Введение
Мобильные генетические элементы (МГЭ) представляют дискретные сегменты ДНК, которые могут перемещаться из одного местоположения в другое внутри хромосом или между ними. На данный момент мобильные генетические элементы обнаружены в геномах практически всех изученных организмов (Хесин, 1984). Геном Drosophila melanogaster содержит около 50-ти различных семейств мобильных генетических элементов, которые вместе составляют 10-15 % ДНК этого вида (Finnegan, Fawsett, 1986; FlyBase, 1999). Число копий элементов отдельных семейств варьирует от нескольких до сотни, и при активации они могут оказывать значительное влияние на функционирование генома (Britten, 1997) и на генетическую изменчивость (Kidwell, Lisch, 1997). Мобильные генетические элементы имеют несколько механизмов перемещения и могут выполнять разные функции (табл. 3), в связи с чем, активация различных семейств мобильных элементов может иметь как отрицательные, так и положительные последствия для генома хозяина (Kidwell, Lisch, 1997).
Синдром гибридного дисгенеза
Некоторые МГЭ дрозофилы способны активироваться в особых межлинейных скрещиваниях и вызывать совокупность генетических нарушений известных как синдром гибридного дисгенеза (Kidwell et al., 1977; Bregliano et al., 1980). Эти нарушения включают повышенную частоту мутаций, хромосомных аберраций и рекомбинаций, температуро-зависимую стерильность (Bregliano et al., 1980). К настоящему времени описано три независимые системы гибридного дисгенеза, в которых проявление перечисленных выше нарушений обусловлено активностью мобильных элементов I, P и hobo (Bregliano et al., 1980). Все три системы имеют сложные механизмы регуляции активности мобильных генетических элементов. Эти механизмы напрямую связаны с процессами транспозиции и репарации, поэтому реагируют на действие факторов, влияющих на эти процессы. Исследование вопроса функционирования систем гибридного дисгенеза в неблагоприятных условиях окружающей среды может иметь большое теоретическое и прикладное значение (Иващенко и др., 1990).
P-M система гибридного дисгенеза была открыта в середине 70-х годов (Kidwell et al., 1977) и на сегодняшний день является наиболее изученной по отношению к H-E и I-R системам. За возникновение этой системы гибридного дисгенеза отвечает мобильный элемент P (Engels, 1989). В соответствии с наличием в геноме P -элементов различают несколько типов линий Drosophila melanogaster (Raymond et al., 1991). P -линии содержат 30-60 копий P -элемента, одна треть из которых состоит из полных P -элементов, а две трети из дефектных (O'Hare, Rubin, 1983; O'Hare et al., 1992). Эти линии имеют P -цитотип. В геноме M-линий отсутствуют P -элементы, и они имеют M-цитотип. Синдром гибридного дисгенеза наблюдается только при скрещивании самок из M-линий (Maternal) с самцами из P-линий (Paternal), однако поскольку P-цитотип наследуется по материнской линии, потомство от обратных скрещиваний между P-самками и M-самцами обычно нормальное. Дополнительно различают также M' и Q линии. M' или псевдо-M линии имеют в геноме множество дефектных P -элементов, однако, характеризуются наличием слабого потенциала репрессии (M-цитотип) (Simmons et al., 1987). Некоторые M'-линии способны индуцировать определенные аспекты гибридного дисгенеза. Q-линии также несут в геноме дефектные элементы и, подобно P-линиям, имеют P-цитотип. Q-линии обладают способностью индуцировать дисгенез в скрещиваниях с истинными M-линиями (Simmions et al., 1985).
В настоящее время P -элемент подробно изучен на молекулярном уровне, что позволяет нам более четко представить его функции в P-M системе гибридного дисгенеза. Как уже было отмечено, в геноме Drosophila melanogaster встречаются структурно и функционально гетерогенные P -элементы (O'Hare, Rubin, 1983). Полноразмерный P-элемент имеет длину 2907 п.н. и характеризуется наличием терминальных инвертированных повторов размером 31 п.н. и субтерминальными инвертированными повторами размером 11 п.н., которые необходимы для его перемещения (O'Hare, Rubin, 1983). Внутренняя часть содержит небольшой инвертированный повтор с неизвестными функциями и ген транспозазы, состоящий из четырех экзонов и трех интронов (Engels, 1989). Ген транспозазы кодирует белок необходимый для перемещения P -элемента, поэтому полноразмерный P -элемент сам контролирует свое перемещение, т. е. является автономным (Rio et al., 1986). Кроме полноразмерных P -элементов, в геноме различных линий Drosophila melanogaster встречаются дефектные копии (O'Hare et al., 1992). К ним относится KP элемент, который имеет делецию в центральном участке, захватывающую 808-2560 нуклеотиды (Black et al., 1987), элементы A12 и D50 (Engels, 1989; Rasmusson et al., 1993). Дефектные P -элементы не способны к синтезу транспозазы, но благодаря сохранности интактных терминальных и субтерминальных последовательностей, они могут перемещаться с использованием транспозазы полноразмерных элементов (Engels, 1989).
На сегодняшний день известно два типа регуляции активности P -элемента (Engels, 1989). Первый тип регуляции ограничивает активность P -элемента только клетками зародышевой линии, второй тип регулирует активность P -элемента в дисгенных скрещиваниях. Ограничение активности P -элемента только клетками зародышевой линии является следствием регулируемого сплайсинга мРНК (Laski et al., 1986). В зародышевых клетках сплайсируются три интрона, что ведет к образованию транспозазы. В соматических тканях третий интрон не удаляется и, вследствие присутствия в этом интроне стоп-кодона, образуется усеченный белок, который действует как репрессор (Robertson, Engels, 1989). Тканеспецифичный сплайсинг является следствием действия соматических факторов, ингибирующих сплайсинг третьего интрона (Siebel et al., 1992).
Механизм регуляции транспозиций P -элемента в дисгенных скрещиваниях еще не понят полностью. На непродолжительный срок (несколько поколений) эта регуляция наследуется по материнской линии, но на более длительный срок определяется хромосомно, самими P -элементами. Такой тип регуляции в клетках зародышевой линии именуется P-цитотипом, ее отсутствие обозначается как M-цитотип. Модель, предложенная для объяснения принципов детерминации и наследования P-цитотипа, основана на альтернативном сплайсинге пре-мРНК P -элемента на уровне 2-3 интрона. Этот альтернативный сплайсинг определяет продукцию транспозазы или репрессора. Сплайсинг зависит от концентрации пре-мРНК P -элемента, будучи менее эффективен, когда концентрация низкая (O'Hare et al., 1992). В P-цитотипе промотор P -элемента репрессирован, что ведет к низкой концентрации пре-мРНК и к синтезу репрессорного белка. Наоборот, в дисгенных условиях P -промотор не репрессирован, что ведет к высокой концентрации пре-мРНК и к синтезу транспозазы. Эта модель была первоначально подтверждена генетическими методами (Lemaitre et al., 1993) и затем данными молекулярного анализа (Roche et al., 1995). Репрессионная способность P -элемента зависит также от структуры и положения в геноме (Ronsseray et al., 1997).
Высокий уровень регуляции перемещений P -элемента предполагает высокую чувствительность P-M системы гибридного дисгенеза к действию ДНК-повреждающих факторов и к нарушениям в процессах репарации. Действительно, это подтверждается многочисленными экспериментальными факторами. Показано, что облучение влияет на эффекты транспозиций P -элемента в условиях гибридного дисгенеза, что повышает выход рецессивных и доминантных летальных мутаций (Margulies et al., 1986, 1987). Наблюдаемый при этом эффект синергичного действия облучения и активности транспозона, вероятнее всего, связан с индукцией этими двумя факторами однотипных повреждений ДНК, а именно, двунитевых разрывов. Способность P -элемента вызывать такие серьезные повреждения ДНК, а также активность на премейотических стадиях развития яйцеклеток, обусловливает повышенный интерес к вопросу о функционировании P-M системы гибридного дисгенеза в условиях нарушения репарации. Особое значение могут иметь мутации в генах mei-9 + и mei-41 +, контролирующих одновременно мейотическую рекомбинацию и репарацию (Sekelsky et al., 1998). При исследовании системы транспозиций в условиях гибридного дисгенеза у линий с мутациями генов репарации mei-9 +, mei-41 +и mus101 +не наблюдали видимого эффекта на уровень рекомбинации у самцов и инсерционный мутагенез (Slatko et al., 1984). Мутации mei-41 и mus101 имели продленный эффект на нерасхождение хромосом и эмбриональную смертность, усиливая их, присутствие мутации mei-41 значительно снижало появление хромосом с P -элементами. Эти эффекты наблюдали только у мух с M-цитотипом, что демонстрирует их обусловленность синдромом гибридного дисгенеза. На основании этих результатов сделан вывод, что дефекты в процессе пострепликативной репарации (мутация mei-41) усиливают те из проявлений гибридного дисгенеза, которым сопутствуют события клеточной гибели и доминантной летальности (Slatko et al., 1984). Однако, ни пострепликативная репарация (мутация mei-41) ни эксцизионная репарация (мутация mei-9)не влияют на уровень рекомбинации у самцов и частоту инсерций. В то же время показано, что в присутствии мутаций mei-9 и mei-41 резко повышается уровень индуцированных гибридным дисгенезом видимых мутаций, в том числе, в локусе singed (Eeken, Sobels, 1981). Важность путей пострепликативной и эксцизионной репарации для репарации повреждений, индуцируемых при транспозициях P -элемента, подтверждается исследованием уровня стерильности в скрещиваниях с использованием линий mei-9 и mei-41 (Margulies, 1990). Показано, что при скрещивании мух, имеющих нарушение системы репарации, с мухами, имеющими активные P -элементы в геноме, наблюдается высокий уровень термочувствительной стерильности, низкая плодовитость и преждевременное старение клеток зародышевой линии самцов (Margulies, 1990).
