Мутации и мутационный процесс в природных популяциях

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

Таблица 5. Частота мутирования аллелей генов dusky (dy), miniature (m), rudimentary (r), singed (sn), vermilion (v) и yellow (y), выделенных из природных популяций Drosophila melanogaster в 1986-1990 гг. [Захаров и др., 1991, 1995; Захаров, Скибицкий, 1995; Юрченко, Захаров, 1995].

Аллель	Проис- хождение	Направление мутирования	Изу-чено семей	Число исключи- тельных потомков в семьях	Всего изучено самцов-потом-ков	Частота мутиро-вания (x10^-4)
dy^1-155	Алма-Ата, 1988	dy ® dy⁺	133	3	9801	3,1
dy^Z7-1	Запорожье, 1990	dy ® dy⁺	92	3, 15, 21	8585	45
dy^Z7-2	Запорожье, 1990	dy ® dy⁺	106 *	9	10232	8,8
dy⁹⁰³⁸⁸	Запорожье, 1990	dy ® dy⁺	103	0	9516	0
lz⁵⁴⁴	Умань, 1985		**		1530	0
lz⁵⁶²	Умань, 1988		**		388	0
lz⁵⁶³	Умань, 1988		**		504	0
m^1-47a	Умань, 1990	m ® m⁺	102	21, 25	9039	51
r ^1-157	Умань, 1989	r ® r ⁺	139	0	9372	0
sn^mZ	Запорожье,	sn^m ® sn ⁺	**		9012	3.3
	1986	sn^m®sn^strong			9012	1.1

Таблица 5, продолжение
Аллель	Проис-хождение	Направление мутирования	Изу-чено семей	Число исключи- тельных потомков в семьях	Всего изучено самцов-потом-ков	Частота мутиро-вания (x10^-4)
sn^s-90719	Магарач, 1990	sn^s ® sn ⁺	107	0	12508	0
sn^m90667	Магарач,	sn^m ® sn ⁺	92	1, 2	9333	3.2
	1990	sn^m®sn^slight		1		1.0
sn⁺³⁵	sn^m90667	sn⁺® sn	108	0	10065	0
sn⁺⁵⁶	sn^m90667	sn⁺® sn	120	0	10164	0
v⁹⁰⁰⁴²	Умань, 1990	v ® v ⁺	**		11351	0
v⁹⁰⁰⁸⁸	Умань, 1990	v ® v ⁺	**		9562	0
v⁹⁰²²⁵	Умань, 1990	v ® v ⁺	**		9884	0
v⁹⁰⁷¹⁹	Магарач, 1990	v ® v ⁺	**		13030	0
y^1-90302	Запорожье, 1990	y¹ ® y⁺	125	1, 2, 5, 17	11265	22
(y dy)^1-156	Умань, 1986	y dy ® y⁺dy⁺	90	2, 3, 8, 9, 18, 41	8368	97
(y⁺dy⁺)^1-156	(y dy)^1-156	y⁺dy⁺® y dy	189	0	12508	0

* В линии зарегистрировано 2 случая возникновения мутации "карликовые крылья" (2 самца), которые дали потомство, но впоследствии линии утеряны.

** Массовые скрещивания.

Исходя из совокупности генетических данных, еще до открытия мобильных элементов дрозофилы, был постулирован инсерционный механизм возникновения в природе серии нестабильных аллелей [Green, 1977; Golubovsky et al., 1977]. Нами установлено, что нестабильное состояние аллелей генов характерно для природных популяций D. melanogaster, хотя это и не всегда связано со вспышками мутаций, но вспышки мутаций, как правило, связаны с нестабильностью. Нестабильное состояние выделенных из природы аллелей генов мы рассматриваем в связи с их инсерционной природой [Golubovsky, Zakharov, 1980 a, b; Голубовский, Захаров, 1982; Захаров, Голубовский, 1984 б; Захаров, Юрченко, 1982, 1985, 1988, 1989; Юрченко, Захаров, 1990, 1995; Захаров и др., 1995]. Выделенные в результате проведенных исследований серии нестабильных аллелей генов singed и yellow, аллелей других сцепленных с полом генов являются базой для дальнейших молекулярно-генетических исследований по выяснению структуры и молекулярных механизмов инсерционых мутаций из природы.

Глава 3. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИМУТАНТНОЙ СИСТЕМЫ ИЗ ПРИРОДНОЙ ПОПУЛЯЦИИ DROSOPHILA MELANOGASTER

Из популяции Drosophila melanogaster Дальнего Востока была выделена бимутантная система двух тесно сцепленных генов singed и club wing. После того, как было показано наличие мобильных свойств у гена club wing данная система получила обозначение sn⁴⁹::Tn-clw [Голубовский, Захаров, 1979; Golubovsky, Zakharov, 1980; Yurchenko et al., 1984]. В данной системе мутационные переходы упорядочены в четыре кластера, аллели которых различались фенотипическим проявлением нестабильных singed-производных, направлениями и частотами их мутационных переходов и характером проявления club wing-мутации (Табл. 6, рис. 4). Проведенные исследования нестабильной системы sn⁴⁹::Tn-clw с помощью метода блот-гибридизации и полимеразной цепной реакции [Юрченко и др., в печати] выявили перестройки внутри первого интрона гена singed-49. В первом интроне у одного из аллельных производных нестабильной системы sn⁴⁹::Tn-clw найдена инсерционная последовательность с нижним пределом длины 4 тпн. Используя ПЦР-праймеры к этому интрону, был обнаружен полиморфизм длин полученных фрагментов у различных аллельных производных. Принимая во внимание результаты рестрикционного анализа, есть достаточно оснований говорить о том, что в состав Tn-clw может включена последовательность hobo, которая и определяет его мобильные свойства.

Плеяды нестабильных аллелей гена singed, по существу, можно рассматривать как своеобразный модельный аналог выделенных из природных популяций серии нестабильных аллелей. Если многообразие нестабильных аллелей, выделенных из разных популяций, в разные годы имеет, безусловно, различную и независимую историю происхождения, то аллели плеяд - это реализованная в процессе размножения потенциальная возможность одного исходного нестабильного аллеля, где в эксперименте прослежена родословная совокупности вновь появившихся в результате мутационных событий аллелей и изучены их свойства. Из природных популяций были выделены фенотипически различающиеся аллели - sn^strong, sn^moderate и sn^faint. Учитывались различия в спектре, направлениях и частотах мутирования. В результате анализа, в соответствии с разнообразием фенотипического выражения исходных аллелей и разнообразием по спектру и направлениям мутирования, мутационного репертуара мутаций серии нестабильных аллелей подразделяются на классы мутаций (Табл. 3). Несмотря на высокие частоты мутирования, направления изменений определенной мутации оказалось ограничено и, таким образом, предсказуемо. Межаллельные переходы внутри плеяд X-хромосомы sn⁴⁹ также носят устойчивый, регулярный и упорядоченный характер (Табл. 6).

При анализе мутирования аллеля sn⁴⁹ и его мутантных производных, были получены данные, подтверждающие ранее сделанные выводы о характере и некоторых свойствах высокомутабильных генов. Во-первых, были выделены фенотипически различающиеся аллели - sn^moderate, sn^strong и sn^extreme, а также генетически нестабильные sn⁺-аллели. Имеется и ограничение - не было обнаружено аллеля sn^faint. Во-вторых, были получены аллели, отличающиеся между собой по спектру, направлениям и частотам мутирования. Например, аллель sn^s49 мутировал к sn⁺ и обратно с частотой 0,3%, наряду с этим были выделены практически стабильные линии sn⁺ и sn^s. С частотой 3х10^-4 sn^s мутировал к sn^m, который оказался супермутабильным - мутирование в половых клетках достигало значений нескольких процентов. В третьих, зарегистрировано "включение" повышенного мутирования и в соматических клетках

Таблица 6. Частота мутирования sn⁴⁹ и его производных.

