Система способов передачи генетической информации

Введение[править | править код]

Известно, что вирусы обладают различными типами генома и, соответственно, передача их генетической информации, т.е. синтез информационной рибонуклеиновой кислоты и копий генома, осуществляется различными способами.

Ниже описан системный подход, позволяющий упорядочить совокупность известных способов передачи генетической информации (СПГИ). На основе данного системного подхода сформированы три системы:

система простых теоретически возможных циклов репликации,
система простых теоретически возможных способов передачи генетической информации,
система способов передачи генетической информации для вирусов.

Описанный подход может быть использован для формирования более подробной системы, учитывающей большее количество системообразующих факторов.

Основные используемые понятия[править | править код]

Метод формирования системы[править | править код]

Система СПГИ включает:

способы передачи генетической информации,
правила композиции, определяющие пути и способы формирования совокупности СПГИ.

СПГИ представляются как сложные объекты, включающие:

первичные элементы — носители генетической информации (НГИ) и информационная (матричная) RNA (mRNA),
допустимые акты синтеза НГИ при репликации,
допустимые акты синтеза mRNA.

Алгоритм формирования системы включает:

формирование начального СПГИ из первичных элементов и допустимых актов синтеза,
последовательное применение правил композиции к СПГИ для получения совокупности СПГИ.

Система СПГИ представляется графически в виде схемы, включающей как СПГИ, так и правила композиции.

Носители генетической информации[править | править код]

НГИ — это геном и промежуточные продукты при его репликации. В табл.1 приведены различные допустимые НГИ, составленные из цепей рибонуклеиновой (РНК, RNA) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК, DNA) кислот. Знаки цепей соответствуют общепринятым:

(+)RNA гомологична mRNA,
(-)RNA комплементарна (+)RNA и т.д.

**Табл.1.** Носители генетической информации (НГИ)
Одноцепочечные НГИ (оцНГИ)	Двухцепочечные НГИ (дцНГИ)
(+)RNA	(±)RNA
(-)RNA	(+)RNA(-)DNA
(+)DNA	(-)RNA(+)DNA
(-)DNA	(±)DNA

Акты синтеза НГИ при репликации[править | править код]

Список актов синтеза, принятых в качестве допустимых, приведен в табл.2 и 3.

**Табл.2.** Акты синтеза НГИ для одноцепочечного начального НГИ
Тип акта: оцНГИ→оцНГИ	Тип акта: оцНГИ→дцНГИ
(+)RNA→(-)RNA	(+)RNA→(±)RNA
(+)RNA→(-)DNA	(+)RNA→(+)RNA(-)DNA
(-)RNA→(+)RNA	(-)RNA→(±)RNA
(-)RNA→(+)DNA	(-)RNA→(-)RNA(+)DNA
(+)DNA→(-)DNA	(+)DNA→(±)DNA
(+)DNA→(-)RNA	(+)DNA→(+)DNA (-)RNA
(-)DNA→(+)DNA	(-)DNA→(±)DNA
(-)DNA→(+)RNA	(-)DNA→(+)RNA(-)DNA

После завершения актов синтеза типа оцНГИ→оцНГИ остается начальный оцНГИ и он может быть использован повторно.

После завершения актов синтеза типа оцНГИ→дцНГИ не остается начального оцНГИ.

**Табл.3.** Акты синтеза НГИ для двухцепочечного начального НГИ
Тип акта: дцНГИ→оцНГИ	Тип акта: дцНГИ→дцНГИ
(±)RNA→(+)RNA	(±)RNA→(±)RNA
(±)RNA→(-)RNA
(±)RNA→(+)DNA	(±)RNA→(-)RNA(+)DNA
(±)RNA→(-)DNA	(±)RNA→(+)RNA(-)DNA
(+)RNA(-)DNA→(-)RNA	(+)RNA(-)DNA→(±)RNA
(+)RNA(-)DNA→(+)RNA	(+)RNA(-)DNA→(+)RNA(-)DNA
(+)RNA(-)DNA→(+)DNA	(+)RNA(-)DNA→(±)DNA
(+)RNA(-)DNA→(-)DNA	(+)RNA(-)DNA→(+)RNA(-)DNA
(+)DNA(-)RNA→(+)RNA	(+)DNA(-)RNA→(±)RNA
(+)DNA(-)RNA→(-)RNA	(+)DNA(-)RNA→(+)DNA(-)RNA
(+)DNA(-)RNA→(+)DNA	(+)DNA(-)RNA→(±)DNA
(+)DNA(-)RNA→(-)DNA	(+)DNA(-)RNA→(±)DNA
(±)DNA→(+)DNA	(±)DNA→(±)DNA
(±)DNA→(-)DNA
(±)DNA→(+)RNA	(±)DNA→(+)RNA(-)DNA
(±)DNA→(-)RNA	(±)DNA→(-)RNA (+)DNA

После завершения актов синтеза типа дцНГИ→оцНГИ остается начальный дцНГИ.

