О блуждающих и прыгающих генах

Долгое время биологи считали, что гены стабильны и расположены в строгом линейном порядке, как бусинки на нитке. Многие, почитав школьный учебник, будут придерживаться того же мнения, не догадываясь, что в природе существуют совершенно иные варианты. Зовут их по-разному: мобильные генетические элементы, прыгающие гены или просто транспозоны. Об истории их открытия и механизме работы — в этой статье.

В конце 1940-х годов Барбара Мак-Клинток бросила вызов существующим представлениям известным ранее способностям генов, когда обнаружила, что некоторые гены могут быть перемещаться! Но обо всем по порядку.

Родившись в семье врача Томаса Генри Мак-Клинтока, Барбара Мак-Клинток с детства была увлечена биологическими науками. В 1919 году она поступила в Корнеллский университет, где в первые годы обучения интересовалась ботаникой, но после нескольких лет обучения и прочитанных в университете курсов ее внимание привлекла генетика. Эта наука была интересна Мак-Клинток настолько, что она посвятила ей и тему своих дипломных работ (магистерской и докторской), выбрав в качестве объекта кукурузу (zea mays). Однако в то время женщинам нельзя было специализироваться по генетике в Корнеллском университете, её магистерская и докторская степени были официально присуждены по ботанике. И всё же это не помешало молодой ученой собрать группу по изучению цитогенетики растений. Среди членов этой группы и Нобелевский лауреат Джордж Бидл, и Маркус Роудс, открывший цитоплазматическую мужскую стерильность у кукурузы, и многие другие выдающиеся учёные. Именно она совместно с группой ученых разработала метод карминового окрашивания хромосом и впервые описала их морфологию в клетках кукурузы, без которой все её дальнейшие исследования не имели бы такого успеха.

Среди открытий Мак-Клинток имеется кое-что, знакомое многим со школы. В 1930 году Мак-Клинток впервые описала перекрёстный обмен участками гомологичных хромосом при взаимодействии во время мейоза (кроссинговер), а годом позднее доказала связь между мейотическим кроссинговером и рекомбинацией признаков при наследовании. Именно её исследования показали физическую основу генетических экспериментов по сцеплению генов и подтвердили гипотезу о том, что рекомбинация может происходить во время мейоза.

Летом 1944 года Мак-Клинток заинтересовала необычная окраска плодов кукурузы.

Некоторые зерновки в початке кукурузы имели желтый цвет, другие – синий, некоторые – фиолетовый. Подобное явление называется мозаицизм. Каков был механизм наследования подобной окраски? Исследования Мак-Клинток и были направлены на поиски ответа на этот вопрос.

Зная нормальную морфологию хромосом кукурузы, Мак-Клинток решила для начала изучить хромосомы линии кукурузы, у которой наблюдался мозаицизм, использовав разработанный метод визуализации. Исследователь заметила, что в мейозе у одной из линий кукурузы регулярные разрывы и воссоединения хромосом в области короткого плеча 9-й хромосомы.

Тщательно исследуя эту хромосому и участок разрыва, Мак-Клинток обнаружила, что разрыв происходит в одном генетическом локусе, который она назвала «диссоциатор» (Dissociator, Ds).

С первого взгляда кажется, что присутствие или отсутствие Ds никак не влиялет на фенотип кукурузы: цвет семян на прямую не зависел от наличия Ds. Как оказалось, вопреки своему названию, диссоциатор не просто диссоциировал или разрывал хромосому, а оказывал различные эффекты на соседние гены, но при одном условии: присутствия в хромосоме генетического локуса, названного «активатором» (Activator, Ac).

Какова же связь между Ac и Ds? Ответ на этот вопрос был дан путём дальнейшего генетического анализа. Дело в том, что пигмент, от которого зависит окраска плодов, может синтезироваться только тогда, когда работает соответствующий ген синтеза (С). Так происходит, например, у кукурузы дикого типа.

