Синдром гибридного дисгенеза у Drosophila melanogaster

эффект на нерасхождение хромосом и эмбриональную смертность, усиливая их,

присутствие мутации mei-41 значительно снижало появление хромосом с P-

элементами. Эти эффекты наблюдали только у мух с M-цитотипом, что

демонстрирует их обусловленность синдромом гибридного дисгенеза. На

основании этих результатов сделан вывод, что дефекты в процессе

пострепликативной репарации (мутация mei-41) усиливают те из проявлений

гибридного дисгенеза, которым сопутствуют события клеточной гибели и

доминантной летальности (Slatko et al., 1984). Однако, ни пострепликативная

репарация (мутация mei-41) ни эксцизионная репарация (мутация mei-9) не

влияют на уровень рекомбинации у самцов и частоту инсерций. В то же время

показано, что в присутствии мутаций mei-9 и mei-41 резко повышается уровень

индуцированных гибридным дисгенезом видимых мутаций, в том числе, в локусе

singed (Eeken, Sobels, 1981). Важность путей пострепликативной и

эксцизионной репарации для репарации повреждений, индуцируемых при

транспозициях P-элемента, подтверждается исследованием уровня стерильности

в скрещиваниях с использованием линий mei-9 и mei-41 (Margulies, 1990).

Показано, что при скрещивании мух, имеющих нарушение системы репарации, с

мухами, имеющими активные P-элементы в геноме, наблюдается высокий уровень

термочувствительной стерильности, низкая плодовитость и преждевременное

старение клеток зародышевой линии самцов (Margulies, 1990).

Следующая из рассматриваемых систем гибридного дисгенеза связана с

активностью hobo-элемента (Yannopoulos et al., 1987). Hobo-элемент

перемещается через образование ДНК-посредника и принадлежит к семейству

hobo-Ac-Tam3 (hAT) (Calvi et al., 1991). Полный hobo-элемент имеет длину

2959 п.н. (Blackman et al., 1989). Он несет два инвертированных концевых

повтора по 12 п.н. и образует дупликацию в сайте инсерции размером 8 п.н.

(McGinnis, 1983). Транспозиции hobo-элемента в H-E системе гибридного

дисгенеза специфичны для клеток зародышевого пути, хотя может наблюдаться

слабая активность hobo в соматических тканях эмбрионов (Calvi, Gelbart,

1994; Handler, Gomez 1995). Подобно P-элементу, активность hobo ограничена

зародышевыми клетками из-за отсутствия транспозазы в соматических тканях.

Однако, в отличие от P-элемента, тканеспецифическая транспозиция hobo

регулируется выработкой транспозазы на уровне транскрипции (Calvi, Gelbart,

1994).

Классификация линий в H-E системе гибридного дисгенеза основана на

присутствии или отсутствии полноразмерного hobo-элемента. Используя этот

критерий, линии классифицируются как: (1) H-линии (Hobo), когда

молекулярными методами определяют наличие полноразмерных hobo-элементов;

они также содержат элементы с внутренней делецией; (2) DH-линии (Deleted

Hobo), когда определяются только делетированные элементы; (3) E-линии

(Empty), которые не имеют ни полных, ни делетированных копий элемента hobo.

В дополнение, линии могут быть классифицированы по их способности

индуцировать гонадную атрофию (Bazin, Higuet, 1996). Дисгенная стерильность

зависит не только от H-, но и от E-линий. Для H-E системы гибридного

дисгенеза характерно также отсутствие корреляции между различными

дисгенными событиями (Bazin, Higuet, 1996).

Механизмы регуляции транспозиций hobo-элементов несколько отличаются

от механизмов регуляции активности P-элементов, однако, схожесть строения и

функций этих элементов может предполагать изменение функционирования hobo-

элементов в H-E системе гибридного дисгенеза в ответ на действие

ионизирующего облучения, как это показано для P-M системы. В пользу

предположения о респонсивности hobo-элементов на действие внешних факторов

свидетельствуют также данные об изменении характеристик в H-E системе

гибридного дисгенеза у некоторых длительно селектируемых по адаптивным

признакам линий Drosophila melanogaster (Кайданов и др., 1994). Согласно

этим данным, низкоактивные линии характеризуются повышенной способностью

индуцировать дисгенную стерильность и пониженной способностью

репрессировать гибридный дисгенез. Линии с высокими адаптивными

показателями не индуцируют дисгенную стерильность, но существенно

репрессируют ее. Возможно, что эти различия определяются разным составом

фракций hobo-элемента и разной локализацией его копий в геноме. Выявляется

достоверная корреляция между половой активностью самцов соответствующих

линий и их репрессионным потенциалом. Низкоактивные линии характеризуются

исключительно высокой частотой спонтанного мутирования (высокой частотой

возникновения рецессивных сцепленных с полом и аутосомных мутаций, поздних

эмбриональных леталей). В основе этого явления лежит механизм перемещения

по геному мобильных hobo-элементов. Низкоактивная линия содержит

полноразмерные копии hobo-элементов, способных к синтезу транспозазы и

транспозициям. У этой линии обнаружены закономерные изменения в числе и

локализации в геноме ретротранспозонов, которые связаны с

приспособленностью линий. Возможно, что мобильные генетические элементы

являются составной частью генотипа селектируемых линий, обеспечивающих

стратегию вредных последствий отбора и инбридинга. И хотя дестабилизация

hobo-элемента сама по себе не вызывает изменения приспособленности линии,

выявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов

соответствующих линий и их репрессионным потенциалом (Кайданов и др.,

1994). Это предполагает возможную роль H-E системы гибридного дисгенеза в

формировании генетических механизмов связанных с приспособленностью к

внешним условиям и уровнем генетической изменчивости.

