СИНДРОМ гібридний дисгенез У DROSOPHILA MELANOGASTER

Введення

Мобільні генетичні елементи (МГЕ) представляють дискретні сегменти
ДНК, які можуть переміщатися з одного місця в інше всерединіхромосом або між ними. На даний момент мобільні генетичні елементивиявлені в геномах практично всіх вивчених організмів (Хесин, 1984).
Геном Drosophila melanogaster містить близько 50-ти різних сімействмобільних генетичних елементів, які разом складають 10-15% ДНКцього виду (Finnegan, Fawsett, 1986; FlyBase, 1999). Кількість копій елементівокремих родин варіює від кількох до сотні, і при активації вониможуть мати значний вплив на функціонування геному (Britten,
1997) та на генетичну мінливість (Kidwell, Lisch, 1997). Мобільнігенетичні елементи мають декілька механізмів переміщення і можутьвиконувати різні функції (табл. 3), у зв'язку з чим, активація різнихсімейств мобільних елементів може мати як негативні, так іпозитивні наслідки для геному хазяїна (Kidwell, Lisch, 1997).

Синдром гібридного дисгенезу

Деякі МГЕ дрозофіли здатні активуватися в особливих міжлінійнихсхрещування і викликати сукупність генетичних порушень відомих яксиндром гібридного дисгенезу (Kidwell et al., 1977; Bregliano et al.,
1980). Ці порушення включають підвищену частоту мутацій, хромосомнихаберацій і рекомбінації, температура-залежну стерильність (Bregliano etal., 1980). До теперішнього часу описано три незалежні системи гібридногодисгенезу, в яких прояв перерахованих вище порушень обумовленоактивністю мобільних елементів I, P і hobo (Bregliano et al., 1980). Всітри системи мають складні механізми регуляції активності мобільнихгенетичних елементів. Ці механізми безпосередньо пов'язані з процесамитранспозиції і репарації, тому реагують на дію факторів, що впливаютьна ці процеси. Дослідження питання функціонування систем гібридногодисгенезу в несприятливих умовах навколишнього середовища може мати великетеоретичне і прикладне значення (Іващенко та ін, 1990).

PM система гібридного дисгенезу була відкрита в середині 70-х років
(Kidwell et al., 1977) і на сьогоднішній день є найбільш вивченою повідношенню до HE і IR системам. За виникнення цієї системи гібридногодисгенезу відповідає мобільний елемент P (Engels, 1989). Відповідно донаявністю в геномі P-елементів розрізняють кілька типів ліній Drosophilamelanogaster (Raymond et al., 1991). P-лінії містять 30-60 копій P -елемента, одна третина з яких складається з повних P-елементів, а дві третиниз дефектних (O'Hare, Rubin, 1983; O'Hare et al., 1992). Ці лінії мають P -цітотіп. У геномі M-ліній відсутні P-елементи, і вони мають M-цітотіп.
Синдром гібридного дисгенезу спостерігається тільки при схрещуванні самок з M -ліній (Maternal) з самцями з P-ліній (Paternal), проте оскільки P -цітотіп успадковується по материнській лінії, потомство від зворотних схрещуваньміж P-самками і M-самцями зазвичай нормальне. Додатково розрізняютьтакож M 'і Q лінії. M 'або псевдо-M лінії мають в геномі безлічдефектних P-елементів, однак, характеризуються наявністю слабкого потенціалурепресії (M-цітотіп) (Simmons et al., 1987). Деякі M'-лінії здатнііндукувати певні аспекти гібридного дисгенезу. Q-лінії також несутьв геномі дефектні елементи і, подібно P-лініях, мають P-цітотіп. Q-лініїмають здатність індукувати дисгенез в схрещуванні з істинними M -лініями (Simmions et al., 1985).

