Версия для печати
Вернуться к списку

Мухи, мутации и прыгающие гены

Мутации — естественный биологический процесс, который идет в каждом геноме независимо от наличия вредных химических или физических воздействий. Более того, новый генетический материал внедряется в геномы на глазах одного поколения исследователей и вносит свой вклад в мутационный процесс. Изучением влияния мобильных генетических элементов на мутационный процесс и физиологические характеристики дрозофилы занимаются сотрудники лаборатории молекулярной генетики насекомых ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН». Результаты опубликованы в журналах Insects, «Генетика», «Вавиловский журнал генетики и селекции».

Прыгающие гены и мода на мутацию

Дрозофила, или плодовая (винная) мушка, является модельным объектом в научных работах по генетике и другим разделам биологии с начала XX века. Исследования на дрозофиле лежат в основе представлений о базовых генетических понятиях: о природе гена, поведении хромосом при делении клеток, механизмах мутагенеза, мобильных генетических элементах и так далее. Эксперименты на плодовых мушках помогают оценить мутагенность химических соединений как потенциальных лекарственных препаратов.

Дрозофила была первым видом животного, в геноме которого в 1976 году советские ученые обнаружили мобильные генетические элементы, способные менять свое положение на хромосомах. Существование прыгающих генов было предсказано Барбарой Макклинток на кукурузе еще в 1951 году (спустя три десятилетия она получила за это открытие Нобелевскую премию). Также гены циркадного (суточного) ритма были обнаружены сперва на дрозофиле (Нобелевская премия по физиологии и медицине 2017 года) и только потом у человека.

В 1960-х доктор биологических наук Раиса Львовна Берг и другие представители новосибирской школы популяционной генетики показали, что мутационный процесс в природных популяциях Drosophila melanogaster неравномерен. Ученые обнаружили периоды повышенной концентрации по ряду генов, так называемые периоды моды на мутации: yellow (желтое тело), white (белые глаза), singed (загнутые щетинки), abnormal abdomen (ненормальное брюшко). Выделяемые при этом аллели некоторых генов были нестабильны, что указывало на причастность мобильных генетических элементов (МГЭ) к индукции этих мутаций — мутагенезу.

Схема строения нестабильного гена yellow в линии 717-yellow-2 Drosophila melanogaster. Встройка мобильного элемента hobo в регуляторную часть гена не сказывается на его работе, но рекомбинация между соседними hobo разворачивает регуляторную часть гена на 180 градусов и ген выключается

В 2007 году доктор биологических наук Михаил Давидович Голубовский вместе с коллегами описал моду на желтое тело для природной популяции Drosophila melanogaster города Умань. Предполагалось, что большое количество мутантов (до 3 % особей) по гену yellow в популяции появилось в результате вспышки мутабильности в этом гене. В исследованиях под руководством профессора Ильи Кузьмича Захарова сотрудники ИЦиГ СО РАН показали, что мода на мутацию в природной популяции Drosophila melanogaster по определяющему цвет тела гену yellow была обусловлена распространением в популяции инверсии регуляторной части этого гена между двумя соседними мобильными элементами.

«Нам удалось выяснить, что в исследуемой популяции один из многочисленных мобильных генетических элементов, последовательность под названием hobo (бродяга), внедрился в регуляторную зону гена yellow, но до поры до времени никак не сказывался на его работе, вторая копия hobo-элемента была расположена по соседству в межгенном пространстве, — объяснила старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики насекомых ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Людмила Павловна Захаренко. — Рекомбинация между соседними разнонаправленными hobo-элементами развернула регуляторную часть гена на 180 градусов, нарушила его нормальную работу и привела к появлению мутантного фенотипа. Образовавшая инверсия распространилась в популяции и сделала желтый цвет тела дрозофил модным. Мутанты были генетически нестабильными: среди их потомков с большой частотой наблюдали возврат к нормальному фенотипу, а среди нормальных потомков в следующем поколении опять появлялись мутанты по этому же гену. Нестабильность мутации определялась очередной рекомбинацией между копиями мобильного элемента, то возвращающей регуляторную зону в исходное состояние, то опять ее разворачивающей».

