Содержание

• 1. Мобильные генетические элементы и их роль в изменчивости живых организмов
• 2. Репарации ДНК
• Список литературы

1. Мобильные генетические элементы и их роль в изменчивости живых организмов

Мобильные генетические элементы (МГЭ, подвижные элементы, транспозируемые элементы, транспозоны и т.д.) повсеместно распространены в живой природе от плазмид, фагов и бактерий до высших животных и растений (Хесин, 19S4; Berg, Howe, 1989). Будучи нестабильными по своей локализации в геномах, они создают мощный источник изменчивости генов, систем их управления и геномов (Lambert et al., 1988). Будучи сами последовательностями нуклеотидов, они тоже подвержены эволюции. Поэтому МГЭ выступают и как факторы эволюции содержащих их геномов, и как эволюционирущие объекты.[3,c.4]

I. МГЭ как факторы изменчивости

В настоящее время МГЭ найдены у бактерий (включая их фагов и плазмид), низших грибов, насекомых, растений, животных и многих других объектов (Хесин, 1984; Berg, Howe,1989). Число известных семейств МГЭ, вероятно превышает 100. У хорошо изученных объектов найдены многие десятки семейств МГЭ: например у дрозофилы их число, вероятно, достигает 50 (Berg, Howe, 1989; Charlesworth, Langley, 1989). Некоторые семейства относятся к умеренным повторам, имея десятки-сотни копий на геном, другие - к повторам высокой множественности (Alu у человека - 5--6 млн копий на геном (Fa-Ten-Kao, I985)). В сумме МГЭ различных семейств могут составлять значительную часть генома (до 10% у дрозофилы (Finnegan, 1985; Ананьев, 1989)). МГЭ нестабильны, т.е. с определенной вероятностью способны к транспозициям и исключению из отдельных позиций генома (табл.1).

МГЭ способны к воспроизведению в клетке либо через репликацию ДНК, либо через прямую и обратную транскрипцию (ретротранспозоны).

В случаях, когда МГЭ не содержит генов, выполняющих клеточных функции, их часто считают "эгоистическими ДНК". Транспозиции обычно связаны с размножением копий МГЭ. В своей структуре МГЭ содержат гены транспозиции (ферментов-транспозаз - Тп-3, Тп-5 (Хесин, 1984)) и др., ревертаз - ретропозоны (Ананьев, 1989). Поэтому фактически они являются отдельными репликонами. В некоторых случаях синтез транспозазы репрессируется при избыточной ее концентрации по механизму отрицательной обратной связи (Тп-3 (Хесин, 1984), Р-фактор дрозофилы (Engels, 1989)).

МГЭ содержат также разнообразные функциональные сайты - знаки пунктуации и управления (промоторы, терминаторы, операторы, репликаторы, энхансеры, регуляторные сайты теплового шока (Хесин, 1984; Шахмурадов и др., 1986; Капитонов и др., 1987)), которые существенны для окружающих участков генома.

Инсерции МГЭ в кодирующие зоны генов приводят к нарушению или резкому изменению их функций. Это связано с прямым нарушением генов и с влиянием знаков пунктуации (промоторов, терминаторов и др.) на процессы считывания. Доля таких мутаций особенно велика у прокариот, которые имеют высокую плотность кодирования информации в геноме (Ратнер, 1985). Инсерции МГЭ в некодирующие области (спейсеры, интроны, фланговые участки др.) приводят к более "мягким" последствиям: усилению или ослаблению активности близлежащих генов, изменению их регуляции и т.п. Такие последствия преобладают у высших эукариот, у которых кодирующая часть генома составляет ~3-5%[2,c.14]. Показано также, что среди видимых мутаций у дрозофилы и других объектов наиболее значительную долю составляют не замены нуклеотидов, а именно инсерции МГЭ (Rubin, 1983; Sankaranarayanan, 1988; McDonald, 1989) (табл. 2).

