Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посмотрите новые поступления ... Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Генетика | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение

В начало...

Конверсия гена. Продолжение

БЕЛКИ MutS и MutL ДЕЙСТВУЮТ КАК ГЕНЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР ДЛЯ ГОМЕОЛОГИЧНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ
Еще одна функция конверсионной системы если не всей, то ее основных компонентов - белков MutS и MutL - заключается в контроле над гомеологичной рекомбинацией. Так называют кроссинговер между родственными, но дивергировавшими последовательностями ДНК. Контроль такой рекомбинации должен препятствовать нежелательным перестройкам между членами уже дивергировавших семейств генов и генетическим обменам при межвидовой гибридизации. Иными словами, он обеспечивает стабильность и целостность геномов, с одной стороны, и генетическую изоляцию - с другой.
Гетеродуплексы, формирующиеся при гомеологичных обменах, содержат множественные неспаренные основания, которые служат мишенью для коррекционной системы. Действительно, в опыте in vitro было показано, что белки MutS и MutL E. coli связываются с рекомбинационным гетеродуплексом, сформированным из цепей ДНК, дивергировавших на несколько процентов их нуклеотидного состава, и препятствуют рекомбинации путем подавления миграции ветвления (о миграции ветвления см. [1]). Но особенно показательны результаты генетических экспериментов. При скрещивании E. coli с сальмонеллой (дивергенция нуклеотидных последовательностей их ДНК составляет около 20%) частота генетических рекомбинантов снижается на четыре порядка по сравнению с внутривидовым скрещиванием. У мутантов с инактивацией белка MutS и / или MutL частота рекомбинантов возрастает в 1-3 тыс. раз, что прямо указывает на снятие блока рекомбинации. Правда, снятие блока неполное, всего на 10-30%. Последний факт можно объяснить тем, что высокий уровень дивергенции сам по себе препятствует рекомбинации: для рекомбинации необходимо, чтобы хотя бы в районе ее инициации имелся участок полной гомологии, что является существенным ограничением. Но, как бы то ни было, роль белков MutS и MutL даже на таком фоне проявляется достаточно ярко. Как полагает французский исследователь М. Радман, существуют два механизма подавления гомологичной рекомбинации этими белками. Основной механизм действует путем подавления едва начавшейся рекомбинации, запрещая миграцию ветвления, с последующим выбрасыванием внедрившейся в гетеродуплекс чужеродной ДНК с помощью хеликазы MutU. Второй механизм зависит от белка MutH, но в нем также участвуют MutS и MutL. Детали его пока не выяснены.
У дрожжей и клеток млекопитающих подавление гомеологичной рекомбинации менее выражено (не более чем в 200 раз) по сравнению с бактериями. Тем не менее обнаружено участие в этом подавлении гомологов MutS - белков MSH2 и MSH3. У дрожжей инактивация каждого из белков повышает уровень гомеологичной рекомбинации на 10-20%, тогда как у двойных мутантов она возрастает до 30%, что говорит о том, что оба белка работают независимо друг от друга.

КОНВЕРСИЯ И СИНАПСИС ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ В МЕЙОЗЕ
Описание конверсии гена будет неполным без упоминания гипотезы о ее роли в мейозе, выдвинутой А.Карпентер и другими исследователями более десяти лет назад. Согласно гипотезе, в мейозе конверсия и кроссинговер являются раздельными процессами, разобщенными во времени и играющими разные роли. Функционирование аппаратов конверсии и кроссинговера связано с особыми уплотнениями в местах контактов ДНК и синаптонемного комплекса, называемыми рекомбинационными узелками. Они бывают двух типов: ранние и поздние. Первые связаны с конверсией, вторые (их в несколько раз меньше) - с кроссинговером. По времени появления в мейозе узелки совпадают с приписываемыми им процессами. Конверсия происходит в зиготене или даже лептотене. Роль конверсии заключается в проверке гомологии между хромосомами после их временного синапсиса. Проверка осуществляется прямым сравнением последовательностей ДНК через попытку сформировать гетеродуплекс. При наличии гомологии ситуация стабилизируется при участии синаптонемного комплекса. При отсутствии гомологии хромосомы расходятся для новых попыток поиска гомологии. События кроссинговера происходят в пахитене и приводят к формированию хиазм, которые необходимы для правильного расхождения гомологов в анафазе I.
Изложенная гипотеза получила убедительные, хотя и косвенные подтверждения, полученные при изучении мутантов, дефектных по мейозу. Например, у дрожжей мутант mer1 образует нежизнеспособные аскоспоры (это означает, что у него нарушен мейоз) и дефектен по обоим типам мейотической рекомбинации и спариванию гомологичных хромосом. Если в клетку мутанта mer1 ввести на плазмиде другой ген MER2 в большом числе копий, то у него одновременно полностью восстанавливаются способность к конверсии и спариванию хромосом, но не кроссинговер и не жизнеспособность спор. Эти данные указывают на роль конверсии в поиске гомологии и на то, что синапсис - прямое следствие поиска гомологии. В то же время они свидетельствуют о роли кроссинговера в расхождении хромосом, поскольку нерасхождение хромосом в результате подавления кроссинговера приводит к утрате жизнеспособности аскоспор. И все же гипотезу о роли конверсии в мейозе рано признавать доказанной.

КАССЕТНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭКСПРЕСИИ ГЕНОВ
Этот способ переключения генов распространен в природе. Он заключается в том, что некоторые активно экспрессирующиеся гены могут заменяться на другие аллели, с помощью эктопической конверсии меняя свою последовательность на последовательность гомологичных, но неидентичных и в норме неэкспрессирующихся (молчащих) генов, несущих резервную информацию и обычно называемых кассетами. Для многих организмов это важный механизм онтогенетической изменчивости. Наиболее изучен механизм переключения типов спаривания у дрожжей.
Следует оговорить, что переключение типов спаривания - сложная система как в смысле структурной организации участвующих генетических локусов, так и в отношении генетической регуляции процесса. Из-за недостатка места рассмотрим только тот ее аспект, который непосредственно связан с участием конверсионного механизма. У гаплоидных клеток дрожжей существуют два половых типа: а и a, что соответственно определяется наличием в клетке одного из двух состояний локуса МАТ : МАТа или МАТa. При встрече клетки разных типов копулируют. У гетероталличных штаммов (ho) локус МАТ стабилен, но у гомоталличных штаммов (HO) клетки прорастающих аскоспор могут менять свой тип спаривания на противоположный с вероятностью, близкой к единице на генерацию. Это позволяет гаплоидным клеткам продуцировать клетки противоположного полового типа и затем копулировать с образованием диплоидов МАТа / МАТa. Экспрессия и МАТа, и МАТa в диплоидной клетке выключает ген НО и создает некопулирующие клетки, которые способны к мейозу и споруляции с образованием гаплоидных клеток обоих типов спаривания (2а : 2a). МАТ-локус расположен в хромосоме 3 (рис. 3, а).
Рассмотрим схему переключения локусов. В правом плече хромосомы рядом с центромерой находится экспрессируемый локус (МАТа или МАТa), определяющий тип спаривания, дистальнее находится молчащий локус - кассета HMRa (для а-типа спаривания). В левом плече находится кассета HMLa (для a-типа). Как видно из рис. 3, а, локусы МАТ более гомологичны с HMLa (все имеют районы W и Z2), чем с HMRa, который лишен их. Ключевую роль в определении типа спаривания играют районы Ya (650 п.н.) и Ya (750 п.н.). Переключение типа спаривания заключается в замене одного Y-района на другой с использованием генетической информации соответствующей кассеты.
Переключение находится под контролем гена НО, который кодирует сайт-специфическую эндонуклеазу, делающую двуцепочечный разрыв в локусе МАТ (на рис. 3, а это МАТa) на границе между районами Y и Z1 (рис. 3, а, б ). Разрыв никогда не происходит в кассетах. Разрыв инициирует конверсию Y-района, которая всегда направлена на удаление исходного Y-района и его замену районом из кассеты. Направление конверсии, очевидно, определяется наличием разрыва в реципиентном участке хромосомы. При этом донорная кассета сохраняется. Предполагаемая молекулярная модель процесса конверсии представлена на рис. 3. Нетрудно заметить ее сходство с моделью Жостака и др. (см. [1]). Однако данный процесс отличается тем, что конверсия при переключении МАТ-локусов в норме не сопровождается кроссинговером: это привело бы к гибельной для клетки делеции большого участка хромосомы. Считается, что способ разрешения рекомбинационных интермедиатов без кроссинговера может достигаться с помощью топоизомеразы I.
Сходный механизм наблюдается у африканских трипаносом и некоторых патогенных бактерий. Африканские трипаносомы - это возбудители сонной болезни у людей и болезни нагана у рогатого скота. В кровотоке хозяина поверхность трипаносомы покрыта однородной оболочкой из особого гликопротеина, являющегося антигеном. Последний бывает разных типов, и состав оболочки может меняться в результате смены гликопротеина. Поэтому он называется VSG (variant surface glycoprotein). Непрерывная смена VSG позволяет паразиту уходить от иммунного ответа хозяина. Хотя геном содержит более 1000 гомологичных, но неидентичных генов VSG, в каждой клетке экспрессируется только один. Сайт экспрессии находится в теломере одной из хромосом. С 5'-стороны к гену в сайте экспрессии примыкает район из вариабельного по числу набора 76 п.н. повторов, которые ведут себя как горячие точки рекомбинации. Замена гена VSG в сайте экспрессии происходит путем направленной конверсии, которая простирается от 76 п.н. повторов к 3'-концу гена. Реципрокный кроссинговер наблюдается в очень редких случаях.
Приведем еще один интересный пример. Известно, что гены иммуноглобулинов - антител, лежащих в основе иммунитета у позвоночных, формируются в ходе дифференцировки В-лимфоцитов путем рекомбинационной состыковки кодирующих V, (D) и J-сегментов, случайно выбранных из множества им подобных. Эта комбинаторика сегментов обеспечивает разнообразие антител в первую очередь (см. [4]). Однако это наблюдается не у всех видов. У кролика и некоторых птиц происходит состыковка одинаковых сегментов с образованием одного гена тяжелой цепи и одного гена легкой. Разнообразие генов достигается путем направленной конверсии этих двух генов за счет других иммуноглобулиновых сегментов, играющих роль доноров генетической информации, то есть в этом случае процесс также осуществляется по типу кассетного механизма.


