18–2. Жизненный цикл аплизии. Личинки аплизии сидят на красной водоросли определенного вида (Laurencia pacifica) и извлекают из нее вещества, необходимые для включения механизма превращения в ювенильного моллюска. (Рисунок перепечатан из книги: Е. R. Kandel, Cellular Basis of Behavior, IV. H. Freeman and Company, 1976).

После сделанного Кригштейном открытия мы начали выращивать эту водоросль и вскоре получили достаточное число ювенильных моллюсков, чтобы выращивать в культуре клетки нервной системы. Следующую принципиальную задачу — научиться выращивать конкретные нейроны в культуре и добиваться того, чтобы они образовывали синапсы, — взял на себя мой бывший студент Сэмюел Шахер, специалист по клеточной биологии. Шахеру, работавшему вместе с двумя постдоками, вскоре удалось культивировать конкретные сенсорные нейроны, мотонейроны и интернейроны, задействованные в рефлексе втягивания жабр (рис. 18–3).

18–3. Использование конкретных нейронов, выращиваемых в лаборатории, для изучения долговременной памяти. Отдельные сенсорные нейроны, мотонейроны и выделяющие серотонин модуляторные интернейроны, выращиваемые в культуре, образуют синапсы, воспроизводя простейшие нейронные цепи, обеспечивающие и модулирующие рефлекс втягивания жабр. Эта простая, подверженная обучению нейронная цепь (первая полученная в культуре клеток) дала нам возможность исследовать молекулярно-биологические основы долговременной памяти. (Фото любезно предоставил Сэм Шахер).

Теперь все элементы подверженной обучению нейронной цепи имелись у нас в клеточной культуре. Эта цепь позволяла исследовать компоненты хранения памяти, сосредоточившись на отдельном сенсорном нейроне и отдельном мотонейроне. Эксперименты показали, что выделенные из организма сенсорные нейроны и мотонейроны образуют в культуре в точности такие же синаптические связи и демонстрируют такое же физиологическое поведение, как в организме интактного животного. В природе удар током в заднюю часть тела вызывает активацию модуляторных интернейронов, которые выделяют серотонин, тем самым усиливая связь сенсорных нейронов с мотонейронами. Поскольку мы уже знали, что эти модуляторные интернейроны выделяют серотонин, после нескольких экспериментов мы установили, что незачем выращивать их в культуре. Мы просто вводили серотонин в культуру клеток рядом с синапсами, соединяющими сенсорные нейроны с мотонейронами, — именно там, где у интактных животных окончания модуляторных интернейронов подходят к сенсорным нейронам и выделяют серотонин. Одно из величайших наслаждений ученого, долгое время работающего с одной и той же биологической системой, связано с тем, что сегодняшние открытия становятся орудием завтрашних экспериментов. Наши многолетние исследования этой нейронной цепи и умение выделять ключевые химические сигналы, передающиеся в пределах этой цепи от клетки к клетке и внутри клеток, позволили воспользоваться теми же сигналами для манипуляций с этой системой и более глубокого ее изучения.

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.