Эволюция, роль и функции мобильных генетических элементов

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

• Введение
• Глава 1. Генетические мобильные элементы (transposable element)
• 1.1 Общее понятие МГЭ. Хронология открытия и их исследования
• 1.2 МГЭ в геноме Drosophila Melanogaster (дрозофила чернобрюхая)
• 1.3 Виды мобильных генетических элементов
• 1.4 Мобильные элементы гетерохроматина
• Глава 2. Роль и функции мобильных генетических элементов
• 2.1 Эгоистическая функция
• 2.2 Роль МГЭ для модификации количественных признаков
• 2.3 Роль МГЭ в процессах мутаций
• Глава 3. Эволюция МГЭ
• 3.1 Общее понятие о эволюции МГЭ
• 3.2 Факторы, способные вызвать эволюционный процесс МГЭ
• Заключение
• Список литературных источников


Введение

Актуальность темы. Изучение МГЭ, является в наше время первостепенным вопросом, так эти молекулы - ключ к пониманию и устранению мутационных факторов. В связи с сравнительно не давним сроком момента открытия МГЭ, они привлекают к себе все больше и больше внимания. Детальное понимание факторов, вызванных транспозицией «прыгающих генов» даст возможность виденья более полной картины функциональности наследственного материала клеток.

Объектом исследования данной работы выступает, непосредственно, мобильные генетические элементы (МГЭ), их роль в возникновении мутаций, передаче наследственно информации.

Предмет исследования - мобильные генетические элементы в геноме Drosophila Melanogaster (дрозофила чернобрюхая). МГЭ как «двигатель» эволюции.

Цель исследования состоит в детальном изучении эволюции, роли и функций МГЭ. Охарактеризовать изменения, которые происходят в геноме клетки, возникающие при вставке мобильных генетических элементов в геном. Осветить аспект некой схожести МГЭ с вирусами.

Задача данной работы состоит в структуризации, изучении и наиболее информативном изложении накопленного материала по данным исследований МГЭ. Раскрыть главные функции и роль МГЭ. В ходе работы, потребуется описать: хронологию изучения МГЭ на примере Drosophila Melanogaster, способы исследований МГЭ, привести конкретные данные, уже имеющиеся на сегодняшний день.

В итоге, по результатам проделанной работы, сделать короткие выводы, которые смогут прояснить значимость МГЭ, как неотъемлемый фактор для процессов размножения, эволюции и передачи наследственной информации.



Глава 1. Генетические мобильные элементы (transposable element)

1.1 Общее понятие МГЭ. Хронология открытия и их исследования

Мобильные генетические элементы (МГЭ) или «прыгающие гены», представляют собой дискретные сегменты ДНК, которые могут перемещаться из одного местоположения в другое внутри хромосом или между ними, Хесин [23], 1984. Эти элементы генома, имеют способность перемещаться из сайта в сайт, либо в процессе прямого вырезания вставки ДНК (по крайней мере, в прокариотах), либо путем транскрипции элемента, обратной транскрипции образовавшейся РНК с образованием ДНК-копии или же ее внедрением в другое место генома. Так называемые «прыгающие гены» не участвуют в кодировке никаких белков и в связи с этим, название МГЭ, является более точным.

Открытие МГЭ принадлежит американскому генетику Барбаре Мак-Клинток (1951год, на примере изменчивости окраски зерен кукурузы). Ее открытие в 1983 году было удостоено Нобелевской премии.

Когда мобильный генетический элемент, встраивается внутрь какого-то обычного гена, он нарушает его работу, вызывая мутацию исходного гена. Когда МГЭ меняет свою локализацию, нормальная работа гена возобновляется, мутация исчезает. Исходя из этого, была сформирована гипотеза, что «прыгающие гены» возникли из ДНК вирусов. Как известно, многие вирусы могут встраиваться в ДНК клетки хозяина, а потом покидать ее.

У микроорганизмов МГЭ были открыты в 60-их годах XX века, а также выявлены их молекулярные особенности и механизмы транспозиций Транспозиция - перемещение определенных генетических элементов из одного места на хромосоме в другое. Или же между хромосомами, непосредственно.. Катализатором в изучении МГЭ, стало открытие в 70-их годах мобильных генетических элементов у дрозофилы (параллельно учеными СССР и США). С того момента, они так же выделены у дрожжей, млекопитающих, не исключая человека и т.д. В зависимости от вида, МГЭ могут составлять абсолютно разную процентную часть генома. Например:

- род Drosophila и Arabidopsis (около 30 % генома);

- млекопитающие (около 50 % генома);

- амфибии и растения (от 70-90% генома).

МГЭ перемещаются в геноме хозяина и этим обеспечивают транспозицию. Ранее сложившиеся стереотипы генетики и построения генетических карт, указывали на тот факт, что положение генов в геноме неизменно-стабильное (вплоть до редких хромосомных перестроек), устойчиво наследуются и карта является индивидуальной для каждого вида. С открытием МГЭ было доказано, что данная теория, постоянной стабильности генов, касается лишь некоторых частей генома. Так же было установлено, что стабильные части генома, не могут исчерпывающе охарактеризовать полную карту его строения.

Значительная часть генома состоит из различных МГЭ и их копий, основному количеству которых присуще относительно частое перемещение (со скоростями до 10 в 3-ей степени - 10 в 5-ой степени событий на копию за поколение). Эта показатели в разы превышают скорости мутаций и перестроек.

Исходя из этого генетический материал генома, разделяют на две сопоставленные части:

- устойчивая (совокупность стабильных генов и прочих элементов генома);

- подвижная (совокупность копий МГЭ, которые способны перемещатся, вызывая сопутствующие генетические изменения: мутации, перестройки генов и т.д.).

МГЭ являются основной частью всех изученных геномов, как у прокариотов, так и эукариотов. Не смотря на это, остаются все еще не достаточно исследованными. Для генетиков, самыми малоизученными аспектами МГЭ, являются: частота, распространение и динамика, как внутри генома, так и между популяциями различных организмов.

Отличительным фактором мобильных элементов является способность существовать как в интегрированном с хромосомой виде, так и в виде отдельных макромолекул - эписом, плазмид, вирусных частиц. Около 50-ти различных семейств мобильных элементов описаны в геноме дрозофилы. Вместе эти последовательности составляют около 12% гаплоидного набора [Golubovsky M., 1995] [20].

В геноме млекопитающих содержится до 50000 диспергированных копий ретропозона Line размером около 6500 п.о. Семейство Аlu повторов, которое содержит от 300 до 500 тысяч копий, также относится к числу мобильных элементов генома [Charlesworth В. et al.,1994] [3].

Лизогения - присутствие вирусных последовательностей в составе ДНК человека и наличие фрагментов генов человека в вирусных геномах, служит одним из примеров мобильности ДНК и возможности "горизонтальной" передачи наследственно закрепленных признаков между видами.

1.2 МГЭ в геноме Drosophila Melanogaster (дрозофила чернобрюхая)

Наиболее приемлемым объектом для изучения «прыгающих генов», является дрозофила. Это основывается на историческом факторе (начиная с работ Демерека Демерек (Демерец) Мстислав - американский генетик, челен национальной АН США. ) и количеством накопленных на сегодня данных. Существует немало блестящих попыток объединить в систему результаты, посвященные разностороннему исследованию МГ Э модельного организма Drosophila melanogaster, и чуть ли не единственным исключением является систематизация наших знаний о МГЭ с точки зрения популяционного аспекта плодовой мушки.

МГЭ D. melanogaster. Они занимают по разным оценкам до 22% всего генома [24]. Это относительно небольшая часть по сравнению с высшими растениями, эндосимбиотическими бактериями и даже человеком. Kaminker at all. в своей работе 2002 года [13] проанализировав геномную последовательность D. melanogaster установили наличие в ней 85 ранее известных и 8 новых семей МГЭ, которые встречались в количестве от 1 до 146 копий на геном. В общей сложности, идентифицировано 1572 полноразмерных и не полноразмерных МГЭ, что составляет 3,86 % всей проанализированной эухроматической последовательности. Более чем двух третей всех найденных элементов оказались неполноразмерными. В центромерных районах больших хромосом плотность МГ Э в 4,7 раз больше, чем в других районах. МГЭ D.melanogaster предпочитают встраиваться в межгенные пространства, и часто располагаются в пределах другого МГЭ того же или иного класса и эти оценки неокончательны.

Геном Drosophila Melanogaster (дрозофила чернобрюхая) включает в себя около 50-ти различных семейств МГЭ, которые составляют 10-15 ДНК вида [7]. Число копий элементов отдельных семейств колеблется от нескольких до сотни. В состоянии активации они способны значительно влиять на функционирование генома, и на генетическую изменчивость [15]. Мобильным генетическим элементам свойственно несколько механизмов перемещения. Благодаря этому они могут выполнять различные функции. Так, активация различных семейств МЭ может неси в себе как отрицательные, так и положительные последствия для генома хозяина (Kidwell, Lisch 1997). Некоторым МГЭ дрозофилы характерная активация в особых межлинейных скрещиваниях, которые в последствии формируют синдром гибридного дисгенеза [16]. Для этих нарушений характерными признаками, являются: повышенная частота мутаций, хромосомные аберрации и рекомбинации, температурно-зависимая стерильность. На данный момент обнаружено три независимые системы гибридного дисгенеза, в которых проявление перечисленных выше нарушений обусловлено активностью мобильных элементов I, P и hobo. Все три системы характеризируются сложными механизмами регуляции активности мобильных генетических элементов.

Данные механизмы имеют не прерывную связь с процессами транспозиции и репарации, вследствие чего реагируют на действие факторов, оказывающих влияние на эти процессы.