ІІ. Отбор, температурные воздействия и динамика рисунка локализации МГЭ в геноме

Гибридизация in situ ДНК МГЭ с политенными хромосомами дрозофилы была тем методом, который позволил исследовать популяционную динамику рисунков локализации МГЭ. Гвоздев, Кайданов и др. (Gvozdev et al., 1981; Pasyukova et al., 1986; Гвоздев, Кайданов, 1986) впервые обнаружили, что отбор по количественному признаку половой активности самцов дрозофилы приводил к направленному изменению рисунка локализации copia-подобных МГЭ. Сходные явления были обнаружены также в других системах МГЭ дрозофилы (Shrimpton et al., 1987; McKay, 1988).

Васильева и др. (1987) селекционировали лабораторную популяцию D. melanogaster с прерванной радиальной жилкой крыла (олигогенная мутация radius incompletus -- ri). Контрольная популяция riC имела проксимальный и дистальный фрагменты (табл. 3). В результате 70 поколений минус-отбора жилка была почти полностью редуцирована, и далее фенотип устойчиво воспроизводился без дальнейшего отбора в течение более 300 поколений (линия riSN). В результате 40 поколений плюс-отбора жилка была полностью восстановлена, фенотип далее тоже воспроизводится без дальнейшего отбора многие десятки поколений (линия riSP). В табл. 3 приведены количественные итоги селекции. Сравнительный анализ рисунков локализации МГЭ mdg-1, mdg-2 и copia показал (Васильева и др., 1987; Забанов и др., 1990), что все они имеют в контрольной линии совершенно различные рисунки локализации. В результате отбора по признаку в любом из двух направлений происходили характерные изменения рисунков, хорошо воспроизводимые в повторных экспериментах. Результаты изменения признаков и рисунков локализации МГЭ достаточно устойчиво воспроизводились в отселекционированных линиях. На рис. 1 изображено генеалогическое дерево этих и других исследованных линий.[4,c.15]

Куколки дрозофил контрольной популяции (riC) были подвергнуты температурному воздействию: ступенчатому изменению температуры культивирования -- 29° -» 18° С (Васильева и др., 1987; Ratner, Vasilyeva, 1989). Фенотипы обработанных особей оказались чувствительными к этому фактически стрессовому воздействию. В наибольшей степени это проявилось при обработке в течение двух коротких периодов куколочной стадии. Опуская детали, укажем, что главным эффектом было изменение экспрессии признака в последующих поколениях, которое устойчиво наследуется свыше 200 поколений. Температурная обработка в 1-й чувствительный период (113 ±5 ч.) приводила к существенной редукции количественного признака в последующих поколениях, обработка во 2-ой чувствительный период (149 ± 5 ч.) -- к почти полному восстановлению жилки. Соответствующие "температурные" линии были названы riТIIЗ и riТI49 (см. табл. 3 и рис. 1).

Генетический анализ "селекционных" и "температурных" линий показал, что полигенные факторы, влияющие на количественный признак, распределены по всем хромосомам дрозофилы (Васильева и др., 1987; Забанов и др., 1990).

Гибридизация in situ тех же copia-подобных элементов с полигенными хромосомами личинок этих линий выявила вполне определенные, существенные и воспроизводимые изменения рисунков локализации по сравнению с контрольной линией (riC) (Васильева и др., 1987; Забанов и др., 1990). Таким образом, разовое температурное стрессовое воздействие вызывает множественные транспозиции copia-подобных МГЭ и изменения полигенов, сопровождаемые также изменениями фенотипа. Укажем, что по фенотипу полученные "температурные" линии попарно сходны с "селекционными": riSN с пТПЗ, riSP с riTI49 (см. табл. 3). В ряде изогенных линий дрозофилы множественные перемещения МГЭ обнаружены непосредственно в следующем поколении (Колесникова и др., 1991).

Рисунки локализации МГЭ по сегментам цитологической карты полигенных хромосом представляют собой линейные последовательности бинарных символов. Их можно сравнивать между собой теми же способами, что и последовательности мономеров. В каждой из пяти линий были взяты по 7--9 личинок. Для каждой пары последовательностей строились расстояния по Хеммингу, матрица таких расстояний была использована для построения дерева сходства. На рис. 2 изображено такое бескорневое дерево, построенное методом UPGMA для рисунков mdg-2 (Васильева и др., 1987; Ratnet, Vasilyeva, 1989).

