Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Наследственные изменения как ошибки матричных и генетических процессов



 

Возникновение наследственных изменений следует рассматривать как закономерный итог ошибок или нарушений двух процессов: матричных и генетических. Предложение выделять особо матричные процессы — РЕПЛИКАЦИЮ, ТРАНСКРИПЦИЮ и ТРАНСЛЯЦИЮ — от остальных метаболических процессов в клетке было сделано в 1966 году английским генетиком G. Pontecorvo (цит. по Инге-Вечтомову, 1976, с. 58). Матричные процессы связаны с перекодированием генетической информации на новые матрицы ДНК — ДНК, ДНК — РНК и РНК — белок.

Под понятием "генетические процессы" в узком смысле слова можно понимать процессы, которые определяют относительную устойчивость, структурную и функциональную стабильность носителей генетической информации и закономерный характер их распределения между дочерними клетками. К генетическим процессам относятся РЕПАРАЦИЯ, РЕКОМБИНАЦИЯ и СЕГРЕГАЦИЯ.

На рис. 4 схематически представлены две группы процессов и взаимосвязи между ними, которые определяют появление наследственных изменений. Детали процессов описаны в соответствующих сводках (Стент, Кэлинджер , 1981; Инге-Вечтомов, 1983; Льюин, 1987). Мы остановимся лишь на некоторых моментах.

Необходимо особо подчеркнуть аспект факультативности в осуществлении всех трех видов матричных процессов у эукариот (рис. 4).

Рис. 4. Наследуемые изменения как процесс, результат ошибок в матричных и генетических процессах. Метаболические связи между процессами указаны стрелками

 

Системы ДНК-репарации определяют стабильность и степень ошибок в ходе матричных и генетических процессов и связаны с физиологией клетки.

Факультативность матричных и генетических процессов служит важным доводом в пользу сформулированного нами ранее принципа облигатности — факультативности в структуре и функции генома (глава 4). Факультативность репликации означает возможность относительно автономной гипер- или гипорепликации отдельных сегментов ДНК, независимо от плановой закономерной репликации всей молекулы ДНК или хромосомы на определенной стадии клеточного цикла. Такими свойствами обладают участки гетерохроматина. Факультативная репликация приводит к амплификации отдельных участков в пределах хромосом, либо к их автономному существованию в цитоплазме в виде линейных или кольцевых плазмид. Регулярность спонтанной факультативной амплификации доказана прямыми опытами (Johnston, et. al, 1983).

Факультативность транскрипции состоит в возможности появления разных мРНК с одной и той же матрицы за счет существования альтернативных промоторов и альтернативного сплайсинга. Наконец, факультативность трансляции проявляется в разных вариантах опознания одного и того же кодона, например опознания его как стоп–кодона, или как значащего кодона для включения определенной аминокислоты в белке. Эта факультативность, или, как ее иногда называют, неоднозначность трансляции зависит от физиологических условий клетки и ее генотипа (Инге-Вечтомов, 1983).



В физиологической теории мутационного процесса М. Е. Лобашева появление мутации впервые связывалось со способностью клетки к репарации повреждений. Отсюда следовал вывод о том, что появлению мутации предшествует предмутационое состояние, когда потенциальное повреждение либо полностью обратимо, либо может реализоваться в виде мутации, понимаемой как "нетождественная репарация" (Лобашев, 1976). В своей гипотезе М. Е. Лобашев следовал концепции паранекроза, разработанной Д. Н. Насоновым и В. Я. Александровым и установившими закономерности ответа клетки на повреждения (Александров, 1985).

Действительно, определяющим звеном в возникновении генетических изменений и в триаде матричных, и в триаде генетических процессов является феномен репарации. Уже к началу 70-х годов стало ясно, что "высокая стабильность ДНК в клетке не является имманентным свойством самих молекул ДНК, а поддерживается особой ферментативной системой, находящейся, в свою очередь, под генетическим контролем" (Захаров, 1976).

Представим на миг, что репарации нет. В. А. Кордюм (1993) суммировал оценки потенциального давления мутаций и эффективности репараций для генома человека. В клетках млекопитающих каждый час происходит не менее 5000 спонтанных повреждений ДНК или 120 000 повреждений генома в сутки. Из расчета на один ген и одно клеточное деление, из 252 потенциальных повреждений ДНК лишь одно реализуется в виде изменения. Это дает эффективность репарации 0,996!



Процессы репарации разнообразны, они сочетают специфичные и неспецифичные ответы (Корогодин, 1985). Особенно удивительна система быстрого реагирования, так называемый SOS-ответ, когда после самых разных повреждений клетки, вызывающих появление однонитевых разрывов ДНК, происходит одновременная дерепрессия около 15 белков, участвующих в процессах репарации. Об этом упоминалось ранее, но отметим основные звенья удивительной системы. Ключевыми являются два гена recА и lexA, которые эпигенетически негативно регулируют друг друга на уровне взаимодействий ДНК — белок и белок –белок. RecA, будучи активирован в ответ на повреждения, расщепляет белок LexA, который в остальное время (когда повреждений нет) подавляет транскрипцию гена recА.

Продукт структурного гена lexA, белок-димер, тормозит уровень собственной транскрипции. В терминах динамической наследственности lexA представляет собой однокомпонентный эпиген с отрицательной обратной связью. LexA белок является негативным транскрипционным регулятором для примерно 15 генов, участвующих в разных формах репарации ДНК, и в их числе ген recА — ведущий в SOS-ответе.

Белок RecA многофункционален: в норме он вовлечен в рекомбинацию молекул ДНК и в то же время является сигнальным геном для запуска SOS-систем. При появлении повреждений в ДНК (однонитевые разрывы) ген recА меняет свою конформацию, приобретая свойства фермента-протеазы. Он расщепляет димеры белка LexA, в результате чего этот белок утрачивает свои репрессорные функции. Таким образом, меняя свою конформацию при повреждениии и превращаясь в протеазу, RecA — белок снимает тормоз, налагаемый LexA белком, со считывания своей мРНК. Интенсивность синтеза RecA при стрессовом воздействии возрастает в среднем в 50 раз. При устранении повреждения SOS-ответ останавливается.

Когда знакомишься с системой SOS-ответа бактериальной клетки на вызов среды, то становится очевидной правота одного из основных тезисов современного французского эволюциониста П. Грасси (Р. Grasse), что "жить — значит реагировать, а отнюдь не быть жертвой" (цит. по Чайковский, 1991, с. 163). Клетка обладает не только запрограммированными в ее геноме ответами на стресс, вроде SOS-реакций или генов теплового шока, но способна к генетическому поиску путем активации ранее молчащих мобильных генетических элементов, понижения информационных барьеров для проникновения в клетку и рекомбинационной интеграции чужеродной ДНК, а также запуска других систем непредсказуемой реорганизации генома в поисках ответа на стрессовый вызов среды (Корогодин, 1986). Поисковые функции генетической системы в условиях геномного стресса — важная тема в Нобелевской лекции Б. МакКлинток (McClintock, 1984).

Рассмотрим теперь вкратце связь мутаций и рекомбинацией. С середины 70-х годов стала выявляться существенная эволюционная роль "ошибок рекомбинации" как поставщика наследственных изменений, гораздо более мощного, чем ошибки редупликации. Теперь очевидно, что генетическая рекомбинация "во всем многообразии ее форм и механизмов является главным фактором непостоянства генома, основой большинства его изменений, которые служат материалом для отбора, для микро- и макроэволюции. Именно рекомбинационные события приводят к возникновению или получению извне качественно новых генов, о которых до этого вид не мог даже мечтать" (Хесин, 1984, с. 294).

На молекулярном уровне различают три вида рекомбинации: общую, сайт-специфичную и репликативную. Для первой или "законной", регулярной рекомбинации (кроссинговер) необходимы длинные районы гомологии ДНК. Она осуществляется "врожденными" клеточными системами при конъюгации у бактерий и при мейозе у эукариот. И рекомбинационный акт, и репарация включают разрывы в цепи ДНК, их сшивку и восстановление. Сайт-специфичная рекомбинация довольствуется короткими, в несколько оснований, участками гомологии, какие, к примеру, имеют ДНК фага лямбда и хромосомы бактерии. По сходному сценарию происходят включение в геном мобильных генетических .элементов и регулярно происходящая в течение онтогенеза соматическая локальная рекомбинация между иммуноглобулиновыми генами, создающая их поразительное разнообразие.

Ошибки гомологичной рекомбинации можно рассматривать как закономерные последствия не точковой, а линейно протяженной структуры генов. Возникает своеобразная дилемма: "Вообще можно говорить, что митотические рекомбинации являются своеобразным типом мутагенеза или, наоборот, что некоторые виды мутагенеза (хромосомные аберрации) являются результатом "ошибок" митотических рекомбинаций" (Хесин, 1984, с. 310).

Расширились и рамки понятия "соматические мутации", под которыми теперь подразумеваются "любые наследуемые в клеточных поколениях изменения нуклеотидной последовательности, числа или топографии генов и регуляторных участков ДНК: точковые и другие микроизменения, мультипликация генов, разные хромосомные аберрации, включая нехватки, транслокации генов, перемещения к ним подвижных элементов, изменения числа хромосом и т. д." (Хесин., 1984, с. 279).

Если перемещения мобильных элементов или рекомбинация участков запрограммированы в онтогенезе, опять возникает трудность классификации таких наследственных изменений. Трансформацию пола у дрожжей долго считали мутационным событием, но оказалось, что на определенной стадии развития аскоспор она происходит с вероятностью, близкой к 1, в результате сайт-специфичной рекомбинации (Инге-Вечтомов С. Г, 1982).

