Чественного признака у дрозофилы (размер радиальной жилки крыла).

Для проведения экспериментов использовалась линия D. melanogaster, обозначенная как riC, характеризующаяся прерванной радиальной жилкой крыла. В результате 70 поколений минус-отбора были изолированы особи, у которых жилка была почти полностью редуцирована, и далее фенотип устойчиво воспроизводился без дальнейшего отбора втечение более 300 поколений (линия riSN). Параллельнов результате 40 поколений плюс-отбора были изолированы особи, у

которых жилка была полностью восстановлена, фенотип далее тоже воспроизводился без дальнейшего отбора многие десятки поколений (линия riSP).

Сравнительный анализ показал, что все три линии имеют совершенно различные рисунки локализации МГЭ (mdg -1, mdg -2 и copia). В результате отбора по признаку в любом из двух направлений происходили характерные изменения рисунков, хорошо воспроизводимые в повторных экспериментах. Куколки дрозофил контрольной популяции (riC) были подвергнуты стрессовому воздействию, а именно температурному фактору. В результате этого были отобраны линии, чувствительные к температуре и имеющие разный фенотип. Одна из линий riТ 113 характеризовалась отсутствием жилки подобно riSN, вторая riT 149 – наличием жилки подобно riSP. В обоих «температурных» линиях признаки наследовались стабильно. Это явление удивительно, прежде всего, потому, что температурное воздействие всегда считалось не мутагенным, оно должно было вызвать не наследуемые изменения, а нестабильные модификации. Но самым поразительным было то, что «селекционные» (riSN, riSP) и «температурные» (riT 149, ri T113) имели сходные рисунки локализации нескольких МГЭ. Мало того, спектры транспозиции в обоих случаях тоже были сходны и неслучайны.

Для объяснения полученных результатов был предложен механизм, согласно которому индукция транспозиций и механизм влияния МГЭ на экспрессию генов обеспечивались системой белков теплового шока. Она обеспечивает толерантность клеток к стрессовым внешним и внутренним физиологическим воздействиям. Гены этой системы имеют специальные функциональные сайты, узнаваемые регуляторными белками теплового шока. Белки, детерминируемые генами теплового шока, выполняют функции шаперонов – белков, способствующих формированию правильной пространственной конформации других разнообразных белков или уничтожающих белки с «испорченной» конформацией. Тепловой шок нарушает конформацию многих белков и индуцирует систему толерантности, которая позволяет исправлять возникшие изменения. Показано, что активация транскрипции ряда МГЭ связана с наличием в их терминальных повторах регуляторных сайтов связывания с белками теплового шока. Таким образом, стрессовое температурное воздействие (тепловой шок, ступенчатое изменение температуры и др.) индуцирует вспышку множественных транспозиций МГЭ, которые выявляются уже в следующем поколении и приводят к наследуемому изменению количественных и качественных признаков.

Неслучайный характер температурно-индуцированных транспозиций можно связать с существованием достаточно жестких ограничений локализации этих транспозиций в геноме (связаны с гомологией, а также со свойствами хромосом или клеточного ядра и изменяющиеся в ходе онтогенеза). Эти ограничения различны на разных этапах онтогенеза (в чувствительные периоды).

Последствия температурных воздействий могут быть весьма разнообразны. Непосредственная активация системы генов, подчиненных регуляторным сайтам теплового шока, по-видимому, должна привести к усилению транскрипции и синтеза ферментов транспозиции (транспозаз, ревертаз и др.) и к увеличению вероятности транспозиции.

В свою очередь, это вызовет вспышку инсерционного мутагенеза. Наличие энхансеров в структуре МГЭ приводит к заметной активации генов, в область которых совершаются транспозиции. Иначе говоря, возможно массовое и множественное изменение экспрессии различных генетических систем. Кроме того, повышение синтеза ревертазы может усилить процесс амплификации различных генов через прямую и обратную транскрипцию.

Следует отметить, что у дрозофилы массовые перемещения МГЭ наблюдаются в процессе изогенизации (получение особей, гомозиготных по всем генам, путем размножения специальных маркерных линий, содержащих хромосомы, запирающие кроссинговер, с последующим скрещиванием между собой). Предполагается, что механизмом индукции транспозиций в этом случае является та же система ответа на тепловой шок. Известно, что причиной угнетения жизненных функций является гомозиготизация генома и выщепление в гомозиготной форме различных дефектных генов, в том числе, вероятно, детерминирующих белки с испорченной конформацией, на появление которых реагирует система теплового шока.

Известно, что температурный фактор не единственный стрессовый фактор, запускающий систему ответа на тепловой шок. Аналогичную роль играют другие стрессовые факторы, способные вызвать нарушения конформации белков или их накопление: яды, детергенты, лекарства, этиловый спирт, некоторые другие химические вещества, а также γ -облучение, гипоксия, впрыскивание дефектных белков, вирусное заражение.

Иначе говоря, система ответа на тепловой шок – генерализованнаясистема ответа на геномный стресс. Индукция транспозиций при помощи γ -облучения, вероятно, связана с возникновением индуцированных двухцепочечных разрывов в ДНК хромосом. Эти разрывы используются транспозонами для встраивания с повышенной вероятностью, т. е. залечиваются ими.

Известен еще один пример генетического воздействия, вызывающего мощную индукцию перемещений МГЭ. Это так называемые дисгенные скрещивания линий дрозофил, содержащих (Р-линии) и не содержащих (М-линии) транспозон Р. Предполагается, что Р-элементы синтезируют некий репрессор, подавляющий транспозицию и ограничивающий число их копий в геноме. В геномах клеток Р-линий есть копии Р-элемента, а в цитоплазме – репрессор. В геномах клеток М-линии Р-элемента нет, а в цитоплазме отсутствует репрессор. При скрещивании самок М-линии с самцами Р-линии клетки полученного гибрида МР имеют половину копий Р-элемента в геноме, но не имеют репрессора в цитоплазме. Это происходит потому, что яйцеклетки М-линии исходно не имеют ни Р-элемента, ни репрессора, а спермии Р-линии переносят копии Р-элемента в геноме, но не имеют цитоплазмы и не переносят репрессора. Поэтому у гибридов сразу нарушается баланс между числомкопий Р-элемента в геноме и репрессией транспозиций, с огромной скоростью индуцируются новые транспозиции копий Р-элемента – 0, 26 событий на сегмент за поколение. Это явление, называемое гибриднымдисгенезом, тоже представляет собой пример индукции транспозиций МГЭ при помощи генетической процедуры – дисгенного скрещивания.Гибридный дисгенез приводит к множественным нарушениям генома.Эти нарушения включают повышенную частоту мутаций, хромосомныхаберраций и рекомбинаций, температурно-зависимую стерильность.

Таким образом, геномы эукариот, содержащие до 10 % МГЭ различных семейств, можно рассматривать как систему разнообразных паттернов МГЭ, которые способны быстро перестраиваться под влияниемстрессовых внешних и геномных воздействий. В разных случаях транспозиции могут быть как случайными, так и жестко канализованными посвоим локализациям, но они порождают новый вариант изменчивостидля полигенных систем. В этом смысле МГЭ можно рассматривать каксвоеобразные рецепторы стрессирующих сигналов из внешней или генетической среды, «запускающие» системные вспышки наследуемойизменчивости в критические периоды эволюции популяций. Это влечетза собой множественные генетические последствия: быстрое изменениевидовой нормы лимитирующих признаков, возможно, изменение ли-митирования, изменение спектра дальнейших мутаций и перестроек, становление нового генетического гомеостаза и др. Участие в этих событиях ретропозонов (mdg и др.) означает, что их собственный генетический материал при репликации проходит РНК-стадию, котораяимеет вероятность мутирования 10–3 –10–4, что на несколько порядковвыше, чем в ДНК-содержащих геномах эукариот. Таким образом, геныи функциональные сайты самих ретропозонов подвержены особо сильному мутагенезу. Это также касается генов, захваченных ретропозонамииз генома хозяина.

Критические, стрессовые условия существования часто сопряжены спрохождением популяций через стадию «бутылочного горлышка», которое может быть связано либо с массовым вымиранием, либо с освоениемновых экологических ниш по «принципу основателя». В этих условияхновые формы, индуцированные через вспышки транспозиций, могутстать основателями новых популяций с резко измененным фенотипомпо лимитирующим количественным или качественным признакам. Здесьвозможны как адаптивные, так и случайные варианты быстрого преобразования. Фактически эти события могут стать одной из главных формизменчивости и эволюции генома дрозофил и других организмов. Не исключено, что изменение системы рисунков локализации МГЭ являетсяодним из механизмов видообразования. Во всяком случае, гибридныйдисгенез, индуцирующий транспозиции Р-фактора, является изолирующим механизмом между скрещиваемыми линиями дрозофил.

В 2007 г. в журнале «Nature» вышла статья о прочтениигенома серого короткохвостого опоссума Monodelphis domestica. В геноме опоссума оказалось больше мобильных генетических элементов, чем у плацентарных (у опоссума МГЭ составляют 52, 2 % генома, у человека – 45, 5, у мыши – 40, 9, у собаки – 35, 5 %). Для сравнения, у курицы МГЭ составляют лишь 9, 4 % генома. Сравнение генома опоссумас геномами плацентарных (человека, мыши, крысы, собаки) показало,

что ключевую роль в эволюции млекопитающих играли не изменения белок-кодирующих генов, а появление новых некодирующих последовательностей, выполняющих регуляторные функции. Было установлено, что в геноме человека как минимум 16 % из числа «консервативных некодирующих элементов», уникальных для плацентарных, представляют собой участки мобильных генетических элементов.

В частности, ген рeg 10, необходимый для развития плаценты, по своей структуре чрезвычайно сходен с мобильным генетическим элементом – ретропозоном, относящимся к семейству ретропозонов Ty 3/ gypsy LTR.

Таким образом, мобильные генетические элементы являются одним из наиболее мощных факторов изменчивости геномов.