Основной результат такого анализа состоит в том, что линии с наиболее сходными рисунками локализации МГЭ оказались также наиболее близкими и по количественным проявлениям признаков: riSN и пТПЗ, riSP и riTI49. Еще раз подчеркнем, что сходство по признаку и по рисунку локализации МГЭ проявили линии, полученные принципиально разными путями: "селекционные" -- путем длительного жесткого отбора по фенотипу, "температурные" -- путем разовой температурной обработки в чувствительные периоды развития. Этот факт свидетельствует о том, что рисунок локализации МГЭ и экспрессия признака связаны между собой причинно (генотип -- фенотип).

Убедимся, что с точки зрения популяционных механизмов -- генетического дрейфа, накопления транспозиций и др. -- эта связь не случайна. Во-первых, она воспроизводима при повторном выводе "температурных" линий в 1979, 1982, 1985, 1986 гг. (Васильева и др., 1987; Ratner, Vasilyeva, 1989).

Во-вторых, роль генетического дрейфа в возникновении различий между линиями можно считать малой. При культивировании всех линий выполнялся комплекс антидрейфовых мероприятий, препятствующих случайной фиксации или потере вариантов локализации МГЭ (...) т.е. случайные флуктуации частот нивелировались, а фиксация становилась маловероятной.

В-третьих, мы имели для сравнения два независимо построенных дерева -- генеалогическое дерево линий (см. рис. 1), отражающее реальный процесс их выведения, и дерево сходства линий (рис. 2), отражающее степень их близости по рисункам локализации МГЭ. Сравнения этих деревьев показывает, что они совершенно различны. Это значит, что в процессе выведения и микроэволюции этих линий были нарушены условия, необходимые для того, чтобы дерево сходства дивергировавших последовательностей отражало реальную топологию дерева эволюции.

В-четвертых, имеется ряд факторов, указывающих на "взрывообразный" характер транспозиций МГЭ в "температурных" линиях. По данным Колосниковой и др. (1991), в изогенных линиях, выведенных из контрольной линии пС, в следующем поколении после теплового шока найдены множественные транспозиции mdg-2. Юнакович и др. (Junakovic et al., 1986), использовав блотинг по Саузерну и зонды на присутствие copia-подобных МГЭ, показали, что после теплового шока в следующем поколении происходили массовые перемещения МГЭ. С другой стороны, и в "селекционных" линиях отбор происходил весьма неравномерно и занял липа часть времени микроэволюции, а затем был прекращен, т.е. и здесь нельзя говорить о постоянстве скорости фиксации транспозиций (Васильева и др., 1987). Именно эти особенности являются причиной несовпадения двух построенных деревьев (рис. 1, 2). Заметим, что этот случай является одним из наиболее наглядных примеров того, что дерево сходства последовательностей не всегда изоморфно отображает реальный процесс эволюции.

Наконец, в-пятых, отметим, что сходство линий по рисункам локализации МГЭ может быть либо "остаточным", поскольку все линии имеют общее происхождение (см. рис. 1), либо вновь приобретенным, если спектры изменений у линий сходны, неслучайны. Сравнение спектров отличий четырех дочерних линий от контрольной (riC) показывает, что наиболее сходные по фенотипу линии имеют наиболее сходные спектры изменений локализации mdg-2 (Васильева и др., 1987). Так, линии riSN и riT 113 имеют 27 общих изменений из 33--35 по сравнению с riC; линии riSP и riT 149 имеют 17 общих изменений из 23--30 замен. Следовательно, подавляющая часть спектров изменений в высокой степени не случайна по своему положению канализована.

Многие другие copia-подобные МГЭ обладают подобными же свойствами (Васильева и др., 1987; Забанов и др., 1990). Рисунки локализации mdg-1, mdg-3, copia почти полностью различны, но деревья сходства рисунков похожи друг на друга. В то же время, рисунки МГЭ вовлекаются в отбор по многим различным количественным признакам (Gvozdev et al., 1981; Гвоздев, Кайданов, 1986; Pasyukova et al., 1986; Shrimpton et al., 1987; McKay, 1988). Поэтому можно полагать, что мы имеем дело с геномной системой влияния МГЭ на проявление различных генов, чувствительной к стрессовым внешним воздействиям и отвечающей на селекцию.

III. Гипотеза: эволюционная роль системы МГЭ в геномах эукариот

Суммируя вышеизложенное, можно констатировать, что система МГЭ эукариотического генома обладает, по крайней мере, следующими общими функциями: 1) является источником инсерционной изменчивости генов; 2) влияет на проявление количественных и качественных признаков; 3) откликается изменением рисунков локализации многих МГЭ на отбор по признакам; 4) откликается на внешние стрессорные воздействия, в частности -- температурные, вспышками транспозиционной изменчивости. Такими свойствами в разной степени обладают МГЭ различных объектов -- дрожжей, дрозофилы, растений, млекопитающих.

Механизм инсерционной изменчивости достаточно ясен. Отметим только, что активация транспозиций разными путями (дисгенное скрещивание а Р--М системе (МсКау, 1988), температурное воздействие в системе copia-подобных МГЭ (Васильева-и др., 1987; Ratner, Vasilyeva, 1989; Забанов и др., 1990; Колесникова и др., 1991) и др.) должна усиливать эту компоненту изменчивости. Укажем также на существование "транспозиционных взрывов" в отдельных генеративных клетках дрозофилы, возникающих после генетического воздействия или спонтанно (Gerasimova et al., 1984).

Механизм влияния МГЭ на экспресию генов эукариот требует пояснений. В целом МГЭ содержат широкое разнообразие регуляторных сайтов, среди которых наиболее интересны энхансеры и регуляторные сайты теплового шока. Известно, что энхансеры способны в десятки и сотни раз усиливать транскрипцию соседних генов на расстоянии до 5000 н.п. (Khouri, Gruss, 1983; Maniatis et al„ 1987; Wang, Giaver, 1988). Шахмурадов и др. (1986) методом контекстного анализа показали, что в структуре многих МГЭ (в том числе -- mdg-1, mdg-2, mdg-4, copia) имеются энхансеро-подобные сайты.

Регуляторные сайты теплового шока (РСТШ) присутствуют в 5'-областях перед началом транскрипции эукариотических генов, проявляющих эффект теплового шока. Размер их ~14 н.п., расстояние до блока Хогнесса sS 200 н.п. (Bienc, 1985). Восстановлен консенсус РСТШ, характерный для таких далеких форм, как дрожжи, дрозофила, лягушка, человек: CNNGAANNTTCNNG (N--любой нуклеотид) (Bienc, 1984,1985; Vocllmy et al., 1985). Здесь 8 консервативных позиций. В некоторых случаях РСТШ имеют другую структуру (Farrelly, Finkelstein, 1984). Чем ближе РСТШ к блоку Хогнесса, тем эффективнее активация транскрипции тепловым шоком (Bienc, 1985). РСТШ можно рассматривать как энхансеры с позитивной регуляцией (Maniatis, 1987).

Показано, что активация транскрипции МГЭ copia у дрозофилы и DIRS1 у дрожжей при тепловом шоке связана с наличием РСТШ в их терминальных повторах (Zuker, 1984; Strand, McDonald, 1985; McDonald et al., 1987). Капитонов и др. (1987) методом контекстного анализа обнаружили РСТШ-подобные сайты в семи из 13 исследованных ими МГЭ: mdg-1, mdg-4, hobo, P дрозофилы, BS1 и CIN1 кукурузы и в ретровирусе EV1 курицы. Все они находились на расстоянии 150 н.п. от начала транскрипции и имели неслучайную гомологию либо с известными РСТШ, либо с их консенсусом. В mdg-2 и в МГЭ H.M.S. Beagle дрозофилы этот вариант РСТШ не обнаружен, но это не исключает возможного присутствия других РСТШ. Сходные результаты независимо получены также Макдональдом и сотрудниками. (McDonald et al., 1987; McDonald, 1989). Интересно, что РСТШ найден также в последовательности секвенированного ретровируса HTLV--III (вирус СПИД) (McDonald et al., 1987). В некоторых МГЭ найдены РТСШ-подобные сайты на расстоянии > 200 н.п. от блока Хогнеса (Strand, McDonald, 1985). Отметим, однако, что наличие РТСШ-подобного сайта еще не гарантирует его функционирование.[2, c.23]

