уществует в двух вариантах, различающихся лишь коротким (38 аминокислотных остатков) сегментом, предшествующим четвертому трансмембранному домену. Согласно существующей топологической модели рецептора этот сегмент имеет цитоплазматическую локализацию. В генах каждого из рецепторов альтернативные варианты 38-ами-нокислотного сегмента кодируются двумя соседними экзонами, а сами варианты рецепторов образуются в результате альтернативного сплайсинга пре-мРНК по этим экзонам. Добавим, что существование альтернативных вариантов для каждого

24

из рецепторов функционально значимо: они имеют различные фармакологические и кинетические свойства и по-разному распределены в отделах ЦНС.

Наконец, роль альтернативного сплайсинга показана при образовании четырех форм тирозингидроксилазы у человека, трех форм ацетилхолинэстеразы в электрическом органе ската, трех форм периферию (белок промежуточных нейрофиламентов) у мыши, полипептидов у аплизии, специфических для нейрона R15, и в ряде других случаев.

¦ Очевидно, альтернативный сплайсинг является эволюцион-но древним и широко распространенным в клетках нервной системы способом увеличения качественного разнообразия синтезируемых в них полипептидов.

1.7. ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОМА И ОНТОГЕНЕЗ МОЗГА ЖИВОТНЫХ

Выше уже отмечено, что общее число транскрибируемых в мозге генов в 1,5-2 раза выше, чем во всех остальных тканях, и составляет, по-видимому, несколько десятков тысяч. Многообразие экспрессируемых в целом мозге генов объясняется двумя причинами: 1) разнообразием таковых в каждом индивидуальном нейроне (или группе нейронов) и 2) различиями в наборах генов, экспрессируемых в разных нейронах (или их группах) . Именно налагаясь друг на друга, эти два фактора являются причиной исключительного разнообразия образующихся мРНК и соответствующих белков. Следует подчеркнуть, что разнообразие синтезируемых в любой ткани последовательностей РНК связано преимущественно с относительно редко встречающимися молекулами, которые составляют небольшую долю (3-7%) от общей массы РНК. К мозгу это приложимо в большей мере, чем к любому другому органу или ткани. Поэтому измерения суммарного синтеза РНК и ее общего количества практически не позволяют судить о качественных характеристиках транскрипции генома.

Транскрибируемость уникальных последовательностей ДНК в мозге млекопитающих прогрессивно возрастает в позднем эмбриогенезе и раннем постнатальном онтогенезе, достигая максимума к моменту функционального созревания. Обнаружено, что транскрибируемость генома в различных отделах мозга человека неодинакова: в гностических областях коры больших полушарий она выше, чем в проекционных, в лобной коре левого полушария значительно выше, чем правого, в мозжечке и

25

стволовых отделах мозга уровень транскрипции — промежуточный. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что развитие сложных гностических функций в мозге человека связано с прогрессивным увеличением генетического разнообразия составляющих его клеточных элементов.

В последние годы появились работы, позволяющие сделать прямые оценки степени генетической специализации клеток мозга. Они основаны на исследовании локализации различных мозгоспецифических антигенов с помощью моноклональных антител и локализации индивидуальных мРНК с помощью комплементарных клонированных последовательностей. Главным недостатком этих методов является их низкая представительность: в каждой работе исследуется ничтожная доля от всех синтезируемых в клетках мозга мРНК и белков. Добавим также, что в сфере этих исследований в большинстве случаев оказываются белки и мРНК, присутствующие в мозге в относительно высокой концентрации и уже в силу этого обстоятельства экспрессируемые в обширных популяциях нервных клеток. Так, обнаружены антигены, специфические для основных типов нервных клеток (нейронов, астроцитов I и II типа, олигодендроци-тов), а также для нейронов определенных отделов мозга (передний мозг, лимбическая система, мозжечок, зрительные области коры и таламуса).

В рамках соответствующих отделов антигены могут иметь еще более выраженную клеточную специфичность (клетки Голь-джи II в слое зернистых клеток коры мозжечка, клетки Пуркинье и неидентифицированные нейроны в зернистом слое червя, флоккулюса и парафлоккулюса мозжечка). Известны антигены, которые экспрессируются в перекрывающихся популяциях нейронов в одних отделах ЦНС и неперекрывающихся популяциях — в других. Аналогичные, хотя пока и не столь многочисленные данные получены при исследовании локализации мозгоспецифических мРНК гибридизацией in situ. Судя по морфологическим, нейрофизиологическим, нейрохимическим и другим критериям, в мозге млекопитающих минимальными единицами такой специализации являются группы из десятков-сотен клеток, число которых в мозге крысы -7104, а в мозге человека -5-Ю7 (T.Bullock, 1984), Это заведомо превышает общее число экспрессируемых в них генов. По-видимому, морфофункциональная специфичность клеток в мозге определяется уникальностью всей комбинации экспрессируемых в них генов и положением этих клеток в специфических нейронных ансамблях. В то же время тот факт, что такие группы насчиты-

26

вают десятки-сотни клеток с одинаково экспрессируемым геномом, может объясняться необходимостью повышения надежности работы всей системы в целом. Однако в ЦНС некоторых беспозвоночных такая специализация распространяется на индивидуальные нейроны.