В даний час P-елемент докладно вивчено на молекулярному рівні,що дозволяє нам більш чітко представити його функції в системі PMгібридного дисгенезу. Як вже було зазначено, в геномі Drosophilamelanogaster зустрічаються структурно і функціонально гетерогенні P -елементи (O'Hare, Rubin, 1983). Повнорозмірний P-елемент має довжину 2907П.М. і характеризується наявністю термінальних інвертований повторіврозміром 31 П.М. і субтермінальнимі інвертованим повторами розміром 11П.М., які необхідні для його переміщення (O'Hare, Rubin, 1983).
Внутрішня частина містить невеликий інвертований повтор з невідомимифункціями і ген транспозази, що складається з чотирьох екзонів і трьох інтронів
(Engels, 1989). Ген транспозази кодує білок необхідний для переміщення
P-елементи, тому повнорозмірний P-елемент сам контролює своєпереміщення, тобто є автономним (Rio et al., 1986). Крімповнорозмірних P-елементів, в геномі різних ліній Drosophilamelanogaster зустрічаються дефектні копії (O'Hare et al., 1992). До нихвідноситься KP елемент, який має делеції в центральній ділянці,захоплюючу 808-2560 нуклеотиди (Black et al., 1987), елементи A12 і D50
(Engels, 1989; Rasmusson et al., 1993). Дефектні P-елементи не здатні досинтезу транспозази, але завдяки збереження інтактних термінальних ісубтермінальних послідовностей, вони можуть переміщатися звикористанням транспозази повнорозмірних елементів (Engels, 1989).

На сьогоднішній день відомо два типи регуляції активності P-елемента
(Engels, 1989). Перший тип регуляції обмежує активність P-елементатільки клітинами зародкової лінії, другий тип регулює активність P -елемента в дісгенних схрещування. Обмеження активності P-елемента тількиклітинами зародкової лінії є наслідком регульованого сплайсингумРНК (Laski et al., 1986). У зародкових клітинах сплайсіруются три інтрони,що веде до утворення транспозази. У соматичних тканинах третій Інтрон НЕвидаляється і, внаслідок присутності в цьому інтрони стоп-кодону, утворюєтьсяусічений білок, який діє як репресор (Robertson, Engels, 1989).
Тканеспеціфічний сплайсинг є наслідком дії соматичнихфакторів, що інгібують сплайсинг третій інтрони (Siebel et al., 1992).

Механізм регулювання транспозиція P-елемента в дісгенних схрещуванняще не зрозуміли повністю. На нетривалий термін (декілька поколінь) цярегуляція успадковується по материнській лінії, але на більш тривалий термінвизначається хромосомної, самими P-елементами. Такий тип регуляції в клітинахзародкової лінії іменується P-цітотіпом, її відсутність позначається як M -цітотіп. Модель, запропонована для пояснення принципів детермінації іуспадкування P-цітотіпа, заснована на альтернативному сплайсинг пре-мРНК P -елементу на рівні 2-3 інтрони. Цей альтернативний сплайсинг визначаєпродукцію транспозази або репресор. Сплайсинг залежить від концентраціїпре-мРНК P-елемента, будучи менш ефективний, коли концентрація низька
(O'Hare et al., 1992). У P-цітотіпе промотор P-елемента репресований, щоведе до низької концентрації пре-мРНК і до синтезу репрессорного білка.
Навпаки, в умовах дісгенних P-промотор НЕ репресований, що веде довисокої концентрації пре-мРНК і до синтезу транспозази. Ця модель буласпочатку підтверджена генетичними методами (Lemaitre et al., 1993) іпотім даними молекулярного аналізу (Roche et al., 1995). Репрессіоннаяздатність P-елемента залежить також від структури і положення в геномі
(Ronsseray et al., 1997).

