Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

В начале 70-х годов мало кто из молекулярных генетиков понимал, что открытие ИС-элементов и транспозонов — это молекулярное подтверждение идей Б. МакКлинток. Питер Штарлингер, один из открывателей мобильных элементов бактерий, констатирует, что еще в 1972 г. его первый обзор по инсерционным мутациям привлек мало внимания. Но уже в 1976 г. на второй опубликованный обзор пришла масса запросов. А спустя еще год на симпозиуме в Колд Спринг Харборе в 1977 г. на доклады по подвижным элементам было трудно попасть в зал! (Starlinger, 1984).

Сам П. Штарлингер и его коллега Г. Сэдлер (Н. Saedler) очень быстро поняли, что они, по существу, открыли то, что было четверть века назад предсказано Б. МакКлинток. Неудивительно, что они практически оставили работу по микроорганизмам и переключились на молекулярно-генетический анализ нестабильных мутаций у кукурузы и других растений. Их целенаправленные поиски сразу же увенчались успехом (Федорофф, 1984; Saedler, Starlinger, 1991).

Мобильные гены дрозофилы были открыты случайно в ходе выделения клонов активно транскрибируемых генов. Выделяемая ДНК дрозофилы "нарезалась" рестриктазами на отдельные фрагменты, они клонировались с помощью методов генной инженерии, и затем определяли, какие из фрагментов образуют гибриды с мРНК культивируемых клеток дрозофилы. Затем клоны визуализировались на политенных хромосомах разных линий. Было найдено, что ряд клонов встречается среди повторенных последовательностей, а гибридизация меченной ДНК на политенных хромосомах показывала их дисперсную локализацию (Георгиев, 1989).

Вначале эти клоны были названы как "мобильные диспергированные гены" (МДГ) в лабораториях Г. П. Георгиева и В. А. Гвоздева, и "копия" — copia последовательности в лаборатории D. Hogness в США. К началу 90-х годов у разных видов дрозофил было выделено свыше 30 семейств подвижных генов. Поэтому теперь предпочитают более нейтральное название МГЭ — мобильные генетические элементы. Доля МГЭ в геноме дрозофилы вида D. melanogaster составляет около 15 %. Уже в 1981–1982 гг. были получены прямые доказательства, что нестабильные аллели, найденные М. М. Грином в локусе white, связаны с внедрением МГЭ. При этом реверсии мутант-норма происходят чаще всего за счет вырезания инсерции МГЭ (сводка: Хесин, 1984; обзор: Юрченко, Голубовский, 1988).

В лаборатории Дж. Рубина из Института Карнеги в Вашингтоне в 1982 г. был найден один из самых замечательных мобильных элементов "Р". Он оказался ответственен за Р-М-систему гибридного дисгенеза и активировался в Р-линиях на фоне цитоплазмы линий М-цитотипа. Р-элемент обнаружил избирательное сродство к ряду локусов и прежде всего к локусу singed (Engels, 1983). И, наконец, вскоре круг замкнулся. М. Д. Голубовский и Е. С. Беляева (1985) установили, что более 50 % выделенных из природы нестабильных аллелей локуса оказались связанными с внедрением Р-элемента. Остальные нестабильные аллели также имели инсерционную природу.

С начала 80-х годов начались регулярные поиски мобильных генов у нестабильных мутантов кукурузы. В 1983 г. из найденного Б. МакКлинток нестабильного аллеля гена wx (мутный эндосперм зерна) был выделен молекулярный аналог элемента Ас, оказавшийся МГЭ со всеми ожидаемыми свойствами и очень похожий на Р-элемент дрозофилы (Федорофф, 1984).

Таким образом, в период 1981–1983 гг. еретическая гипотеза Б. МакКлинток о связи нестабильности с внедрением мобильных элементов была полностью подтверждена на молекулярном уровне. Основные этапы этой длинной истории в раскрытии тайны нестабильности представлены в табл. 2.

Годы — Исследователи — Факты и гипотезы

1901 — Hugo de Vries — Теория мутаций. Гипотеза о колебании темпа мутаций и о нестабильном состоянии наследственных факторов

1914–1917 — P. Emerson — Анализ соматической и генеративной нестабильности гена окраски перикарпа у кукурузы; феноменология без гипотезы

1926–1941 — М. Demerec — Открытие и анализ нестабильных генов у дрозофилы. Автономный характер и аллелеспецифичность мутирования в половых и соматических клетках. Идея о сходстве нестабильности и эффекта положения

1937–1961 — Р. Л. Берг, С. М. Гершензон — Колебание общего темпа мутирования и резкие флюктуации мутабильности отдельных генов в природных популяциях дрозофил. Подтверждение идеи де Фриза.

1950–1965 — В. McClintock — Цитогенетика нестабильных мутаций у кукурузы. Открытие мобильных контролирующих элементов, способных вызывать нестабильность при инсерциях.

1967–1969 — М. М. Green — Возобновление генетики нестабильности у дрозофилы. Получение транспозиций высокомутабильного гена.

1977–1980 — М. Д. Голубовский, M. M. Green — Генанализ серии нестабильных аллелей из природных популяций дрозофил. Гипотеза об инсерционной природе этих аллелей и о связи вспышек мутаций с инсерциями

1969–1976 — P. Starlinger, H. Saedler, J. Shapiro — Открытие инсерционных мобильных элементов и их молекулярной структуры у бактерий. Подтверждение гипотезы МакКлинток на уровне ДНК

1977–1978 —

D. Hogness, Г. Георгиев, В. Гвоздев — Открытие семейств мобильных генов у дрозофилы

1981 — М. Kidweli, G. Rubin, Р. Bingham, W. Engels — Открытие Р-элементов как мобильных факторов, ответственных за Р-M-систему гибридного дисгенеза

1982 — G. Rubin, А. Spradling, W. Engels — Создание контролируемой системы горизонтального переноса генов у дрозофилы на основе плазмид с Р-элементом. Регуляция мутабильности при трансгенозе

Основные ссылки см. в сводке Р. Б. Хесина (1984).

Мобильные элементы к настоящему времени найдены во всех случаях, где сколько-нибудь детально велся их поиск: от плоских червей до млекопитающих, включая человека. Самые первые найденные у дрозофилы мобильные элементы типа МДГ или copia оказались сходными по организации с РНК-содержащими онкогенными ретровиру — сами, куда относится и вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

У прокариот можно выстроить эволюционный ряд: инсерционные сегменты — транспозоны — плазмиды — бактериофаги. Точно также можно выстроить аналогичный ряд у эукариот. Эндогенные ретровирусы имеют на концах длинные концевые повторы, ДКП или LTR, их длина 5–7 тыс. нуклеотидных пар, они несут всего три гена. Архетип их структуры таков:

5 1 — LTR — gag — pol — env — LTR — 3 1 .

ген gag — кодирует внутренние структурные белки вируса;

ген pol— кодирует обратную транскриптазу (ревертазу);

ген env — белки оболочки;

ДКП несут знаки генетической пунктуации, их размер составляет 250–500 п. н.

МГЭ эукариот делятся на два основных класса. К первому классу относятся элементы, которые перемещаются, используя обратную транскрипцию — ретротранспозоны. Они несут ген, кодирующий ревертазу и чтобы начать встраиваться, по матрице РНК строят ДНК-копию, которая и внедряется в разные места хромосомы. В свою очередь, ретротранспозоны распадаются на две группы: а) ретровирусо — подобные элементы, несущие на концах длинные концевые повторы, и б) невирусные элементы, не имеющие на концах ДКП, но кодирующие ген ревертазы.