Дрозофила-объект научных исследований

процессе эволюции постепенно произошло их разделение на "вкусовые" и

"обонятельные".

Исследователи считают, что дальнейшее изучение белков, отвечающих за

распознавание вкуса и запаха, может привести к революции в сельском

хозяйстве. Разобравшись в структуре молекул; можно будет создавать

экологически чистые препараты, способные сделать сельскохозяйственные

культуры невкусными или дурно пахнущими для насекомых-вредителей.

Различия в организации эу- и гетерохроматина дрозофилы.

Наиболее существенные свойства эу- и гетерохромати на, характеризующие

различия в их организации, при ведены в табл. 1.

Даже первого взгляда на эту таблицу достаточно чтобы увидеть, насколько

эу- и гетерохроматин различны по строению и функционированию. Некоторые из

свойств очень интересны, и мы рассмотрим их боле детально.

Эффект положения мозаичного типа

Одним из удивительных свойств гетерохроматина является его способность

передавать компактизованное состояние на эухроматиновые фрагменты хромосом,

перенесенные в его соседство с помощью хромосомных перестроек (рис. 2).

Гены в перенесенном фрагменте инактивируются, хотя и не во всех клетках

одного и того же органа. Например, если ген w+ у дрозофилы, обеспечивающий

нормальный красный цвет глаз у мухи, переносится с помощью инверсии

In(l)wm4 в новое положение - в окружение прицентромерного гетерохроматина,

в части клеток он инактивируется. В результате на фоне нормально окрашенных

участков глаза будут появляться пятна из неокрашенных белых клеток, в

которых ген w+ инактивирован - образуется как бы мозаика из окрашенных и

неокрашенных клеток (см. рис. 2). Это явление; называемое эффектом

положения мозаичного типа, в настоящее время изучают весьма интенсивно,

поскольку исследователи полагают, что оно является удобной моделью для

понимания генетического контроля механизмов компактизации - декомпактизации

хроматина.

[pic]

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая эффект положения мозаичного типа -

генетическую инактивацию эухроматинового фрагмента хромосомы, содержащего

ген w+, перенесенного в соседство гетерохроматина

Во всех этих работах было сделано сенсационное открытие: наследственность

можно преднамеренно изменять в лабораторных условиях. Последнюю точку в

исследовании хромосом и генов как линейных матриц, по-видимому, поставил

еще один наш соотечественник, лауреат Кимберовской премии (премии по

генетике, дополняющей Нобелевские по физиологии и медицине) Николай

Владимирович Тимофеев-Ресовский, который совместно с немецкими учеными

Клаусом Циммерманом и Максом Дельбрюком (еще одним нобелевским лауреатом) в

30-х гг. определил размер гена. И уже не в условных единицах, а в обычных

единицах длины (например, в нанометрах). Полученные величины великолепно

совпали с более поздними данными о размерах ДНК.

Гены Y-хромосомы.

Еще на заре рождения генетики, в 1916 году, американский ученый К.

Бриджес установил, что экспериментально полученные самцы дрозофилы без Y-

хромосомы (то есть ХО в отличие от нормальных самцов XY) имеют нормальную

жизнеспособность и строение всех органов, но они полностью стерильны. В

последующих экспериментах было показано, что Y-хромосома дрозофилы содержит

только девять генов, из которых шесть влияют на способность самцов

оставлять потомство (фертильность). Оставшиеся три гена - это bobbed (bb),

серия или кластер генов, кодирующих рибосомную РНК и активность которых

приводит к образованию ядрышка (нужно упомянуть, что второй

ядрышкообразующий ген bb у дрозофилы находится также в гетерохроматиновом

районе, но Х-хромосомы). Ген bb, состоящий из повторенных фрагментов,

занимает около 5% всей ДН К Y-хромосомы.

В пределах гена bb находятся участки, контролирующие процесс коньюгации

хромосом в мейозе. Дело в том, что в мейозе спариваются гомологичные

хромосомы за счет конъюгации гомологичных последовательностей нуклеотидов

ДНК. Поскольку половые Х- и Y-хромосомы морфологически и функционально

совершенно различны, вопрос о механизмах спаривания этих элементов в

мейотической профазе I достаточно актуален. Начиная с 1930-х годов

накапливались данные о наличии участков спаривания в гетерохроматине Х-

хромосомы, в районе локализации гена bobbed. Их назвали сайтами collohores

(col).

