Подвижные генетические элементы

До второй половины 1940;х гг. считаюсь, что гены стабильно располагаются в определенных локусах соответствующих хромосом и не способны перемещаться из одного положения в другое без реципрокного обмена В 1951 г. Барбара Мак-Клинток, сотрудница Вашингтонского института Карнеги, впервые описала подвижные генетические элементы, обнаруженные у кукурузы, которые удалось выявить благодаря их способности перемещаться из одного сайта в другой. Она назвала их контролирующими элементами. Внедрение контролирующего элемента в определенный сайт влияет на активность и смежных генов.

В опытах по генетике окраски зерна кукурузы Б. Мак-Клинток получила факты, которые нельзя было объяснить с позиции стабильной локализации генов в хромосомах и неспособности их к перемещению в геноме: в опытах были выявлены растения-близнецы, имеющие неодинаковую окраску листьев (у одного они были интенсивно-зелеными, у другого — светложелтыми). Аналогичное явление проявилось и в окраске семян в початке. Результаты опыта свидетельствовали о наличии у одного из дочерних растений специфической генетической системы, которой другое растение не обладало.

Полученные экспериментальные данные позволили Б. Мак-Клинток доказать наличие подвижных генетических элементов в хромосомах кукурузы и разработать четкую модель генетической системы, взаимодействующей с генами, определяющими пигментацию зерен в початке и интенсивность окраски листьев растения. Эта система включает два подвижных контролирующих элемента: диссоциатор, названный /)$-геном, и активатор — Ас-ген. Генетическая система работает следующим образом: если Ds-ген передвигается к хромосомному участку, расположенному рядом со структурным геном (например, контролирующим узор чередования полос на листьях кукурузы), то он подавляет фенотипическую экспрессию структурного гена, в результате чего полосы на листьях становятся блеклыми. Однако это подавление эффективно лишь в том случае, когда ген Ас находится возле двух названных выше генов. Если же ген Ас перемещается на более отдаленный участок хромосомы, подавления геном Ds структурного гена не происходит и продольные полосы на листьях ярко-зеленые. Согласно выводам Б. Мак-Клинток, один из двух мобильных генов (Ds) подавляет действие близлежащего структурного гена, а другой (Ас) снимает это действие.

По современной классификации ген Ас относится к классу автономных контролирующих элементов, которые способны вырезаться из хромосомы и транспозироваться; их внедрение в новый сайг ведет к появлению нестабильных аллелей т (mutable). Ген Ds является неавтономным контролирующим элементом, который теряет свою стабильность только в том случае, если в какой-то области генома присутствует автономный член того же семейства. Неавтономный элемент может комплементироваться в /я/юнс-положении автономным и осуществлять свойственные ему функции. Установлено, что неавтономные элементы могут быть активизированы в т/?яис-положении только определенными автономными элементами.

На кукурузе были описаны два типа систем перемещающихся генетических элементов. В простой одноэлементной системе мобильный контролирующий элемент влияет на активность гена, прилегающего к нему в хромосоме. В случае двухэлементной системы существуют:

• а) рецепторный элемент, располагающийся около или внутри структурного гена;
• б) регуляторный элемент, обладающий способностью к самостоятельному перемещению в геноме, а также влияющий на транспозицию рецепторного элемента.

Выявлен и изучен целый ряд двухэлементных систем: в частности, для рецепторов I; Ds; dt; си; ruq с регуляторами соответственно: Еп, Spm; Ас, Мр; Dr, Feu; Spfi Uq; например, система Ds-Ac (диссоциации-активации), система Spm (супрессор-мутатор) и др.

В терминологию, связанную с изучением мобильных генетических систем, внесены существенные дополнения. В частности, введены понятия «транспозиция», «транспозон (ы)», «инсерционные последовательности» и др.

Транспозиция — это перемещение сегмента ДНК из одного местоположения в другое без реципрокного обмена.