Следующая из рассматриваемых систем гибридного дисгенеза связана с активностью hobo -элемента (Yannopoulos et al., 1987). Hobo -элемент перемещается через образование ДНК-посредника и принадлежит к семейству hobo-Ac-Tam3 (hAT) (Calvi et al., 1991). Полный hobo -элемент имеет длину 2959 п.н. (Blackman et al., 1989). Он несет два инвертированных концевых повтора по 12 п.н. и образует дупликацию в сайте инсерции размером 8 п.н. (McGinnis, 1983).Транспозиции hobo -элемента в H-E системе гибридного дисгенеза специфичны для клеток зародышевого пути, хотя может наблюдаться слабая активность hobo в соматических тканях эмбрионов (Calvi, Gelbart, 1994; Handler, Gomez 1995). Подобно P -элементу, активность hobo ограничена зародышевыми клетками из-за отсутствия транспозазы в соматических тканях. Однако, в отличие от P -элемента, тканеспецифическая транспозиция hobo регулируется выработкой транспозазы на уровне транскрипции (Calvi, Gelbart, 1994).
Классификация линий в H-E системе гибридного дисгенеза основана на присутствии или отсутствии полноразмерного hobo -элемента. Используя этот критерий, линии классифицируются как: (1) H-линии (Hobo), когда молекулярными методами определяют наличие полноразмерных hobo -элементов; они также содержат элементы с внутренней делецией; (2) DH-линии (Deleted Hobo), когда определяются только делетированные элементы; (3) E-линии (Empty), которые не имеют ни полных, ни делетированных копий элемента hobo. В дополнение, линии могут быть классифицированы по их способности индуцировать гонадную атрофию (Bazin, Higuet, 1996). Дисгенная стерильность зависит не только от H-, но и от E-линий. Для H-E системы гибридного дисгенеза характерно также отсутствие корреляции между различными дисгенными событиями (Bazin, Higuet, 1996).
Механизмы регуляции транспозиций hobo -элементов несколько отличаются от механизмов регуляции активности P -элементов, однако, схожесть строения и функций этих элементов может предполагать изменение функционирования hobo -элементов в H-E системе гибридного дисгенеза в ответ на действие ионизирующего облучения, как это показано для P-M системы. В пользу предположения о респонсивности hobo -элементов на действие внешних факторов свидетельствуют также данные об изменении характеристик в H-E системе гибридного дисгенеза у некоторых длительно селектируемых по адаптивным признакам линий Drosophila melanogaster (Кайданов и др., 1994). Согласно этим данным, низкоактивные линии характеризуются повышенной способностью индуцировать дисгенную стерильность и пониженной способностью репрессировать гибридный дисгенез. Линии с высокими адаптивными показателями не индуцируют дисгенную стерильность, но существенно репрессируют ее. Возможно, что эти различия определяются разным составом фракций hobo -элемента и разной локализацией его копий в геноме. Выявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов соответствующих линий и их репрессионным потенциалом. Низкоактивные линии характеризуются исключительно высокой частотой спонтанного мутирования (высокой частотой возникновения рецессивных сцепленных с полом и аутосомных мутаций, поздних эмбриональных леталей). В основе этого явления лежит механизм перемещения по геному мобильных hobo -элементов. Низкоактивная линия содержит полноразмерные копии hobo -элементов, способных к синтезу транспозазы и транспозициям. У этой линии обнаружены закономерные изменения в числе и локализации в геноме ретротранспозонов, которые связаны с приспособленностью линий. Возможно, что мобильные генетические элементы являются составной частью генотипа селектируемых линий, обеспечивающих стратегию вредных последствий отбора и инбридинга. И хотя дестабилизация hobo -элемента сама по себе не вызывает изменения приспособленности линии, выявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов соответствующих линий и их репрессионным потенциалом (Кайданов и др., 1994). Это предполагает возможную роль H-E системы гибридного дисгенеза в формировании генетических механизмов связанных с приспособленностью к внешним условиям и уровнем генетической изменчивости.