1.7.1. Экспрессия генов в ЦНС беспозвоночных

С помощью ДНК-РНК-гибридизации показано, что в ЦНС моллюска-кальмара экспрессируется 46% уникальных последовательностей генома, что достаточно для кодирования нескольких десятков тысяч различных мРНК (CPerrone Capano et. al, 1986). Следовательно, генетическая сложность клеточных элементов в ЦНС высокоорганизованных беспозвоночных сопоставима с таковой в ЦНС млекопитающих. В отличие от млекопитающих, однако, у кальмара не обнаружено специфической для ЦНС популяции молекул поли(А)+РНК.

Уникальную возможность для исследования экспрессии генов в индивидуальных нейронах представляет ЦНС брюхоногих моллюсков, состоящая из небольшого числа (-2104) крупных, во многих случаях легко идентифицируемых нейронов, сосредоточенных в нескольких ганглиях (R. Scheller et.al., 1984). У аплизии некоторые нейроны достигают размеров 0,5 мм и содержат -0,25 мкг ДНК и -5 нг поли(А)+РНК, что вполне достаточно для анализа методами молекулярного клонирования.

С помощью процедуры дифференциальной гибридизации клонированы гены и мРНК, специфически зкспрессирующиеся в отдельных нейронах ЦНС аплизии. В их число входят гены, продукты которых хорошо идентифицированы; например ген, кодирующий гормон откладки яиц, и четыре родственных ему гена. Будучи активными в разных нейронах, они кодируют синтез нескольких физиологически активных пептидов, секреция которых индуцирует стереотипный поведенческий репертуар откладки яиц (прекращение локомонии, подавление пищевого поведения, повышение респираторной и сердечной активности, собственно откладка яиц). При этом один и тот же пептид может действовать как нейрогормон на клетки соматических тканей и нейромедиатор на определенные нейроны. Экспрессия других генов этого семейства (ELN) в клетках атриальных желез приводит к синтезу нейроактивных пептидов, вызывающих активацию сумчатых клеток, а также секретируемых во внешнюю среду пептидов, обладающих активностью половых феромонов (калифины А, В и С). Таким образом, кодируемые этим

27

семейством генов пептиды регулируют различные компоненты одного сложного поведенческого репертуара.

Очень интересен также ^н аплизии, участвующий в регуляции водно-соленого баланса. Он кодирует две мРНК, образующиеся в результате альтернативного сплайсинга. Одна из них является преобладающим продуктом экспрессии гена в одном из нейронов, тогда как укорочения форма мРНК преимущественно синтезируется в некоторых других нейронах. Следовательно, у аплизии существуют механизмы выбора различных путей сплайсинга в разных нейронах.

Изучение экспрессии генов в индивидуальных нейронах этого моллюска позволяет сделать некоторые принципиальные выводы, которые могут быть применимыми и к ЦНС позвоночных животных. Главный из этих выводов состоит в том, что присутствие множества "редких" молекул РНК в суммарных препаратах поли(А)*РНК, изолированных из целой ЦНС или ее крупных отделов, является следствием активной экспрессии этих РНК в небольших популяциях нервных клеток, а не их экспрессии на одинаково низком уровне в обширных популяциях клеток.

Сравнение популяций мРНК, синтезируемых в нейронах, использующих один и тот же классический медиатор, но функционально различных (например, в холинергических нейронах R2, L10 и L11), показывает, что такие нейроны обычно различаются экспрессией нескольких мРНК, каждая из которых специфична лишь для одного из сравниваемых нейронов. Очевидно, общее разнообразие синтезируемых в ЦНС мРНК складывается из перекрывающихся, но не одинаковых популяций мРНК, образуемых в индивидуальных нейронах. Остается добавить, что рассмотренные исследования охватывают лишь относительно часто встречающиеся (-0,1%) молекулы мРНК. Не исключено, что в действительности различия в популяциях синтезируемых мРНК между индивидуальными нейронами носят более сложный характер.

К популярным объектам нейрогенетики из числа беспозвоночных относится и одна из свободно живущих нематод — Caenorhabditis elegans. Одним из важных результатов ее исследования является обнаружение так называемых селекторных генов. Последние играют ключевую роль в онтогенезе нейронов нематоды: их продукты индуцируют включение серии "генов-реализаторов", формирующих фенотип нейронов. Примером селекторного гена может служить ген INS-4, детерминирующий специфичность синаптических контактов идентифицируемого мотонейрона VA. При мутациях этого гена мотонейрон

28

VA образует синаптические контакты, в норме ему не свойственные. Никаких других заметных нарушений в развитии ЦНС при этом не обнаруживается. Продуктом гена INS-4 является гомеобокс-содержащий ДНК-связывающий белок. Очевидно,