Рекомбинации и изменчивость генома
Главный фактор непостоянства генома - процессы генетической рекомбинации, "законные" и "незаконные" ( Хесин, 1984 ). Их роль не сводится к тривиальному перемешиванию мутантных аллелей разных генов, возникших ранее в результате мутирования вне собственно рекомбиногенеза. В последние годы на очень обширном экспериментальном материале вскрыто принципиальное значение рекомбинационных событий не только в генерировании действительно новой наследственной изменчивости (а значит, и эволюции), но и в онтогенезе. Приведем примеры того и другого.
I. Незаконная рекомбинация обеспечивается "необязательным" компонентом генома - МГЭ: инсертосомами (Is) и транспозонами (Tn) бактерий, мобильными диспергированными генами (МДГ) дрозофилы, блуждающими элементами у дрожжей, контролирующими элементами кукурузы, проретровирусами позвоночных и т.п. Их доля в геноме может быть очень внушительной; например, основным компонентом класса умеренно повторяющейся ДНК у дрозофилы являются семейства МДГ, которые в сумме насчитывают до 20% всего генома ( Jelinec, Schmidt, 1982 ; Хесин, 1984 ). В геноме приматов и человека больше половины всех дисперсных коротких (порядка 300 п.н.) повторов (больше 500 тыс. копий, т.е. около 6% генома) приходится на Alu- последовательности, которые, по-видимому, являются дисперсными вариантами псевдогенов, возникших из процессированных РНК с помощью обратной транскриптазы ( Sharp, 1983 ).
Отличительное свойство МГЭ - способность к автономной репликации, независимо от плазмиды или хромосомы, в которой они локализованы. Механизмы репликации могут быть различны, но результат почти всегда один и тот же: новые копии МГЭ появляются в других сайтах генома без утраты родительского экземпляра. Однако для многих МГЭ, в отличие от репликативной транспозиции in vitro (в культуре клеток), in vivo этот процесс не приводит к их безудерному "эгоистичному" размножению, а находится под жестким контролем.
Так, к представителям почти бескомпромиссного молекулярного паразитизма принято относить мобильный P-элемент Drosophila melanogaster ( Snyder, Doolitle, 1988 ). Его геном насчитывает всего 2907 п.н. и содержит единственный ген, состоящий из четырех экзонов, трех интронов и двух фланкирующих последовательностей с 5'- и 3'-концов ( рис. 3 ). Транскрипция, сплайсинг интронов, процессинг фланкирующих участков и последующая трансляция дают в итоге активную форму фермента транспозазы длиной в 751 аминокислотный остаток. Транспозаза, связываясь с ДНК P-элемента в области инвертированных терминальных повторов длиной в 31 п.н., и катализирует "эгоистичную" репликацию элемента. Однако нормальный сплайсинг третьего интрона, необходимый для синтеза полноценной транспозазы, происходит лишь в герминативных клетках. В соматических тканях этот процесс блокирован, и в результате с P-элемента в геноме дрозофилы считывается усеченный белок длиной в 576 аминокислотных остатков, которые образуются из продуктов первых трех экзонов и добавочного короткого (15 аминокислотных остатков) полипептида, кодируемого начальным сегментом третьего интрона до первого стоп-кодона. Соматические транспозиции наблюдаются только тогда, когда третий интрон делетирован точно по концам (например, путем мутагенеза in vitro), так что все четыре экзона транслируются в данном случае без искажений, в одной рамке считывания.
Если скрестить при 290С самцов дрозофилы, имеющих активный P-элемент ("P-самцов"), с самками без него ("М-самками"), то потомство окажется полностью стерильным. При более низких температурах часть потомства от таких же скрещиваний сохраняет фертильность, но демонстрирует множество всяческих аномалий, в том числе резко возросшие уровни мутаций и хромосомных аберраций. В реципрокных скрещиваниях, где поставщиком активно транспозируемых Р-элеменов являются самки, этот феномен - гибридный дисгенез - не зарегестрирован. Очевидно, что какие-то свойства материнской цитоплазмы ("P-цитотип") ингибирует репликативные транспозиции P-элементов в клетках зародышевого пути. Наоборот, в дисгенетических скрещиваниях отцовские P-элементы попадают в М-цитотип, не препятствующий синтезу активной транспозазы, в результате чего мы и наблюдаем различные синдрому гибридного дисгенеза. Некоторые фактические данные заставляют предположить, что, по всей видимости, именно дефектные усеченные продукты единственного гена P-элементов и играют роль репрессора их транспозиции в P-цитотипе ( Snyder, Doolitle, 1988 ).
II. Накапливается все больше данных о рекомбинационном принципе регуляции активности очень многих МГС про- и эукариот. Наиболее детально исследованы:
1) инверсионная система переключения синтеза флагеллинов (H1 --> H2) у Salmonella typhimurium; такая же инверсионная смена ориентации небольшого сегмента ДНК позволяет некоторым фагам (Mu, PI и др.) менять круг хозяев;
2) транспозиционная ("кассетная") система переключения типов спаривания у дрожжей Saccharomyces cerevisiae;
3) сходная с предыдущей система переключения поверхностно-клеточных гликопротеиновых антигенов африканских трипаносом, вызывающих сонную болезнь;
4) целый каскад локальных рекомбинационных актов, ведущих к образованию зрелых генов для синтеза легких и тяжелых цепей иммуноглобулинов в ходе дифференцировки В-лимфоцитов.
III. Гомологичная рекомбинация , как и любой другой молекулярно-генетический процесс, допускает сбои. Основной класс таких ошибок - дупликации и делеции фрагментов ДНК самой разной длины и функциональной значимости, и одним из главных их поставщиков является процесс неравного кроссинговера.
Замечательной динамической особенностью этого процесса является его самоускоряющийся, автокаталитический характер, когда первичная дупликация порождает мультипликацию и вообще, чем больше уже возникло тандемных копий, тем больше вероятность неравного кроссинговера на следующем этапе. Роль пускового механизма в этом процессе может играть репликативная транспозиция МГЭ, порождающая повторенные последовательности. Таким образом, неравный кроссинговер рядов из тандемных повторов и репликативная транспозиция дисперсных повторов суть тесно взаимосвязанные процессы, которые, действуя совместно, резко увеличивают рекомбинационную нестабильность генома.
Однако, для спонтанной первичной дупликации нет необходимости в протяженных участках гомологии. Доказательством может служить мультипликация гена ampC у E.coli ( Edlund, Normark, 1981 ). Синапсиса со сдвигом прямых повторов длиной всего в 12 п.н., обрамляющих ген ampC, достаточно для дупликации, а затем мультипликации этого гена. Впрочем, столь же "легко" - через короткие повторы - могут происходить и делеции, как, например, в случае рекомбинации между несовершенными повторами длиной 17 п.н. в lac-опероне E.coli ( Albertini et al., 1983 ).
Понятно, что особо уязвимы с точки зрения вероятности быть делетированными в результате смещенной рекомбинации тандемные повторы большой длины. Эти делеции могут происходить не только через неравный кроссинговер между гомологичными хромосомами или сестринскими хроматидами, но и благодаря вырезанию кусков ДНК в пределах одной хроматиды и образованию кольцевых молекул.