I-R система гибридного дисгенеза обусловлена активностью I-элемента

(Bucheton et al., 1984), который относится к классу ретропозонов или LINE-

подобных элементов (Fawcett et al., 1986; Pelisson et al., 1991).

Полноразмерный I-элемент имеет длину 5371 п.н. Перемещение I-элемента

происходит через образование РНК-посредника с использованием обратной

транспозазы, которая кодируется самим элементом (Chaboissier et al., 1990;

Fawcett et al., 1986). По отношению к I-R системе гибридного дисгенеза

линии Drosophila melanogaster подразделяются на два типа. I-линии (Inducer)

или индукторные и R-линии (Reactive) или реактивные. В геноме I-линий

содержится 10-15 копий полноразмерных I-факторов, которые распределены по

всем хромосомам (Bucheton et al., 1984). Активация I-элемента происходит в

скрещиваниях самцов из I-линий, которые имеют I-цитотип с самками из линий

с R-цитотипом, в скрещиваниях I-самок с R-самцами I-элемент не активируется

(Bucheton et al., 1984). Дисгенные нарушения наблюдаются только в яичниках

у гибридных самок, в то время как у гибридных самцов таких нарушений не

наблюдается. Регуляция активности I-фактора в клетках зародышевой линии

осуществляется на уровне инициации транскрипции или стабильности РНК

(Chaboissier et al., 1990). Частота транспозиций I фактора в дисгенных

скрещиваниях регулируется уровнем реактивности R-самок (Udomkit et al.,

1996). В соответствии с этим критерием различают линии со слабым, средним

или сильным уровнем реактивности. Уровень реактивности определяется

клеточным состоянием в зрелом ооците R-самки и наследуется преимущественно

по материнской линии. Уровень реактивности связан с механизмами репарации и

рекомбинации и усиливается при действии ДНК повреждающих факторов. Так

показано, что действие ингибиторами синтеза ДНК и гамма лучами усиливает

уровень реактивности сходным образом (Bregliano et al., 1995). В то же

время, уровень реактивности коррелирует с частотой кроссинговера и

эффективностью репарации (Laurenзon et al., 1997). Это позволяет

предположить, что уровень реактивности является одним из проявлений единой

индуцибельной репарационно-рекомбинационной системы (Bregliano et al.,

1995). Биологическая роль которой может быть аналогична SOS-ответу у

бактерий, и заключаться в модификации уровня изменчивости в ответ на

изменение условий окружающей среды (Bregliano et al., 1995). Предложено

называть эту систему VAMOS (от англ. variability modulation system,

система

модуляции изменчивости) (Laurenзon et al., 1997). Молекулярные

механизмы, участвующие в формировании этой системы еще не выяснены, однако

наиболее вероятным представляется участие генов, которые одновременно

контролируют процессы рекомбинации и репарации (Laurenзon, Bregliano,

1995). Из известных на сегодняшний день генов в определении уровня

реактивности наиболее вероятно участие генов mei-9+ и mei-41+ (Laurenзon,

Bregliano, 1995). Дальнейшее исследование роли, которую играет VAMOS в

контроле генетической изменчивости при неблагоприятных условиях окружающей

среды, может существенно прояснить работу молекулярных механизмов

адаптации.

Дисгенные нарушения в рассмотренных системах гибридного дисгенеза в

основном обусловлены транспозициями и эксцизиями мобильных элементов в

развивающихся зародышевых клетках. Высокая частота хромосомных перестроек и

рекомбинации у самцов происходят преимущественно в сайтах инсерции МГЭ

(Engels, Preston, 1984; Sved et al., 1990). Повышенный уровень мутаций

происходит от инсерционных мутаций и других индуцированных транспозициями

МГЭ изменений в геноме.

Явление гонадной атрофии

Активация мобильных элементов в системах гибридного дисгенеза

вызывает, среди прочих нарушений, особый вид стерильности гибридов,

которая обусловлена недоразвитием гонад (Bregliano et al., 1980). Дисгенная

стерильность по-разному проявляется в трех системах гибридного дисгенеза. P-

M дисгенез приводит к недоразвитию яичников у гибридных самок и самцов (GD-

стерильность) (рис. 1) (Kidwell et al., 1977; Schaeffer et al., 1979), в I-

R системе, не происходит изменения морфологии гонад, но увеличивается

уровень дефектных яиц и частота гибели эмбрионов (SF-стерильность)

(Pelisson, 1979). Активация hobo элементов в H-E системе гибридного

дисгенеза приводит как к недоразвитию гонад у самок и самцов первого

поколения, так и к высокому уровню доминантных леталей среди отложенных

яиц.