Ошибки гомологичной рекомбинации приводят к дупликации сегментов ДНК. А. С. Серебровский в 1938 г. впервые выдвинул идею, что возникновение новых генов может быть основано на их дупликации и последующей дивергенции с утратой "дуплетных" (общих с гомологом) функций. Теперь очевидно, что дупликация генов, их организация в мультигенные семейства разной структуры — одна из характерных черт организации генома эукариот.

В мультигенные семейства организованы основные жизненно важные гены или "гены домашнего хозяйства" — локусы, контролирующие белки рибосом — клеточных органелл, где происходит синтез белка, локусы, кодирующие гистоновые гены, транспортные РНК. При этом блоки могут быть организованы из тандемно повторенных генных копий, скоплений копий, разделенных промежуточной ДНК (спейсерами) и из разбросанных по геному копий (как в случае транспортной РНК).

Стоит только образоваться тандемной копии гена, как этот тандем, словно участок кристаллизации, закономерно ведет к процессу дальнейшего умножения копий. Число копий в тандеме или семействе — видовой признак. Видовые ограничители числа копий еще предстоит познать.

Существует механизм закономерного образования копий за счет действия ревертазы, когда с мРНК гена образуется его ДНК — копия, которая рекомбинационно интегрируется в разные места генома, образуя "псевдоген", неспособный к транскрипции. Около 10% генов Генома имеют варианты псевдогенов, создавая своеобразный эволюционный потенциал.

Транспозоны и вирусы, способные интегрироваться в геном эукариот, создают множество гомологичных участков в удаленных по разным хромосомам точках. По ним происходят рекомбинационные события. Закономерные рекомбинационные перемещения участков ДНК лежат в основе колоссального разнообразия клеточных клонов В-лимфоцитов — продуцентов специфических антител. После того, как такое разнообразие создано, включается селективный механизм размножения определенного клона, обеспечивающего защитную реакцию по отношению к данному антигену (Хесин, 1984).

Эти несколько примеров показывают, что рекомбинацию ни в коем случае нельзя сводить к перетасовке уже существующих генов, как в колоде карт. Рекомбинация — мощный источник новообразований внутри имеющихся генов, источник создания новых генных конструктов, способ репарации и механизм включения новых генетических элементов и обеспечения потока генов между клетками одного вида и генными системами разных видов. Если продолжить аналогию с колодой карт, то в результате рекомбинации происходит не только перетасовка, но изменяется их число, появляются "дамо — валеты" или "дамо — короли", "двойные тузы" или "тройка — семерка — туз" в одной карте, причем разных мастей, и прочие трудновообразимые новации. По такому сценарию, полагают, возникли белки с множественными функциональными сайтами, новые системы генного регулирования.

Впервые пример образования новых необычных генных конструкций в природе с участием мобильных элементов был обнаружен нами при исследовании вспышек мутаций в естественных популяциях дрозофил D. melanogaster. Два соседних вполне независимых друг от друга гена singed "вильчатые щетинки" и "зачаточные крылья" оказались "сшитыми" друг с другом и попали под контроль мобильного элемента. В результате эти гены стали совместно проявляться и совместно мутировать, так что от двойного нестабильного мутанта при разных перемещениях транспозона возникали нормальные особи и от них вновь двойные мутанты.

В 1978 году инсерционный механизм появления этого двойного "крылощетинкового" мутанта (модель перспективного монстра по Гольдшмидту) был предсказан на основании генетического анализа (Голубовский, Захаров, 1979; Golubovsky, 1980). 20 лет спустя гипотеза нашло полное молекулярное подтверждение. Обнаружена инсерция транспозона hobo в первый интрон гена singed и вызванные этим транспозоном внутрилокусные перестройки при переходах норма — двойной мутант — норма и т, д. (О'Hare, et al., 1998).

Все белки ферменты, с которыми работают генные инженеры — рестриктазы, лигазы, полимеразы, эндо- и экзонулеазы и прочие — все до одного выделены из живых организмов. Все это созданные самой природой инструменты для перестроек генома, перетосовок генов, собирания модулей и создания новых генных конструкций. Полностью оправдалось предвидение. МакКлинток, что клетки имеют системы для реорганизации своего генома в ответ на стрессовые условия, вызов среды (McClintock, 1978, 1984). В продолжение этой идеи, совокупность клеточных механизмов структурно–функциональной реорганизации генома было предложено удачно именовать как "natural genetic engineering" — или природная генетическая инженерия (Shapiro J., 1992, 1995). Возможно, отдельные звенья этих запрограммированных геномных ответов на стресс перекрываются с теми, которые активируются при SOS-ответе или тепловом шоке. Конкретные примеры действия таких механизмов у прокариот и эукариот собраны в специальном томе статей, написанных крупными современными генетиками к 90-летию Б. МакКлинток (The Dynamic genome..., 1991).

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!