После завершения актов синтеза типа дцНГИ→дцНГИ:

для актов вида (±)XNA→(±)XNA и (+)XNA(-)YNA→(+)XNA(-)YNA остается начальный дцНГИ,
для остальных актов не остается начального оцНГИ.

Акты синтеза при транскрипции[править | править код]

В качестве допустимых актов синтеза для получения mRNA (т.е. транскрипции) приняты следующие:

(±)RNA→mRNA,
(‑)RNA→mRNA,
(±)DNA→mRNA,
(‑)DNA→mRNA,
(+)DNA(-)RNA)→mRNA,
(+)RNA(-)DNA)→mRNA.

Способы передачи генетической информации[править | править код]

СПГИ включает цикл репликации и транскрипцию.

Цикл репликации — процесс, в котором происходит увеличение числа копий исходного НГИ (генома). Цикл является последовательностью допустимых актов синтеза, в которой конечный НГИ идентичен исходному. Например:

геном → 1-й промежуточный НГИ → 2-й промежуточный НГИ → геном.

Цикл репликации удобно представить в виде графа, например:

Однозвенный цикл	Двухзвенный цикл	Трехзвенный цикл
Файл:ReplT 1.gif	Файл:ReplT 2.gif	Файл:ReplT 3.gif

Для увеличение числа копий генома необходимо, чтобы в цикле репликации был использован хоть один акт синтеза, после завершения которого остается исходный НГИ.

Транскрипция — процесс получения mRNA с помощью допустимого акта синтеза на НГИ, входящем в цикл репликации.

Графическое представление СПГИ с двухзвенным циклом репликации:

Файл:SPGIG.gif

Отметим, что геном и промежуточные НГИ могут состоять из нескольких фрагментов. Далее рассматриваются только те СПГИ, для которых все фрагменты генома — одного типа и все фрагменты промежуточного НГИ — также одного типа.

Правила композиции[править | править код]

Правила композиции — это правила, по которым преобразуется один СПГИ для получения другого:

правила типа R — модифицируют цикл репликации,
правила типа T — модифицируют процесс транскрипции.

Общими особенностями правил композиции являются следующие:

акты синтеза НГИ в начальном и новом СПГИ должны оставаться допустимыми,
каждое правило фактически определяет два направления изменения СПГИ — это отображено в виде двунаправленной стрелки перехода от СПГИ к СПГИ.

Правило R1 — промежуточный НГИ начального цикла становится геномом в цикле нового СПГИ, а геном — промежуточным НГИ. Например:

Файл:R1 .gif

Правило R2 — цикл репликации нового СПГИ получается при модификации промежуточного НГИ путем приобретения или утраты одной из цепей в НГИ. Например:

Файл:R2 .gif

Следует отметить, что правило R2 затрагивает и процесс транскрипции в случаях, когда в качестве матрицы при транскрипции используется промежуточный НГИ. В следующем примере в начальном СПГИ матрицей является одиночная (-)DNA, а в новом СПГИ — (-)DNA, входящая в состав двухцепочечной (±)DNA:

Файл:R2T.gif

Правило R3 — цикл репликации нового СПГИ получается при модификации промежуточного НГИ начального СПГИ путем замены одной из входящих в его состав цепей нуклеиновой кислоты данного типа на цепь нуклеиновой кислоты другого типа, т.е. DNA на RNA или наоборот, RNA на DNA. Например:

Файл:R3 .gif

На рисунке (и на других схемах и рисунках ниже) для удобства отображения дцНГИ вида (+)XNA(‑)YNA в циклах репликации принята нотация с расположением в две строки: (+)XNA над (‑)YNA. Здесь и далее обозначения XNA и YNA следует заменять соответственно на RNA и DNA, либо на DNA и RNA.

