Роль МГЭ загадочна

http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=142

Популярный синопсис

о статье: Л. А. Васильева, О. В. Антоненко, О. В. Выхристюк Отклик геномного рисунка МГЭ412 на отбор по количественному признаку у Drosophila melanogaster // Журнал общей биологии, Том 68, 2007. № 5, сентябрь-октябрь. Стр. 341-349 Резюме. Abstract

Александр Марков

Эволюционная роль мобильных генетических элементов остается загадочной

Мобильные генетические элементы (МГЭ), присутствующие в геноме большинства организмов, сочетают в себе признаки эгоистических фрагментов ДНК («геномных паразитов») и важных составных частей генома, придающих ему пластичность и приспособляемость. Новосибирские ученые показали, что искусственный отбор по количественному признаку у мушки-дрозофилы приводит не только к изменению этого признака, но и к фиксации определенного «рисунка» распределения копий МГЭ по геному. Впрочем, осталось неясным, в какой мере этот «рисунок» реально влияет на отбираемый признак.

Мобильные генетические элементы (МГЭ [http://en.wikipedia.org/wiki/Transposon]) были обнаружены Барбарой МакКлинток еще в 1951 году (у кукурузы). Однако МГЭ слишком долго считались «генетической экзотикой», их распространенность и роль в функционировании и эволюции геномов недооценивались, и в результате свою заслуженную Нобелевскую премию за это открытие МакКлинток получила лишь в 1983 году, когда ей самой было уже за 80.

На сегодняшний день хорошо известно, что геном человека почти наполовину состоит из всевозможных повторяющихся последовательностей и МГЭ (транспозонов и ретротранспозонов). У других животных и растений дело обстоит примерно так же. У прокариот мобильных элементов меньше, но тоже очень много. Традиционно эти участки генома интерпретируют как «эгоистическую» или «мусорную» ДНК (junk DNA). В последнее время всё яснее становится огромная эволюционная роль этих элементов. Они придают геному свойство, которое, в зависимости от субъективного восприятия, называют либо «нестабильностью», либо «пластичностью». В первом случае подчеркивается потенциальный вред геномных перестроек, индуцируемых МГЭ и повторами, во втором — их потенциальная польза (создание «материала для отбора», повышение полиморфизма и приспособляемости). МГЭ способны активно размножаться и прыгать с место на место в пределах хозяйского генома, некоторые из них (вирусы) могут передаваться не только от родителей к потомкам, но и горизонтально. Кроме того, наличие в геноме множественных копий тех или иных фрагментов ДНК резко повышает вероятность ошибок в ходе копирования ДНК (репликации) и рекомбинации . Действительно, сложно не сбиться при переписывании или редактировании текста, изобилующего повторами.

Геномные перестройки, индуцируемые МГЭ, не являются хаотичными. Например, многие транспозоны способны встраиваться не в любое место генома, а только туда, где есть определенная последовательность нуклеотидов; распределение повторов по геному повышает вероятность не любых, а строго определенных перестроек и т. д. Кроме того, активность МГЭ может зависеть от различных факторов (например, она может повышаться при стрессе). Всё это придает эволюционным изменениям, происходящим при участии МГЭ, не совсем случайный характер. Сотрудники Института Цитологии и Генетики СО РАН (Новосибирск) уже много лет изучают МГЭ, в том числе их поведение при различных стрессовых воздействиях (см. ниже ссылки на статьи В. А. Ратнера и Л. А. Васильевой). В очередном исследовании Л. А. Васильева и ее коллеги О. В. Антоненко и О. В. Выхристюк изучили поведение мобильного элемента МГЭ412 мушки-дрозофилы в ходе экспериментов по искусственному отбору.

Использовались дрозофилы с мутацией radius incompletus (ri). Эта мутация проявляется в том, что одна из жилок крыла развивается неполностью: от нее остаются только концевые участки, а середина исчезает (см. рисунок).

Отбор вели в двух противоположных направлениях: в сторону дальнейшего уменьшения недоразвитой жилки (вплоть до ее полного исчезновения; «отрицательный отбор») и в сторону увеличения (вплоть до полностью развитой жилки, как у мух без мутации ri, «положительный отбор»).

В ходе эксперимента ученые следили за изменением «рисунка» МГЭ412. Под «рисунком» понимается его распределение по геному: в каких местах хромосом имеются копии этого мобильного элемента. Для этого использовались препараты хромосом из слюнных желез мухи и фрагменты ДНК МГЭ412, несущие радиоактивную метку. Суть метода в том, что меченые фрагменты «прилипают» к тем участкам хромосом, где есть копия МГЭ412.