Стерильность является следствием потери зародышевых клеток на стадиях

раннего эмбриогенеза и личинки (Niki, Chigusa, 1986). Для P-M гибридного

дисгенеза гибель зародышевых клеток

значительно усиливается при повышении температуры до 29 (С (Simmons et al.,

1987).

Атрофия гонад одно из характерных и интенсивно изучаемых аспектов P-

M и H-E систем гибридного дисгенеза. GD-стерильность является следствием

вымирания клеток в примордиальной зародышевой линии возможно из-за

хромосомных разрывов, опосредованных активностью P-элемента (Niki, Chigusa,

1986). Однако ни кинетика гибели зародышевых клеток, ни число клеток,

которые должны быть элиминированы для появления GD-стерильности не

известно. Первые признаки стерильности появляются уже у 5-6 часовых

эмбрионов. Максимальный уровень гибели клеток наблюдается на личиночной

стадии развития, когда зародышевые клетки испытывают экспоненциальный рост,

но некоторые умирающие клетки были обнаружены до деления клеток зародышевой

линии (Niki, Chigusa, 1986). Механизм гибели клеток может быть обусловлен

разрывами хромосом, имеющими летальный эффект. Следствием этого является

отсутствие половых клеток в яичниках и семенниках и общее недоразвитие их у

взрослых гибридных самок и самцов. Гибриды могут быть полностью стерильны,

если редуцированы обе железы и частично фертильны, если атрофирован один

семенник или яичник (рис.2) (Kidwell et al., 1977). Не атрофированные

гонады у дисгенных гибридов часто отстают в своем развитии и содержат

меньшее число яиц или сперматоцитов по сравнению с недисгенными особями

(Ashburner, 1989). Степень выраженности гонадной атрофии сильно зависит от

температуры, при которой идет развитие гибридов. В отношении Р-М

системы атрофия наиболее значительна при 29( С у самок и при 27( С у

самцов, а при 24( С и ниже практически отсутствует (Kidwell et al., 1977;

Engels, Preston, 1984). Для Н-Е системы характерна наиболее сильная атрофия

при 25( С и наименьшая при 29( С (Stamatis et al., 1989). При более низких

температурах АГ наблюдается в меньшей степени. Количество и размерность

копий Р- и hobo-элементов так же сильно влияют на способность линий

индуцировать гибридный дисгенез, в связи с чем, частота гонадной атрофии

может изменяться от нескольких до ста процентов (Yannopoulos et al., 1987;

Kidwell et al., 1988; Rasmusson et al., 1993).

Активность мобильных элементов в P-M и H-E системах гибридного

дисгенеза обусловливает мутабильность некоторых нестабильных локусов. В P-M

системе наибольшую известность получил локус singed-weak (Engels, 1989), в

H-E системе локус vgal (Bazin et al., 1993) и сконструированный маркерный

элемент h(w+) (Calvi, Gelbart, 1994). Аллель snw обусловлена инсерцией двух

дефектных P-элементов и делеция одного или другого из этих элементов в

присутствии транспозазы полноразмерных элементов приводит к появлению

соответствующих производных аллелей sne и sn(+).Повышенная мутабильность

локуса vgal обусловлена активацией дефектных копий hobo в присутствии

активных элементов этого семейства. Генетически сконструированный маркерный

элемент h(w+) представляет hobo-элемент с встроенным геном mini-white,

который определяет оранжевую окраску глаз (Calvi, Gelbart, 1994). Маркерная

white линия несет в X-хромосоме два сконструированных элемента h(w+). Это

обусловливает оранжевый фенотип цвета глаз, но при эксцизии одного из

элементов цвет становится менее выраженным (Calvi, Gelbart, 1994). Линии с

нестабильными аллелями широко используются при оценке активности P и hobo-

элементов в дисгенных скрещиваниях, и частота мутирования этих аллелей

служит дополнительным количественным критерием.

Таким образом, контроль активности мобильных генетических элементов в

системах гибридного дисгенеза тесно взаимосвязан с механизмами транспозиций

и репарации генетических повреждений. Это обусловливает чувствительность

гибридного дисгенеза к действию внешних факторов и его модификацию

различным генетическим фоном. Существующие предпосылки позволяют

рассматривать синдром гибридного дисгенеза не только как показатель

активности некоторых семейств мобильных генетических элементов, но и как

целостную генетическую систему, обеспечивающую контроль генетической

изменчивости генотипа в неблагоприятных условиях.

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

Рис. 2. Морфология половой системы самки Drosophila melanogaster в

условиях синдрома гибридного дисгенеза

Нормальный яичник

Атрофированный яичник

Хинтгут

Анальные

пластинки

Вагинальные пластинки

Вагина

Утерус

Семяприемник

Общий яйцевод

Пароварии

Сперматеки

Боковой яйцевод

[pic]

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2