Спонтанный мутационный процесс идет непрерывно, является неотъемлемой частью состояния генома. Это свойство всего живого, от вируса до человека. Для дрозофилы частота спонтанного мутирования составляет величину порядка 10-5—10-6 на геном за поколение. Другими словами: в каждом следующем поколении появляется несколько новых мутаций и столько же теряется. Частота мутирования зависит от внешних воздействий и, как в рассматриваемом случае, от внутренних факторов (структуры генома). Кроме того, частота рекомбинаций между разными последовательностями ДНК может увеличиваться у гибридов, при повышении температуры содержания и под влиянием других факторов.

Внутривидовой гибридный дисгенез и горизонтальный перенос генов

Дрозофила продолжает занимать центральное место в современных исследованиях. У разных видов растений и животных транспозоны и повторенные последовательности ДНК занимают значительную часть генома. Большая часть прыгающих генов — эволюционный балласт, оставшийся после столкновения или коэволюции вида с вирусами, ассимилированными в геном, или как результат горизонтального переноса генетического материала (не от родителей к детям, а между соседями и даже за счет межвидового обмена).

Например, так называемый Р-элемент появился в геноме Drosophila melanogaster в середине прошлого века как результат горизонтального переноса из генома Drosophila willistoni и распространился по всем популяциям этого вида. В геноме Drosophila simulans этот мобильный генетический элемент (МГЭ) появился всего лишь чуть больше десяти лет назад путем горизонтального переноса из генома Drosophila melanogaster. Появление новых мобильных элементов в геноме дрозофилы связывают со стерильностью внутривидовых гибридов, полученных от скрещивания самцов, имеющих в геноме этот МГЭ, c самками, которые его лишены. Считается, что массовое перемещение МГЭ в одном из направлений скрещивания вызывает большое количество мутаций, приводящих к бесплодию.

Активность дрозофил в течение четырех дней при 29° С, измеренная по числу пересечений инфракрасного луча за минуту. Снижение активности — сиеста в середине дня. Светлая кривая — дисгенные бесплодные самки, темная кривая — плодовитые самки

«Мы показали, что у бесплодных дисгенных самок дрозофилы, где, согласно гипотезе, новые МГЭ должны активно перемещаться и вызывать бесплодие, сон не нарушен, хотя активность снижена, в отличие от плодовитых самок с тем же набором генов (другое направление скрещивания), — рассказала Людмила Захаренко. — Правда, для индукции бесплодия, кроме предполагаемого перемещения МГЭ, необходимо еще, чтобы развитие потомства проходило при повышенной температуре. Может быть, дело вовсе не в МГЭ, учитывая, что геном дрозофилы насыщен доброй сотней разных семейств МГЭ, в том числе активных, а в генетической дистанции между родителями, которая проявляется в виде бесплодия на фоне неблагоприятных условий среды».

Как сказывается появление нового МГЭ на других жизненно важных параметрах вида (длительность жизни, активность и так далее) до сих пор изучено плохо. В ИЦиГ СО РАН имеется большая коллекция линий дрозофил разных видов, выделенных в разные годы из разных популяций мира сотрудниками института. Есть линии дрозофил, выловленные из природы раньше, чем Р-мобильный элемент обнаружили в геноме упомянутых видов дрозофил. В настоящее время сибирские биологи пытаются выяснить, как появление нового мобильного элемента сказывается на длительности жизни, плодовитости, локомоторной активности и других физиологических характеристиках. «Нам предстоит понять, насколько значима для вида инвазия в геном новых активных прыгающих генов. Поскольку новый МГЭ быстро распространяется по популяциям всего мира, скорее всего, его влияние невелико, несмотря на то, что он считается индуктором гибридного дисгенеза. А может быть, даже его воздействие благотворно, поскольку новый активный МГЭ может способствовать повышению генетического разнообразия. Истинную причину дисгенных событий возможно будет вскрыть с использованием современных методов исследований», — сообщила Людмила Захаренко.