Синдром гібридного дисгенеза у Drosophila melanogaster

СИНДРОМ ГІБРИДНОГО ДИСГЕНЕЗА У DROSOPHILA MELANOGASTER.

Мобільні генетичні елементи (МГЭ) представляють дискретні сегменти ДНК, що потенційно можуть переміщатися вже з місцеположення до іншого всередині хромосом чи торгівлі між ними. На цей час мобільні генетичні елементи виявлено в геномах практично всіх вивчених організмів (Хесин, 1984). Геном Drosophila melanogaster містить близько 50-ти різних сімейств мобільних генетичних елементів, які спільно становлять 10−15% ДНК цього виду (Finnegan, Fawsett, 1986; FlyBase, 1999). Кількість копій елементів окремих сімейств варіює від кількох основних до сотні, і за активації вони можуть надавати значний вплив на функціонування геному (Britten, 1997) і генетичну мінливість (Kidwell, Lisch, 1997). Мобільні генетичні елементи мають кілька механізмів переміщення і може виконувати різні функції (табл. 3), у зв’язку з ніж, активація різних сімейств мобільних елементів може мати як негативні, і позитивні наслідки для геному хазяїна (Kidwell, Lisch, 1997).

Синдром гібридного дисгенеза.

Деякі МГЭ дрозофіли здатні активироваться особливих межлинейных скрещиваниях і викликати сукупність генетичних порушень відомі як синдром гібридного дисгенеза (Kidwell et al., 1977; Bregliano et al., 1980). Ці порушення включають підвищену частоту мутацій, хромосомних аберацій і рекомбінацій, температуро-зависимую стерильність (Bregliano et al., 1980). На цей час описано три незалежні системи гібридного дисгенеза, у яких прояв перелічених вище порушень зумовлено активністю мобільних елементів I, P і hobo (Bregliano et al., 1980). Усі три системи мають складні механізми регуляції активності мобільних генетичних елементів. Ці механізми безпосередньо пов’язані з процесами транспозиції і репарації, тому реагують на дію чинників, впливають для цієї процеси. Дослідження питання функціонування систем гібридного дисгенеза в несприятливі погодні умови довкілля може мати велике теоретичне і прикладне значення (Іващенко та інших., 1990).

P-M система гібридного дисгенеза відкрили середині 1970;х років (Kidwell et al., 1977) і сьогодні є найбільш вивченій по відношення до H-E і I-R системам. За виникнення цією системою гібридного дисгенеза відповідає мобільний елемент P (Engels, 1989). Відповідно до наявністю в геномі P-элементов розрізняють кілька типів ліній Drosophila melanogaster (Raymond et al., 1991). P-линии містять 30−60 копій Pелемента, одна третина яких складається з повних P-элементов, а дві третини з дефектних (O «Hare, Rubin, 1983; O «Hare et al., 1992). Ці лінії мають Pцитотип. У геномі M-линий відсутні P-элементы, і вони теж мають M-цитотип. Синдром гібридного дисгенеза спостерігається лише за схрещуванні самок з Mліній (Maternal) з самцями з P-линий (Paternal), проте, оскільки Pцитотип наслідується за материною лінії, нащадка зворотних схрещувань між P-самками і M-самцами зазвичай нормальне. Додатково розрізняють також M «і Q лінії. M «чи псевдо-M лінії мають у своєму геномі безліч дефектних P-элементов, проте, характеризуються наявністю слабкого потенціалу репресії (M-цитотип) (Simmons et al., 1987). Деякі M «-лінії здатні індукувати певні аспекти гібридного дисгенеза. Q-линии також несуть в геномі дефектні елементи і, подібно P-линиям, мають P-цитотип. Q-линии у змозі індукувати дисгенез в скрещиваниях зі справжніми Mлініями (Simmions et al., 1985).

Нині P-элемент докладно вивчений на молекулярному рівні, що дозволяє нам чіткіше його функції в P-M системі гібридного дисгенеза. Як відзначалося, в геномі Drosophila melanogaster зустрічаються структурно і функціонально гетерогенні Pелементи (O «Hare, Rubin, 1983). Повнорозмірний P-элемент має довжину 2907 п.н. разом й характеризується наявністю термінальних инвертированных повторів розміром 31 п.н. і субтерминальными инвертированными повторами розміром 11 п.н., що необхідні його переміщення (O «Hare, Rubin, 1983). Внутрішня частина містить невеличкий инвертированный повтор з функціями і ген транспозазы, що з чотирьох экзонов й трьох интронов (Engels, 1989). Ген транспозазы кодує білок необхідний переміщення P-элемента, тому повнорозмірний P-элемент сам контролює своє переміщення, т. е. є автономним (Rio et al., 1986). Крім повнорозмірних P-элементов, в геномі різних ліній Drosophila melanogaster зустрічаються дефектні копії (O «Hare et al., 1992). До них належить KP елемент, який має делецию у центральному ділянці, захоплюючу 808−2560 нуклеотиди (Black et al., 1987), елементи A12 і D50 (Engels, 1989; Rasmusson et al., 1993). Дефектні P-элементы нездатні до синтезу транспозазы, але завдяки схоронності интактных термінальних і субтерминальных послідовностей, можуть переміщатися з використанням транспозазы повнорозмірних елементів (Engels, 1989).

Сьогодні відомо два типу регуляції активності P-элемента (Engels, 1989). Перший тип регуляції обмежує активність P-элемента лише клітинами зародковій лінії, другий тип регулює активність Pелемента у дисгенных скрещиваниях. Обмеження активності P-элемента лише клітинами зародковій лінії є наслідком регульованого сплайсингу мРНК (Laski et al., 1986). У зародкових клітинах сплайсируются три интрона, що веде до утворення транспозазы. У соматичних тканинах третій интрон не видаляється і, внаслідок присутності цьому интроне стоп-кодона, утворюється урізаний білок, котрий діє як репрессор (Robertson, Engels, 1989). Тканеспецифичный сплайсинг є наслідком дії соматичних чинників, що пригнічують сплайсинг третього интрона (Siebel et al., 1992).

Механізм регуляції транспозиций P-элемента в дисгенных скрещиваниях ще зрозумілий повністю. На нетривалий термін (кілька поколінь) ця регуляція наслідується за материною лінії, але довший термін визначається хромосомно, самими P-элементами. Такий тип регуляції у клітинах зародковій лінії іменується P-цитотипом, його відсутність позначається як Mцитотип. Модель, запропонована до пояснень принципів детермінації і наслідування P-цитотипа, полягає в альтернативному сплайсинге пре-мРНК Pелемента лише на рівні 2−3 интрона. Цей альтернативний сплайсинг визначає продукцію транспозазы чи репрессора. Сплайсинг залежить від концентрації пре-мРНК P-элемента, будучи менш ефективний, коли концентрація низька (O «Hare et al., 1992). У P-цитотипе промотор P-элемента репресований, що веде до низькою концентрації пре-мРНК і до синтезу репрессорного білка. Навпаки, в дисгенных умовах P-промотор не репресований, що веде до високої концентрації пре-мРНК і до синтезу транспозазы. Ця модель була спочатку підтверджено генетичними методами (Lemaitre et al., 1993) і потім даними молекулярного аналізу (Roche et al., 1995). Репрессионная здатність P-элемента залежить також від структури та положення у геномі (Ronsseray et al., 1997).