Прямое доказательство индукции транспозиций copia-подобного МГЭ mdg-2 при помощи теплового шока получено недавно Колесниковой и др. (1991). В изогенной линии, самцы которой были подвергнуты тепловому шоку, транспозиции были найдены в следующем поколении, причем вероятности транспозиций возросли более чем на два порядка величин.

Таким образом, появление дополнительного энхансера вблизи функционального гена в результате инсерции несущего его МГЭ способно резко активизировать этот ген. Инсерция МГЭ, содержащего РСТШ, способна подчинить соседние гены системе теплового шока и сделать их чувствительными к стрессорным факторам окружения. В связи с этим можно сформулировать гипотезу о роли МГЭ в ответе на отбор по признакам и в температурных эффектах.

На основе имеющихся фактов (см. выше) необходимо постулировать, что рисунки локализации МГЭ являются существенной компонентой генетического механизма детерминации количественных признаков (Vasilyeva et al., 1985; Ratner, Vasilyeva, 1989). В общем случае эти системы содержат: 1) олигогены (гены главного эффекта), необходимые для формирования признака; 2) полигены, каждый из которых не необходим для формирования признака, но в совокупности они могут существенно изменить его экспрессию; 3) МГЭ, которые модифицируют, усиливают действие олигогенов и полигенов, вблизи которых они локализованы. Рисунок локализации МГЭ в каждом случае относительно стабилен; позиции, доступные для инсерции, вероятно, мечены на длительный срок "молекулярной памятью", существование которой в частном случае показано Мизрохи и др. (1985); возможно, что список доступных позиций зависит от компактизации хромосом и других явлений ядерно-хромосомного уровня. Рисунок локализации МГЭ распределяется по этим специфическим позициям (см. параметры n и m в п. 2). Скорее всего, рисунок МГЭ более или менее случайно наложен на топографию локализации олигогенов и полигенов и активирует их.

В рамках концепции лимитирующих факторов (Ratner, Vasilyeva, 1989; Ратнер, 1990) необходимо также предположить, что влияние как полигенов, так и МГЭ проявляется фенотипически только в тех случаях если они действуют на лимитирующие олигогены. Тогда их эффект оценивается отбором: вариабельность рисунков будет создавать вариабельность лимитирующих признаков, отбор по признакам будет приводить к отбору полигенов и рисунков модифицирующих их МГЭ. Определенный вклад в изменчивость признаков будут вносить также новые редкие транспозиции МГЭ. Ясно, однако, что селективное изменение рисунков не будет равномерным, поскольку это не нейтральный процесс фиксации перемещений МГЭ.

Для объяснения температурных эффектов предполагается, что стрессовое температурное воздействие (тепловой шок, ступенчатое изменение температуры и др.) индуцирует вспышку множественных у отдельных особей и массовых в популяции транспозиций МГЭ, которые выявляются уже в следующем поколении (Колесникова и др., 1991) и приводят к наследуемому изменению количественных и качественных признаков (Васильева и др., 1987; Ratner, Vasilyeva, 1989; Забанов и др., 1990). Неслучайный характер температурно-индуцированных транспозиций можно связать с существованием каких-то достаточно жестких ограничений на локализацию этих транспозиций в геноме. Имеется в виду, что в рамках группы выделенных сайтов, в принципе доступных для инсерций МГЭ, т.е. обладающих гомологией к ним, имеются дополнительные ограничения на транспозиции, связанные со свойствами хромосом или клеточного ядра и изменяющиеся в ходе онтогенеза. Эти ограничения должны быть различны на разных этапах онтогенеза (в чувствительные периоды). Сходство фенотипов "селекционных" и "температурных" линий сопровождается сходством спектров перемещения МГЭ. Это возможно только в том случае, если спонтанные неиндуцированные транспозиции в "селекционных" линиях подчиняются таким же ограничениям, что и индуцированные в "температурных" линиях.[1, c.14]