В 1990 году удалось показать, что ответственными за опознание Х- и Y-

хромосом и их последующую конъюгацию и расхождение в мейозе являются

короткие последовательности нуклеотидов длиной в 240 п.н., расположенные в

промежутках между генами рибосомной РНК, как в Х-, так и Y-хромосоме.

Участок локализации локуса со/ занимает в Y-хромосоме около 7% ее длины.

Удаление bb с помощью хромосомных нехваток (делений) полностью нарушает

правильную конъюгацию половых хромосом.

Еще один ген - crystal (cry) влияет на поведение хромосом в мейозе и

правильное формирование гамет. Разрывы участка хромосом, занимаемого этим

геном, не приводят к развитию каких-либо фенотипических изменений у самцов

дрозофил. Однако при полном или частичном удалении этого участка с помощью

делений в первичных сперматоцитах, в клетках, из которых образуются

сперматозоиды, появляются белковые кристаллы, а во время мейоза нарушается

расщепление хромосом. Интересно отметить, что есть еще один ген,

расположенный в эухроматине Х-хромосомы, - Stellate (Ste), который

взаимодействует с геном crystal. При этом, если в Х-хромосоме присутствует

нормальный аллель гена Stellate (Ste+), кристаллы имеют игловидную форму,

если мутантный Ste- - они приобретают вид звезды. Ген Ste+ был клонирован,

и в результате анализа ДНК было показано, что он содержит тандемно

повторенную (до 200 раз) последовательность длиной 1250 п.н. Нужная степень

повторенности этого фрагмента соответствует аллелю Ste+ (игловидные

кристаллы у Ste+/0 самцов, то есть тех, которые не имеют Y-хромосомы).

Высокая степень повторенности приводит к образованию звездовидных

кристаллов у Ste- /О. Транскрипты гена Ste- находят в семенниках. Ген Ste+

кодирует бета-субъединицу фермента казеин-киназы-2. Этот белок, по-

видимому, вовлечен в процессы конденсации хромосом и их последующего

расхождения по гаметам.

Присутствие нормального аллеля гена crystal ингибирует накопление РНК

гена Ste+. По существующим представлениям сгу+ контролирует активность гена

Ste+: удаление Y-хромосомы приводит к сверхпродукции Ste+-PHK, в результате

чего избыток белка этого гена кристаллизуется в сперматоцитах и нарушает их

функциональные возможности, что и приводит к стерильности.

У D. melanogaster найдено шесть факторов фертильности самцов (kl-5, kl-3,

kl-2, kl-1, ks-I и ks-2 нарис. З) Из них три очень больших: kl-5, kl-3 и ks-

1 — занимают по 10% Y-хромосом каждый, то есть примерно по 4000 т.п.н.

Интересно проявляется активность факторов фертильности у дрозофилы. В

1961 году три немецких ученых (G.F. Меуег, О. Hess, W. Beermann) описали

особые нитевидные структуры в ядрах развивающихся сперма тоцитов D.

melanogaster, которые впоследствии стал называть петлями (рис. 5). Такие

структуры нашли фактически у всех 50 изучаемых видов дрозофилы. Показано,

что петли - это декомпактизованные, а следовательно, активные участки Y-

хромосом. В них синтезируется РНК и накапливаются белки. Каждая петля ядре

данного вида дрозофилы имеет характерные размеры, ультраструктуру и внешний

вид (см. рис. 5). У других видов морфология набора петель другая.

О том, что петли формируются из материала Y-xpомосомы, свидетельствуют

следующие факты.

1. У самцов, не имеющих Y-хромосомы (ХО), нет и петель, а у особей с

двумя Y-хромосомами (XYY) они присутствуют в двойном наборе. Если

происходит делеция части Y-хромосомы, обнаруживаются не все петли. В линиях

с дупликациями частей Y-хромосом число петель соответственно увеличивается.

2. У межвидовых гибридов морфология петель такая же, как и у вида -

донора Y-хромосомы.

Более детальный анализ показал, что гены ферментильности самцов

локализованы в петлях.