Изучение вопросов функционирования систем гибридного дисгенеза в неблагоприятных условиях окружающей среды имеет огромное теоретическое и практическое значение. P-M система гибридного дисгенеза была обнаружена в середине 70-х годов, и теперь является наиболее изученной по отношению к H-E и I-R системам.

1.3 Виды мобильных генетических элементов

За появление системы гибридного дисгенеза отвечает мобильный элемент P Engels, 1989.

Р элемент.

Его размеры могут колебаться от 0,5 до 2,9 тпн. Различные линии мух обычно несут 50-60 копий этого элемента, и треть из этих копий - полноразмерные. В зависимости от наличия в геноме P-элементов выделяют несколько типов линий Drosophila melanogaster. P-линии содержат 30-60 копий P-элемента, одна треть из них состоит из полных P-элементов, а две трети из дефектных. Эти линии свойственно наличие P-цитотипа.

Геном M-линий лишен P-элементов, и состоит из M-цитотипов.

Синдром гибридного дисгенеза происходит только при скрещивании самок из M-линий Maternal с самцами из P-линий Paternal, в виду того, что P-цитотип передается по материнской линии, потомство от обратных скрещиваний между P-самками и M-самцами зачастую нормальное.

В дополнение, так же выделяют M и Q линии. M или псевдо-M линии содержат в геноме большое количество дефектных P-элементов, но при этом, характеризуются наличием слабого потенциала репрессии M-цитотип Simmions et al 1985. Некоторые M-линии имеют способность индуцировать определенные аспекты гибридного дисгенеза. Q-линии также содержат в геноме дефектные элементы и, подобно P-линиям, имеют P-цитотип.

Q-линиям присуща способность, индуцировать дисгенез в скрещиваниях с истинными M-линиями. На данный момент P-элемент детально исследован на молекулярном уровне, это дает возможность четче понять его функции в P-M системе гибридного дисгенеза. В геноме Drosophila melanogaster встречаются структурно и функционально гетерогенные P-элементы OHare, Rubin, 1983. Полноразмерный P-элемент имеет длину 2907 п.н. и характеризуется наличием терминальных инвертированных повторов с размерами 31 п.н. и субтерминальными инвертированными повторами размером 11 п.н, без которых его перемещение было бы невозможным. Внутренняя часть имеет в составе небольшой инвертированный повтор с неопределенными функциями и ген транспозазы, который состоит из 4 экзонов и 3 интронов. Ген транспозазы кодирует белок необходимый для перемещения P-элемента, исходя из этого, полноразмерный P-элемент самостоятельно контролирует свое перемещение, вследствии чего, является автономным Rio et al 1986. Кроме полноразмерных P-элементов, в геноме различных линий Drosophila melanogaster можно встретить дефектные копии. К таковым относят: KP элемент, имеющий делецию в центральном участке, который захватывает 808-2560 нуклеотиды, элементы A12 и D50 http://allrefs.net/c27/2gjqz/. Дефектные P-элементы не синтезируют транспозазы, но благодаря сохранности интактных терминальных и субтерминальных последовательностей, им свойственно перемещаться при помощи транспозазы полноразмерных элементов. В данный момент выделяют два типа регуляции активности P-элемента. Первый тип регуляции ограничивает активность P-элемента исключительно за счет клеток зародышевой линии, второй тип регулирует активность P-элемента в дисгенных скрещиваниях.

Ограничение активности P-элемента клетками зародышевой линии является последствием регулируемого сплайсинга мРНК Laski et al 1986. В зародышевых клетках сплайсируются три интрона, что приводит к образованию транспозазы. В соматических тканях третий интрон не удаляется и, в связи с наличием в данном интроне стоп-кодона, формируется усеченный белок, который имеет репрессорное дестие. Тканеспецифичный сплайсинг является следствием действия соматических факторов, ингибирующих сплайсинг третьего интрона. Механизм регуляции транспозиций P-элемента в дисгенных скрещиваниях еще не достаточно изучен.

На не длительный период, а точнее, несколько поколений, данная регуляция передается по материнской линии, но в случаях длительных сроков, определяется хромосомно, самими P-элементами.

Данный тип регуляции в клетках зародышевой линии именуется P-цитотипом, а в случаях его отсутствия, обозначается как M-цитотип. Модель, которая объясняет принципы детерминации и наследственности P-цитотипа, основывается на альтернативном сплайсинге пре-мРНК P-элемента на уровне 2-3 интрона.

Альтернативный сплайсинг отвечает за синтез транспозазы или репрессора.

В зависимости от концентрации пре-мРНК P-элемента, эффективность сплайсинга или снижается (при малых концентрациях), или увеличивается (при высоких) OHare et al 1992. В P-цитотипе промотор P-элемента репрессирован, что пиводит к низкой концентрации пре-мРНК и к синтезу репрессорного белка.

В обратных случаях, при наличии дисгенных условий P-промотор не репрессирован, вызывает высокую концентрацию пре-мРНК и синтез транспозазы.

