16 Хромосомные перестройки. Возникновения и последствия. (Лекции по генетике)

Лекция 16ХРОМОСОМНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ:ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru16.1. Вводные замечания.На целых четырех предыдущих лекциях мы рассматривали то, что можно назвать«законной рекомбинацией», теперь же перейдем к рекомбинации «незаконной».Незаконность ее в состоит том, что она происходит гораздо реже и приводит копределенным проблемам – то есть до некоторой степени понижает приспособленностьносителей, хотя в конечном счете может и повысить.Гаплоидный геном каждого организма представляет собой двойную спираль ДНК,разделенную на несколько линейных отрезков – негомологичных хромосом.Хромосомные перестройки сводятся к изменениям, при которых гаплоидный геномоказывается подразделен на хромосомы каким-то иным образом. Это может происходитьза счет того или иного количества актов разрывов и сшиваний двуцепочечной ДНК.Естественно, чем меньше таких актов предполагает хромосомная перестройка, тем онавероятнее, поэтому мы ограничимся рассмотрением самых простых и, соответственно,самых частых случаев.

Из лекции «классификация мутаций» основные типы хромосомныхперестроек нам уже известны – это инверсии, транслокации, делеции, дупликации итранспозиции.16.2. Судьба одиночного двунитевого разрыва ДНКСреди теоретически мыслимых, наиболее простой хромосомной перестройкойвыглядит одиночный разрыв двуцепочечной ДНК. Однако вероятность сохранения такогоразрыва невелика, поскольку он в норме так или иначе репарируется: либо легируетсяобратно по месту самого разрыва, либо восстанавливает целостность по матриценеразорванной гомологичной ДНК, т.е.

сестринской или гомологичной хромосомы, врезультате чего мы не получим никакой хромосомной перестройки – неправильноеразрешение промежуточной структуры репарации приведет разве что к сестринскомухроматидному обмену или к митотическому кроссинговеру. Далее, разрыв происходит внекоей хромосоме, у которой почти всегда есть центромера (кроме голоцентрическихвидов) и всегда есть две теломеры. Разрыв чаще всего происходит между центромерой ителомерой, то есть в хромосомном плече.

Поэтому даже нерепарированный одиночныйразрыв ДНК привел бы к появлению двух фрагментов хромосомы, только один изкоторых будет содержать центромеру, а второй с необходимостью был бы потерян вмитозе. Однако первый фрагмент не будет содержать и теломеры, а это значит, что онсовершенно точно не пройдет мейоз.

Более того, как мы увидим ниже, нерепарировнныйразрыв в принципе может сохраняться в клетке только в течение фаз G1 и G2. После фазыG1 такой разрыв автоматически легируется сам на себя при репликации в S-фазе, а еслион возникнет в фазе G2, то такая клетка скорее всего не вступит и в митоз, так как непройдет один из так называемых checkpoint’ов, а именно тот, который связан с проверкойна отсутствие двунитевых разрывов, и в конечном счете подвергнется апоптозу. Впрочем,был проведен эксперимент, когда в геном дрозофилы внедрили сайт разрезанияопределенным ферментом, и ДНК соответствующей хромосомы действительно быларазрезана, но хромосома каким-то образом сохранила целостность за счет белковхромтина и в таком виде проходила митозы.

Но это, скорее всего, экзотика, связанная состранными особенностями строения хроматина двукрылых.Ранее выделялся такой класс делеций, как концевые делеции или нехватки (deficiency),когда на цитологическом уровне наблюдали как бы потерю участка хромосомного плечадо самого его конца за счет одиночного разрыва. Однако впоследствии тонкимицитологическими методами было обнаружено, что такие хромосомы имеют нормальныеконцы, с прителомерными районами и теломерами, происходящими либо от той же самойхромосомы (таким образом, это оказались не нехватки, а «обычные», точнееинтерстициальные делеции, при которых исчезает внутренний фрагмент плеча междуцентромерой и теломерой, что требует двух разрывов), либо от других хромосом (такимобразом, это оказались не нехватки, а транслокации).

