Мутации и мутационный процесс в природных популяциях
| Вид материала | Диссертация |
- «Элементарные эволюционные факторы», 91.21kb.
- Общие свойства мутаций, 125.22kb.
- Проблема мутации Введение, 225.06kb.
- Мутационная изменчивость, 47.38kb.
- Аннотация рабочей программы дисциплины охрана окружающей среды и рациональное использование, 40.26kb.
- За курс 9 класса билет, 42.57kb.
- В различных клеточных популяциях, 571.27kb.
- Лекция 3 Переработка природных углеводородных газов, 50.32kb.
- Содержание Введение, 120.11kb.
- Молекулярно-генетические и клинико-генотипические особенности муковисцидоза в российских, 924.89kb.
Хромосомы с аллелем sn49m(1-23) и его мутантные производные sns и sn+ переводили в цитоплазму линий C(1)DX; y f; cn bw (M-цитотип) и C(1)DX; y f; p2 (P-цитотип). Было показано , что в линии Р-цитотипа супермутабильность резко снижается - частота мутирования аллелей sns, snm и sn+ в генеративных клетках Р-цитотипа снижается на 1-2 порядка величин и не превышает 10-3 [Захаров, 1984, а]. Последующее возвращение исследуемых хромосом в цитотип стандартной лабораторной линии C(1)DX,ywf снимает репрессию мутирования и частота мутирования возвращается к значению величин порядка 10-2. В линии М-цитотипа C(1)DX; y f; cn bw мутабильность sns, snm и sn+ такая же, как в цитоплазматическом окружении, свойственной линии C(1)DX,ywf.
Частота соматических мозаиков в линиях sns и sn+ в Р-цитотипе снижалась на порядок величин - до 10-4, тогда как в линиях snm разницы в частоте появления соматических мозаиков в цитотипе линий C(1)DX,ywf и в Р- и М-цитотипах не обнаружено, и она сохранялась на уровне порядка 10-3.
В работе М.А. Волошиной и М.Д. Голубовского (1986) было показано, что если цитоплазма линии с Р-факторами подавляет транспозиции не только Р, но и других МЭ, то эффект Р-содержащих хромосом аллелеспецифичен и может быть нейтральным, активирующим или ингибирующим. Нами были изучены темпы мутирования мутантных и нормальных аллельных производных нестабильной системы sn49::Tn-clw (нестабильных в половых и соматических клетка) в различных гибридных комбинациях с линией p2, которая имеет Р-цитотип и содержит активные Р-элементы в своих хромосомах [Голубовский и др., 1986]. Оказалось, что во всех случаях добавление Р-хромосом, безотносительно от фона цитоплазмы, ингибировало нестабильность разных sn-аллелей, связанных, как мы полагаем, с внедрением последовательности Tn-clw. С повышением доли Р-хромосом у гибридов степень подавления мутирования sn-аллелей возрастала. Предполагается, что мутационные события связаны с внутри- и межлокусной транспозицией Tn-clw и что оба мобильных элемента, могут конкурировать за один и тот же клеточный фактор, который активирует процесс транспозиции .
4.2. Мутирование аллелей singed в соматических клетках
Большинство выделенных singed-аллелей характеризовались нестабильным состоянием только в генеративных клетках. Однако для некоторых singed-аллелей было свойственно повышенное мутирование и в соматических клетках [Захаров, Голубовский, 1984 а]. Говоря о генеративных клетках, мы имеем в виду мутирование в зародышевом пути, хотя мутирование может происходить как при митотических делениях - в случаях пучкового характера появления исключительного потомства в семьях, так и при мейотическом делении - в случаях появления исключительного потомства в семьях в единичных экземплярах. Отметим свойство "включения" нестабильного состояния в соматических клетках. Например, для аллеля sn49 частота появления соматических мозаиков равнялась 4х10-4. Однако возникновение супермутабильного аллеля sn49m(1-23) в плеяде 3 сопровождалось резким усилением мутаторной активности и в соматических клетках: в отдельных случаях в линиях с sn49m(1-23)-аллелем и его мутантных производных частота соматических мозаиков достигала значений 0,7%, а в плеяде 4 частота появления соматических мозаиков составила 3%. Следует подчеркнуть, что в наших работах впервые показано влияние цитотипа на мутирование в соматических клетках [Захаров, 1984а; Голубовский и др., 1986].
Глава 5. ГЕНЫ-МУТАТОРЫ ИЗ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ DROSOPHILA MELANOGASTER
Рассматривая высокомутабильные гены, мы показали, что их мутационные свойства аллелеспецифичны и обусловлены, прежде всего, свойствами самих генов [Захаров, 1984; Захаров, Голубовский, 1985; Голубовский и др., 1987]. Примером множественной мутабильности в природе служит Х хромосома из популяции Запорожье с нестабильным аллелем singed-mZ [Юрченко, Захаров, 1995]. Мутация snmZ обнаружена в потомстве оплодотворенной в природе самки, которая была гетерозиготна по мутации Notch. В дальнейшем в XZ-хромосоме наблюдались одновременные множественные мутационные события в локусах yellow, white, vermilion, garnet и др., возникали летальные мутации, которые сопровождались инверсиями и реинверсиями с точками разрывов в области локализации инсерционных мутаций [Юрченко и др., 1995].
Особый интерес представляют гены-мутаторы, которые, не имея собственного фенотипического проявления, могут оказывать влияние на скорость мутирования других генов.
5.1. Фактор Mos - специфический ген-мутатор для нестабильных, нормальных по фенотипу аллелей singed+
Выделенный из природы доминантный ген Mos локализован в хромосоме 3 в районе центромеры - 45-50 ед. карты, и вызывает у гетерозигот Mos/+ частичную редукцию дорзоцентральных и скутеллярных щетинок [Голубовский, Захаров, 1979; Вайсман, Захаров, 1995а]. Действие гена Mos проявляется в виде повышения частоты мутирования в соматических клетках для нестабильных, нормальных по фенотипу аллелей гена singed. На фоне действия Mos мутабильность sn+49 возрастает в 70 раз, для sn+10m мутабильность увеличивается в 6 раз. Два супермутабильных аллеля - sn+SR1 и sn+SR2 (нормальные по фенотипу ревертанты аллеля sn77), отличаются необычайно высокой мутабильностью в соматических клетках - частота мозаиков 10 и 20%, соответственно. Но даже и для этих аллелей заметно действие Mos.
Mos является специфическим геном-мутатором не только в соматических клетках. Для аллеля sn+10m исключительные потомки возникают в 10% семей (при числе потомков в каждой семье до 70), тогда как на фоне Mos - в 40% семей. В половых клетках в присутствии Mos увеличивается и общая частота мутирования аллеля sn+10m .
Поскольку нестабильность генов в большинстве случаев объясняется инсерциями в них мобильных элементов, то ген Mos в генотипе с нестабильными аллелями singed, возможно, выполняет роль регулятора подвижности гипотетического мобильного элемента [Голубовский, Захаров, 1979].
Исходя из ранее обнаруженных генетических свойств Mos, нам представилось интересным рассмотреть взаимодействие его с другими генами, контролирующими формирование кутикулярных структур - щетинок и волосков на теле мухи, изучить влияние гена Mos в цис- и транс-гетерозиготе на частоту мутаций гена multi wing hairs (mwh) в соматических клетках, используемого в тест-системах для определения темпа индуцированного мутагенеза.
Анализ взаимодействия генов Mos и mwh в цис- и транс-гетерозиготах показал, что ген Mos оказывает существенное влияние на мутабильность (рекомбиногенез) в соматических клетках mwh-хромосомы. В цис-гетерозиготе mwh Mos/+ + наблюдалось повышение частоты малых мутантных клонов на крыльях мух. Редукция щетинок в результате действия гена Mos была высокой: у mwh/Mos - 78%, у mwh +/+ Mos - 85% и у mwh Mos/mwh + - 98% [Вайсман, Захаров, 1995а].
5.2. Гены-мутаторы типа MR-факторов
В природных популяциях Drosophila melanogaster Восточной Европы, средней Азии и юга Западной Сибири в период с 1977 по 1992 годы были изучены свойства и распространенность MR-факторов [Иванников, Захаров, 1992; Иванников и др., 1995]. Оказалось, что частоты MR-хромосом в популяциях Евразии не отличаются от таковых в Северной Америке и составляют 18-40% хромосом 2.