Данная модель изначально подтверждалась генетическими методами и данными молекулярного анализа Roche et al 1995. На репрессионную способность P-элемента может влиять его структура и положение в геноме. Высокий уровень регуляции перемещений P-элемента может указывать на высокую чувствительность P-M системы гибридного дисгенеза к действию ДНК-повреждающих факторов и на сбои в процессах репарации.

Это находит подтверждение в многочисленных экспериментальных факторах. Подтверждено, что облучение оказывает влияние на эффекты транспозиций P-элемента, при наличии условий гибридного дисгенеза. Это повышает выход рецессивных и доминантных летальных мутаций Margulies et al 1986, 1987. Эффект, который можно наблюдать при синергичном действии облучения и активности транспозона, связывается с индукцией этими двумя факторами однотипных повреждений ДНК, а именно, двунитевых разрывов.

Возможность P-элемента вызывать данные 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 Sekelsky et al 1998. Особую значимость так же могут приобретать мутации в генах mei-9 и mei-41, которые контролируют одновременно мейотическую рекомбинацию и репарацию. В процессе изучения системы транспозиций в условиях гибридного дисгенеза у линий с мутациями генов репарации mei-9, mei-41 и mus101 не наблюдается видимый эффекта, влияющий на уровень рекомбинации у самцов и инсерционный мутагенез. Мутации mei-41 и mus101 вызывают удлиненный эффект на не расхождение хромосом и эмбриональную смертность, усиливая их, присутствие мутации mei-41 снижает появление хромосом с P-элементами.

Данные последствия наблюдаются только у мух с M-цитотипом, что указывает на их обусловленность синдромом гибридного дисгенеза. Основываясь на данных, которые были получены в процессах исследований, был 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. Не смотря на это, ни пострепликативная репарация мутация mei-41, ни эксцизионная репарация мутация mei-9 не оказывают влияния на уровень рекомбинации у самцов и частоту инсерций.

Параллельно доказано, что в присутствии мутаций mei-9 и mei-41 сильно повышается уровень индуцированных гибридным дисгенезом видимых мутаций, в том числе, в локусе. Значимость путей пострепликативной и эксцизионной репарации для репараций повреждений, индуцируемых при транспозициях P-элемента, доказывается исследованием уровня стерильности в скрещиваниях с использованием линий mei-9 и mei-41. Так же известно, что при скрещивании мух, которые имеют нарушения в системе репарации, с мухами, имеющими активные P-элементы в геноме, наблюдается низкий порог термочувствительной стерильности, низкая плодовитость и преждевременное старение клеток зародышевой линии самцов.

Hobo-элемент.

Hobo-элемент способен перемещаться путем образования ДНК-посредника и классифицируется к семейству hobo-Ac-Tam3 hAT Calvi et al 1991. Полный hobo-элемент имеет длину 2959 п.н. Данный элемент включает в себя два инвертированных концевых повтора по 12 п.н., образуя дупликацию в сайте инсерции размером 8 п.н. Транспозиции hobo-элемента в H-E системе гибридного дисгенеза имеют свою специфику, особенно для клеток зародышевого пути, но слабая активность hobo в соматических тканях эмбрионов, так же полностью не исключается. Сходно с P-элементом, активность hobo ограничевается зародышевыми клетками. Это объясняется отсутствием транспозазы в соматических тканях.

Но в отличие от P-элемента, тканеспецифическая транспозиция hobo регулируется секрецией транспозазы на уровне транскрипции Calvi, Gelbart, 1994. В основе классификации линий в H-E системе гибридного дисгенеза лежит наличие или отсутствие полноразмерного hobo-элемента. Ссылаясь на данный 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 (когда они не имеют ни полных, ни делетированных копий элемента hobo). Так же, линии могут классифицироваться в зависимости от их способности индуцировать гонадную атрофию Bazin, Higuet, 1996. Дисгенная стерильность зависит не только от H но и от E-линий.

Характерным для H-E системы гибридного дисгенеза, является отсутствие корреляции между различными дисгенными событиями. Механизмы регуляции транспозиций hobo-элементов частично отличаются от механизмов регуляции активности P-элементов, хотя, схожесть строения и функций этих элементов способна предполагать изменение функционирования hobo-элементов в H-E системе гибридного дисгенеза в ответ на действие ионизирующего облучения, как это показано для P-M системы.

Еще одним из плюсов, для предположения о респонсивности hobo-элементов на действие внешних факторов, становятся данные, которые указывают на изменения характеристик в H-E системе гибридного дисгенеза, но это лишь для некоторых длительно селектируемых по адаптивным признакам линий Drosophila melanogaster Кайданов 1994. В виду всего выше сказанного, низкоактивные линии, приобретают характеристику с повышенной способностью индуцировать дисгенную стерильность и пониженную способность 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. Проявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов, которые соответствуют линии и их репрессионным потенциалом.