По-видимому, истинных нехваток вприроде фактически не встречается.Итак, в норме одиночные разрывы хромосом не дают нам хромосомных перестроек,поскольку подвергаются репарации. Исключение могут представлять ткани, гдерепарационная активность и контроль за корректным прохождением клеточного циклаослаблены. Если двунитевой разрыв произошел на стадии G1 и не был на этой стадиирепарирован, в момент репликации ДНК в S-фазе он автоматически залечивается так, чтодва оборванных конца сшиваются друг с другом конец-в-конец. Это явление быловпервые обнаружено в эндосперме кукурузы Барбарой Мак-Клинток – будущимпервооткрывателем мобильных генетических элементов, оно и послужило основой для ихпоследующего открытия. Она изучала последствия воздействия рентгеновскогоизлучения, которое, как уже было тогда известно, рвет хромосомы.

Репарация двунитевыхразрывов происходила только сама-на-себя конец-к-концу и только в S-фазе, во времярепликации ДНК. Получались дицентрические фрагменты, которые в анафазе следующегоза S-фазой митоза образовывали мосты, когда две центромеры тянули хромосому в разныестороны. При этом она рано или поздно рвалась произвольным образом, и хромосомырасходились к полюсам. Однако они снова имели двуцепочечные обрывы, которые сновазашивались в S-фазе конец-к-концу, снова образовывали мосты.

Эту повторяющуюсяситуацию Б. Макклинток назвала «цикл разрыв-слияние-мост» (breakage-fusion-bridgecycle). Нетрудно понять, что поскольку зашитые концами хроматиды были полностьюидентичны до точки сшивки, так как только что возникли путем репликации ДНК, аразрывы моста происходили произвольно, а не строго посередине, каждый из них давалцентрический фрагмент с делецией и центрический фрагмент с дупликацией, где двекопии дуплицированного участка располагались рядом в инвертированном направлении.Протяженность делеций и дупликаций определялась величиной сдвига разрыва отнаходящейся строго посередине точки сшивки предшествовавшего разрыва. При каждомцикле такие делеции и дуликации возникают снова и множатся, что не проходитнезамеченным для клеток-потомков.Первоначально это явление наблюдалось только в клетках эндосперма кукурузы, вдальнейшем выяснилось, что оно весьма характерно для раковых клеток, поскольку онипоследовательно теряют многие общеклеточные функции, в том числе и репарационнуюактивность.

Считается, что именно этот цикл во многом ответственен за генерациюкариотипического разнообразия раковых клеток. Кстати, раковые клетки, как правило,имеют множественные перестройки в немногих местах генома, что и должно получаться врезультате цикла разрыв-слияние-мост.Еще одна ситуация, когда репарация ослаблена и с которой мы уже сталкивались –дробление эмбриона насекомых.

Здесь цикл разрыв-слияние-мост приобрел неожиданноепрактическое значение. Если облучить ионизирующей радиацией самцов, то разрывыхромосом в ядрах сперматозоидов не репарируются. В таком виде оборванные хромосомыпопадают в зиготу, которая приступает к немедленному дроблению. Нормальнаярепарация по гомологу здесь также не происходит, поэтому при репликации оборванныеконцы двух хроматид сшиваются друг с другом. Это приводит к накоплениюхромосомных аномалий в каждом клеточном делении, так что гибриды F1 либо погибают,либо оказываются опять-таки стерильными, причем у мух эти гибриды представлены какправило самцами (поскольку Х-хромосома от отца оказывается дефектной). Такимобразом, полученные от одиночных самцов незарепарированных двуцепочечные разрывыхромосом оказываются доминантными леталями.

Это нашло свое применение напрактике, в качестве сопустствующей меры при борьбе с вредителями. Выпуск в полеоблученных самцов способствует внедрению в популяцию множественных генетическихдефектов. Любопытно, что чешуекрылые требуют больших доз, чем двукрылые,поскольку их голоцентрические хромосомы легче расходятся и не задерживаются ванафазе, даже будучи дефектными.16.3.

Хромосомные перестройки, основанные на двух разрывах ДНК.16.3.1. Вводные замечанияДля возникновения хромосомных перестроек, действительно встречающихся вприроде, требуется более одного двунитевого разрыва ДНК, при неправильном ихсшивании (то есть при сшивании не тех оборванных концов двуцепочечной ДНК, которыеобразовались вследствие одного и того же разрыва). Такие ситуации более вероятны привоздействии факторов, способствующих разрывам ДНК, например, под действиемрадиации. И действительно, гамма-излучение является наиболее обычным способомполучения хромосомных перестроек.Традиционно при рассмотрении данной темы механизм неправильного сшивания необсуждается. Нельзя забывать, что разрыв происходит в хромосоме, где ДНК упакованаво множество уровней множеством белков.