I-R система гибридного дисгенеза обусловлена активностью I-элемента (Bucheton et al., 1984), который относится к классу ретропозонов или LINE-подобных элементов (Fawcett et al., 1986; Pelisson et al., 1991). Полноразмерный I-элемент имеет длину 5371 п.н. Перемещение I-элемента происходит через образование РНК-посредника с использованием обратной транспозазы, которая кодируется самим элементом (Chaboissier et al., 1990; Fawcett et al., 1986). По отношению к I-R системе гибридного дисгенеза линии Drosophila melanogaster подразделяются на два типа. I-линии (Inducer) или индукторные и R-линии (Reactive) или реактивные. В геноме I-линий содержится 10-15 копий полноразмерных I-факторов, которые распределены по всем хромосомам (Bucheton et al., 1984). Активация I-элемента происходит в скрещиваниях самцов из I-линий, которые имеют I-цитотип с самками из линий с R-цитотипом, в скрещиваниях I-самок с R-самцами I-элемент не активируется (Bucheton et al., 1984). Дисгенные нарушения наблюдаются только в яичниках у гибридных самок, в то время как у гибридных самцов таких нарушений не наблюдается. Регуляция активности I-фактора в клетках зародышевой линии осуществляется на уровне инициации транскрипции или стабильности РНК (Chaboissier et al., 1990). Частота транспозиций I фактора в дисгенных скрещиваниях регулируется уровнем реактивности R-самок (Udomkit et al., 1996). В соответствии с этим критерием различают линии со слабым, средним или сильным уровнем реактивности. Уровень реактивности определяется клеточным состоянием в зрелом ооците R-самки и наследуется преимущественно по материнской линии. Уровень реактивности связан с механизмами репарации и рекомбинации и усиливается при действии ДНК повреждающих факторов. Так показано, что действие ингибиторами синтеза ДНК и гамма лучами усиливает уровень реактивности сходным образом (Bregliano et al., 1995). В то же время, уровень реактивности коррелирует с частотой кроссинговера и эффективностью репарации (Laurençon et al., 1997). Это позволяет предположить, что уровень реактивности является одним из проявлений единой индуцибельной репарационно-рекомбинационной системы (Bregliano et al., 1995). Биологическая роль которой может быть аналогична SOS-ответу у бактерий, и заключаться в модификации уровня изменчивости в ответ на изменение условий окружающей среды (Bregliano et al., 1995). Предложено называть эту систему VAMOS (от англ. va riability mo dulation s ystem, система
модуляции изменчивости) (Laurençon et al., 1997). Молекулярные механизмы, участвующие в формировании этой системы еще не выяснены, однако наиболее вероятным представляется участие генов, которые одновременно контролируют процессы рекомбинации и репарации (Laurençon, Bregliano, 1995). Из известных на сегодняшний день генов в определении уровня реактивности наиболее вероятно участие генов mei-9 +и mei-41 + (Laurençon, Bregliano, 1995). Дальнейшее исследование роли, которую играет VAMOS в контроле генетической изменчивости при неблагоприятных условиях окружающей среды, может существенно прояснить работу молекулярных механизмов адаптации.
Дисгенные нарушения в рассмотренных системах гибридного дисгенеза в основном обусловлены транспозициями и эксцизиями мобильных элементов в развивающихся зародышевых клетках. Высокая частота хромосомных перестроек и рекомбинации у самцов происходят преимущественно в сайтах инсерции МГЭ (Engels, Preston, 1984; Sved et al., 1990). Повышенный уровень мутаций происходит от инсерционных мутаций и других индуцированных транспозициями МГЭ изменений в геноме.