3.3.5. Мобильные гены эукариот: случайность и целевой поиск

Мобильные гены дрозофилы были открыты случайно в ходе выделения клонов активно транскрибируемых генов. Выделяемая ДНК дрозофилы "нарезалась" рестриктазами на отдельные фрагменты, они клонировались с помощью методов генной инженерии, и затем определяли, какие из фрагментов образуют гибриды с мРНК культивируемых клеток дрозофилы. Затем клоны визуализировались на политенных хромосомах разных линий. Было найдено, что ряд клонов встречается среди повторенных последовательностей, а гибридизация меченной ДНК на политенных хромосомах показывала их дисперсную локализацию (Георгиев, 1989).

Вначале эти клоны были названы как "мобильные диспергированные гены" (МДГ) в лабораториях Г. П. Георгиева и В. А. Гвоздева, и "копия" — copia последовательности в лаборатории D. Hogness в США. К началу 90-х годов у разных видов дрозофил было выделено свыше 30 семейств подвижных генов. Поэтому теперь предпочитают более нейтральное название МГЭ — мобильные генетические элементы. Доля МГЭ в геноме дрозофилы вида D. melanogaster составляет около 15 %. Уже в 1981–1982 гг. были получены прямые доказательства, что нестабильные аллели, найденные М. М. Грином в локусе white, связаны с внедрением МГЭ. При этом реверсии мутант-норма происходят чаще всего за счет вырезания инсерции МГЭ (сводка: Хесин, 1984; обзор: Юрченко, Голубовский, 1988).

В лаборатории Дж. Рубина из Института Карнеги в Вашингтоне в 1982 г. был найден один из самых замечательных мобильных элементов "Р". Он оказался ответственен за Р-М-систему гибридного дисгенеза и активировался в Р-линиях на фоне цитоплазмы линий М-цитотипа. Р-элемент обнаружил избирательное сродство к ряду локусов и прежде всего к локусу singed (Engels, 1983). И, наконец, вскоре круг замкнулся. М. Д. Голубовский и Е. С. Беляева (1985) установили, что более 50 % выделенных из природы нестабильных аллелей локуса оказались связанными с внедрением Р-элемента. Остальные нестабильные аллели также имели инсерционную природу.

С начала 80-х годов начались регулярные поиски мобильных генов у нестабильных мутантов кукурузы. В 1983 г. из найденного Б. МакКлинток нестабильного аллеля гена wx (мутный эндосперм зерна) был выделен молекулярный аналог элемента Ас, оказавшийся МГЭ со всеми ожидаемыми свойствами и очень похожий на Р-элемент дрозофилы (Федорофф, 1984).

Таким образом, в период 1981–1983 гг. еретическая гипотеза Б. МакКлинток о связи нестабильности с внедрением мобильных элементов была полностью подтверждена на молекулярном уровне. Основные этапы этой длинной истории в раскрытии тайны нестабильности представлены в табл. 2.

Таблица 2. Основные вехи в изучении вспышек мутаций и нестабильных генов

Годы — Исследователи — Факты и гипотезы

1901 — Hugo de Vries — Теория мутаций. Гипотеза о колебании темпа мутаций и о нестабильном состоянии наследственных факторов

1914–1917 — P. Emerson — Анализ соматической и генеративной нестабильности гена окраски перикарпа у кукурузы; феноменология без гипотезы

1926–1941 — М. Demerec — Открытие и анализ нестабильных генов у дрозофилы. Автономный характер и аллелеспецифичность мутирования в половых и соматических клетках. Идея о сходстве нестабильности и эффекта положения

1937–1961 — Р. Л. Берг, С. М. Гершензон — Колебание общего темпа мутирования и резкие флюктуации мутабильности отдельных генов в природных популяциях дрозофил. Подтверждение идеи де Фриза.

1950–1965 — В. McClintock — Цитогенетика нестабильных мутаций у кукурузы. Открытие мобильных контролирующих элементов, способных вызывать нестабильность при инсерциях.

1967–1969 — М. М. Green — Возобновление генетики нестабильности у дрозофилы. Получение транспозиций высокомутабильного гена.