Низкоактивные линии имеют исключительно большую частоту спонтанного мутирования высокой частоты возникновения рецессивных сцепленных с полом и аутосомных мутаций, поздних эмбриональных леталей.

Это явления основывается на механизме перемещения по геному мобильных hobo-элементов.

Низкоактивная линия включает в себя полноразмерные копии hobo-элементов, которые способны к синтезу транспозазы и транспозициям.

У данной линии обнаруживаются закономерные изменения в числе и локализации в геноме ретротранспозонов, связанных с приспособленностью линий.

Так же, не исключается, что мобильные генетические элементы являются составной частью генотипа селектируемых линий, которые обеспечивают стратегию вредных последствий отбора и инбридинга. Дестабилизация hobo-элемента, сама по себе, не способна вызывать изменения приспособленности линии, в связи с этим, проявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов соответствующих линий и их репрессионным потенциалом. Это дает возможность предположить, что возможная роль H-E системы гибридного дисгенеза, заключается в формировании генетических механизмов связанных с приспособленностью к внешним условиям и уровнем генетической изменчивости.

I-элемент.

I-R система гибридного дисгенеза, работает за счет, активности I-элемента, который относится к классу ретропозонов или LINE-подобных элементов [9]. Полноразмерный I-элемент имеет длину 5371 п.н. Перемещение I-элемента происходит путем образования РНК-посредника с дальнейшим использованием обратной транспозазы, которая кодируется самим элементом. В соответствии к I-R системе гибридного дисгенеза линии, Drosophila melanogaster подразделяются на два типа: I-линии Inducer или индукторные и R-линии Reactive или реактивные.

Геном I-линий содержит 10-15 копий полноразмерных I-факторов, которые распределяются по всем хромосомам. Активация I-элемента происходит при скрещиваниях самцов из I-линий, имеющих I-цитотип с самками из линий с R-цитотипом, в скрещиваниях I-самок с R-самцами I-элемент не активируется. Дисгенные нарушения проявляются только в яичниках у гибридных самок, у гибридных самцов таких нарушений не происходят.

Регуляция активности I-фактора в клетках зародышевой линии происходит на уровне инициации транскрипции или стабильности РНК Chaboissier et al 1990. Частота транспозиций I фактора в дисгенных скрещиваниях регулируется с помощью уровня реактивности R-самок. Исходя из этих критерий, различают линии со слабым, средним или сильным уровнем реактивности.

Уровень реактивности выделяется по клеточному состоянию в зрелом ооците R-самки и передается чаще всего по материнской линии. Уровень реактивности связан с механизмами репарации и рекомбинации. Он повышется при действии ДНК повреждающих факторов. Этим доказывается, что действие ингибиторами синтеза ДНК и гамма лучами повышает уровень реактивности. Параллельно, уровень реактивности коррелирует с частотой кроссинговера и эффективностью репарации. Это дает возможность утверждать, что уровень реактивности является одним из проявлений единой индуцибельной репарационно-рекомбинационной системы. Биологическая роль, аналогичная SOS-ответу у бактерий, заключаться в модификации уровня изменчивости в ответ на изменение условий окружающей среды. Принято называть данную систему VAMOS от англ. variability modulation system, система модуляции изменчивости Chaboissier et al 1990. Молекулярные механизмы, которые участвуют в формировании данной системы, еще не до конца определены, хотя, скорее всего, представляется участие генов, которые одновременно контролируют процессы рекомбинации и репарации. В данный момент предполагается, что в определении уровня реактивности наиболее вероятно участие генов mei-9 и mei-41. Новые открытия, касаемые роли, которую исполняет VAMOS в контроле генетической изменчивости при неблагоприятных условиях окружающей среды, способны прояснить картину молекулярных механизмов адаптации.

Дисгенные нарушения в рассмотренных системах гибридного дисгенеза, чаще всего, вызываются транспозициями и эксцизиями мобильных элементов в развивающихся зародышевых клетках.

Высокая частота хромосомных перестроек и рекомбинации у самцов происходят преимущественно в сайтах инсерции МГЭ. Повышенный уровень мутаций происходит от инсерционных мутаций и других индуцированных транспозициями МГЭ изменений в геноме.

Исследовательские данные и выводы, дают возможность рассматривать синдром гибридного дисгенеза не только в качестве показателя активности некоторых семейств мобильных генетических элементов, но и как целостную генетическую систему, обеспечивающую контроль генетической изменчивости генотипа в неблагоприятных условиях.



