Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Неподготовленность, естественный консерватизм, нежелание отказаться от надежного постулата о стабильной локализации генов имели следствием защитную реакцию следующего свойства. Может быть, в опытах Б. МакКлинток все абсолютно правильно, но мало ли чего не бывает в некоторых линиях и в некоторых группах организмов. Иногда, например, целые наборы хромосом могут элиминироваться, нельзя же это считать правилом.

Данные в пользу того, что нестабильные, вызванные инсерциями мутации не курьез, пришли из генетики популяций, из работ по анализу спонтанного мутационного процесса в природных популяциях дрозофил. В 30-е годы, выполняя исследовательскую программу Четверикова, биологи в России начали разносторонние исследования по генетике природных популяций дрозофил. Что касается спонтанного мутационного процесса, то были установлены три важных факта: 1) различие природных популяций по общему темпу мутирования; 2) колебание темпа мутирования в одной и той же популяции во времени; 3) вспышки мутабильности отдельных локусов в удаленных регионах. Особенно важны в этом отношении многолетние наблюдения Р. Л. Берг (1961), которая зафиксировала сначала резкую вспышку мутабильности (в сотни раз выше нормы) гена "желтое тело" в конце 30-х годов, а затем в конце 40-х — возврат уровня мутирования к норме. Эти данные можно считать подтверждением идеи Гуго де Фриза о колебаниях темпа мутировния. Необходимо было быть готовым, что произойдут новые вспышки в других локусах.

Действительно, регулярные, из года в год наблюдения за изменением генофондов природных популяций дрозофил, позволили сначала зафиксировать в 1968 году резкий всплеск мутабильности и популяционной концентрации мутаций типа "abnormal abdomen" (нарушение сегментации брюшка), а в 1973 г. обнаружить подобное же явление в отношении сцепленного с полом гена singed "опаленные щетинки" (Berg, 1974, 1982; Голубовский и др., 1974).

Выделенные из разных популяций в период вспышки аллели гена singed (sn) или "опаленные щетинки", оказались нестабильными. Они отличались по фенотипу, частотам и направлениям мутирования. С частотой в сотни и тысячи раз выше обычной они мутировали к норме. Неожиданно оказалось, что нормальные по фенотипу ревертанты в потомстве либо вновь давали исходных мутантов, либо наряду с ними целый веер других мутантных производных. Это был первый случай в популяционной генетике, когда в природных условиях наблюдалась вспышка целой серии нестабильных аллелей. Генетический анализ привел к выводу, что вспышка мутабильности, появление в разных популяциях нестабильных аллелей есть результат инсерционного мутагенеза (Golubovsky, Ivanov, Green, 1977; Golubovsky, 1980).

Вся феноменология поведения нестабильных природных аллелей дрозофилы была в главных чертах поразительно сходна с поведением нестабильных генов у кукурузы, изученных Б. МакКлинток. До данного открытия еще можно было думать, что нестабильные мутации встречаются только в условиях лаборатории. По иронии истории, именно такое возражение делалось по отношению к обычным мутациям до работы С. С. Четверикова! Однако обнаружение вспышки во множестве популяций в ходе целенаправленных наблюдений снимало последние возражения скептиков.

С другой стороны, открывалось новое поле приложения молекулярной генетики. Одновременно в 1977 г. М. Грин показал, что в природных популяциях существуют определенные доминантные факторы, названные MR, которые индуцируют инсерционные мутации во множестве локусов (Green, 1977). Вскоре У. Энгельс обнаружил нестабильный singed аллель в дисгенетических скрещиваниях и показал, что частота мутирования зависела от направления скрещиваний, т. е. от ядерно-цитоплазматических соотношений (Engels, 1981). Это означало, что поведение гипотетических инсерционных элементов, вызвавших нестабильность, находится под контролем цитотипа. Оставалось ждать молекулярного подтверждения, последнего круциального эксперимента: что же представляют собой на уровне ДНК инсерционные элементы в нестабильных генах кукурузы и дрозофилы.

Мутации, вызванные появлением мобильных элементов, были найдены у микроорганизмов случайно. Обычно для большинства спонтанных мутаций удается найти мутацию в другом гене (супрессор), подавляющую первую, так что восстанавливается нормальный фенотип. Но были обнаружены такие спонтанные мутации в галактозном опероне, которые выключают, инактивируют все гены, входящие в оперон, и в то же время неспособны супрессироваться, хотя сами по себе дают реверсии к дикому типу. Когда затем методами молекулярной гибридизации и электронной микроскопии сопоставлялись мутантные и нормальные опероны, то у мутантов был обнаружен инсерционный сегмент ИС (Shapiro, 1969; Starlinger, Seadler, 1972, 1976).

Довольно быстро выяснилось, что существует целая серия инсерционных элементов. Все ИС-элементы имеют общие черты организации и свойства: их концы обрамлены повторенными последовательностями, в местах внедрения в хромосому образуются короткие дупликации. Размер элементов ИС2 и ИСЗ равен 1300–1400 п. н., а мини-элементы ИС8 и ИС7 имели длину 108 и 54 п. н. ИС элементы способны включаться в разные локусы в любой ориентации, частично или полностью инактивируя работу гена-хозяина. Сами ИС не кодируют внутри никаких генов, кроме одного или нескольких, необходимых для собственного передвижения. Но зато они включают знаки генетической пунктуации, промоторы и терминаторы.

Некоторые из ИС, подобно фактору Ds у кукурузы, регулярно индуцируют разрывы хромосом и делеции вблизи локуса внедрения. Последовательности ИС элементов, выделенные из разных локусов, были почти идентичны. Более того, одни и те же ИС были обнаружены у разных видов бактерий. Их число в геноме может варьировать от нескольких штук до нескольких сотен. Например, у дизентерийной бактерии Shigella dysenteriae no геному разбросано около 200 копий ИС подобных элементов.

Стало очевидно, что ИС-элементы — не пришельцы неведомо откуда, а вполне обычные элементы генома, и что существует целая иерархия мобильных элементов. Сами ИС-элементы очень часто входят в состав мобильных элементов следующего класса — транспозонов. Транспозоны на концах обрамлены повторами или ИС-сегментами, а в середине несут разные гены, не связанные непосредственно с транспозициями, например, гены устойчивости к антибиотикам. Следующий шаг в иерархии мобильных элементов — плазмиды. Это, по существу, транспозоны, которые приобретают фактор собственной репликации и поэтому способны размножаться в клетке относительно независимо от хромосомы хозяина. И, наконец, последнее звено в этой иерархии — бактериофаги, которые уже включают в свой состав гены, необходимые для белковой оболочки.