Високий рівень регуляції переміщень P-элемента передбачає високу чутливість P-M системи гібридного дисгенеза до дії ДНКушкоджує факторів, і щодо порушень у процесах репарації. Справді, це численними експериментальними чинниками. Показано, що опромінення впливає ефекти транспозиций P-элемента за умов гібридного дисгенеза, що підвищує вихід рецесивних і домінантних летальних мутацій (Margulies et al., 1986, 1987). Спостережуваний у своїй ефект синергичного дії опромінення і активності транспозона, імовірніше всього, пов’язані з індукцією цими двома чинниками однотипних ушкоджень ДНК, саме, двунитевых розривів. Здатність P-элемента викликати лінкор серйозно пошкоджено ДНК, і навіть активність на премейотических стадіях розвитку яйцеклітин, обумовлює підвищений інтерес до питання функціонуванні P-M системи гібридного дисгенеза за умов порушення репарації. Особливого значення може мати мутації в генах mei-9+ і mei-41+, контролюючих одночасно мейотическую рекомбінацію і репарацію (Sekelsky et al., 1998). При дослідженні системи транспозиций за умов гібридного дисгенеза у ліній з мутаціями генів репарації mei-9+, mei-41+ і mus101+ не спостерігали видимого ефекту до рівня рекомбінації у самці та инсерционный мутагенез (Slatko et al., 1984). Мутації mei-41 і mus101 мали подовжений ефект на нерасхождение хромосом і ембріональну смертність, посилюючи їх, присутність мутації mei-41 значно знижувало поява хромосом з Pелементами. Ці ефекти спостерігали тільки в мух з M-цитотипом, що демонструє їх обумовленість синдромом гібридного дисгенеза. На основі цих результатів зроблено висновок, що дефекти у процесі пострепликативной репарації (мутація mei-41) посилюють з проявів гібридного дисгенеза, яким супроводжують події клітинної загибелі і домінантною летальності (Slatko et al., 1984). Проте, ні пострепликативная репарація (мутація mei-41) ні эксцизионная репарація (мутація mei-9) не впливають до рівня рекомбінації у самці та частоту инсерций. У той самий час показано, що у присутності мутацій mei-9 і mei-41 різко підвищується рівень индуцированных гібридним дисгенезом видимих мутацій, зокрема, в локусі singed (Eeken, Sobels, 1981). Важливість шляхів пострепликативной і эксцизионной репарації для репарації ушкоджень, индуцируемых при транспозициях P-элемента, підтверджується дослідженням рівня стерильності в скрещиваниях з допомогою ліній mei-9 і mei-41 (Margulies, 1990). Показано, що з схрещуванні мух, мають порушення системи репарації, з мухами, мають активні P-элементы в геномі, спостерігається високий рівень термочувствительной стерильності, низька плодючість і передчасне старіння клітин зародковій лінії самців (Margulies, 1990).

Наступна з аналізованих систем гібридного дисгенеза пов’язані з активністю hobo-элемента (Yannopoulos et al., 1987). Hobo-элемент переміщається через освіту ДНК-посредника і належить до сімейству hobo-Ac-Tam3 (hAT) (Calvi et al., 1991). Повний hobo-элемент має довжину 2959 п.н. (Blackman et al., 1989). Він несе два инвертированных кінцевих повтору по 12 п.н. і утворить дупликацию в сайті инсерции розміром 8 п.н. (McGinnis, 1983). Транспозиції hobo-элемента в H-E системі гібридного дисгенеза специфічні для клітин зародышевого шляху, хоча можна спостерігати слабка активність hobo в соматичних тканинах ембріонів (Calvi, Gelbart, 1994; Handler, Gomez 1995). Подібно P-элементу, активність hobo обмежена зародковими клітинами через брак транспозазы в соматичних тканинах. Проте, на відміну P-элемента, тканеспецифическая транспозиція hobo регулюється виробленням транспозазы лише на рівні транскрипції (Calvi, Gelbart, 1994).

Класифікація ліній в H-E системі гібридного дисгенеза полягає в присутності чи відсутність полноразмерного hobo-элемента. Використовуючи цей критерій, лінії класифікуються як: (1) H-линии (Hobo), коли молекулярними методами визначають наявність повнорозмірних hobo-элементов; вони також є елементи з м’якою внутрішньою делецией; (2) DH-линии (Deleted Hobo), коли визначаються лише делетированные елементи; (3) E-линии (Empty), які мають ані повних, ні делетированных копій елемента hobo. На додачу, лінії може бути класифіковані з їхньої здібності індукувати гонадную атрофію (Bazin, Higuet, 1996). Дисгенная стерильність залежить тільки від H-, а й від E-линий. Для H-E системи гібридного дисгенеза характерно також відсутності кореляції між різними дисгенными подіями (Bazin, Higuet, 1996).