Рис. 3. Предполагаемая схема переключения типа спаривания у гомоталличных штаммов дрожжей: а - структура и расположение локусов типа спаривания в хромосоме 3. На схеме представлена хромосома 3 в клетке a-типа спаривания. Это определяет направление переключения к а-типу. W, X, Ya, Ya, Z1 и Z2 - районы, составляющие локусы типа спаривания. Красная стрелка указывает сайт двуцепочечного разрыва в локусе МАТ, образуемого НО-эндонуклеазой; б - от двуцепочечного разрыва в локусе МАТa происходит деградация 5'-концов цепей ДНК с образованием выступающих рекомбиногенных 3'-концов (показаны полустрелками); в - образовавшиеся 3'-концы вступают в синапсис с гомологичным районом в кассете HMRa. Для этого хромосома образует петлю. Один из 3'-концов действует как затравка для репаративного синтеза (показан пунктиром) по матрице донорной последовательности Ya (выделена красным цветом); г - второй 3'-конец, несущий реципиентную последовательность Ya подвергается направленной конверсии по матрице Yа. Зеленые стрелки указывают точки разрывов для осуществляемого топоизомеразой I разрешения рекомбинационного интермедиата; д - продукт переключения - хромосома 3 с локусом МАТа

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы рассмотрели механизмы и генетический контроль конверсии гена лишь кратко коснувшись биологических аспектов этого явления. А между тем биологическое значение конверсии огромно. В эволюционном плане она имеет прямое отношение к поддержанию стабильности генетического материала. Оно осуществляется путем предотвращения кроссинговера между дивергировавшими ДНК, а также путем поддержания однородности повторяющихся последовательностей ДНК. В то же время конверсия может обеспечивать генетическую изменчивость, функционируя в направлении фиксации мутаций. Участвуя в согласованной эволюции повторов ДНК, конверсия может приводить к их общей дивергенции. Вполне вероятна и позитивная роль конверсии в осуществлении синапсиса гомологов в мейозе.
Конверсия (эктопическая) участвует в индивидуальной изменчивости организмов, так как происходит в соматических клетках многоклеточных и клетках вегетативно размножающихся одноклеточных. В качестве примера мы рассмотрели кассетный механизм переключения генов, изученный у некоторых патогенных бактерий, дрожжей, трипаносом и даже позвоночных животных.
Не следует забывать, что конверсия обогатила науку о генетической рекомбинации, результаты ее исследования лежат в основе всех современных моделей рекомбинации. В этой связи нельзя обойти вопрос о взаимосвязи между конверсией и кроссинговером. С одной стороны, из рассмотрения моделей рекомбинации следует, что конверсия является этапом общего процесса кроссинговера. С другой стороны, накоплено множество данных о том, что многие мутации рекомбинационных генов по-разному влияют на оба типа рекомбинации: одни избирательно подавляют конверсию, другие - кроссинговер. В то же время мы видим, что в одних случаях рекомбинация сводится преимущественно к кроссинговеру, например при конъюгации и трансдукции у бактерий, в других - к конверсии. Таким образом, конверсия и кроссинговер часто выступают как независимые явления. Но насколько независимые? На этот вопрос еще нет ответа. Оба процесса базируются на общих моделях. В этой связи привлекательна выдвигаемая многими исследователями и рассмотренная в этой статье идея, что конверсия и кроссинговер различаются способом разрешения полухиазмы или другого рекомбинационного интермедиата. Предполагается, и тому есть экспериментальные подтверждения, что разрешение, приводящее к конверсии, осуществляется с помощью топоизомеразы I, которая, обладая свойством разделять цепи ДНК, просто разводит гомологов (см. рис. 3). Если это так, то можно ожидать, что выбор пути, по которому пойдет рекомбинация, регулируется на уровне разрешения рекомбинационного интермедиата.

ЛИТЕРАТУРА
1. Глазер В.М. Гомологичная генетическая рекомбинация // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 7. С. 13-21.
2. Сойфер В.Н. Репарация генетических повреждений // Там же. 1997. N 8. С. 4-13.
3. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высш. шк., 1989. C. 157-160.
4. Абелев Г.И. Основы иммунитета // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 5. С. 4-10.

Рецензент статьи С.Г. Инге-Вечтомов
* * *
Вадим Моисеевич Глазер, кандидат биологических наук, доцент кафедры генетики МГУ. Автор более 100 публикаций в области генетики микроорганизмов и молекулярной генетики.


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования