17 Эффект положения роль хромосомных перестроек в эволюции (Лекции по генетике)

Лекция 17ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ.РОЛЬ ХРОМОСОМНЫХ ПЕРЕСТРОЕК В ЭВОЛЮЦИИ.«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru17.1. Эффект положения.17.1.1. Общие замечанияТранскрипция ДНК эукариот осуществляется сложнейшей молекулярной машиной,которая принимает во внимание не только кодирующую последовательность, но и весьмапротяженные и зачастую находящиеся достаточно далеко на хромосоме регуляторныепоследовательности, способные к связыванию с определенными белками.

Неудивительно,что на возможность и интенсивность транскрипции, а следовательно, и геннойэкспрессии, оказывает сильнейшее влияние хромосомное окружение гена, а в широкоммасштабе - состояние хроматина на данном участке хромосомы. Детектируемые на уровнефенотипа различия в экспрессии одного и того же гена, оказавшегося в разномхромосомном окружении, принято называть общим термином эффект положения,который подразделяется на эффект положения конститутивного и мозаичного типов.17.1.2. Эффект положения конститутивного типаЕще в 1925 г. Альфред Стёртевант обнаружил, что фенотипический эффектредукции глаза у дрозофил, несущих мутацию Bar, зависит не только от того, сколькокопий соответствующего участка генома имеет муха, но и как они расположены: аименно, гетерозиготы + BB (норма против ультра-Bar) демонстрируют бОльшую степеньредукции, чем гетерозиготы B B, то есть тандемная трипликация данного участкахромосомы в гетерозиготе с нормальной хромосомой нарушает развитие глаза сильнее,чем гомозигота по двум тандемным дупликациям, несмотря на то, что общая дозадуплицируемого участка в обоих случаях одинакова.В 1934 г.

Дубинин и Сидоров опубликовали данные о фенотипическом проявленииаллелей локуса cubitus interruptus в условиях хромосомной перестройки. Нормальныйаллель этого локуса, вследствие инверсии перенесенный из прицентромерногогетерохроматина в эухроматин, из доминантного становится полудоминантным. Такимобразом, наблюдалось ослабление эксрессии гена, оказавлегося в «непривычном»хромосомном окружении, что даже получило название «эффект Дубинина». Обратимвнимание на то, что в данном случае ослабление наблюдалось при перенесении гена изгетерохроматина в эухроматин, хотя общепризнано, что эухроматин транскрипционногораздо активнее гетерохроматина и мы могли бы ожидать скорее обратного эффекта. Ноперед нами исключение, не более чем один из частных случаев.Подобные явления устойчивого изменения экспрессии гена в измененномхромосомном окружении получили общее название эффекта положенияконститутивного типа.

Сами по себе они указывают на важность хромосомногоокружения для экспрессии генов. Однако следующее явление, эффект положениямозаичного типа, позволяет еще глубже проникнуть в эти закономерности.17.1.3. Эффект положения мозаичного типаЭффект положения мозаичного типа – принятый в русскоязычной литературеэквивалент выражения position effect variegation, которое можно было бы перевестидословно как «пестрота эффекта положения».

Он был обнаружен Г. Мёллером в 1930 г. вопытах, вовлекающих инверсию по первой хромосомы Inv(1)wm4 (Рис. 17.1).Рис. 17.1. Классический пример эффекта положения мозаичного типа (пятнистаяокраска глаза мухи – слева и справа), связанный с мозаичной инактивацией гена wвследствие инверсии хромосомы 1 (в середине).Одна из точек разрыва инверсии находилась в эухроматине поблизости от локуса w,другая – в гетерохроматине.

В результате инверсии нормальный аллель w+ оказалсяперенесенным в непосредственную близость к блоку гетерохроматина, вернее кусеченному блоку гетерохроматина. В результате экспрессия аллеля оказаласьнеустойчивой, что легко наблюдать у самцов, имеющих этот аллель в гемизиготе: краснаяокраска их глаз оказалась неравномерно-пятнистой, с неокрашенными секторами (Рис.17.1).Хотя в данном случае речь идет лишь о перемещении гена в несвойственное емуположение на хромосоме с сохранением его первичной структуры и ближайшегохромосомного окружения, исторически он был обозначен как особый аллель гена w, wm –white mottled («белый пятнистый»), вернее как серию таких аллелей, допустим весьмапопулярный в исследованиях эффекта положения мозаичного типа wm4.

Для удобствазаписей генотипа эта практика поддерживается до сих пор.Наличие локальных окрашенных и неокрашенных пятен, а не равномерноослабленной окраски глаза мухи - само по себе говорит о многом. Во-первых, активациягена w на соответствующей стадии развития глаза происходит по закону «все или ничего».(При обсуждении этого классического примера эффекта положение для простоты принятонекорректно говорить об «инактивации гена w», в то время как речь идет о непроизошедшей его активации, что не одно и то же. Однако корректное выражение былобы громоздким, поэтому ниже мы также будем говорить об «инактивации»).