Високий рівень регулювання переміщень P-елемента передбачає високучутливість PM системи гібридного дисгенезу до дії ДНК -пошкоджуючих факторів і до порушень в процесах репарації. Дійсно,це підтверджується численними експериментальними чинниками. Показано,що опромінення впливає на ефекти транспозиція P-елемента в умовахгібридного дисгенезу, що підвищує вихід рецесивних і домінантнихлетальних мутацій (Margulies et al., 1986, 1987). Спостережуваний при цьомуефект сінергічного дії опромінення та активності транспозона, найімовірнішеза все, пов'язаний з індукцією цими двома факторами однотипних ушкоджень ДНК,а саме, двунітевих розривів. Здатність P-елемента викликати такісерйозні пошкодження ДНК, а також активність на премейотіческіх стадіяхрозвитку яйцеклітин, зумовлює підвищений інтерес до питання профункціонуванні PM системи гібридного дисгенезу в умовах порушеннярепарації. Особливе значення можуть мати мутації в генах mei-9 + і mei-41 +,контролюючих одночасно мейотіческую рекомбінацію і репарацію (Sekelskyet al., 1998). При дослідженні системи транспозиція в умовах гібридногодисгенезу у ліній з мутаціями генів репарації mei-9 +, mei-41 + та mus101 + неспостерігали видимого ефекту на рівень рекомбінації у самців і ІнсерційніМутагенез (Slatko et al., 1984). Мутації mei-41 і mus101 мали продовженийефект на нерасхожденіе хромосом і ембріональну смертність, посилюючи їх,присутність мутації mei-41 значно знижувало поява хромосом з P -елементами. Ці ефекти спостерігали тільки у мух з M-цітотіпом, щодемонструє їх обумовленість синдромом гібридного дисгенезу. Напідставі цих результатів зроблено висновок, що дефекти в процесіпостреплікатівной репарації (мутація mei-41) підсилюють ті з проявівгібридного дисгенезу, яким супроводжують події клітинної загибелі ідомінантною летальності (Slatko et al., 1984). Однак, ні постреплікатівнаярепарація (мутація mei-41) ні Ексцизійна репарація (мутація mei-9) невпливають на рівень рекомбінації у самців і частоту інсерцій. У той же часпоказано, що в присутності мутацій mei-9 і mei-41 різко підвищується рівеньіндукованих гібридним дисгенезу видимих мутацій, у тому числі, в локусіsinged (Eeken, Sobels, 1981). Важливість шляхів постреплікатівной іЕксцизійна репарації для репарації ушкоджень, індукованих притранспозиція P-елемента, підтверджується дослідженням рівня стерильностів схрещуванні з використанням ліній mei-9 і mei-41 (Margulies, 1990).
Показано, що при схрещуванні мух, які мають порушення системи репарації, змухами, що мають активні P-елементи в геномі, спостерігається високий рівеньтермочутливий стерильності, низька плодючість і передчаснестаріння клітин зародкової лінії самців (Margulies, 1990).

Наступна з розглянутих систем гібридного дисгенезу пов'язана зактивністю hobo-елементу (Yannopoulos et al., 1987). Hobo-елементпереміщується через освіту ДНК-посередника і належить до сімействаhobo-Ac-Tam3 (hAT) (Calvi et al., 1991). Повний hobo-елемент має довжину
2959 П.М. (Blackman et al., 1989). Він несе два інвертовані кінцевіповтору по 12 П.М. і утворює дуплікацію в сайте інсерцій розміром 8 П.Н.
(McGinnis, 1983). Транспозиції hobo-елемента в HE системі гібридногодисгенезу специфічні для клітин зародкового шляху, хоча може спостерігатисяслабка активність hobo в соматичних тканинах ембріонів (Calvi, Gelbart,
1994; Handler, Gomez 1995). Подібно P-елементу, активність hobo обмеженазародковими клітинами через відсутність транспозази в соматичних тканинах.
Однак, на відміну від P-елемента, тканеспеціфіческая транспозиція hoboрегулюється виробленням транспозази на рівні транскрипції (Calvi, Gelbart,
1994).

Класифікація ліній в HE системі гібридного дисгенезу заснована наприсутності або відсутності повнорозмірного hobo-елементу. Використовуючи цейкритерій, лінії класифікуються як: (1) H-лінії (Hobo), колимолекулярними методами визначають наявність повнорозмірних hobo-елементів;вони також містять елементи з внутрішньої делеції; (2) DH-лінії (Deleted
Hobo), коли визначаються тільки делетірованние елементи; (3) E-лінії
(Empty), які не мають ні повних, ні делетірованних копій елемента hobo.
На додаток, лінії можуть бути класифіковані за їхньою здатністюіндукувати гонадную атрофію (Bazin, Higuet, 1996). Дісгенная стерильністьзалежить не тільки від H-, але і від E-ліній. Для H-E системи гібридногодисгенезу характерно також відсутність кореляції між різнимидісгеннимі подіями (Bazin, Higuet, 1996).