Последствия температурных воздействий могут быть весьма разнообразны. Непосредственная активация системы генов, подчиненных РСТШ, по-видимому, должна привести к усилению транскрипции и синтеза ферментов транспозиции (транспозаз, ревертаз и др.) и к увеличению вероятности транспозиции. В свою очередь, это вызовет вспышку инсерционного мутагенеза. Наличие энхансеров в структуре МГЭ приводит к заметной активации олигогенов и полигенов, в окрестность которых совершаются транспозиции. Иначе говоря, возможно массовое и множественное изменение экспрессии различных генетических систем. Кроме того, повышение синтеза ревертазы может усилить процесс амплификации различных генов через прямую и обратную транскрипцию.

Следует подчеркнуть, что система теплового шока индуцируется не только повышением температуры, но и воздействиями других весьма разнообразных внешних факторов (Neidhardt et al., 1984; Nover et al., 1984; Ananthan et al., 1986; McDonald, 1989): вирусным заражением клеток, обработкой ядами, детергентами, другими химическими факторами, нарушением энергетического обмена клеток и т.д. Все эти воздействия являются стрессовыми, неблагоприятными, а реакция системы теплового шока -- генерализованной. Кроме того, уровень транскрипции и транспозиций некоторых МГЭ индуцируются УФ- и гамма-облучением (McDonald, 1989), а в Р--М и I--R-системах дрозофилы -- дисгенным скрещиванием (МсКау, 1988).

Геномы эукариот, содержащие до 10% МГЭ различных семейств, теперь можно рассматривать как систему разнообразных паттернов МГЭ, которая может быстро перестраиваться под влиянием стрессовых внешних и геномных воздействий (Vasilyeva et al., 1985; McDonald et al., 1987; Ратнер, Васильева, 1987; Ratner, Vasilyeva, 1989; McDonald, 1989). В разных случаях транспозиции могут быть как случайными, так и жестко канализованными по своим локализациям, но они порождают новый вариант изменчивости для полигенных систем. В этом смысле МГЭ можно рассматривать как своеобразные рецепторы стрессирующих сигналов из внешней или генетической среды, "запускающие" системные вспышки наследуемой изменчивости в критические периоды эволюции популяций. Это влечет за собой множественные генетические последствия: быстрое изменение видовой нормы лимитирующих признаков, возможно, изменение лимитирования, изменение спектра дальнейших мутаций и перестроек, становление нового генетического гомеостаза и др. Участие в этих событиях ретропозонов (mdg и др.) означает, что их собственный генетический материал при репликации проходит РНК-стадию, которая имеет вероятность мутирования 10^-3--10^-4, что на несколько порядков выше, чем в ДНК-содержащих геномах эукариот. Таким образом, гены и функциональные сайты самих ретропозонов подвержены особо сильному мутагенезу. Этоа касается также генов, захваченных ретропозонами из генома хозяина.

Критические, стрессовые условия существования часто сопряжены с прохождением популяций через стадию "бутылочного горлышка", которое может быть связано либо с массовым вымиранием; либо с освоением новых экологических ниш по "принципу основателя". В этих условиях новые формы, индуцированные через вспышки транспозиций, могут стать основателями новых популяций с резко измененным фенотипом по лимитирующим количественным или качественным признакам (Ratner, VasiJyeva, 1989; McDonald, 1989). Здесь возможны как адаптивные, так и случайные варианты быстрого преобразования. В результате фактически эти события могут стать одной из главных компонент изменчивости и эволюции генома дрозофил и других объектов. Не исключено, что изменение системы рисунков локализации МГЭ является одним из механизмов видообразования (Fontdevila, 1989). Во всяком случае, гибридный дисгенез, индуцирующий транспозиции Р-фактора, является изолирующим механизмом между скрещиваемыми линиями дрозофил (Хесин, 1984).