Если в ген С вставить кусок другой последовательности, то ген работать не будет и пигмент синтезироваться не сможет. Именно это и происходит, если в ген С вставляется генетический локус Ds.

В отсутствии активатора (Ac) генетический локус Ds не может двигаться: он как палка в колесах застревает в гене С и не дает ему работать. Но если Ac в этой хромосоме имеется, то он может заставить Ds переместиться. Именно в честь этой способности к перемещению подобные участки генома и были зазваны мобильными генетическими элементами (транспозонами). Причём это перемещение может в одних клетках может произойти, а в других — нет. Именно в таком случае получаются пятнистые семена. Подобный фенотип Мак-Клинток назвала нестабильным.

С некоторой вероятностью такой фенотип может приводить и к поломкам хромосом, также вызывающих изменение окраски, выглядящей немного по-другому.

Были выделены и другие варианты работы этих генов, в которых Ac сам был вставлен в ген C. В отличие от варианта c-m(Ds), который нестабилен только тогда, когда Ac находится в геноме, c-m (Ac) всегда нестабилен. Кроме того, Мак-Клинток обнаружила, что в редких случаях Ас может трансформироваться в Ds. По всей вероятности, Ds является неполной, мутировавшей версией самого Ac.

Позднее Мак-Клинток охарактеризовала диссоциатор и активатор как «контролирующие элементы», предложив теорию, согласно которой мобильные элементы влияют на гены, селективно ингибируя и регулируя их активность. К сожалению, её идеи и работы в силу их сложности не сразу были осмыслены и приняты современниками. Научные изыскания воспринимались, по её словам, как «загадочные, даже враждебные», а на ежегодном симпозиуме в Колд Спринг Харбор её работа была встречена «каменным молчанием». Через некоторое время Мак-Клинток перестала публиковать работы по этой теме.

Значимость открытий Мак-Клинток обнаружилась к 1960-м годам, когда французские генетики Франсуа Жакоб и Жак Моно описали генную регуляцию lac-оперона. После публикации их статьи «Генетические регуляторные механизмы синтеза белков» ( «Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins») Мак-Клинток опубликовала статью, в которой она провела сравнение между генной регуляцией для lac-оперона и кукурузы.

В конце 1960-х — начале 1970 годов процесс транспозиции был открыт в бактериях и дрожжах. В этот период в молекулярной биологии появились новые методы, позволившие исследовать транспозицию на молекулярном уровне. В 1970-х годах и было показано, что Ac и Ds относятся к ДНК-транспозонам II типа. Ac синтезирует фермент транспозазу, необходимый для перемещения контролирующих элементов, а Ds имеет мутацию в гене транспозазы, которая не позволяет ему перемещаться без стороннего источника транспозазы.

10 октября 1983 года Мак-Клинток получила Нобелевскую премию по физиологии и «за открытие мобильных генетических элементов»!

Функции и влияние транспозонов на различные признаки изучаются до сих пор, генетики пытаются найти с их помощью решения различных острых проблем. Известно более 90 различных заболеваний человека, причиной которых является de novo внедрение мобильных генетических элементов. Но в то же время подобные механизмы лежат в основе регуляции клеток и тканей многоклеточных организмов.

Литература

1. Griffiths AJF, Miller JH, Suzuki DT, et al. «An Introduction to Genetic Analysis». 7th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
2. U.S. National Library of medicine: Barbara McClintock
3. Kass L. B. «Records and recollections: A new look at Barbara McClintock, Nobel Prize-Winning geneticis», American Society of Plant Biologists // Genetics. — 2003. — No. 164. — P. 1251—1260. PMID: 12930736
4. Kass L. B. «Harriet B. Creighton (1909-2004), on Women Pioneers in Plant Biology» American Society of Plant Biologists // American Society of Plant Biologists website. — 2007.

Источник: profiles.nlm.nih.gov

Комментарии: