Проблемы и перспективы молекулярной генетики. Том 1 - Свердлов Е.Д.
ISBN 5-02-002753-7
Скачать (прямая ссылка):
27
РЕТРОТРАНСПОЗОНЫ ДРОЗОФИЛЫ
Необычные элементы генома, способные перемещаться по хромосомам, были открыты генетиками у дрозофилы (Demerec, 1928) и кукурузы (McClintock, 1950) уже давно. С годами стало понятно, что такие мобильные элементы (МЭ) являются принадлежностью генома практически всех высших организмов, причем на их долю приходятся десятки процентов геномной ДНК. В соответствии с молекулярной структурой и механизмом транспозиций мобильные элементы высших организмов разделены на несколько групп (Berg, Howe, 1989): ретротранспозоны, включая ретропозоны, или LINE-элементы; SINE-элементы; транспозоны; FB-элементы. Исследования, проводимые в Отделе молекулярной генетики клетки, посвящены анализу популяционных и молекулярно-генетических механизмов коадапта-ции и коэволюции ретротранспозонов (copia, мдг-1, мдг-3, Doc и некоторых других) и генома плодовой мушки Drosophila melanogaster.
История исследования ретротранспозонов дрозофилы насчитывает 20 лет, начиная с тех пор, когда разбросанные по геному, активно транскрибирующиеся последовательности ДНК дрозофилы были одновременно описаны учеными России и США (Finnegan et al., 1978; Ильин и др., 1978; Ananiev et al., 1978). Впоследствии оказалось, что ретротранспозоны являются принадлежностью генома практически всех организмов, причем на их долю может приходиться до 50% геномной ДНК.
Ретротранспозоны были открыты как последовательности ДНК с неизвестной функцией, которую предстояло найти, исходя из их структуры и других свойств. В последнее время структурно-функциональный анализ полных последовательностей геномов различных организмов, таких разнообразных, как бактерии, дрожжи, нематода, дрозофила, мышь, человек, рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений генетики, молекулярной и клеточной биологии. Предполагается, что полное описание генома является базовым этапом на пути к пониманию его функционирования в контексте целого организма. Исследование ретротранспозонов представляет собой пример изучения генетических элементов в направлении от молекулярной структуры к функции, показывающий, что путь этот даже в таком простом случае весьма сложен.
Взаимоотношения ретротранспозона и генома, в котором он присутствует, могут быть рассмотрены в терминах более широкой проблемы сосуществования и совместной эволюции эндопаразита (эндосимбионта) и хозяина. Упомянем вкратце некоторые факты, делающие такое предположение правомочным. Ретротранспозоны представляют собой в значительной степени обособленную часть генома, поскольку, благодаря особенностям своего строения они не только способны к размножению внутри генома, но и сами кодируют ряд необходимых для этого ферментов. По структуре ретротранспозоны очень близки к провирусам ретровирусов млекопитающих (рис. 7) -одной из наиболее интересных и важных групп вирусов, к числу которых относятся онковирусы и вирусы иммунодефицита. Последовательности ДНК ретротранспозонов и ретровирусов включают гены, кодирующие сходные белки, которые обеспечивают их размножение и перемещение в геноме. Как и у ретровирусов, последовательность ретротранспозонов ограничена по концам длинными, до нескольких сотен нуклеотидов, и одинаковыми по
28
последовательности участками ДНК - ЦКП (длинные концевые повторы). Эти повторы содержат регуляторные последовательности, обеспечивающие экспрессию генов ретротранспозонов. Не только молекулярное строение, но и предполагаемый механизм транспозиций ретротранспозонов и ретровирусов аналогичен и включает транскрипцию, экспрессию белков, упаковку полноразмерного транскрипта в комплексе с белками в вирусоподобную частицу, синтез ДНК-копии на матрице РНК, интеграцию в геном.
Было высказано предположение о том, что ретротранспозоны представляют собой “эгоистичную” ДНК (Doolittle, Sapienza, 1980; Orgel, Crick, 1980), т.е. функционально незначимые для организма последовательности, сохраняющиеся в нем только благодаря способности к внутригеномной экспансии, обусловленной особенностями их структуры. Позже удалось получить данные, свидетельствующие о том, что ретротранспозоны принимают участие в столь важных клеточных процессах, как поддержание целостности концов хромосом у дрозофилы (Beissmann et al., 1993) и залечивание разрывов ДНК у дрожжей (Teng, Gabriel, 1996; Moore, Harber, 1996). В последние годы для многих организмов получены также данные об участии ретротранспозонов в регуляции активности генов хозяина (Britten, 1997). Однако эти функции можно рассматривать и как побочные, вторичные, приобретенные в процессе существования отдельных ретротранспозонов в геноме некоторых организмов.
Существенная доля информации об особенностях поведения ретротранспозонов была получена в исследованиях на дрозофиле. Это объясняется не только удобством плодовой мушки как модельного лабораторного объекта в целом, но и тем, что общее число ретротранспозонов у дрозофилы относительно мало, около 103 копий на геном, разделенных на 40-50 семейств на основании сходства нуклеотидных последовательностей, которое внутри каждого семейства очень велико (Berg, Howe, 1989). Для сравнения, у растений и человека, например, суммарное число копий на геном намного больше и может достигать 105, а внутри каждого семейства последовательности могут быть гетерогенны, что затрудняет их идентификацию. Такие особенности ретротранспозонов дрозофилы, а также наличие у нее политенных хромосом, на которых местоположение копии ретротранспозона может быть определено с помощью гибридизации in situ с меченой ДНК этого ретротранспозона (рис. 8), позволяют изучать перемещения и наследование индивидуальных копий. Это обусловливает преимущества использования дрозофилы как модельного объекта для изучения ретротранспозонов. Кроме того, обычным затруднением для экспериментального исследования транспозиций является их низкая спонтанная частота. У дрозофилы же известны случаи, когда частота транспозиций какого-либо ретротранспозона существенно превышает обычную, причем в некоторых случаях эта высокая частота может сохраняться в течение нескольких лет или воспроизводиться в определенных экспериментальных условиях (Ким, Беляева, 1986; Георгиев и др., 1988; Пасюкова, Нуждин, 1992). Для прямого измерения частоты транспозиций ретротранспозонов в Отделе был разработан и успешно использован оригинальный генетический метод. Все вышеперечисленное делает дрозофилу наиболее удобным объектом для эффективного исследования динамики числа копий ретротранспозонов в геноме, факторов, контролирующих транспозиции ретротранспозонов, их фенотипических эффектов и других