Эксперимент был проведен 4 раза на разных линиях мух. Во всех случаях оказалось, что:

1) отбор в обе стороны оказывается успешным: за 50-80 поколений удается вывести и мух с полной жилкой, и мух совсем без жилки;

2) фиксация морфологического признака (т.е. наличия или отсутствия жилки) сопровождается также и фиксацией определенного рисунка МГЭ412, причем этот рисунок оказывается существенно различным при разных направлениях отбора. Впрочем, он получается разным и у мух, отбиравшихся в одну и ту же сторону, если за основу были взяты разные исходные линии дрозофил.

В первом эксперименте использовалась гетерогенная линия мух, то есть такая, в которой многие гены были представлены несколькими вариантами (аллелями), и каждая муха была гетерозиготной по многим генам. Когда сравнили распределение МГЭ по хромосомам у исходной линии и у двух производных, полученных в результате положительного и отрицательного отбора, то обнаружили 39 сайтов (мест в геноме), где МГЭ412 либо изначально был, но в ходе отбора исчез («вырезался») хотя бы в одной из двух производных линий, либо изначальна отсутствовал, но в ходе отбора появился («вставился»). В большинстве случаев (28 из 39) отличия двух производных линий оказались контрастными, т.е. если в «положительной» линии МГЭ вырезался, то в «отрицательной» он остался на месте; если в «положительной» он вставился, то в отрицательной – нет, и т.д.

Однако эти результаты можно было оспорить, поскольку исходная линия была гетерогенной, и сохранялась вероятность, что обнаруженные у производных линий «новшества» (т.е. вставки и выпадения МГЭ) уже были у исходной линии в качестве очень редких отклонений, и просто не были выявлены в ходе тестирования.

Поэтому во втором эксперименте использовалась линия, в которой исходный генетический полиморфизм был более-менее точно известен. Для этого ученые скрестили между собой 4 изогенные линии (то есть такие, в которых генетический полиморфизм полностью отсутствует, каждый ген имеется только в одном аллельном варианте, и каждая муха гомозиготна по всем генам).

В полученной гибридной линии уже было точно известно, в каких местах генома могут быть копии МГЭ412, унаследованные от четырех предковых диний, а в каких – нет. Проведя «положительный» и «отрицательный» отбор, ученые снова зарегистрировали значительные изменения рисунка МГЭ по сравнению с исходным. В ходе положительного отбора МГЭ412 «вставился» в 7 новых мест, в ходе отрицательного отбора чаще фиксировались утраты («вырезания») мобильного элемента.

В третьем эксперименте ученые работали с одной из изогенных линий. Поскольку изначально в этой линии вообще нет никакого генетического полиморфизма, отбор бессилен что-либо сделать с ней до тех пор, пока не появятся новые мутации и не возникнет хоть какой-то полиморфизм. Чтобы ускорить процесс мутагенеза, самцов данной изогенной линии облучили гамма-лучами. Скрестив облученных самцов с необлученными самками из той же линии, было получено потомство, у которого обнаружились три новых «вставки» МГЭ412, причем все три наблюдались не у всего потомства, а только у части. Активность МГЭ оставалась высокой в течение еще нескольких поколений. В 12-м поколении было обнаружено еще 16 новых вставок. Ни одна из них к этому моменту еще не зафиксировалась в популяции, т.е. у некоторых особей она присутствовала, а у других нет. Почему МГЭ оставались активными в ряду поколений, не подвергавшихся никакому стрессовому воздействию – неясно (можно предположить участие какого-нибудьэпигенетического механизма).

Полученную таким способом линию, полиморфную уже примерно по 20 сайтам МГЭ (и, конечно, по многим другим участкам генома, хотя все прочие возникшие из-за облучения мутации, кроме перемещений МГЭ, исследователями не фиксировались), подвергли положительному и отрицательному отбору. Отбор был успешен, причем для фиксации «окончательного» состояния признака (полного отсутствия жилки или, наоборот, нормальной жилки) хватило всего 50 поколений (в других случаях требовалось до 80 поколений). Опять произошла фиксация определенного рисунка МГЭ, разного при разных направлениях отбора. Однако если сравнить приведенные в статье рисунки МГЭ, получившиеся при положительном (или отрицательном) отборе в экспериментах 1-3, то сходства между ними практически не наблюдается.