В природных популяциях Drosophila melanogaster широко распространены две мутаторные системы: MR (male recombination) и P-M [Thompson, Woodruff, 1978; Engels, 1989]. Рекомбинация хромосом в геноме самцов является одним из характерных свойств обеих мутаторных систем. Две данные системы имеют много общих черт и иногда рассматриваются как единая, хотя между ними есть и отличия. Так, например, при гибридизации Drosophila melanogaster из природы некоторые хромосомы с высокой частотой рекомбинируют в геноме самцов, но не индуцируют стерильности у самок, то есть могут быть отнесены только к MR-системе [Green, 1984]. Мутаторным агентом P-M-системы на молекулярном уровне является мобильный генетический элемент Р. Присутствие его полноразмерных копий в геноме определяет цитотип индивида: P-цитотип в присутствии Р-элемента или М-цитотип - в его отсутствие. Выделяют также промежуточный цитотип - Q. По критериям Р-М-системы цитотипы индивидов в популяциях Drosophila melanogaster североамериканского и евразийского континентов существенно отличаются [Anxolabehere et al., 1984]. В североамериканских популяциях в высоких концентрациях присутствуют полноразмерные активные Р-элементы, поэтому индивиды этих популяций имеют преимущественно Р- или Q-цитотип. В Европе и Азии распространены М- и Q -цитотипы. Это вызвано тем, что Р-элементы в евразийских популяциях представлены в большинстве делетированными неактивными копиями. Следовательно, в глобальном масштабе MR и Р-М мутаторные системы проявляются независимо друг от друга и MR-активность в популяциях Евразии должна определяться другим (другими) элементом.
Гены мутаторы типа MR-фактор могут быть причиной повышенного возникновения широкого спектра мутаций, связанных с процессами разрыва-воссоединения хромосом и, тем самым, повышать значения общей мутабильности. Не исключено, что некоторые мутаторы могут обладать направленным, локус-специфичным действием. Известно, что летальная мутация l(2)gl является одной из распространенных мутаций в природных популяциях, высокая концентрация которой поддерживается, возможно, за счет преимущества гетерозигот [Golubovsky, 1978; Golubovsky et al., 1991]. Для мутатора MR h 12 была показана способность индуцировать мутации в локусе l(2)gl [Green, Shepherd, 1979], и высокая концентрация в популяции может быть следствием активности генов-мутаторов. Следовательно, гены-мутаторы могут выступать в качестве усилителей общей и локус-специфической мутабильности.
Таким образом нами установлено, что наряду с определенной аллеле-специфичностью нестабильных аллелей (спектр, направления и частоты мутирования, характер мутирования в половых и соматических клетках), наблюдается комплексный характер контроля мутабильности нестабильных аллелей (зависимость мутирования от генного окружения, локуса-гомолога, цитотипа, генов-мутаторов).
ОБСУЖДЕНИЕ
Представленные в настоящей работе совокупные данные по более чем полувековому слежению за генетической изменчивостью и мутационным процессом в природных популяциях Drosophila melanogaster позволяют сделать вывод, что вспышки мутаций - достаточно регулярное событие в жизни вида. Популяционная феноменология данного явления такова: (1) вспышки могут затрагивать отдельные гены или группы генов со сходным фенотипическим проявлением; (2) вспышки могут быть локальными или глобальными, когда в короткое время, практически синхронно, они затрагивают географически удаленные популяции; (3) определенная вспышка (или мода на мутации) продолжается 7-11 лет; (4) возможно повторение моды на мутации определенного гена (генов).
Скорость мутирования в популяции должна рассматриваться как некий особенный "фенотип" популяции и как один из важнейших признаков она, несомненно, находится под контролем естественного отбора, его стабилизирующей формы. Вполне разумно ожидать, что с эволюционной точки зрения, скорость мутирования должна быть минимизирована естественным отбором. В случае же выхода скорости мутирования из-под контроля естественного отбора, как, видимо, наблюдается при вспышках мутаций, естественный отбор должен быть направлен на подчинение мутационного давления. Что мы и наблюдаем в реальных ситуациях: после вспышки мутабильности наступает период ее затухания.
Тот факт, что в природных популяциях существуют периоды высокой мутаторной активности, может говорить о том, что в популяциях не исключены процессы, аналогичные гибридному дисгенезу, в основе которых лежат сходные явления - активация мобильных генетических элементов. И то явление, которое мы определяем термином "спонтанная мутабильность", может означать лишь то, что нам, к сожалению, неизвестны истинные факторы и причины, определяющие эту мутабильность. Остаются во многом неизвестны и причины вспышек мутабильности в природных популяциях.