1977–1980 — М. Д. Голубовский, M. M. Green — Генанализ серии нестабильных аллелей из природных популяций дрозофил. Гипотеза об инсерционной природе этих аллелей и о связи вспышек мутаций с инсерциями

1969–1976 — P. Starlinger, H. Saedler, J. Shapiro — Открытие инсерционных мобильных элементов и их молекулярной структуры у бактерий. Подтверждение гипотезы МакКлинток на уровне ДНК

1977–1978 —

D. Hogness, Г. Георгиев, В. Гвоздев — Открытие семейств мобильных генов у дрозофилы

1981 — М. Kidweli, G. Rubin, Р. Bingham, W. Engels — Открытие Р-элементов как мобильных факторов, ответственных за Р-M-систему гибридного дисгенеза

1982 — G. Rubin, А. Spradling, W. Engels — Создание контролируемой системы горизонтального переноса генов у дрозофилы на основе плазмид с Р-элементом. Регуляция мутабильности при трансгенозе

Основные ссылки см. в сводке Р. Б. Хесина (1984).

Мобильные элементы к настоящему времени найдены во всех случаях, где сколько-нибудь детально велся их поиск: от плоских червей до млекопитающих, включая человека. Самые первые найденные у дрозофилы мобильные элементы типа МДГ или copia оказались сходными по организации с РНК-содержащими онкогенными ретровиру — сами, куда относится и вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

У прокариот можно выстроить эволюционный ряд: инсерционные сегменты — транспозоны — плазмиды — бактериофаги. Точно также можно выстроить аналогичный ряд у эукариот. Эндогенные ретровирусы имеют на концах длинные концевые повторы, ДКП или LTR, их длина 5–7 тыс. нуклеотидных пар, они несут всего три гена. Архетип их структуры таков:

5¹ — LTR — gag — pol — env — LTR — 3¹.

ген gag — кодирует внутренние структурные белки вируса;

ген pol— кодирует обратную транскриптазу (ревертазу);

ген env — белки оболочки;

ДКП несут знаки генетической пунктуации, их размер составляет 250–500 п. н.

МГЭ эукариот делятся на два основных класса. К первому классу относятся элементы, которые перемещаются, используя обратную транскрипцию — ретротранспозоны. Они несут ген, кодирующий ревертазу и чтобы начать встраиваться, по матрице РНК строят ДНК-копию, которая и внедряется в разные места хромосомы. В свою очередь, ретротранспозоны распадаются на две группы: а) ретровирусо — подобные элементы, несущие на концах длинные концевые повторы, и б) невирусные элементы, не имеющие на концах ДКП, но кодирующие ген ревертазы.

В группу ретровирусоподобных входят элементы из геномов дрожжей, насекомых, млекопитающих и растений.

Второй класс МГЭ образуют собственно транспозоны, имеющие на концах короткие обращенные повторы и в середине — ген, кодирующий транспозазу. Сюда попадают: знаменитые контролирующие элементы кукурузы семейства Ac — Ds, мобильные элементы Р и Hobo у дрозофилы; удивительный элемент mariner, найденный впервые у одного эндемичного вида дрозофил с о-ва Маврикий и оказавшийся распространенным от нематод до человека (Kidwell, 1993).

Возникает вопрос о происхождении разных семейств мобильных элементов. Чем объяснить резкие различия наборов МГЭ у близких видов и отсутствие упорядоченности в их встречаемости, факультативность. Виды одного рода зачастую не имеют одинаковых МГЭ в геномах как, например, D. melanogaster и D. virilis. Подобные факты служат веским доводом об экзогенном, вирусном происхождении мобильных элементов. Можно думать, что такие виды заразились разными вирусами уже после дивергенции. Данные факты также говорят о сравнительной независимости эволюции МГЭ от эволюции других генетических компонентов.

Для понимания действующих в природе процессов реорганизации генома очень важны данные, полученные шведским генетиком Гуннаром Изингом. Он провел систематические наблюдения за передвижением по геному в разных линиях большого транспозона, имеющего в своем составе ген white и расположенный поблизости ген "грубые глаза". Этот гигантский транспозон длиной в десятки тысяч нуклеотидных пар, возник спонтанно. Благодаря большой протяженности он оказался виден в участках своего внедрения на политенных хромосомах слюнных желез в виде избыточных дисков. В результате целенаправленных поисков Г. Изинг идентифицировал более 200 различных транспозиций. Перемещаясь по геному, этот супертранспозон прихватывал фрагменты соседних локусов. Г. Изингу удалось обнаружить явление похожее на чудо. Транспозон встроился в район центромеры, захватил сегмент центромерной ДНК и превратился в минихромосому! (Block, Ising, 1990). Так могут возникать новые хромосомы и новые генные конструкции.