Механізми регуляції транспозиций hobo-элементов дещо різняться від механізмів регуляції активності P-элементов, проте, схожість будівлі та функцій цих елементів може припускати зміна функціонування hoboелементів в H-E системі гібридного дисгенеза у відповідь дію іонізуючого випромінювання, як і показано для P-M системи. На користь припущення респонсивности hobo-элементов на дію зовнішніх чинників свідчать і дані про зміну характеристик в H-E системі гібридного дисгенеза в деяких довго селектируемых по адаптивним ознаками ліній Drosophila melanogaster (Кайданов та інших., 1994). Відповідно до цих даних, низькоактивні лінії характеризуються підвищену здатність індукувати дисгенную стерильність і зниженою здатністю репресувати гібридний дисгенез. Лінії з високими адаптивними показниками не індукують дисгенную стерильність, але істотно репресують її. Можливо, що це відмінності визначаються різним складом фракцій hobo-элемента і різною локалізацією його копій в геномі. Виявляється достовірна кореляція між статевої активністю самців відповідних ліній та його репрессионным потенціалом. Низькоактивні лінії характеризуються винятково високої частотою спонтанного мутування (високої частотою виникнення рецесивних зчеплених із соціальною статтю і аутосомных мутацій, пізніх ембріональних леталей). У основі цього явища лежить механізм переміщення за геномом мобільних hobo-элементов. Низкоактивная лінія містить повнорозмірні копії hobo-элементов, талановитими в синтезу транспозазы і транспозициям. Але ця лінії виявлено закономірні зміни у однині і локалізації в геномі ретротранспозонов, пов’язані з приспособленностью ліній. Можливо, що мобільні генетичні елементи є складовою генотипу селектируемых ліній, які забезпечують стратегію шкідливих наслідків добору, і інбридингу. І хоча дестабілізація hobo-элемента як така бракує зміни пристосованості лінії, виявляється достовірна кореляція між статевої активністю самців відповідних ліній та його репрессионным потенціалом (Кайданов та інших., 1994). Це вимагає можливу роль H-E системи гібридного дисгенеза в формуванні генетичних механізмів що з приспособленностью до зовнішніх умов і вищий рівень генетичної изменчивости.