1.4 Мобильные элементы гетерохроматина

В 70-е годы прошлого столетия популяционная динамика кодирующих последовательностей у дрозофилы изучалась путем электрофоретического анализа распределения различных аллельных форм белков у дрозофилы. В работах Ayala, было продемонстрировано, что разные популяции дрозофилы очень незначительно отличаются в аспекте белкового полиморфизма [12]. Это же было подтверждено в отношении нуклеотидных последовательностей и методом RFLP [7]. Однако исследования мобильных последовательностей принесли неожиданно результативные, в аспекте популяционной генетики, дивиденды. Очень интересные результаты были получены при изучении взаимного расположения LTR ретротранспозонов и генов в гетерохроматине. Во-первых, оказалось, что большая половина предсказанных генных последовательностей гетерохроматина находится в ассоциации с этими МГЭ [22], и, во-вторых, что различные популяции вида существенно различаются вариациями таких пар, и это породило теорию адаптивной роли МГЭ гетерохроматина [1]. Так, было продемонстрировано, что более 60 % таких ассоциаций являются эндемичными, другие - широко распространены. Franchini et al. изучая 18 природных популяций D. melanogaster из

Америки, Африки и Европы показали, что 39 % ассоциаций встречались, по крайней мере, в двух популяциях, 30 % в семи популяциях, 9 % во всех исследованных популяциях [17]. И еще одна особенность, как указывалось выше, ретротранспозоны делетируются только с 5' конца, таким образом по размеру такого элемента можно судить о времени его встраивания под определенный ген. Изученные в указанной выше работе эндемичные ассоциации содержали в 99 % случаев ретроэлементы практически полноразмерные, что свидетельствует о их недавней инвазии. Напротив, в широко распространенных в популяциях ассоциациях в большинстве случае вретроэлементы представлены небольшими фрагментами. Таким образом, исследование особенностей распространения LTR ретротранспозонов позволяет исследовать причинную и временную динамику гетерохроматиновых районов геномов дрозофилы.

Таким образом, к настоящему времени известно, что:

- большая часть олигогенных (майоргенных) мутаций у дрозофилы - результат инсерций МГЭ.

- инсерции МГЭ могут изменять активностьмажорных и минорных генов, так как в своей структуре содержат мотивы систем управления и энхансеры, состоящие из нескольких модулей и поэтому способные связываться с различными регуляторными белками, активирующими процесс транскрипции.

- в результате рекомбинаций между LTR могут возникать хромосомные перестройки различных типов: делеции, дупликации, инверсии.

- МГЭ могут достраивать теломерные концы хромосом.

- МГЭ могут участвовать в горизонтальном переносе генов.

- МГЭ откликаются вспышкой транспозиций при различных стрессовых воздействиях на геномы.



Глава 2. Роль и функции мобильных генетических элементов

Немало важную роль в изучении роли и функций МГЭ, сыграли научные статьи, исследования и полученные из них данные, таких всемирно известных генетиков, как Л.А. Васильева, О.В. Антоненко, И.К. Захаров, В.А. Ратнер, А.И. Козератская. Так же не остались без внимания данные полученные в ходе исследований МГЭ, начиная с первооткрывателя Б. Мак-Клинток и до работ преуспевающих генетиков современности.

В различных геномах МГЭ, зачастую, могут играть несколько ролей. Какой именно эффект дают МГЭ на геном, зависит от множества факторов. За долгие годы изучения, были выделены несколько основных функций МГЭ.

2.1 Эгоистическая функция

При сцеплении с геном МГЭ свойственно проявлять частичный эгоистичный аспект. В связи с этим, они получили отдельное название - «эгоистичная ДНК».Транспозиции МГЭ зачастую напрямую связывают с размножением копий МГЭ. Так как они содержат гены транспозиции ферменты-транспозазы - Тп-3, Тп-5, ревертаз - ретропозоны. В связи с этим, он могут выступать в роли отдельных репликонов. Случается, что синтез транспозазы репрессируется при избыточной ее концентрации по механизму отрицательной обратной связи (Тп-3, Р-фактор дрозофилы). В 1980 году Дулиттл, Сапиенца, Орджел и Крик сформулировали гипотезу об “эгоистичной” ДНК, которая утверждала, что МГЭ являются “геномными паразитами”, “бродягами”, которым свойственно самостоятельное перемещение в геноме. Наследуются они в совокупности с первоначальными генами генома. Их внедрение в функционирующие гены, может оказывать эффект, который способен вызывать мутационные нарушения. На практике, все эти проявления МГЭ были обнаружены и доказаны, при этом выяснилось, что у дрозофилы подавляющая доля известных мутаций в генах вызвана именно инсерциями (внедрениями) МГЭ, а не обычными заменами нуклеотидов.

2.2 Роль МГЭ для модификации количественных признаков

мобильный генетический гетерохроматин клетка

МГЭ играют немаловажную роль в модификации количественных признаков. Для изучения этого влияния нужны иные экспериментальные методы. В работе приходится иметь дело не с отдельным полигеном или копией МГЭ, а со всей полигенной системой и суммарным рисунком (паттерном) локализации копий МГЭ в геноме.

Исключительно в таких случаях, становится возможным заметить фенотипический эффект воздействия. В данном случае подразумевается, что взаимоотношения копий МГЭ и полигенов примерно такие же, как в изученных случаях регуляторного действия копий МГЭ на смежно расположенные гены главного эффекта: усиление функции или ее подавление.

