентрации, а если wi > w, то фракции макромолекул растут. Достижение равновесия возможно при достижении внутренне сбалансированного состояния коллектива макромолекул, иногда оно наступает после вытеснения некоторых фракций, имеющих относительную приспособленность меньше средней.
Однако, в отличие от популяционно-генетических задач, приспособленности здесь не введены как параметры, а получены из кинетических констант и динамических переменных после задания молекулярных процессов в коллективе. Величины wi в общем случае не константы, а нелинейные функции частот ui. Поэтому аналог фундаментальной теоремы естественного отбора Фишера (dw/dt≥0) в общем случае не выполняется. Если коллективы внутренне сбалансированы и внешне обособлены от других фракций макромолекул, то их можно считать автономными единицами отбора следующего уровня, пересчитав приспособленности на эти коллективы.
Возможны и более сложные режимы функционирования описываемой системы.
Основная проблема, возникающая в связи с анализом систем самовоспроизведения макромолекул, — это проблема их структурной и динамической устойчивости и внутренней сбалансированности.
Один из способов решения этой проблемы - циклический характер системы самовоспроизведения.
Эйген предложил вариант циклического коллектива, состоящего из полинуклеотидов и полипептидов (с разделением функций между ними) и назвал эту конструкцию каталитическим гиперциклом с трансляцией. Матрица Ii воспроизводится с помощью белка Ei -1 и эта матрица кодирует белок Ei, который необходим для воспроизведения матрицы Ii+1. Таким образом, гиперцикл по сути дела является обобщением каталитического цикла белков с отдельной матрицей для каждого звена. При этом подразумевается, что уже существует система генетического кодирования белков и трансляции (Ii → Ei). На рисунке она не показана.