I-R система гібридного дисгенеза обумовлена активністю I-элемента (Bucheton et al., 1984), яка ставиться до класу ретропозонов чи LINEподібних елементів (Fawcett et al., 1986; Pelisson et al., 1991). Повнорозмірний I-элемент має довжину 5371 п.н. Переміщення I-элемента відбувається після освіту РНК-посредника з допомогою зворотної транспозазы, яка кодується самим елементом (Chaboissier et al., 1990; Fawcett et al., 1986). Стосовно I-R системі гібридного дисгенеза лінії Drosophila melanogaster поділяються на два типу. I-линии (Inducer) чи индукторные і R-линии (Reactive) чи реактивні. У геномі I-линий міститься 10−15 копій повнорозмірних I-факторов, які розподілені по всім хромосомам (Bucheton et al., 1984). Активація I-элемента відбувається у скрещиваниях самців з I-линий, які мають I-цитотип з самками з ліній з R-цитотипом, в скрещиваниях I-самок з R-самцами I-элемент не активується (Bucheton et al., 1984). Дисгенные порушення спостерігаються лише у яєчниках у гібридних самок, тоді як в гібридних самців таких порушень не спостерігається. Регуляція активності I-фактора у клітинах зародковій лінії складає рівні ініціації транскрипції чи стабільності РНК (Chaboissier et al., 1990). Частота транспозиций I чинника в дисгенных скрещиваниях регулюється рівнем реактивності R-самок (Udomkit et al., 1996). Відповідно до цим критерієм розрізняють лінії із слабким, середнім чи сильним рівнем реактивності. Рівень реактивності визначається клітинним станом у зрілому ооците R-самки і наслідується переважно за материною лінії. Рівень реактивності пов’язані з механізмами репарації і рекомбінації посилюється при дії ДНК ушкоджує чинників. Так показано, що дія інгібіторами синтезу ДНК і гама променями посилює рівень реактивності аналогічно (Bregliano et al., 1995). У той самий час, рівень реактивності корелює із частотою кроссинговера і ефективністю репарації (Laurenзon et al., 1997). Це дозволяє припустити, що справжній рівень реактивності одна із проявів єдиної индуцибельной репарационно-рекомбинационной системи (Bregliano et al., 1995). Біологічна роль якій у змозі бути аналогічна SOS-ответу у бактерій, і полягати у модифікації рівня мінливості у відповідь зміну умов довкілля (Bregliano et al., 1995). Запропоновано називати неї VAMOS (від анг. variability modulation system, система модуляції мінливості) (Laurenзon et al., 1997). Молекулярні механізми, що у формуванні цією системою ще з’ясовані, проте найімовірнішим представляється участь генів, що водночас контролюють процеси рекомбінації і репарації (Laurenзon, Bregliano, 1995). З відомих сьогодні генів у визначенні рівня реактивності найімовірніше участь генів mei-9+ і mei-41+ (Laurenзon, Bregliano, 1995). Подальше дослідження ролі, що її відіграє VAMOS в контролі генетичної мінливості при несприятливі погодні умови оточуючої середовища, може істотно прояснити роботу молекулярних механізмів адаптации.

Дисгенные порушення у розглянутих системах гібридного дисгенеза в основному обумовлені транспозициями і эксцизиями мобільних елементів в та розвитку зародкових клітинах. Висока частота хромосомних перебудов і рекомбінації у самців відбуваються в сайтах инсерции МГЭ (Engels, Preston, 1984; Sved et al., 1990). Підвищений рівень мутацій походить від инсерционных мутацій та інших индуцированных транспозициями МГЭ змін — у геноме.

Явище гонадной атрофии.

Активація мобільних елементів в системах гібридного дисгенеза викликає, серед інших порушень, особливий вид стерильності гібридів, яка обумовлена недорозвиненням гонад (Bregliano et al., 1980). Дисгенная стерильність по-різному проявляється у трьох системах гібридного дисгенеза. PM дисгенез призводить до недоразвитию яєчників у гібридних самок і самців (GDстерильність) (рис. 1) (Kidwell et al., 1977; Schaeffer et al., 1979), у ІR системі, немає зміни морфології гонад, але збільшується рівень дефектних яєць і частота загибелі ембріонів (SF-стерильность) (Pelisson, 1979). Активація hobo елементів в H-E системі гібридного дисгенеза наводить як до недоразвитию гонад у самок і самців першого покоління, і високого рівня домінантних леталей серед відкладених яиц.

Стерильність є наслідком втрати зародкових клітин на стадіях раннього ембріогенезу і личинки (Niki, Chigusa, 1986). Для P-M гібридного дисгенеза загибель зародкових клітин значно посилюється у разі підвищення температури до 29 (З (Simmons et al., 1987).

