X.4. Роль мобильных (перемещающихся) генетических элементов (МГЭ) в мутагенезе

При изучении мутагенеза у эукариот также, как и у прокариот, было обнаружено, что некоторые гены мутируют с очень высокой частотой, превышающей обычную на два или несколько порядков. Эти высокомутабильные гены получили название нестабильных.

Впервые нестабильные гены у эукариот были открыты в 1930-1940 гг. Барбарой Мак-Клинток, изучавшей явление варьирующей пятнистости (мозаицизма) зерна у кукурузы, связанное с соматическими мутациями. Синяя или красная окраска зерна кукурузы обусловлена взаимодействием многих генов, контролирующих синтез пигмента антоциана; белая окраска зерен возникает при инактивации любого из них. Б. Мак-Клинток показала, что варьирующая пятнистость связана с регулярными разрывами в определенном месте одной из хромосом. Она предположила, что в районе разрыва присутствуют особые генетические элементы ("контролирующие" элементы): "активатор" и "диссоциатор", последний проявляет свое действие только в присутствии активатора. Оказалось, что контролирующие элементы способны ревертировать к дикому типу, причем реверсия одного из них может сопровождаться возникновением такой же мутации в другом гене. Это связано с перемещением контролирующих элементов по геному: встраиваясь в разные гены, они вызывают их полную или частичную инактивацию.

Молекулярная природа генетической нестабильности была открыта в конце 60-х гг. на бактериях.

Значительная часть наследственных изменений у бактерий связана с особыми структурами - мобильными генетическими элементами (МГЭ), представляющими собой участки ДНК, способные встраиваться в разные места генома. Это Insertion sequences (IS) или вставочные (инсерционные) элементы, содержащие лишь гены, обеспечивающие их перемещение (транспозицию). Они не обнаруживаются в автономном состоянии. Tn-элементы, или транспозоны - сложные перемещающиеся элементы, фланкированные либо IS-элементами, либо относительно короткими инвертированными повторами, необходимыми для их перемещения. Транспозоны содержат и другие гены, обычно - это детерминанты устойчивости к антибиотикам и ядам.

Было высказано предположение, что Tn прокариот и контролирующие элементы кукурузы представляют собой один класс генетических элементов. Понимание природы МГЭ, их роли и значения в структурной организации генома эукариот пришло с открытием МГЭ у дрозофилы, обнаруженных при выделении индивидуальных геномов с помощью методов генной инженерии (Ананьев и др., 1978, 1979). По структуре и механизму транспозиции они чрезвычайно близки к ретровирусам, и поэтому их обычно называют ретротранспозонами.

Оказалось, что примерно 10% генома дрозофилы приходится на МГЭ. К настоящему времени клонировано и описано около 30 независимо выделенных МГЭ. Они образуют семейства родственных, повторяющихся и рассеянных по геному последовательностей ДНК разной копийности, их положение в хромосомах разных особей и в разных гомологах может варьировать, что используется при картировании хромосом (см. гл. VIII).

Например, к нестабильным у дрозофилы относится мутация гена white - w^c (crimson), связанная с его транспозицией в аутосому. При этом возникают спонтанные делеции фланкирующих w^c генов Х-хромосомы. Анализ структуры аллеля w^c и других нестабильных мутаций гена white позволил установить, что во всех случаях в ген или рядом с ним встроен какой-либо МГЭ, при точном вырезании которого наблюдается реверсия к норме.

Сходное явление обнаружено при изучении нестабильных мутаций в гене cut (обрезанный край крыла), yellow (желтое тело) и др., также локализованных в Х-хромосоме.

В некоторых случаях МГЭ утрачивают способность вырезаться из хромосомы, и мутации, вызванные их вставкой, становятся стабильными. Так среди 13 стабильных спонтанных мутаций по гену white семь вызваны вставками.

Изучение МГЭ позволило выявить новые механизмы мутагенеза и генетические системы, их контролирующие. Мобильные генетические элементы отвечают за большой класс так называемых инсерционных мутаций, приводящих к делециям хромосом. МГЭ, захватывая и перенося другие гены, играют роль естественных векторов. Их внедрение в регуляторные участки может повышать экспрессию генов. Это так называемые гены-мутаторы, обнаруженные, например, в природных популяциях дрозофилы. Они проявляют свое действие при скрещивании с особями определенного генотипа, вызывая явление так называемого гибридного дисгенеза, обусловленного перемещением различных МГЭ. Таким образом, показано, что мобильные генетические элементы индуцируют аберрации хромосом; могут быть причиной вспышек общей ила геноспецифической нестабильности; вызывают инактивацию и активацию генов, в которые они внедряются. При перемещении МГЭ часть его может остаться в хромосоме или он может унести ?с собой часть ДНК хромосомы, прилегающей к МЭ.

Мутагенез, связанный с МГЭ, изучают с помощью цитологического и молекулярно-генетических методов - гибридизации in situ, секвенирования ДНК у нормальных и мутантных форм, а также традиционным методом гибридологического анализа.

Обширный фактический материал и конкретные методы изучения на разных объектах и полученная на их основе информация о роли МГЭ в мутагенезе, излагается в многочисленных публикациях и обзорах, ссылки на которые даны в конце главы.