Михаил Голубовский - Век генетики: эволюция идей и понятий

Генно-инженерные методы позволили встроить полную копию гена w + или его части в Р-элемент. Затем такой гибридный ДНК-конструкт вводился в зародышевый путь линий с выключенным геном w и анализировалось, как восстанавливалась активность гена в случае удачной трансформации, т. е. встраивания функционально активного гибридного конструкта в геном. Таким путем удалось обнаружить серию последовательностей, расположенных за пределами структурной части гена, перед началом старта транскрипции, которые отвечают за включение гена в разных тканях и органах. Так, интервал 1081–1850, отступя от старта транскрипции в противоположную сторону, содержит детерминанты, необходимые для экспрессии гена в семенниках, интервал 216–400 необходим для активации гена в мальпигиевых трубочках, а район 0–216 перед стартом транскрипции необходим для дозовой компенсации. Ген эукариот предстает как высоко дифференцированное в структурном и функциональном отношении образование.

Во всех случаях, когда мутации были нестабильны, удалось выделить мобильный элемент, который будучи встроен в ген, вызывает его нестабильность. Таким образом, если мутация нестабильна, надо, как правило, искать инсерцию. Однако здесь нет симметрии: стабильная мутация тоже может оказаться связанной с инсерцией, как это выяснено для многих спонтанных мутаций.

Мозаичная структура гена, возможность включать в свой состав посторонние куски ДНК без видимого фенотипического эффекта позволяют объяснить старые, полученные в 20-е годы Н. В. Тимофеевым-Ресовским данные о различии в частотах и спектре индуцированных мутаций нормальных аллелей гена из американской и русской популяций. Дело, видимо, в том, что нормальные по фенотипу аллели одного гена могут существенно отличаться по своей физической структуре на уровне ДНК (например, по длине и составу инсертов), и это может объяснить различия в индуцированном мутагенезе.

Очень важен для понимания действия генов тот факт, что изменение последовательностей, удаленных от кодирующей части гена на сотни и тысячи оснований, способны вызвать мутации гена. В цис-положении последовательности типа энхансеров (или усилителей), регулируют активность близлежащих генов (Георгиев, 1989). Подтверждается одно из основных положений в концепции Р. Гольдшмидта, что хромосома — это не просто мозаика генов, она имеет целостные свойства, "хромосомные поля", от которых зависит активность генов в онтогенезе (Goldschmidt, 1958).

В этом смысле особенно показательна организация двух комплексов генов, контролирующих осевые структуры тела дрозофилы — комплекса Bithorax, ВХ-С и Antennapedia, Antp — C. Изменения в структуре этих комплексов приводят к так называемым гомеозисным мутациям, в результате которых на месте одного типичного органа возникает совсем другой. Каждый комплекс имеет громадную протяженность в несколько сот тысяч пар нуклеотидов, где основное место занимают регуляторные участки, либо интроны. А единицы транскрипции или собственно структурные белок — образующие гены занимают менее 5 % длины и представляют как бы острова в океане (Lewis, 1992; 1994).

К концу 1995 г. была получена полная нуклеотидная последовательность генного комплекса ВХ-С. Он имеет протяженность в 338234 п. н., куда входят лишь 5 единиц транскрипции (генов). Из них только три гена — Ubx, abdA и abdB — кодируют белки группы "гомеобокса" (они обнаружены у всех беспозвоночных и позвоночных животных и даже у растений). Два других гена — bxd и iab4 — образуют лишь мРНК, с которой, однако, не считывается белок. Помимо интронов, вся остальная область комплекса занята регуляторными участками — коммутаторами, которые при взаимодействии с тканеспецифичными факторами транскрипции отвечают за подавление или активацию определенного гомеозисного гена в данном сегменте в данное время (Martin, et al., 1995).

Оказалось, таким образом, что большинство "классических генов", локализованных в данном комплексе и выделенных на основании мутаций, например, bx, abx или pbx вовсе не являются структурными генами, а соответствуют цис-регуляторным сайтам. Кроме того, они могут быть участками, специфичными для действия транс-регуляторных белков, кодируемых удаленными генами. Одни из транс-регуляторных генов имеют явное сродство к ДНК, другие же не связываются с рецепторными участками ДНК, но, видимо, участвуют на кооперативных началах в регуляции транскрипции или структуры блока хроматина, где локализован весь комплекс. И вновь следует подчеркнуть, что современные молекулярные данные подтверждают еретическую идею Р. Гольдшмидта о том, что мутации, которые локализуют генетическими методами, часто соответствуют не дискретным моргановским генам, а сложным "генетическим единицам", которые определяют ход развития (Goldshmidt, 1958; Dietrich, 2000).

Другой важной особенностью генов эукариот по сравнению с микроорганизмами является их нередкая организация в мультигенные семейства. Различают три основных типа мультигенных семейств. Первый составляют тандемно повторенные гены. Так, еще в 20-е годы у дрозофилы была открыта рецессивная мутация "подстриженные тонкие щетинки", или bobbed. Она была интересна тем, что соответствующий ген был локализован не только в Х-хромосоме, но и в ее "генетически пустом" аналоге Y-хромосоме. При этом разные bobbed мутации параллельно с уменьшением размера щетинок резко снижали жизнеспособность, вплоть до летальности некоторых аллелей.

Молекулярно-генетический анализ показал, что обычный менделевский ген bobbed на самом деле представляет из себя блок из около 200 тандемно организованных пар генов, контролирующих структуру двух типов рибосомной РНК — 28S и 18S. А то, что на уровне фенотипа описывалось как моргановские точковые мутации, представляет собой внутрилокусные делеции, и чем больше делеция, тем сильнее она влияет на жизнеспособность. Уменьшение размера щетинок-макрохет и их утончение есть лишь плейотропный эффект уменьшения пула рибосом из-за дефицита рибосомной РНК. Предчувствие В. Иогансена об "уничтожающей относительности" выражений типа "ген признака" вполне оправдалось.

Второй, наиболее распространенный, тип представляют собой мультигенные семейства, организованные в скопления, или кластеры, разделенные промежутками. К таковым относятся семейства глобиновых генов человека. В хромосоме 11 в районе протяженностью в 60 тыс. п. н. расположено 7 несколько отличающихся друг от друга копий бета — глобиновьгх генов (пять из них функционально активны, но на разных стадиях онтогенеза). В хромосоме 16 есть другое семейство из пяти соседствующих альфа-глобиновых генов. Активный гемоглобин представляет собой белок-димер, образованный сочетанием разных альфа— и бета цепочек. Предполагается, что эти семейства имеют один предковый ген, копии которого двумя гнездами расселились по двум хромосомам.