Вспышки мутабильности сопровождаются переходом определенных генов в нестабильное состояние. Этот вывод наиболее отчетливо демонстрируется в случае глобальной вспышки по генам yellow и singed. Впервые из природы удалось выделить серии мутантных нестабильных аллелей на протяжении всего периода вспышек и провести генетический анализ нестабильности. Аллели различались как по фенотипу, так и по характеристикам мутирования в генеративных и соматических клетках.
Хотя локус singed является горячей точкой для внедрения Р-элементов, глобальная вспышка singed оказалась связана с активацией не только Р, но и других элементов [Голубовский, Беляева, 1985]. У наиболее генетически изученного нами аллеля sn49 в первом интроне гена singed была найдена крупная инсерционная последовательность не-P-элементной природы - в составе транспозона обнаружена последовательность hobo-элемента [Юрченко и др., в печати].
Различные алели yellow, также как и singed, связаны с внедрением различных типов мобильных элементов. Например, аллель y76d28 связан с внедрением Р-элемента в локус yellow [Geyer et al., 1988]. Проанализированные в работе [Biessmann, 1985] все аллели y2-типа были связаны с внедрением мобильного элемента gypsy и большинство y2-аллелей локализуются на 0.9 тпн дистальнее от места картирования аллелей y1-типа. Другие аллели y1-типа либо содержат элемент hobo, либо другие, неидентифицированные транспозируемые элементы. Алели типа y2, связанные с внедрением мобильного элемента gypsy, супрессируются супрессором Su(Hw). Однако, по нашим данным ни один из аллелей типа y2, выделенных во время вспышки мутабильности, не супрессировался данным супрессором [Захаров, Скибицкий, неопубликованные данные]. Логично предположить, что вспышка yellow вызвана инсерциями другого, нежели gypsy, мобильного элемента.
Стабильные и нестабильные мутации, возникающие в период вспышки, могут быть связаны с активацией разных мобильных элементов, которые способны к сайт-специфическому встраиванию. Подвижные генетические элементы являются неотъемлемым составным компонентом генофонда природных популяций. Известно, что мутации в одном и том же локусе могут вызываться различными типами МЭ. Однако, имея гомологичные сайты внедрения, МЭ различной структуры могут обладать и различной степенью сродства к сайтам-мишеням. Это, в свою очередь, может определять набор состояний, получаемых при мутировании, обуславать различие преимущественных направлений и значений частот мутирования [Голубовский, Захаров, 1982].
Предстоит понять, каким образом в природе происходит активация мобильных элементов? Какие процессы запускают активацию, как происходит синхронизация этих процессов в географически удаленных популяциях, почему она носит волнообразный характер, с чем связана сайт-специфичность встраивания мобильных элементов и связаны ли эти процессы с особенностью самих локусов-мишеней? Ответы могут быть лишь предварительными.
Разберем ситуацию на примере локуса singed, в отношении которого есть наиболее подробные молекулярно-генетические и популяционные данные. Этот локус является мишенью для встраивания Р-элементов под действием мутаторов типа MR, а также в результате их активации в системе P-M гибридного дисгенеза [Brookfield, Mitchell, 1985; Gerasimova et al., 1985; Roiha et al., 1988; Engels, 1989; Eeken et al., 1991; Mogila et al., 1992]. Два факта находятся в согласии с этими данными. Во-первых, широкое распространение MR-факторов в исследованных популяциях [Иванников и др., 1995]. Во-вторых, наличие Р-инсерций среди выделенных из природы в период вспышки singed-аллелей.
Однако следует учесть, что копии Р-ДНК в евразийских популяциях Drosophila melanogaster (в том числе исследованных нами) стали распространяться лишь в 60-х годах [Anxolabehere et al., 1985, 1988; Periquet et al., 1989; Kidwell, 1994]. Между тем повышение мутабильности sn отмечалось уже в 30-40-х годах (рис. 2). Кроме того, особи из исследованных природных популяций, где зафиксирована вспышка singed, относилась, по нашим данным, к М-цитотипу. Более того, эти особи несли в своих хромосомах делетированные варианты Р-элемента - названные КР, впервые найденные в линии из популяции Краснодара [Black et al., 1987; Jackson et al., 1988]. Они оказались распространенными по всему ареалу вида. Действие КР приводит к супрессии транспозиции полноразмерных копий, хотя присутствие КР-копий в геноме не всегда подавляет Р-опосредованную нестабильность [Ortori et al., 1994].
Следовательно, связь распространения копий P-элемента в конце 60-х годов в популяциях Евразии со вспышкой мутабильности singed 70-х годов существует, но вряд ли является прямой или единственной причиной вспышки мутаций в этом локусе. Еще более трудно объяснить другие типы вспышек, зафиксированных более 50 лет назад. Необходим, на наш взгляд, общебиологический подход для поисков факторов и пусковых механизмов, способных привести к установленным популяционно-генетическим закономерностям вспышек мутаций.
Все виды в биоценозах испытывают давление инфекционных агентов, и это взаимодействие по своей динамике во времени носит осциллирующий характер. Оно может вызывать локальную и глобальную синхронизацию изменений генофондов популяций, так как скорость распространения инфекционного агента несоизмеримо выше, нежели обычная миграция особей вида-хозяина [Эндрюс, 1969].
Вирусы могут выступать, во-первых, как непосредственные мутагенные факторы, во-вторых, как регуляторы подвижности мобильных элементов. Непрерывно происходящие в биоценозах взаимодействия геномов эукариотических организмов и геномов вируса могут приводить к активации мобильных элементов, что сопровождается множественными инсерционными мутациями и перестройками. Это было показано на разных системах у кукурузы и дрозофилы [McClintock, 1978, 1984; Mottinger et al., 1984; Peterson, 1985; Gershenson, 1986; Gazarian et al., 1987]. В данном контексте очень показательны данные, что локусспецифичные летальные мутации, возникающие в экспериментах под действием вирусных агентов, относятся к тем леталям, которые в разные годы имеют повышенную концентрацию в природных популяциях дрозофил [Александров, Голубовский, 1983]. Мобильный элемент gypsy, вызывающий спонтанные мутации, обладает свойствами и мобильного элемента и ретровируса, способного заражать через корм особей из чувствительных линий [Kim et al., 1994].
В некоторых популяциях дрозофил Европы обнаружены локальные изменения в концентрации разных вариантов рабдовируса "сигма", которые, как предполагается, могут коррелировать с изменениями в Р-М системе гибридного дисгенеза [Fleurie et al., 1992; Fleurie, Sperlich, 1992]. В случае пикорновирусов "iota" у Drosophila immigrans были обнаружены волны инфекций: в 1970-1971 гг. вирус "iota" повсеместно встречался в популяциях Франции, но в 1973 г. он практически исчез [Brun, Plus, 1980]. В ряде природных популяций и лабораторных линий Drosophila melanogaster был обнаружен пикорновирус дрозофилы подтипа C (DCV). Оказалось, что зараженность пикорновирусом ведет к увеличению общей и сайт-специфической мутабильности (Golubovsky, Plus, 1982). При анализе частоты возникновения летальных мутаций в Х-хромосоме линии Paris-Rennes, содержащей пикорновирус подтипа С, М.Д. Голубовским был найден тройной нестабильный мутант y2sc1waG. В ходе генетического анализа этой линии наблюдались множественные упорядоченные транспозиции мобильных элементов, в том числе Stalker и X [Georgiev et al., 1990; Mogila et al., 1992; Ладвищенко и др., 1990; Буфф и др., 1993]. С внедрением в локус yellow элемента Х, содержащего на одном конце копию дефектного Р-элемента, связано возникновение в линии y2sc1waG серии нестабильных мутантных аллелей типа y2 [Georgiev, Elagin, 1992; Елагин и др., 1992; Крачинска и др., 1992]
Таким образом, в спонтанном мутационном процессе большую роль играют факультативные генетические элементы генома, куда можно отнести разные классы мобильных элементов и вирусы [Temin, Engels, 1984; Smith, Corces, 1991]. Спонтанный мутационный процесс можно в этом смысле рассматривать как двухэтапный. Вначале происходит активация факультативных элементов генотипа, которые наиболее чувствительны к слабым "немутагенным" воздействиям среды, понимаемой в широком смысле. Возникают наследственные генотипические изменения, которые, в большинстве случаев, не выходят за рамки морфофизиологической нормы, как, например, транспозиционные взрывы [Gerasimova