Механізми регулювання транспозиція hobo-елементів дещо відрізняютьсявід механізмів регуляції активності P-елементів, однак, схожість будови іфункцій цих елементів може припускати зміна функціонування hobo -елементів у системі HE гібридного дисгенезу у відповідь на діюіонізуючого опромінення, як це показано для PM системи. На користьприпущення про респонсівності hobo-елементів на дію зовнішніх факторівсвідчать також дані про зміну характеристик у HE системігібридного дисгенезу у деяких довгостроково селектіруемих по адаптивнимознаками ліній Drosophila melanogaster (Кайдани та ін, 1994). Згідноцими даними, низькоактивні лінії характеризуються підвищеною здатністюіндукувати дісгенную стерильність і зниженою здатністюрепресувати гібридний дисгенез. Лінії з високими адаптивнимипоказниками не індукують дісгенную стерильність, але істотнорепресують її. Можливо, що ці відмінності визначаються різним складомфракцій hobo-елемента і різною локалізацією його копій в геномі. Виявляєтьсядостовірна кореляція між статевою активністю самців відповіднихліній та їх репрессіонним потенціалом. Низкоактивні лінії характеризуютьсявинятково високою частотою спонтанного мутірованія (високою частотоювиникнення рецесивних зчеплених з підлогою та аутосомним мутацій, пізніхембріональних леталей). В основі цього явища лежить механізм переміщенняпо геному мобільних hobo-елементів. Низкоактивні лінія міститьповнорозмірні копії hobo-елементів, здатних до синтезу транспозази ітранспозиція. У цій лінії виявлені закономірні зміни в числі ілокалізації в геномі ретротранспозонів, які пов'язані зпристосованістю ліній. Можливо, що мобільні генетичні елементиє складовою частиною генотипу селектіруемих ліній, що забезпечуютьстратегію шкідливих наслідків відбору та інбридингу. І хоча дестабілізаціяhobo-елемента сама по собі не викликає зміни пристосованості лінії,виявляється достовірна кореляція між статевою активністю самціввідповідних ліній та їх репрессіонним потенціалом (Кайдани та ін,
1994). Це передбачає можливу роль HE системи гібридного дисгенезу вформуванні генетичних механізмів пов'язаних з пристосованістю дозовнішніх умов і рівнем генетичної мінливості.

