Проблемы и перспективы молекулярной генетики. Том 1 - Свердлов Е.Д.
ISBN 5-02-002753-7
Скачать (прямая ссылка):
Особый интерес к гетерохроматину не ослабевает в связи с исследованиями явления эффекта положения гена, который представляет собой многообещающую модельную систему для понимания молекулярных механизмов эпигенеза. Классическим объектом исследования эффектов положения генов, несмотря на обнаружение этого явления и у млекопитающих, остается дрозофила (Lyko, Раго, 1999).
Функция сконцентрированных в гетерохроматине разных типов повторов не выяснена или вскрыта далеко не до конца. К ним относятся так называемые сателлитные ДНК, содержащие повторы от нескольких нуклеотидных пар до сотен нуклеотидных пар, а также разные типы потенциально подвижных элементов. В гетерохроматин помещены также жизненно важные для каждой клетки тандемно повторяющиеся гены, кодирующие рибо-сомные РНК. Вряд ли можно дать исчерпывающий ответ на вопрос, почему рибосомные гены и подвижные (или когда-то бывшие подвижными) элементы сконцентрированы в гетерохроматине. Характер распределения сгруппированных подвижных элементов по гетерохроматиновым районам хромосом дрозофилы одинаков в разных линиях и, следовательно, скорее всего “рисунок” их распределения поддерживается отбором (Pimpinelli et al., 1995). Образование таких кластеров подвижных элементов в гетерохроматине отражает процессы эволюции генома.
Исследование возникновения кластеров гетерохроматиновых повторов и экспрессии отдельных повторов в составе кластера представляется важным для выявления особенностей функционирования генов и в эухромати-не. Актуальность таких исследований подчеркивается наблюдениями за трансгенами, искусственно вводимыми в геном. Недавно было показано, что трансгены, представленные рядом тандемно повторяющихся генов, могут быть неактивными (Garrick et al., 1998). Однако после удаления большой части генов из кластера остающиеся гены реактивируются. Это наблюдение указывает на роль повторяющихся последовательностей ДНК в функционировании генов и способности локально амплифицировнных участков ДНК приводить к инактивации генетического материала. Кроме того, оказалось, что искусственное введение в геном добавочного числа генов (например, в биотехнологических целях), рассеянных по геному, может приводить не к увеличению общего количества кодируемого ими белка, а, напротив, к их общей инактивации (явление косупрессии) (Henikoff, Matzke, 1997). Поэтому вопросы о механизмах регуляции активности транскрибируемых гетерохроматиновых повторов могут иметь непосредственное отношение к проблеме взаимной инактивации повторов, присутствующих в эухроматиновых районах генома. Проблема исследования возникновения и регуляции активно-
16
сти самих гетерохроматиновых повторов и прилегающих к ним генов составляет один из важных разделов исследований молекулярной эволюции геномов и механизмов эпигеномной изменчивости.
Изучаются следующие нерешенные вопросы, касающиеся эволюции и функции гетерохроматина.
1. Возникновение гетерохроматиновых повторов и их эволюция, в том числе проблемы “согласованной эволюции” единиц тандемных повторов; представление о “согласованной эволюции” возникло на основании анализа кластеров повторов у близких видов, когда выяснилось, что различие в нуклеотидной последовательности повторов данного типа для каждого отдельного вида невелико, тогда как межвидовые различия оказываются значительными (Liao, 1999).
2. Взаимодействие гомологичных гетерохроматиновых элементов в геноме и молекулярная природа инактивации повторяющихся генов.
3. Характер и закономерности инактивации генов, обусловленные их соседством с гетерохроматином, приводящие к известному явлению - эффекту положения генов, который проявляется как нестабильная, обратимая инактивация генов.
4. Пространственное расположение хромосом в ядре, обусловленное взаимодействием сегментов гетерохроматина, и активность генов.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ БЛОКОВ ГЕТЕРОХРОМАТИНА В ГЕНОМЕ ЭУКАРИОТ
Структурные исследования гетерохроматина необходимы, с одной стороны, для понимания закономерностей возникновения гетерохроматиновых блоков, а с другой, как необходимый материал для дальнейших функциональных исследований этого компонента генома. Секвенированные геномы нематоды (Caenorhabdites elegans) и дрозофилы (Drosophila melanogaster) схожи по размерам и общему числу генов. Однако у нематоды отсутствует развитый гетерохроматиновый компонент и не обособлены прицентромер-ные районы. Напротив, у дрозофилы прицентромерный гетерохроматин составляет значительную часть хромосомы (до 50% в Х-хромосоме). Причины этих различий структур генома дрозофилы и нематоды остаются загадкой. Вопрос о первых этапах становления гетерохроматина у дрозофилы, как и всех высших эукариот, также покрыт тайной неизвестности.
В наших исследованиях рассмотрена эволюция отдельных блоков гетерохроматина X- и Y-хромосомы, представленных повторами двух типов:
1) повторяющиеся друг за другом гомологичные гены (тандемные повторы). Особенности эволюции этих повторов различаются в X- и Y-хромо-сомах. Интерес к этим повторам обусловлен их необычным взаимодействием, определяющим важную биологическую функцию - плодовитость самцов. Сверхэкспрессия повторов Х-хромосомы в отсутствие Y-повторов, приводит к стерильности самцов, а Y-повторы, подавляя экспрессию повторов Х-хромосомы, обеспечивают плодовитость особей. Таким образом, взаимодействие гетерохроматиновых повторов, молекулярный механизм которого представляет большой интерес, может играть существенную роль в судьбе популяции;