Во-вторых,окрашенные либо неокрашенные клетки в пределах пятна с очевидностью представляютсобой один клон клеток. При этом ген w активировался либо не активировался у предкаэтого клеточного клона, и это его активное либо неактивное состояние неизменнопередавалось от клетки-предка к клетки-потомку эпигенетически. В третьих, хаотичныйхарактер пятен говорит, что эта неактивация гена в нужное время происходитстохастически с некоторой вероятностью, а не строго закономерно.Дальнейшие многочисленные опыты в разных лабораториях мира показалиследующее:- Сам по себе ген w никак не страдает – на основе Inv(1)wm4 можно индуцироватьновую перестройку, которая возвращает его в эухроматин; при этом его нормальнаяэкспрессия восстанавливается.- Эффект положения мозаичного типа можно получить, перенося ген внепосредственную близость и иных районов гетерохроматина – но не любых его районов.Таким образом, помещение гена в непосредственную близость к блоку гетерохроматинаявляется необходимым, но не достаточным условием проявления эффекта положениямозаичного типа.- Подобные эффекты были продемонстрированы и на экспрессию многих другихгенов.В особенности интересно проследить при эффекте положения мозаичного типаактивацию-инактивацию тесно сцепленных генов.

При этом был открыт так называемыйэффект распространения (spreading effect). А именно, оказалось, что инактивацияраспространяется от границы блока гетерохроматина. Если какой-то из геновэухроматинового в норме участка хромосомы, перенесенного в близость блокагетерохроматина, оказывается инактивированным, то инактивированными будут и всегены между этим геном и блоком.

(Впрочем, в 1991 г. Е.С. Беляевой, в то времясотрудницей ИЦиГ СО РАН, была открыта и прерывистая инактивация, когда внутриинактивированного участка остаются активные островки.) При этом вероятностьинактивации гена падает по мере удаления от блока гетерохроматина. Но еслиинактивация все же происходит, то она всегда полная, так что принцип «все или ничего»сохраняется. Оказалось, что инактивация генов может распространяться от границыгетерохроматинового блока на десятки сантиморганов, что соответствует примерно 5 млн.пар оснований и 170 дискам политенной хромосомы.Из этих фактов логично сделать предположение, что эффект положения мозаичноготипа состоит в распространении волны гетерохроматинизаци от границгетерохроматинового блока на оказавшийся по соседству эухроматиновый в нормеучасток хромосомы, причем эта волна случайным образом распространяется на разноерасстояние от границы гетерохроматинового блока – подобно тому как не каждая волнадостигает ваших ног, когда вы стоите у самого прибоя.

Это означает, чтогетерохроматином в принципе может стать любой участок хромосомы вне зависимости отпервичной структуры ДНК, то есть гетерохроматин – это состояние. Напомним свойствагетерохроматина – плотная упаковка, поздняя репликация, склонность к эктопическимконтактам, особый белковый состав – например, наличие белка НР-1.Эти предположения нашли свое подтверждение в исследовании модификацииэффекта положения мозаичного типа.17.1.4. Модификация эффекта положенияФенотипические проявления эффекта положения мозаичного типа оказалисьизменчивыми.

На примере с пятнистыми глазами могли изменяться размер пятен и общаяплощадь неокрашенной поверхности глаза. Было обнаружено, что такие модификациимогут быть вызваны тремя классами факторов: 1) температурой, 2) общим количествомгетерохроматина в ядре и 3) определенными мутациями. Оказалось, что эти факторывсегда влияют одновременно и скоррелированно сразу на два параметра: процентинактивированных клеток и дистанцию эффекта распространения. Рассмотрим вкратцепримеры действия указанных факторов.В классическом примере с инактивацией гена w мухи, выраженные при температуре16ºС имеют белые глаза, при температуре 24ºС – мозаичные глаза, при 29ºС - красные.Оказалось, что влияние температуры происходит в ограниченный период раннегоэмбриогенеза – как раз на той стадии, когда происходит формирование гетерохроматина.Влияние общего количества гетерохроматина в ядре проще всего изучать, варьируядозу У-хромосомы, поскольку У-хромосома целиком состоит из гетерохроматина, аизменение ее дозы не оказывают влияние на фенотип мухи (за исключением исчезновениямужской фертильности у самцов XO).

На рис. 17.2 показаны схемы получения самцов сразной дозой У-хромосомы, использующие ХХ- и ХУ-компаунды. Эффект дозы Ухромосомы очень похож на эффект температуры (Рис. 17.2). Добавление лишних Ухромосом препятствует инактивации гена wm4 – мухи имеют красные глаза; приотсутствии У—хромосомы ген w инактивируется во всех клетках – глаза у мухиполучаются белые. Данный феномен можно интерпретировать следующим образом – вядре производится некое фиксированное количество фактора (по всей видимостибелкового), запускающего гетерохроматинизацию хроматина.

Он перераспределяется посвоим «посадочным местам». Гетерохроматиновая У-хромосома имеет определенноеколичество таких «посадочных мест», которые конкурируют загетерохроматинизирующий фактор с участком эухроматина, подвергающимусягетерохроматинизации, распространяющейся со стороны блока конститутивногогетерохроматина.

При увеличении дозы У-хромосомы общее количество «посадочныхмест» и конкуренция за гетерохроматинизирующий фактор увеличивается, поэтому волнагетерохроматинизации быстро затухает. При отсутствии У-хромосомы в ядре появляетсябольшое количество несвязанного фактора гетерохроматинизации, поэтому волнагетерохроматинизации в среднем распространяется дальше.Мутации, фенотипического проявление которых сводится к модификации эффектаположения мозаичного типа, подразделяются на два класса:1) супрессоры эффекта положения мозаичного типа, подавляющие инактивацию генов(вернее сказать, способствующие активации генов), обозначаемые Su(var) (т.е. supressor ofvariegation)2) энхансеры эффекта положения мозаичного типа, способствующие инактивации генов,обозначаемые E(var) (т.е.