В четвертом эксперименте использовалась другая изогенная линия. Чтобы придать ей необходимый для успешного отбора начальный полиморфизм, самцов не облучали, а подвергали жесткому температурному стрессу: сажали на час в термостат при температуре 370, потом еще час держали при 40, и так три раза. У потомства этих самцов обнаружилось 18 новых вставок МГЭ412. Полученную линию, как и в предыдущих экспериментах, подвергли разнонаправленному отбору по степени развития жилки на крыле. Однако на этот раз все делали в двух повторностях, то есть исходная линия была разделена не на две, а на четыре части, в двух из которых вели положительный отбор, а в двух – отрицательный. Отбор и на этот раз оказался успешным (жилку довели, соответственно, до полного восстановления и до полного исчезновения), и снова в разных линиях зафиксировался разный рисунок МГЭ, причем в ходе отбора появилось, как и в прежних случаях, много «новшеств» (вставок и выпадений МГЭ, которых не было в исходной линии). Самое интересное, что рисунок МГЭ в обеих «положительных» линиях оказался почти одинаковым, и в двух «отрицательных» тоже, хотя между двумя парами линий возникло довольно много различий.

Исследователи признают, что полученные ими результаты не позволяют сделать каких-то определенных и окончательных выводов о роли МГЭ в процессе отбора по количественному признаку. То, что каждый раз происходила фиксация какого-то определенного рисунка МГЭ (а при одинаковом исходном полиморфизме и одинаковом направлении отбора этот рисунок оказался почти одинаковым) – это можно объяснить по-разному. Ученые рассчитали, что простым генетическим дрейфом (случайными изменениями частот аллелей, которые происходят в том случае, если эти аллели не влияют на выживаемость – то есть, в данном случае, на развитие жилки) этого объяснить нельзя. В каждой линии было в каждый момент времени примерно по 200 мух. Согласно теории стохастической (нейтральной) эволюции (Crow, Kimura, 1970) при таком размере популяции для случайной фиксации или утраты аллеля требуется не менее 400 – 600 поколений, а все проведенные эксперименты ограничивались гораздо меньшим числом поколений (50 – 80).

Можно ли предположить, что все без исключения зафиксировавшиеся вставки и потери МГЭ412 прямо или косвенно влияли на развитие жилки и поэтому их фиксация шла под прямым действием отбора? Известно, что встраивание МГЭ в окрестностях гена может влиять на его экспрессию (работу); ясно также, что степень развития жилки зависит от многих разных генов. Тем не менее едва ли можно допустить, что все зафиксированные перемещения МГЭ имеют такую функциональную роль; многие из них наверняка были нейтральными и зафиксировались случайно. По мнению авторов, столь быстрая фиксация перемещений МГЭ объясняется тем, что в ходе отбора резко возрастал инбридинг, т.е. повышалась вероятность близкородственных скрещиваний. Это должно приводить к быстрой фиксации и переходу в гомозиготное состояние не только рисунка МГЭ, но и любых других аллелей и генетических маркеров.

Таким образом, полученные результаты дают мало окончательных ответов, но зато дают много пищи для размышлений о механизмах эволюции. Чрезвычайно интересно, что отбор в отношении степени развития жилки неизменно оказывался успешным при самых разных состояниях исходного генетического полиморфизма (за исключением ситуации, когда полиморфизма вообще не было, и отбору не из чего было выбирать). Создается впечатление, что один и тот же фенотипический результат (в данном случае – полная редукция или полное восстановления жилки) может быть достигнут многими разными путями, за счет комбинирования самых разных исходных наборов аллелей. Главное, чтобы в популяции имелся хоть какой-нибудь генетический полиморфизм – и это уже гарантирует, что отбор по данному признаку окажется успешным. Вспоминается точка зрения, высказываемая некоторыми склонными к философии биологами-теоретиками, согласно которой каждый фенотипический признак в конечном счете определяется всем геномом, а не какими-то отдельными генами или аллелями.

Что же касается роли МГЭ в ходе эволюции, то полученные результаты, пожалуй, все-таки не позволяют сказать о ней ничего нового. То, что стрессовые воздействия могут приводить к росту активности МГЭ, было известно и раньше. А в остальном рисунок МГЭ412 вел себя в ходе экспериментов примерно так же, как вел бы себя любой другой набор генетических маркеров в этой ситуации.

Об изучении МГЭ и их эволюционной роли см. также:

В. А. Ратнер, Л. А. Васильева. Мобильные генетические элементы (мгэ) и эволюция геномов

В.А.Ратнер, Л. А. Васильева. 2000. Индукция транспозиций мобильных генетических элементов стрессовыми событиями .

В. А. Гвоздев Подвижная ДНК эукариот

Из научных новостей:

Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих . «Элементы», 13.05.07.

У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами . «Элементы», 11.05.07.

У растений обнаружен межвидовой обмен генами . «Элементы», 22.12.05

Древние млекопитающие заразились плацентой . «Элементы», 15.12.05.

Комментировать

Еще по темам: Генетика, Теория эволюции

П. Н. Петров

Памятные даты. Дарвин и смысл биологии

Стр. 356–358