Стохастические факторы: понимание случайности в проявлении генов

Понимание стохастических факторов в проявлении генов помогает ответить на один из самых сложных вопросов генетики: почему даже при одинаковом наборе генов и в схожих условиях результат может быть разным. Это явление объясняет, почему однояйцевые близнецы имеют отличия, почему наследственные заболевания проявляются с разной силой и как клетки в одном организме приобретают уникальные черты. Стохастичность, или случайность, — это не ошибка в генетическом коде, а фундаментальное свойство биологических систем, которое играет ключевую роль в развитии, адаптации и возникновении болезней.

Если представить ДНК как подробный кулинарный рецепт, то экспрессия генов — это процесс приготовления блюда. Даже если два повара используют один и тот же рецепт и одинаковые ингредиенты, их блюда все равно будут немного отличаться. Причиной тому служат мельчайшие, случайные отклонения в процессе: температура на плите колеблется, щепотка соли получается чуть больше или меньше. В клетке происходят похожие процессы: случайные столкновения молекул, флуктуации в количестве ферментов и регуляторных белков приводят к тому, что «блюдо» — то есть количество синтезированного белка — получается немного разным в каждой отдельной клетке и в каждый момент времени.

Что такое стохастическая экспрессия генов простыми словами

Стохастическая экспрессия генов — это вариабельность в количестве белка, производимого конкретным геном, которая возникает из-за случайных событий на молекулярном уровне. Это означает, что даже две генетически идентичные клетки, находящиеся в одной и той же среде, могут производить разное количество одного и того же белка. Этот «шум» в работе генов является неотъемлемой частью жизни клетки.

Причины этой случайности лежат в самой природе биохимических реакций. Процесс считывания генетической информации (транскрипция) и сборки белка (трансляция) состоит из множества отдельных шагов, в которых участвуют различные молекулы. Эти молекулы движутся в клетке хаотично и сталкиваются друг с другом случайным образом. Например, молекула фермента РНК-полимеразы, которая запускает считывание гена, должна сначала найти и связаться с определенным участком ДНК. Время этого поиска и успешность связывания — величины случайные. Совокупность тысяч таких микроскопических случайностей и создает видимую вариабельность в работе генов.

Два источника случайности: внутренний и внешний биологический шум

Биологический шум, или случайные колебания в экспрессии генов, является ключевым проявлением стохастических факторов. Важно понимать, что этот шум не всегда вреден; он может быть полезен для адаптации популяций клеток. Чтобы лучше понять природу этой случайности, ученые разделяют ее на два основных типа:

Разделение на внутренний и внешний шум помогает понять, на каком уровне возникают различия. Внутренний шум создает уникальность на уровне одного гена, в то время как внешний шум координированно изменяет работу целых групп генов, создавая различия между клетками в целом.

Роль стохастических факторов в медицине и развитии заболеваний

Случайность в работе генов имеет прямое отношение к здоровью человека и объясняет многие клинические явления, которые долгое время оставались загадкой. Понимание стохастических процессов позволяет по-новому взглянуть на природу наследственных и онкологических заболеваний.

• Неполная пенетрантность. Это явление, при котором наличие мутации, связанной с заболеванием, не всегда приводит к его развитию. Стохастические факторы могут быть одной из причин: у некоторых носителей мутации случайные колебания в экспрессии «здоровой» копии гена или генов-модификаторов могут компенсировать дефект, и болезнь не проявится.
• Вариабельная экспрессивность. Объясняет, почему у разных людей с одним и тем же генетическим заболеванием симптомы могут проявляться с разной степенью тяжести — от легкой формы до тяжелой патологии. Случайные различия в работе генов на ранних этапах развития могут направить формирование органов и тканей по немного разным траекториям.
• Онкологические заболевания. В популяции раковых клеток стохастическая экспрессия генов создает разнообразие. Некоторые клетки могут случайно начать производить больше белка, отвечающего за устойчивость к химиотерапии. Именно такие клетки выживают после лечения и дают начало рецидиву.
• Процессы старения. С возрастом в клетках накапливаются случайные изменения. Стохастичность в работе генов репарации ДНК и систем контроля качества белков может приводить к тому, что в одних клетках повреждения накапливаются быстрее, чем в других, способствуя общему процессу старения организма.

Почему даже однояйцевые близнецы не являются абсолютными копиями

Однояйцевые (монозиготные) близнецы развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки и имеют практически идентичный геном. Несмотря на это, они всегда имеют небольшие различия во внешности, характере и предрасположенности к заболеваниям. Стохастические факторы вносят значительный вклад в эти различия.

Еще на самых ранних стадиях эмбрионального развития, когда клеток еще очень мало, случайные события в экспрессии ключевых генов могут задать немного разные пути развития для групп клеток. Например, случайное включение или выключение определенного гена в одной клетке из двух может привести к тому, что у одного близнеца будет родинка в определенном месте, а у другого — нет. Точно так же случайные флуктуации в генах, отвечающих за развитие нервной системы, могут привести к небольшим различиям в структуре мозга и, как следствие, в темпераменте и когнитивных способностях. Таким образом, стохастичность — это один из механизмов, который создает уникальность каждого индивида, даже при одинаковой генетической основе.

Можно ли управлять стохастическими процессами в организме

Прямое управление случайными молекулярными событиями внутри миллиардов клеток на сегодняшний день невозможно. Стохастичность — это фундаментальное свойство физического мира, которое проявляется на биологическом уровне. Однако понимание роли этого «шума» открывает новые перспективы в медицине.

Современные исследования направлены не на то, чтобы устранить случайность, а на то, чтобы сделать биологические системы более устойчивыми к ее нежелательным проявлениям. Например, разрабатываются лекарства, которые могут стабилизировать экспрессию критически важных генов, уменьшая разброс в их активности. В онкологии понимание стохастичности помогает создавать стратегии лечения, направленные на уничтожение не только основной массы опухолевых клеток, но и тех редких, случайно изменившихся клеток, которые обладают устойчивостью к терапии. Хотя мы не можем предсказать исход каждого случайного события, мы можем научиться управлять его последствиями, повышая надежность и стабильность работы нашего организма.

Список литературы

1. Медицинская генетика: национальное руководство / под ред. Н. П. Бочкова, Е. К. Гинтера, В. П. Пузырева. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. — 688 с.
2. Ярыгин В. Н., Васильева В. И., Волков И. Н., Синельщикова В. В. Биология. В 2 кн. Книга 1: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / под ред. В. Н. Ярыгина. — 10-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 448 с.
3. Alberts B., Johnson A., Lewis J., et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. Garland Science; 2014. — 1464 p.
4. Lewin B. Genes XII. Jones & Bartlett Learning; 2017. — 928 p.
5. Raj A., van Oudenaarden A. Nature, nurture, or chance: stochastic gene expression and its consequences. Cell. 2008;135(2):216—226.