IR система гібридного дисгенезу обумовлена активністю I-елемента
(Bucheton et al., 1984), який відноситься до класу ретропозонів або LINE -подібних елементів (Fawcett et al., 1986; Pelisson et al., 1991).
Повнорозмірний I-елемент має довжину 5371 П.М. Переміщення I-елементавідбувається через освіту РНК-посередника з використанням зворотноїтранспозази, яка кодується самим елементом (Chaboissier et al., 1990;
Fawcett et al., 1986). По відношенню до IR системі гібридного дисгенезулінії Drosophila melanogaster поділяються на два типи. I-лінії (Inducer)або індукторного і R-лінії (Reactive) або реактивні. У геномі I-лінійміститься 10-15 копій повнорозмірних I-факторів, які розподілені повсім хромосомами (Bucheton et al., 1984). Активація I-елемента відбувається всхрещування самців з I-ліній, які мають I-цітотіп з самками з лінійз R-цітотіпом, у схрещуванні I-самок з R-самцями I-елемент не активується
(Bucheton et al., 1984). Дісгенние порушення спостерігаються тільки в яєчникаху гібридних самок, у той час як у гібридних самців таких порушень неспостерігається. Регулювання активності I-фактора в клітинах зародкової лініїздійснюється на рівні ініціації транскрипції або стабільності РНК
(Chaboissier et al., 1990). Частота транспозиція I фактора в дісгеннихсхрещування регулюється рівнем реактивності R-самок (Udomkit et al.,
1996). Відповідно до цього критерію розрізняють лінії зі слабким, середнімабо сильним рівнем реактивності. Рівень реактивності визначаєтьсяклітинним станом в зрілому ооціте R-самки і успадковується переважнопо материнській лінії. Рівень реактивності пов'язана з механізмами репарації тарекомбінації і посилюється при дії ДНК пошкоджуючих факторів. Такпоказано, що дія інгібіторами синтезу ДНК і гамма променями підсилюєрівень реактивності схожим чином (Bregliano et al., 1995). У той жечас, рівень реактивності корелює з частотою Кросинговер іефективністю репарації (Laurenзon et al., 1997). Це дозволяєприпустити, що рівень реактивності є одним із проявів єдиноїіндуцібельной репараційні-рекомбінаційні системи (Bregliano et al.,
1995). Біологічна роль якої може бути аналогічна SOS-відповіді убактерій, і полягати в модифікації рівня мінливості у відповідь назміна умов навколишнього середовища (Bregliano et al., 1995). Запропонованоназивати цю систему VAMOS (від англ. variability modulation system,система модуляції мінливості) (Laurenзon et al., 1997). Молекулярнімеханізми, що беруть участь у формуванні цієї системи ще не з'ясовані, протенайбільш ймовірним є участь генів, які одночасноконтролюють процеси рекомбінації і репарації (Laurenзon, Bregliano,
1995). З відомих на сьогоднішній день генів у визначенні рівняреактивності найбільш імовірна участь генів mei-9 + і mei-41 + (Laurenзon,
Bregliano, 1995). Подальше дослідження ролі, яку відіграє VAMOS вконтролі генетичної мінливості за несприятливих умов навколишньогосередовища, може істотно прояснити роботу молекулярних механізмівадаптації.

Дісгенние порушення в розглянутих системах гібридного дисгенезу восновному обумовлені транспозіціямі і ексцизії мобільних елементів ущо розвиваються зародкових клітинах. Висока частота хромосомних перебудов ірекомбінації у самців відбуваються переважно в сайтах інсерцій МГЕ
(Engels, Preston, 1984; Sved et al., 1990). Підвищений рівень мутаційпоходить від Інсерційні мутацій та інших індукованих транспозиція
МГЕ змін в геномі.

Явище гонадной атрофії

Активація мобільних елементів у системах гібридного дисгенезувикликає, серед інших порушень, особливий вид стерильності гібридів,що обумовлена недорозвиненням гонад (Bregliano et al., 1980). Дісгеннаястерильність по-різному проявляється в трьох системах гібридного дисгенезу. P-
M дисгенез призводить до недорозвинення яєчників у гібридних самок і самців (GD -стерильність) (рис. 1) (Kidwell et al., 1977; Schaeffer et al., 1979), у I-
R системі, не відбувається зміни морфології гонад, але збільшуєтьсярівень дефектних яєць і частота загибелі ембріонів (SF-стерильність)
(Pelisson, 1979). Активація hobo елементів у системі HE гібридногодисгенезу призводить як до недорозвинення гонад у самок і самців першогопокоління, так і до високого рівня домінантних леталей серед відкладенихяєць.

Стерильність є наслідком втрати зародкових клітин на стадіяхраннього ембріогенезу і личинки (Niki, Chigusa, 1986). Для P-M гібридногодисгенезу загибель зародкових клітинзначно посилюється при підвищенні температури до 29 (С (Simmons et al.,
1987).

Атрофія гонад одне з характерних і інтенсивно досліджуваних аспектів P-
M і HE систем гібридного дисгенезу. GD-стерильність є наслідкомвимирання клітин в прімордіальной зародкової лінії можливо черезхромосомних розривів, опосередкованих активністю P-елементу (Niki, Chigusa,
1986). Проте ні кінетика загибелі зародкових клітин, ні число клітин,які повинні бути елімінувати для появи GD-стерильності НЕвідомо. Перші ознаки стерильності з'являються вже у 5-6 часовихембріонів. Максимальний рівень загибелі клітин спостерігається на личинковоїстадії розвитку, коли зародкові клітини випробовують експонентний зростання,але деякі вмираючі клітини були виявлені до поділу клітин зародковоїлінії (Niki, Chigusa, 1986). Механізм загибелі клітин може бути обумовленийрозривами хромосом, що мають летальний ефект. Наслідком цього євідсутність статевих клітин в яєчниках і насінниках і загальне недорозвинення їх удорослих гібридних самок і самців. Гібриди можуть бути повністю стерильні,якщо зредуковані обидві залози і частково фертильності, якщо атрофовані одиннасінники або яєчник (рис.2) (Kidwell et al., 1977). Чи не атрофованийгонади у дісгенних гібридів часто відстають у своєму розвитку і містятьменше число яєць або сперматоцітов в порівнянні з недісгеннимі особинами
(Ashburner, 1989). Ступінь вираженості гонадной атрофії сильно залежить відтемператури, при якій йде розвиток гібридів. Відносно Р-Мсистеми атрофія найбільш значна при 29 (С у самок і при 27 (С усамців, а при 24 (С і нижче практично відсутня (Kidwell et al., 1977;
Engels, Preston, 1984). Для Н-Е системи характерна найбільш сильна атрофіяпри 25 (С і найменша при 29 (С (Stamatis et al., 1989). При нижчихтемпературах АГ спостерігається в меншій мірі. Кількість і розмірністькопій Р-і hobo-елементів так само сильно впливають на здатність лінійіндукувати гібридний дисгенез, у зв'язку з чим, частота гонадной атрофіїможе змінюватися від кількох до ста відсотків (Yannopoulos et al., 1987;
Kidwell et al., 1988; Rasmusson et al., 1993).

Активність мобільних елементів у PM і HE системах гібридногодисгенезу обумовлює мутабільность деяких нестабільних локусів. У P-Mсистемі найбільшу популярність отримав локус singed-weak (Engels, 1989), в
HE системі локус vgal (Bazin et al., 1993) і сконструйований маркернийелемент h (w +) (Calvi, Gelbart, 1994). Аллель snw обумовлена інсерцій двохдефектних P-елементів і делеції одного або іншого з цих елементів уприсутності транспозази повнорозмірних елементів приводить до появивідповідних похідних алелей sne і sn (+). Підвищена мутабільностьлокусу vgal обумовлена активацією дефектних копій hobo у присутностіактивних елементів цього сімейства. Генетично сконструйований маркернийелемент h (w +) представляє hobo-елемент з вбудованим геном mini-white,який визначає помаранчеве забарвлення очей (Calvi, Gelbart, 1994). Маркернаwhite лінія несе в X-хромосомі два сконструйованих елемента h (w +). Цеобумовлює помаранчевий фенотип кольору очей, але при ексцизії одного зелементів колір стає менш вираженим (Calvi, Gelbart, 1994). Лінії знестабільними алелями широко використовуються при оцінці активності P і hobo -елементів у дісгенних схрещування, і частота мутірованія цих алелейслужить додатковим кількісним критерієм.

Таким чином, контроль активності мобільних генетичних елементів усистемах гібридного дисгенезу тісно взаємопов'язана з механізмами транспозиціяі репарації генетичних ушкоджень. Це обумовлює чутливістьгібридного дисгенезу до дії зовнішніх факторів і його модифікаціюрізним генетичним фоном. Існуючі передумови дозволяютьрозглядати синдром гібридного дисгенезу не тільки як показникактивності деяких родин мобільних генетичних елементів, але і якцілісну генетичну систему, що забезпечує контроль генетичноїмінливості генотипу в несприятливих умовах.

-----------------------

Рис. 2. Морфологія статевої системи самки Drosophila melanogaster вумовах синдрому гібридного дисгенезу

Нормальний яєчник

атрофований яєчник

Хінтгут

Анальніплатівки

Вагинальні платівки

Вагіна

Утерус

сім'яприймача

Загальний яйцепровід

Пароваріі

Сперматекі

Бічний яйцепровід