Атрофія гонад одна з характерних і інтенсивно досліджуваних аспектів PM і H-E систем гібридного дисгенеза. GD-стерильность є наслідком вимирання клітин на примордиальной зародковій лінії можливо через хромосомних розривів, опосередкованих активністю P-элемента (Niki, Chigusa, 1986). Проте кінетика загибелі зародкових клітин, ні число клітин, що їх еліміновані до появи GD-стерильности не відомо. Перші ознаки стерильності з’являються вже в 5−6 вартових ембріонів. Максимальний рівень загибелі клітин спостерігається на личиночной стадії розвитку, коли зародкові клітини відчувають експонентний зростання, та деякі умираючі клітини знайшли до розподілу клітин зародковій лінії (Niki, Chigusa, 1986). Механізм загибелі клітин то, можливо обумовлений розривами хромосом, мають летальний ефект. Наслідком є відсутність статевих клітин на яєчниках і сім'яниках й загальне недорозвинення їх в дорослих гібридних самок і самців. Гібриди може бути повністю стерильні, якщо скорочені обидві залози і лише частково фертильны, якщо атрофований один сім'яник чи яєчник (мал.2) (Kidwell et al., 1977). Не атрофовані гонады у дисгенных гібридів часто відстають свого розвитку утримують менше яєць чи сперматоцитов проти недисгенными особами (Ashburner, 1989). Ступінь виразності гонадной атрофії залежить від температури, коли він йде розвиток гібридів. Що стосується Р-М системи атрофія найбільш значна при 29(З у самок і за 27(З у самців, а при 24(З повагою та нижче практично немає (Kidwell et al., 1977; Engels, Preston, 1984). Для Н-І системи характерна найсильніша атрофія при 25(З повагою та найменша при 29(З (Stamatis et al., 1989). За більш низьких температурах АГ зокрема у меншою мірою. Кількість і розмірність копій Рі hobo-элементов як і сильно впливають на здатність ліній індукувати гібридний дисгенез, у зв’язку з ніж, частота гонадной атрофії може змінюватися від кількох основних до ста відсотків (Yannopoulos et al., 1987; Kidwell et al., 1988; Rasmusson et al., 1993).

Активність мобільних елементів в P-M і H-E системах гібридного дисгенеза обумовлює мутабильность деяких нестабільних локусів. У P-M системі найбільшу популярність отримав локус singed-weak (Engels, 1989), в H-E системі локус vgal (Bazin et al., 1993) і сконструйований маркерный елемент h (w+) (Calvi, Gelbart, 1994). Аллель snw обумовлена инсерцией двох дефектних P-элементов і делеция однієї чи іншого з цих елементів в присутності транспозазы повнорозмірних елементів призводить до появи відповідних похідних алелів sne і sn (+).Повышенная мутабильность локусу vgal обумовлена активацією дефектних копій hobo у присутності активних елементів цього сімейства. Генетично сконструйований маркерный елемент h (w+) представляє hobo-элемент з вбудованим геном mini-white, що визначає помаранчеву забарвлення очей (Calvi, Gelbart, 1994). Маркерная white лінія несе на Ікс-хромосомі два сконструйованих елемента h (w+). Це обумовлює помаранчевий фенотип кольору очей, але за эксцизии однієї з елементів колір стає менш вираженим (Calvi, Gelbart, 1994). Лінії з нестабільними аллелями широко використовуються в оцінці активності P і hoboелементів в дисгенных скрещиваниях, і частота мутування цих алелів служить додатковим кількісним критерием.

Отже, контроль активності мобільних генетичних елементів в системах гібридного дисгенеза тісно взаимосвязан із механізмами транспозиций і репарації генетичних ушкоджень. Це обумовлює чутливість гібридного дисгенеза до дії зовнішніх факторів, і його модифікацію різним генетичним тлом. Існуючі передумови дозволяють розглядати синдром гібридного дисгенеза як як показник активності деяких сімейств мобільних генетичних елементів, а й як цілісну генетичну систему, що забезпечує контроль генетичної мінливості генотипу в несприятливих условиях.

———————————;

Рис. 2. Морфологія статевої системи самки Drosophila melanogaster в умовах синдрому гібридного дисгенеза Нормальный яичник Атрофированный яичник Хинтгут Анальные пластинки Вагинальные пластинки Вагина Утерус Семяприемник Общий яйцевод Пароварии Сперматеки Боковой яйцевод.

[pic].

[pic].

[pic].