1.Сначала были установлены корреляции между числом генов и петель. Затем,

используя хромосомные – перестройки, установили прямое соответствие в их

локализации. Так, фактор kl-5 соответствует петле А, поскольку и петля, и

фактор располагаются между точками разрывов одних и тех же перестроек (см.

рис. 3). Фактор kl- 3 расположен в петле B, ks-1 - в петле С.

2. При удалении делециями хотя бы одной петли самец становится

стерильным.

После получения клонов ДНК из Y-хромосом дрозофил появилась возможность

анализа молекулярной организации этой хромосомы. Общая длина петель

составляет около 1000 мкм, или 1/12 всей длины ДНК в Y-хромосоме. Функции

остальных 11/12 пока неизвестны. В состав ДНК Y-хромосомы входят два типа

повторенных последовательностей.

[pic]

Рис. 3. Общий вид ядра спермотоцита у самца Drosofilia hydei (из [1],

с.62). TR, P, THD, CL, THP, NS – названия петель, С – центромера, N -

ядрышко

Вывод:

Таким образом, муха Дрозофила играет большую роль, как объект

генетических исследований. Исследование ее генов принесло известность

многим генетикам. Изучая гены Дрозофилы, ученые открыли много законов,

таких как: закон Моргана - сцепленного наследования генов и закон Менделя.

К тому же у Дрозофилы нашли много различных генов, отвечающих за

наследование некоторых признаков. В последствии многие из этих открытий

применялись к людям. И если бы не было этих мух, ученые еще долго бы не

открыли законы наследования у людей.

Таблица 1.

|Свойства |Эухроматин |Гетерохроматин |

|Доля генома |67% |33% |

|Расположение в |Плечи хромосом |В прицентромерных областях,|

|хромосомах | |вся Y-хромосом |

|Состояние компактности в|В ходе митотического|На протяжении всего |

|клеточном |и мейоти- |клеточного цикла |

|Цикле |ческого делений | |

|Компактизующее влияние |Не оказывает |Участки эухроматина, |

|на приближен | |приближенные к гетеро |

|ные участки хромосом | |хроматину, также становятся|

|(эффект положе | |компактными, |

|ния мозаичного типа) | |гены в них инактивируются |

|Способность объединяться|Не отмечена |Гетерохроматиновые участки |

|с другими | |объединяйте; |

|районами хромосом | |образуя хромоцентры |

|Образование хромосомных |Обычная частота |Повышенная частота |

|перестроек |обнаружения |обнаружения |

|Расположение в клеточном|По всему объему ядра|Главным образом на ядерной |

|ядре | |оболочке |

|Время синтеза ДНК в |Первые 3/4 периода |Последняя половина |

|клеточном цикле |синтеза ДНК |S-периода. Завершени |

| |в интерфазе |процесса репликации ДНК |

| |(S-периода) |сильно задержано |

|Дифференциальная окраска|Отсутствие окраски |Интенсивная окраска |

|специфичес | | |

|кими красителями | | |

|(С-окраска) | | |

|Фракции ДНК по степени |-90% уникальных |Основная масса ДНК |

|повторенности |последователь |представлена высокопое |

| |ностей и -10% |торенными фракциями, в |

| |умеренно повто |меньшей степен |

| |ренных |умеренными повторами и |

| | |совсем мало уникал! |

| | |ных последовательностей |

|Наличие особых |Почти отсутствует |Обильно присутствует по |

|компактизующих бел | |всему гетерохромг |

|ков, например белка НР1 | |тину |

|Варьирование количества |Заметное |Варьирование количества |

|материала в |варьирование не обна|гетерохроматина un |

|хромосомах |ружено |роко представлено в каждой |

| | |хромосоме |

|Генетическое содержание |Основная часть всех |Гены почти отсутствуют |

| |генов генома | |

| |локализована в | |

| |эухроматине | |

Литература:

«Соросовский Образовательный Журнал» том 6 №2 2000

И. Ф. Жимулев «Молекулярная и генетическая организация гетерохромотина в

хромосомах дрозофилы».

Биология №14 1996.

А.А. Замятнин «Хромосомные матрицы, или Ода в честь плодовой мушки-

дрозофилы»

Газета «Поиск» №11 2001

Страницы: 1, 2