5.3. Транспозиции
Традиционные представления о стабильности геномов, сложившиеся в рамках классической генетики, были существенно поколеблены после открытия мобильных (мигрирующих) генетических элементов (МГЭ). МГЭ – это структуры, которые могут перемещаться в пределах генома и переходить из генома в геном. Они могут встраиваться в различные области хромосом эукариот, ДНК и плазмид прокариот. Процесс перемещения МГЭ получил название транспозиции.
МГЭ были открыты Б. Мак-Клинток у кукурузы еще в 1940-е гг. (рис. 5.6), однако ее сообщение было встречено с большим недоверием генетиков. Развитие молекулярной генетики подтвердило наличие подобных структур сначала у прокариот, а затем и у эукариотических организмов. Только в 1983 г. за свое выдающееся открытие Б. Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии.
Рис. 5.6. Впервые мобильные генетические элементы были обнаружены у кукурузы
У прокариот выделяют два вида МГЭ.
Инсерционные последовательности (IS) – небольшие последовательности ДНК (700–2000 п. н.), имеющие на концах короткие (10–40 п. н.) схожие последовательности, расположенные в обратном порядке (инвертированные повторы).
IS несут гены, связанные только с транспозицией. При транспозиции участок ДНК хозяина в сайте-мишени (5–9 п. н.) удваивается и окаймляет IS прямыми повторами, т. е. одинаково ориентированными (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Схема внедрения IS в ДНК хозяина:
1 – удвоенный сайт-мишень ДНК хозяина; 2 – инвертированные повторы; 3 – центральная область IS; 4 – ДНК клетки-хозяина
Бактериальная клетка обычно имеет множество IS. Наличие идентичных IS в различных бактериальных генетических структурах создает основу для их взаимодействия, интеграции и генетического обмена по принципу сайт-специфической рекомбинации.
Транспозоны (Tn) – более сложные структуры (2000–20 000 п. н.), в средней части имеющие различные гены, не обязательно связанные с транспозицией.
Tn с каждой стороны имеют плечи (или модули), которые являются IS, в прямой или инвертированной ориентации (рис. 5.8). Поскольку IS всегда имеют инвертированные повторы, то и Tn имеют их на своих краях. Большие транспозоны группы TnА плеч не имеют, но инвертированными повторами (38 п. н.) все равно окаймлены.
Вероятно, Tn возникли путем объединения двух первоначально независимых IS и области между ними (Shapiro J., 1983). Многие транспозоны несут гены устойчивости к антибиотикам. Процесс транспозиции у бактерий включает дупликацию транспозона, при этом одна копия остается на старом месте, а другая возникает на новом.
Термин «транспозоны» в настоящее время обычно применяют ко всем МГЭ.
Рис. 5.8. Прямая (а) и инвертированная (б) ориентация плеч транспозонов
Структуры, аналогичные транспозонам бактерий, обнаружены у дрожжей, кукурузы, дрозофилы и других эукариотических организмов. Для них характерны типичные признаки транспозонов – инвертированные повторы и дупликация сайт-мишени. У дрожжей структуры Ty (Transposon yeast) встречаются в среднем в количестве 30–35 на клетку. Они имеют типичную структуру бактериального транспозона с плечами по 330 п. н. Такую же структуру имеют и самые первые из открытых МГЭ у кукурузы (около 5000 п. н.), получившие при открытии название «контролирующие элементы». У дрозофилы были обнаружены многочисленные транспозоноподобные структуры – МДГ (мобильные диспергированные гены). Одной из возможных функций МДГ является создание изолирующих барьеров для скрещивания на пути к видообразованию.
Развитие методов молекулярной генетики показало широкое распространение МГЭ в геномах высших животных, в том числе и у человека. Их доля в геномах оказалась значительно выше, чем предполагалось ранее. В своем большинстве они являются эволюционным наследием и обусловлены внедрением вирусного или бактериального генома в клетки эукариот миллионы лет назад. В первую очередь, это относится к ретровирусам, способным строить на своей РНК комплементарную ДНК и таким образом внедряться в чужой геном. Встраиваемая в геном ДНК-копия называется провирусом. Подавляющее большинство провирусов не функционируют (не экспрессируются), но при определенных воздействиях некоторые из них способны активироваться, что может представлять опасность для макроорганизма.
Хотя наличие МГЭ и у прокариот, и у эукариот указывает на их общебиологическое значение, окончательно не решен вопрос об их функциях. Феномен транспозиции представляет большой теоретический интерес, независимо от конкретной функции МГЭ. Их важная роль в эволюции уже не подлежит сомнению. Так, показана близость сайтов внедрения МГЭ и хромосомных перестроек. Поскольку МГЭ могут создавать диффузные области гомологии, их копии в разных местах генома обеспечивают возможность реципрокной сайт-специфической рекомбинации. Такие обмены могут приводить к различным хромосомным перестройкам (делециям, инверсиям, транслокациям), изменять систему регуляции генов. Стимулируя хромосомные перестройки, транспозоны могут изменять экспрессию соседних генов. Такая реорганизация играет существенную роль в эволюции геномов.
Показан резкий рост числа транспозиций в популяциях дрозофилы при стрессовых воздействиях, что можно рассматривать как модель быстрой регуляции активности генома при изменении условий существования (Ратнер В. А., 2002).
В настоящее время наметилась тенденция оставить понятие «мутация» только за генными мутациями, а хромосомные и геномные мутации рассматривать как варианты генетической рекомбинации. Терминологическая проблема возникла из-за традиционного понимания мутации как нерегулярного события, а главное, как отклонения от нормы. Однако дупликации, инверсии, транслокации, центрические слияния, полиплоидия неразрывно связаны с эволюцией геномов. С эволюционной точки зрения хромосома – это непостоянная структура, а лабильность – естественное состояние генома (Хесин Р. Б., 1984).
Все вирусы представляют собой «мобильные гены». Вирусы, плазмиды, транспозоны можно рассматривать в русле единого явления в эволюции генетической системы. Все эти структуры не только сами способны перемещаться по геному, но и могут «перетаскивать» соседние участки генома клетки-хозяина. Такое явление получило название трансдукции. Многообразие мобильных генетических структур послужило основой для гипотезы горизонтального переноса генов в эволюции. Одни генетики, допуская возможность горизонтального переноса в природе, не считают, что он играл заметную роль в эволюции. Другие, наоборот, придают ему решающее значение. Проблема горизонтального переноса генов будет рассмотрена далее.