В экспериментах, возможным становится использование двух основных подходов. Первый - дает возможность индуцировать транспозиции МГЭ различными стрессовыми и генетическими воздействиями, такими как: тепловой шок, г-облучение, определенные варианты генетических скрещиваний. Это позвояет контролировать, как перемещения копий МГЭ, так и изменения проявления количественного признака.

Определение связей между ними будет свидетельствовать о модифицирующем влиянии МГЭ на полигены. Второй - дает возможность выполнить отбор по количественному признаку в линии, как в сторону его увеличения ((+)-отбор), так и в сторону уменьшения ((?)-отбор).

Так же, параллельно контролировать изменение рисунка локализации копий МГЭ в политенных хромосомах. Определенный, воспроизводимый и устойчивый отклик рисунка МГЭ на отбор будет свидетельствовать о том, что некоторые копии МГЭ модифицируют проявление полигенов.

2.3 Роль МГЭ в процессах мутаций

МГЭ содержат разнообразные функциональные сайты - знаки пунктуации и управления, такие как: промоторы, терминаторы, операторы, репликаторы, энхансеры, регуляторные сайты теплового шока, которые имеют большое влияние на окружающие участки генома.

Инсерции МГЭ в кодирующие зоны генов приводят к нарушению или резкому изменению их функций. Это происходит в связи с прямым нарушением генов и с влиянием знаков пунктуации на процессы считывания. Процент вероятности данных мутаций особенно велик у прокариот, так как они имеют высокую плотность кодирования информации в геноме [5].

Инсерции МГЭ в некодирующие области (спейсеры, интроны, фланговые участки др.) приводят к более "мягким" последствиям: усилению или ослаблению активности близлежащих генов, изменению их регуляции. Такие последствия преобладают у высших эукариот, у которых кодирующая часть генома составляет ~3-5%. Установлено, что среди видимых мутаций у дрозофилы и других объектов наиболее значительную долю составляют не замены нуклеотидов, а именно инсерции МГЭ.



Глава 3. Эволюция МГЭ

3.1 Общее понятие об эволюции МГЭ

Мобильные генетические элементы имеют широкий ареал распространения в живой природе, начиная от плазмид, фагов и бактерий, и до высших животных и растений. Имея не стабильную локализацию в геномах, они вызывают большую вероятность изменчивости генов, систем их управления и геномов. Так как МГЭ это последовательность нуклеотидов, они тоже способны эволюционировать. В связи с этим они выступают и как факторы эволюции содержащих их геномов, и как эволюционирущие объекты. В виду того, что «прыгающие гены» присутствуют практически во всех геномах живых организмов, это вызвало потребность для их само эволюции. Таким образом, МГЭ, путем эволюции, адаптируются под видовые особенности хозяина, как в масштабах вида, так и в масштабах отдельных геномов. Благодаря своей способности к свободному перемещению, конкретный тип МГЭ, под влиянием различных факторов (локализация, внешние факторы, мутации и т.д.), встраиваюсь в первичный ген, способны адаптироваться и начать выполнять совсем не свойственные для своего типа функции.

3.2 Факторы, способные вызвать эволюционный процесс МГЭ

МГЭ (их активация) считаются одним из основных факторов эволюционного процесса [14]. Известно, что активное перемещение МГЭ индуцируется тепловым шоком [4]. Система ответа на тепловой шок активируется не только повышением температуры, но и воздействиями других весьма разнообразных внешних факторов [21]: вирусным заражением клеток, обработкой ядами, детергентами, другими химическими факторами, нарушением энергетического обмена клеток. Все эти воздействия являются стрессовыми, неблагоприятными, а реакция системы теплового шока -- генерализованной. Кроме того, уровень транскрипции и транспозиций некоторых МГЭ индуцируются гамма-облучением [5], а также в определенных скрещиваниях, вызывая сложный набор изменений, который принято называть гибридным дисгенезом (редукция гонад, повышение частоты мутаций и модификаций, наличие рекомбинации у самцов). К мобильным элементам, способным вызывать гибридный дисгенез относят транспозоны Р элементи hobo, а также не-LTR ретротранспозон I элемент. Таким образом, следует признать, что изучение поведения МГ Э в природных популяциях имеет общебиологическое значение, поскольку мобильные элементы влияют на структуру и динамику геномов их хозяев [8]. Исторически и в силу определенных особенностей некоторых МГ Э популяционная динамика изучалась только, за некоторыми исключениями, для мобильных элементов, способных активироваться в дисгенных скрещиваниях, и для МГ Э гетерохроматина.



Заключение

Проведенный анализ литературы по вопросу распространения МГ Э в природных популяциях D. melanogaster позволяет заключить, что:

- МГЭ играют значительную роль в эволюции структуры геномов плодовой мушки;

- они поставляют геному последовательности, которые в дальнейшем могут использоваться как регуляторные;

- встраиваюсь в генные последовательности, они приводят к изменениям экспрессии генов, а в исключительных случаях к синтезу новых продуктов.

Неся за плечами огромное количество данных, полученных в процессе многолетних исследований МГЭ D. melanogaster, можно прийти к выводу, что самые ошеломительные открытия, скорее всего, еще не дождались своего часа.



Список литературных источников

1. A. M. McCollum, E.W. Ganko, P. A. Barrass et al.Evidence for the adaptive significance of an LTR retrotransposon sequence in a Drosophila heterochromatic gene // BMC Evolutionary Biology.-2002. - Vol. 2. - № 5. - doi: 10.1186/1471-2148-2-5.

2. B. Charlesworth,P. Sniegowski, W. Stephan. The evolutionary dynamics of repetitive DNA in eukaryotes //Nature, 1994. - Vol.371. - P.215-220.

3. B. Charlesworth, C. H. Langley. The population genetics of Drosophila transposable elements // Annu. Rev. Genet. - 1989. - Vol. 23, P. 251-287.

4. В. А. Ратнер, Л.А. Васильева. Мобильные генетические элементы (МГ Э) и эволюция геномов // Современные проблемы теории Эволюции (ред. Л.П.Татаринов). - М.: Наука. - 1993. - C. 43-59.

5. В. А. Ратнер, С. А. Забанов, Л. А. Васильева, Индукция транспозиций МГ Э Dm412 при помощи г-облучения в изогенной линии Drosophilamelanogaster // Генетика. - 1995. - T. 31, № 6.- С.798-803.

6. В.А. Ратнер, Л.А. Васильева, «Соросовский образовательный журнал», том 6, №6, 2000.

7. C. F. Aquadro, R. M. Jennings Jr., M. M. Bland et al. Patterns of naturally occurring restriction map variation, dopa decarboxylase activity variation and linkage disequilibrium in the Ddc gene region of Drosophila melanogaster // Genetics. - 1992.- Vol. 132, № 2. - P. 443-452.

8. С. Feschotte, E. Pritham. DNA Transposons and the evolution of eukaryotic genomes // Annu. Rev. Genet. - 2007. - Vol. 41, № 7111. - P. 331-368.

9. Finnegan, Fawsett 1986, http://flybase.org/reports/FBrf0111489.html

10. И.А. Козератская ISSN 1810-90 7834. Вiсн. Укр. Тов-ва генетикiв i селекцiонерiв. 2010, том 8,№ 1.

11. http://allrefs.net/c27/2gjqz/

12. J. F. Ayala. Genetic differentiation during the speciation process // Evol. Biol. - 1975. - Vol. 8. -P.1-78.

13. J. Kaminker, C. Bergman, B. Kronmiller et al. The transposable elements of the Drosophila melanogaster euchromatin: a genomics perspective // Genome Biology. - 2002. - Vol. 3,№ 12. - P. 0084.1-0084.20.

14. H. H. Kazazian Jr. Mobile elements: drivers of genome evolution // Science. - 2004. - Vol. 303, № 5664. - P. 1626-1632.

15. Kidwell, M. G., J. F. Kidwell & J. A. Syed 1977. Hybrid dysgenesis in D. melanogaster: a syndrome of aberrant traits including mutation, sterility & male recombination. Genetics 36: 813-33.

16. Kidwell, M. G.,Lisch 1997. Hybrid dysgenesis determinants and other useful transposable elements. In Drosophila. Encyclopedia of Genetics. E. C. R. Reeve (ed.). Dearborn Publishers. New York

17. L. F. Franchini, E. W. Ganko, J. F. McDonald.Retrotransposon-Gene Associations Are Widespread Among D. melanogaster Populations //Mol. Biol. Evol. -

18. Л.А. Васильева, О.В. Антоненко, И.К. Захаров Вавиловский журнал генетики и селекции, Том 15, № 2.2004. - Vol. 21, № 7. - P.1323-1331.

19. M. Demerec. Magenta-б - a third frequently mutating character in Drosophila virilis // Proc Natl Acad Sci USA. - 1927. - Vol. 13, № 4. - P. 233-248.

20. M. Golubovsky. Mobile genetics and forms of heritable changes in eukaryotes //Биополимеры и клетка. - 1995. - Vol. 11, *2. - Р. 29-38.

21. M. Itoh, N. Takeuchi, M. Yamaguchi, M. Yamamoto, I. A. Boussy. Prevalence of full-size P and KP elements in North American populations of Drosophila melanogaster // Genetica. - 2007. - Vol. 131, № 1. - P. 21-28.

22. P. Dimitri, N. Junakovic, B. Arca. Colonization of heterohromatin genes by transposable elements in Drosophila // Mol. Biol. Evol. - 2003. - Vol. 20,№ 4. - P. 503-512.

23. Р.Б. Хесин. Непостоянство генома. - М.: Наука, 1984. 472с

Размещено на Allbest.ru