Транспозон - это транспозируемая последовательность ДНК, несущая один или несколько генов, ограниченная с обеих сторон идентичными инсерционными последовательностями, которые обеспечивают транспозону способность перемещаться из одного локуса в другой.

Инсерционными последовательностями называются различные последовательности нуклеотидов, обнаруженные в бактериях и способные к перемещению из одного хромосомного локуса в другой. Спонтанное перемещение таких последовательностей может вызывать мутации в исходном или новом участке внедрения. Эти последовательности могут внести активные промоторы или терминаторы синтеза мРНК и служить участкамимишенями для интеграции эписом.

Открытие Б. Мак-Клинток транспозирующих генетических систем и генетической регуляции имело огромное научное значение. Открытие мигрирующих генетических элементов и модель генетической системы позволяли также правильно интерпретировать некоторые явления, несовместимые со строгими менделевскими законами наследственности, по которым фенотипические признаки от любых двух родителей распределяются у потомков в соответствии с генетической доминантностью или рецессивностью в простых соотношениях. С помощью этой модели можно было объяснить и механизм изменения цветового узора кукурузного початка при переходе от ранних стадий развития растения к поздним. Мак-Клинток высказала также идею о том, что подвижные генетические элементы или гены могут влиять на скорость возникновения новых видов растений и животных.

Кроме того, модель системы позволила объяснить, каким образом резистентность к антибиотикам передается от одного вида бактерий к другим, что имело большое практическое значение.

К настоящему времени собран огромный экспериментальный материал, полученный на разных объектах, о мобильных генетических элементах, способных к перемещению в пределах генома и вне его. Он показывает, насколько велика эволюционная роль перестроек и дупликаций последовательностей ДНК. И хотя структура генома вполне стабильна, встречаются, хоть и редко, транспозиции последовательностей ДНК из одного геномного локуса в другой или дупликации с последующей амплификацией сегментов ДНК. Встраивание мобильного сегмента в новый геномный локус сопровождается изменением кодирующего участка или важного регуляторного элемента. В простейшем случае ген перестает экспрессироваться. Но нередко сами мобильные элементы выполняют регуляторные функции. В таких случаях экспрессия генов, соседствующих со вставкой, может претерпеть сложные изменения, в том числе и с переходом на новые способы регуляции.

Различают несколько типов мобильных ДНК-элементов. По классификации, основанной прежде всего на структурных особенностях элементов, выделяют:

• — транспозирующиеся элементы — они обладают двумя общими свойствами: во-первых, несут ген (или несколько генов), необходимый для транспозиции; во-вторых, содержат на концах специфические взаимно инвертированные повторяющиеся последовательности, также необходимые для транспозиции. Сами они не кодируют никаких существенных для организма функций, однако часто содержат специфические гены, например ген устойчивости к антибиотикам. Транспозиция этих элементов как правило сопровождается сильными мутагенными эффектами;
• — ретротранспозоны — эукаристичсские мобильные элементы, транспозиция которых происходит при транскрипции или обратной транскрипции. Они содержат центральный сегмент, кодирующий среди других белков обратную транскриптазу.

У некоторых ретротранспозонов, называемых рстротранспозонами класса I, этот центральный сегмент окружен длинными концевыми повторами (LTR). У ретротранспозонов класса I на одном из концов имеются также короткие инвертированные повторы. По своей структуре, особенностям транскрипции и механизму транспозиции они напоминают ретровирусные провирусы. Отличие состоит в отсутствии жизнеспособных внеклеточных форм. Семейства ретротранспозонов обнаружены у разных беспозвоночных, в частности у дрожжей и дрозофилы, а также у растений и некоторых млекопитающих.

Ретротранспозоны класса П не имеют концевых повторов, а один из концов часто бывает представлен богатой АТ последовательностью. В этом отношении они не похожи на ретровирусные провирусы. Элементы класса П менее изучены, чем элементы класса I, хотя они широко распространены среди эукариот.

Ретрогены — перемещающиеся по геному разнообразные сегмешы ДНК, не обладающие специфическими структурными и кодирующими свойствами транспозонов или ретротранспозонов. В отличие от мобильных элементов других классов они гетерогенны по размеру и структуре. У них нет концевых повторов, а на одном из концов часто присутствует богатая АТ последовательность. К ретрогенам относятся процессированные псевдогены и SINE-последовательности (длинные диспергированные повторы у млекопитающих); они обнаружены у различных эукариот, но особенно широко представлены у млекопитающих. Полагают, что транспозиция ретрогенов происходит через образование РНК с последующей обратной транскрипцией. При этом ретрогены не кодируют необходимых для транспозиции активностей (т. е. обратную транскриптазу).

При изучении подвижных генетических элементов выделяют плазмидную или векторную трансформацию. Этот процесс связан с введением в клетки бактерий генов эукариот, интегрированных в естественные или искусственные плазмиды. Последние представляют собой нехромосомныс генетические детерминанты бактерий и эукариот, объединяемые в более широкую группу — плазмиды. Поскольку F-фактор и другие эписомы могут реплицироваться автономно, т. е. независимо от бактериальной хромосомы, их также относят к плазмидам. Плазмиды — кольцевые молекулы ДНК, обладающие свойствами репликона, т. е. они могут реплицироваться с помощью ферментов клетки бактерии независимо от основной хромосомы.

Эксперименты по реконструкции клеток открыли новые перспективы как для изучения биологии клетки, так и для разработки новых методов терапии на клеточном уровне. Идентификация ДНК как трансформирующего агента стимулировала попытки трансформации ее у животных, растений и других эукариотических организмов. В конце 1970;х гг. были получены воспроизводимые результаты с применением векторной трансформации. В основе этого подхода лежит использование векторных молекул, или векторов, в качестве которых применяли плазмиды сначала бактериальных, затем эукариотических клеток. Векторы — это молекулы ДНК, способные переносить включенные в них гены в клетку, где эти молекулы реплицируются автономно или после интеграции с геномом.

Важную роль в экспериментах сыграли также методы клонирования индивидуальных генов, т. е. их наработки в нужных количествах путем неограниченного размножения в бактериальных клетках. В ходе разработки этих процедур была создана высокоэффективная техника генной инженерии, включающая: выделение индивидуальных фрагментов ДНК любого происхождения, их стабильное воспроизведение в составе векторов, идентификацию функций клонированных генов, их изменение и введение в клетки исходного или иного организма. Эта так называемая техника рекомбинантной ДНК в сочетании с методами расшифровки первичной структуры генов открыла возможность экспериментирования непосредственно на генетическом материале, манипулирования генами в научных и практических целях.

В основе молекулярного клонирования лежит встраивание нужного фрагмента ДНК (вставки) в другую молекулу ДНК (вектор), которая способна реплицироваться в соответствующей клетке-хозяине. Такое встраивание осуществляют in vitro, а затем образовавшиеся рекомбинантные молекулы ДНК вводят в клетки. Векторная молекула должна содержать точку начала репликации (ori). Кроме того, для репликации нужны специфические ферменты и другие белки; их поставляет клетка-хозяин, или они кодируются самим вектором. Вектором может быть любой небольшой внехромосомный элемент, например плазмида, ДНК фага или вируса. Основным принципом молекулярного клонирования всегда является создание двухкомпонентной системы — совместимой комбинации хозяина и вектора.

Как правило в таких комбинациях в роли хозяина выступает штамм Е. coli К12, а в роли вектора — плазмиды Е. coli и фаги. Предпочтение, отдаваемое штамму К12, обусловлено тем, что он хорошо изучен и в нем могут реплицироваться многие бактериофаги и плазмиды — потенциально полезные векторы. С распространением генетических манипуляций на клетки эукариот и особенно с началом исследования экспрессии генов в клетках дрожжей, растений и животных появилась необходимость в разработке подходящих эукариотических систем хозяин-вектор.