Четыре плеяды [Голубовский, Захаров, 1979а; Golubovsky, Zakharov, 1980a; Захаров, Юрченко, 1982, 1983, 1984, 1985; Юрченко и др., 1984; Yurchenko et al., 1984].

Плеяда	Исходный аллель	Направление мутирования	Изучено хромосом	Частота мутирования
1	sn^s₁	® sn⁺₁	19392	2.7x10^-3
	sn⁺₁	® sn^s₁	9743	8.2x10^-4
1 Þ 2	sn^s₁	Þ sn^m₂	19392	2.6x10^-4
2	sn^m₂	® sn⁺₂	7959	2.1x10^-2
		® sn^s₂		1.2x10^-2
	sn⁺_2a	® sn^s₂	11752	8.9x10^-3
	sn^s₂	® sn⁺₂	5592	1.1x10^-2
		® sn^m₂		5.7x10^-3
2 Þ 3	sn⁺₂	Þ sn^ex₃	11752	5.1x10^-4
3	sn^ex₃	® sn^s₃	7880	1.6x10^-3
		® sn⁺₃		9.9x10^-3
	sn^s₃	® sn⁺₃	2845	2.8x10^-3
	sn⁺₃	® sn^ex₃	5570	1.9x10^-2
		® sn^s₃		1.2x10^-2
3 Þ 4	sn⁺₃	Þ sn⁺₄clw		*
4	sn⁺₄clw	® sn^s₄clw⁺	1874	2.2x10^-2

* Линия была выделена Н.Н. Юрченко из культуры с высокой пенетрантностью clw (самец №53) после 3-х лет содержания линии sn⁺₃clw в лаборатории. Мутационные свойства плеяды 4 были изучены Н.Н. Юрченко и Е.У. Болоболовой (неопубликованные данные).

Рис. 4. Четыре плеяды бимутантной нестабильной системы sn⁴⁹::Tn-clw.

Обозначения. Схематически изображены нормальный (sn⁺) и мутантные фенотипы щетинок (sn^moderate, sn^strong и sn^extreme), нормальный и мутантный фенотип крыльев (club wing). Появление соматических мозаиков обозначено как mos. Нижние индексы аллелей указывают на принадлежность к плеяде; фенотипически одинаковые sn-аллели, отличающиеся по своим генетическим свойствам, обозначены буквами a и b. Стрелками указаны направления регулярных межаллельных переходов внутри- (®) и межплеядные переходы (Þ).

Ссылки на работы и значения частот мутирования по гену singed для некоторых аллелей приведены в Табл. 6.
(в плеяде 4). В четвертых, мутирование носило регулярный характер - аллелеспецифические переходы осуществляются на протяжении длительного времени разведения линий.

Следует подчеркнуть уникальность sn⁴⁹-Х-хромосомы – сопряженное мутирование двух мутаций - singed bristles и club wing. Последняя - мутация с неполной пенетрантностью и изменчивой экспрессивностью. С учетом всех свойств, полученное разнообразие вновь возникших аллелей из sn⁴⁹-Х хромосомы, распадается на 4 плеяды (рис. 4). Каждая плеяда представляет собой связанную единым происхождением группу аллелей, подчиненных своим внутренним закономерностям мутирования sn и clw, и их экспрессии.

В плеяде 1 аллели имеют частоту мутирования в генеративных клетках не выше порядка 10^-3, частоту соматических мозаиков - 10^-4 [Голубовский, Захаров, 1979а; Golubovsky, Zakharov, 1980]. В плеяде 2 частота мутирования порядка 10^-2. Одновременно произошло увеличение частоты появления соматических мозаиков - до 2х10^-3 [Захаров, Юрченко, 1982, 1984]. Основателем плеяды 3 является аллель sn^extreme. Частота перехода от плеяды 2 к плеяде 3 составила 5х10^-4 и сопоставима с частотой перехода от плеяды 1 к плеяде 3х10^-4 [Юрченко и др., 1984; Yurchenko et al., 1984]. Мутирование внутри плеяды 3 происходит с частотой 3х10^-2, не наблюдалось мутирования к промежуточному по фенотипу состоянию sn^m. В плеядах 1 и 2 мутация clw проявляется только в сочетании с мутацией sn^s, тогда как в плеяде 3 мутация clw проявляется совместно с sn^ex и sn⁺. Аллели плеяды 4 характеризуются: 1) высокой частотой мутирования в половых клетках - мутирование от sn⁺ к sn^s идет с частотой 2х10^-2; 2) высоким уровнем соматических мозаиков - 3% (sn^s на фоне sn⁺-щетинок); 3) высоким уровнем стерильности (90%) самцов sn⁺.

Необычайные мутабильные и другие генетические свойства аллеля sn⁴⁹ позволили отнести его к инсерционным мутациям [Голубовский, Захаров, 1979а; Захаров, Голубовский, 1980; Golubovsky, Zakharov, 1980]. Предложена следующая реконструкция возникновения sn⁴⁹-Х-хромосомы. По-видимому, определенный мобильный генетический элемент, внедрившись в район гена clw, захватив часть генетического материала локуса, переместился затем в район гена singed. Так возник транспозон sn::Tn-clw. В результате, два гена в норме независимые, после реконструкции перешли под контроль одного МЭ и обрели способность к совместному проявлению и мутированию. Как подтверждение этого можно рассматривать следующий ряд полученных результатов. 1) Мутация clw в своем проявлении зависит от температуры, от дозы Y-хромосом, обнаружен отцовский эффект на проявление мутации - все это в совокупности указывает на сходство с явлением, сопутствующими эффекту положения [Захаров, Голубовский, 1980]. 2) Появление нового, "транспозонного" аллеля clw^q, летального по своему действию [Юрченко и др., 1984]. 3) Зависимость мутирования sn-аллелей от P-M-цитотипа [Захаров, 1984а]. 4) Получены данные о миграции Tn-clw из локуса sn в другой участок Х-хромосомы, находящийся на расстоянии примерно 30 ед. карты от локуса sn [Юрченко и др., 1984]. Показано влияние транспозона на рекомбинацию в соседних с геном-хозяином участках [Юрченко и др., 1985 а, б].

Результаты изучения генетических свойств sn⁴⁹-X-хромосомы позволили выдвинуть следующие положения: (1) существование внутриплеядных мутационных изменений есть результат внутрилокусных транспозиций мобильного элемента; (2) редкие межплеядные переходы являются результатом мутационных изменений в самой бимутантной системе sn⁴⁹::Tn-clw. Эти предположения были сделаны в порядке объяснения увеличенной частоты гомологичной рекомбинации, опосредованной этим транспозоном [Юрченко и др., 1985 а, б]. Таким образом, мутационный "репертуар" возникших нестабильных транспозонных singed-аллелей изучен в связи с гомологичной рекомбинацией [Юрченко и др., 1985 а, б; Юрченко, Захаров, 1990].

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ И ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МУТИРОВАНИЕ НЕСТАБИЛЬНЫХ АЛЛЕЛЕЙ

Аллель sn⁴⁹, находясь в одной дозе у самок (в гетерозиготном состоянии), мутирует в 1,5 раза чаще, чем в одной дозе у самцов (в гемизиготном состоянии). Для аллеля sn^49m(1-23) частота мутирования в 4 раза выше у самцов по сравнению с частотой мутирования у самок [Захаров, Юрченко, 1982]. Эти результаты свидетельствовали о том, что на мутирование изучаемых нестабильных мутаций может оказывать влияние генетическое окружение и было выявлено разнообразие контроля мутирования нестабильных аллелей [Голубовский, Захаров, 1979 б; Захаров, Голубовский, 1980; Захаров, Юрченко, 1983 а, б; Захаров, 1984 б; Голубовский и др., 1986].

Blog

Мутации и мутационный процесс в природных популяциях