Следует отметить, что правило R3 затрагивает и процесс транскрипции в случаях, когда в качестве матрицы при транскрипции используется промежуточный НГИ и либо (-)DNA заменяется на (-)RNA, либо (-)RNA заменяется на (-)DNA.

Правило T1 — в новом СПГИ используется другой НГИ в качестве матрицы при транскрипции. Например:

Файл:T1 .gif

Система простых теоретически возможных циклов репликации[править | править код]

Данная система демонстрирует работу предлагаемого метода в применении к простым циклам репликации. Используемые компоненты:

набор использованных НГИ и актов синтеза НГИ описан в табл.1-3,
циклы репликации рассматриваются только двухзвенные,
набор правил композиции ограничен — используются только правила R1-R3.

На схеме 1 представлена совокупность циклов репликации, сформированная исходя из некоторого начального цикла путем последовательного применения правил композиции R1-R3.

Файл:SReplT.gif

Схема 1. Система простых теоретически возможных циклов репликации

Циклы репликации, в которых геном и промежуточный НГИ совпадают, изображены на схеме как однозвенные.

Классификация циклов репликации:

Класс образуется отдельным циклом репликации - всего 28 классов. Классы можно объединить в 4 группы с одинаковой структурой цикла:

циклы только с оцНГИ — 8 вариантов,
циклы с оцНГИ в качестве генома и промежуточным дцНГИ — 8 вариантов,
циклы с дцНГИ в качестве генома и промежуточным оцНГИ — 8 вариантов,
циклы только с дцНГИ — 4 варианта.

Группы циклов репликации с одинаковой структурой разделены на схеме 1 концентрическими окружностями.

Суперкласс — классы, циклы репликации которых переходят друг в друга с помощью первого правила композиции (12 суперклассов),

Тип — совокупность циклов репликации, в которых используется один из следующих наборов (пар) актов синтеза:

(+)RNA→(‑)DNA и (‑)RNA→(+)DNA,
(+)DNA→(‑)DNA и (‑)DNA→(+)DNA,
(+)RNA→(‑)RNA и (‑)RNA→(+)RNA,
(+)DNA→(‑)RNA и (‑)RNA→(+)DNA.

На схеме 1 циклы четырех типов располагаются соответственно в четырех квадрантах.

Система простых теоретически возможных способов передачи генетической информации[править | править код]

Используемые компоненты:

набор использованных НГИ и актов синтеза НГИ описан в табл.1-3,
рассматриваются СПГИ только с двухзвенными циклами репликации,
набор правил композиции включает правила R1-R3 и правило T1.

Система (см.схему 2) получается путем последовательного преобразования некоторого начального СПГИ путем применения правил R1-R3 для изменения цикла репликации и правила T1 для изменения матрицы при транскрипции.

Файл:SSPGIT.gif

Схема 2. Система простых теоретически возможных СПГИ (базовая)

Отметим, что на схеме 2, в отличие от схемы системы простых теоретически возможных циклов репликации, циклы репликации с дцНГИ, в которых геном и промежуточный НГИ совпадают, представлены как двухзвенные — для отображения различия в пути их получения.

Классификация СПГИ:

Класс — отдельный СПГИ,

Суперкласс — СПГИ, циклы репликации которых переходят друг в друга с помощью правила R1, а матрицы при транскрипции совпадают,

Подтип — СПГИ, циклы репликации которых переходят друг в друга с помощью правил R1 и T1 — в отличие от суперкласса здесь матрицы при транскрипции могут различаться,

Тип — совокупность СПГИ, в циклах репликации которых используется один из следующих наборов (пар) актов синтеза:

(+)RNA→(‑)DNA и (‑)RNA→(+)DNA,
(+)DNA→(‑)DNA и (‑)DNA→(+)DNA,
(+)RNA→(‑)RNA и (‑)RNA→(+)RNA,
(+)DNA→(‑)RNA и (‑)RNA→(+)DNA.

Система способов передачи генетической информации для вирусов[править | править код]

Cистема получена путем модификации базовой системы простых теоретически возможных СПГИ. При построении модифицированной системы кроме описанных ранее НГИ, актов синтеза НГИ, актов транскрипции, СПГИ и правил композиции R1-R3 и T1 используется ряд дополнительных НГИ, актов синтеза НГИ, актов транскрипции, СПГИ и правил композиции, учитывающих особенности процессов репродукции вирусов.

Пополнение набора НГИ[править | править код]

Набор допустимых НГИ пополняется одноцепочечными sXNA, комплиментарными им cXNA и двухцепочечными dXNA (состоящих из sXNA и cXNA) - см.Табл.1а. Эти sXNA содержат участки как гомологичные mRNA, так и комплиментарные им, т.е sXNA содержит участки (+)XNA и (-)XNA.

**Табл.1а.** Носители генетической информации (НГИ)
Одноцепочечные НГИ (оцНГИ)	Двухцепочечные НГИ (дцНГИ)
sRNA	dRNA
cRNA	sRNAcDNA
sDNA	cRNAsDNA
cDNA	dDNA

Введение таких НГИ позволяет сформировать СПГИ для амбисенсных вирусов и некоторых DNA-содержащих вирусов.

Пополнение актов синтеза НГИ при репликации[править | править код]

Дополнительный список актов синтеза, принятых в качестве допустимых, получается при следующих заменах в табл.2 и 3:

(+)RNA	— на sRNA,	(+)DNA	— на sDNA,
(‑)RNA	— на cRNA,	(‑)DNA	— на cDNA,
(±)RNA	— на dRNA,	(±)DNA	— на dDNA.

Пополнение актов синтеза mRNA[править | править код]

Пополнение списка допустимых НГИ такими, у которых для синтеза должна быть использована как основная, так и комплиментарная ей цепь, делает необходимым пополнение и списка актов синтеза mRNA с таких НГИ:

sRNA→mRNA1 и сRNA→mRNA2,
dRNA→mRNA,
sDNA→mRNA1 и сDNA→mRNA2,
dDNA→mRNA.

Введение mRNA1 и mRNA2 сделано для того, чтобы подчеркнуть, что данные информационные RNA синтезируются на разных, комплиментарных друг другу оцНГИ. Вместе mRNA1 и mRNA2 составляют полный комплект mRNA. С целью упрощения такое разделение не сделано для случаев, когда mRNA синтезируется на дцНГИ.

Пополнение набора способов передачи генетической информации[править | править код]

Вводятся новые СПГИ, в циклах репликации которых участвуют sXNA, cXNA и dXNA, например:

	Файл:SPGIS.gif	и	Файл:SPGIC.gif

Вводятся в рассмотрение новые СПГИ с трехзвенными циклами репликации.

Для некоторых вирусов (+)RNA-геном и mRNA совпадают с точностью до несущественных для процесса репродукции вируса деталей. Это означает, что теоретически mRNA может выполнять функции генома и акт синтеза mRNA может быть как актом транскрипции, так и составной частью цикла репликации.

Пополнение набора правил композиции[править | править код]

Пополнение набора возможных СПГИ соответственно требует введения дополнительных правил, осуществляющих включение в систему новых СПГИ с новым типом НГИ (правило R4) и включение в систему новых СПГИ с новой (трехзвенной) структурой СПГИ (правила R5 и R6).

Правило R4 — НГИ нового СПГИ получается при замене (+)XNA на sXNA и (-)XNA на cXNA. Пример перехода между СПГИ с DNA-геномами:

Файл:R4 .gif

Правило разрешает только те переходы, при которых остается неизменным тип акта синтеза mRNA:

Таблица 4. Допустимые акты синтеза mRNA при применении правила R4
Акт синтеза в исходном СПГИ:	Акт синтеза в конечном СПГИ:
(‑)RNA→mRNA	sRNA→mRNA1 и сRNA→mRNA2
(±)RNA→mRNA	dRNA→mRNA
(‑)DNA→mRNA	sDNA→mRNA1 и сDNA→mRNA2
(±)DNA→mRNA	dDNA→mRNA

Правило R5 — цикл репликации нового СПГИ получается путем добавления (удаления — при переходе от трехзвенного цикла репликации к двухзвенному) дополнительного промежуточного НГИ в цикле репликации. Акты синтеза в новом цикле репликации должны оставаться допустимыми и матрица, с которой осуществляется синтез mRNA, не должна меняться. Например:

Файл:R5 .gif

Правило R6 — новый СПГИ получается модификацией цикла репликации — в него включается акт синтеза mRNA и дополнительный НГИ, синтезирующийся на mRNA и являющийся матрицей для синтеза генома. Акты синтеза в новом цикле репликации должны оставаться допустимыми и матрица, с которой осуществляется синтез mRNA, не должна меняться. Например:

Файл:R6 .gif

Здесь для наглядности в цикле репликации оставлена mRNA (правильнее заменить ее гомологичной (+)RNA). Вместо многоточия может быть один из следующих НГИ: (+)DNA, (‑)DNA, (±)DNA.

Система СПГИ для вирусов[править | править код]

Система СПГИ для вирусов, получаемая на основе перечисленных выше уточнений набора НГИ, СПГИ и правил композиции, включает все СПГИ базовой системы простых теоретически возможных СПГИ (см.схему 2) и ряд новых СПГИ. На схеме 3 показана часть системы СПГИ, которая покрывает СПГИ вирусов (нуждается в уточнении):

I.	— (+)RNA-содержащие вирусы, реплицирующиеся через (‑)RNA,
II.	— (+)RNA-содержащие вирусы, реплицирующиеся через (±)RNA,
III.	— (±)RNA-содержащие вирусы, реплицирующиеся через (+)RNA,
IV.	— (‑)RNA-содержащие вирусы,
V.	— (+)RNA-содержащие с трехзвенным циклом репликации (ретровирусы),
VI.	— (+)DNA-содержащие вирусы,
VII.	— sDNA-содержащие вирусы,
VIII.	— dDNA-содержащие вирусы, реплицирующиеся через одноцепочечную DNA,
IX.	— dDNA-содержащие вирусы, реплицирующиеся через dDNA,
X.	— (±)DNA-содержащие вирусы с трехзвенным циклом репликации (ретроидные вирусы).

Файл:SSPGIV.gif

Схема 3. Система способов передачи генетической информации для вирусов

Примечания к схеме 3.

Не показаны СПГИ из базовой системы, в которых геном содержит (+)DNA(‑)RNA или (+)RNA(‑)DNA.
СПГИ с двухзвенным циклом репликации, в которых геном совпадает с промежуточным НГИ, представлены в виде СПГИ с однозвенным циклом репликации.
Из СПГИ с трехзвенным циклом репликации на схеме приведены только те, которые описывают известные вирусы. Для этих СПГИ не указаны переходы по правилу R5 от (к) СПГИ с присутствием (+)RNA(‑)DNA и (±)DNA в цикле репликации.
Серым цветом выделены СПГИ, которые могут описывать реальные группы вирусов - нуждается в уточнении.

Заключение[править | править код]

Разработанная система СПГИ не претендует на полное описание вирусов, однако есть направления, для которых она полезна. Приведем некоторые из них.

Система СПГИ в виде схемы имеет стройное наглядное представление, будучи получена на основе формальных логических правил, являющихся инструментом формирования системы.
Компоненты системы -НГИ, акты синтеза, набор правил композиции и сами правила могут быть видоизменены (уточнены) в соответствии с решаемыми задачами.
Сформированная таким образом система СПГИ может стать основой для классификации вирусов по видам СПГИ. Принципы образования классификационных структур по существу те же, что и в случае базовой системы простых теоретически возможных способов передачи генетической информации:
- вирусы с одинаковым СПГИ принадлежат одному классу,
- классы образуют суперкласс, если все СПГИ из состава данного суперкласса получаются с помощью правил композиции R1 и R4. Возможны также и более крупные классификационные структуры.
Теоретическая система СПГИ для вирусов может стать основой для анализа возможных путей эволюции групп вирусов. Для этого следует, по-видимому:
- учесть наличие возможных ограничений на компоненты системы (НГИ, акты синтеза, СПГИ, правила композиции), моделирующих реальные процессы;
- добавить новые, дополнительные компоненты в систему, например, описывающие процессы внедрения в клетку хозяина, освобождения генома от вирусной оболочки, запуска репликации и транскрипции, формирования вирусных белков, сборки вириона и покидания клетки хозяина;
- учесть то, что вирусы являются паразитами клеток, обладающих dDNA геномом и, соответственно, предоставляющих DNA‑ и RNA‑содержащим вирусам неравноценные услуги по реализации их СПГИ;
- ввести критерии, позволяющие оценить степень реализуемости разных путей перехода от одного СПГИ к другому.

Литература[править | править код]

Агол В.И. Подходы к конструированию системы способов передачи генетической информации. Успехи современной биологии, 1974, стр.10-30
Agol V.I. Towards the System of Viruses. BioSystems, 1974, p.113-132
Кибардин В.М. Система простых теоретически возможных способов передачи генетической информации. Журнал общей биологии №1, 1991г., стр.54-61

См. также[править | править код]