IV. Макроэволюция AIu-подобных повторов

Семейство Alu-повторов млекопитающих является одним из самых больших. У человека оно содержит (5-9) * 10⁵ копий (Fa-Ten-Kao, 1985), у шимпанзе в 3 раза больше (Hwu et al., 1986). Alu-повторы имеют размер ~300 н.п. и содержат два гомологичных мономера -130 н.п., причем второй из них имеет также инсерцию фрагмента 31 н.п. Повторы BI грызунов гомологичны мономерам Alu-повторов (Колчанов и др. 1988) и имеют -150 н.п., а-также вставку 32 н.п. Предполагается, что Alu и BI транспозируются в геноме через механизм обратной транскрипции, т.е. являются ретропозонами, хотя строго это не доказано. В настоящее время секвенировано свыше 100 Alu-повторов приматов и десятки BI-повторов грызунов (Колчанов и др., 1988).

Другую родственную группу повторов, имеющую распространение от архебактерий до человека, представляют собой гены 7SL РНК. Эта фракция РНК входит в состав рибонуклеопротеидных частиц, участвующих в транспорте секретируемых белков эндоплазматической сети (Walter, Blobel, 1982).

Колчанов и др. (1988) выполнили совместный генетический анализ мономеров Alu-повторов человека, BI-повторов крысы и 7SL РНК лягушки, крысы и человека (рис. 3). Были использованы известные палеонтологические датировки времени существования общих предков приматов и грызунов (~80*10⁶лeт назад), млекопитающих и земноводных (~350*10⁶ лет назад). Другие датировки были определены по дереву.

Основные результаты анализа состоят в следующем. Общим предшественником современных генов 7SL РНК, Alu- и BI-повторов были предки генов 7SL РНК. Однако повторы Alu и BI произошли непосредственно не от генов 7SL РНК приматов и грызунов, соответственно, а от некоторого общего гена-предка, который дуплицировался и дивергировал от генов 7SL РНК еще задолго до выделения филетических линий отрядов приматов и грызунов. Время этой дивергенции оценено ~ 260-10⁶ лет назад, т.е. после разделения земноводных и млекопитающих. При этом предковый ген Alu и BI утратил существенную функциональную часть, которая наиболее консервативна у 7SL РНК. Небольшие инсерции (31 н.п. у Alu и 32 н.п. в BI) были; вероятно, приобретены после разделения грызунов и приматов.

Оценка скоростей фиксации замен показала, что для генов 7SL РНК v = 2,2*10^-10 замен на позицию в год, а для Alu и BI на порядок больше: v = 2,3*10^-9 замен на позицию в год (Колчанов и др., 1988). Это согласуется с представлением об уменьшении функциональной нагрузки Alu и BI-повторов по сравнению с 7SL РНК за счет делеции консервативного функционального фрагмента. Величина скорости фиксации для Alu и BI близка к максимальной скорости нейтральной эволюции Vmax=5*10^-9 для ДНК-геномов (Ратнер и др., 1985), что говорит о том, что существенная часть фиксированных замен могла быть нейтральной. Однако многие секвенированные Alu-повторы содержат различные функциональные сайты -- промоторы РНК-полимеразы 111, энхансеры, сайты "затравки" обратной транскрипции и др. (Колчанов и др., 1988), которые необходимы для транспозиции. Поэтому вряд ли эволюция Alu и BI полностью нейтральна.

Alu-повторы человека распределены в геноме неравномерно, образуя кластеры. Шахмурадов и др. (19896) исследовали закономерности сходства повторов внутри и между кластерами. Оказалось, что имеется неслучайная гомология повторов и участков их встраивания, т.е. имеется своеобразное "притяжение" копий Alu к определенным зонам генома. Однако кластеры Alu-повторов неоднородны. Копии, входящие в один кластер, не всегда более сходны друг с другом, чем с копиями из других кластеров. Следовательно, рассеяние копий в геноме идет не по локальному принципу ,а скорее через общий пул ретропозонов от различных кластеров.

Таким образом, филогенетический анализ последовательностей Alu-подобных МГЭ позволил высказать ряд важных соображений об их происхождении, дивергенции и характере их эволюции.

2. Репарации ДНК

Репарация -- особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физическими или химическими агентами. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

Рис. Однонитевое и двунитевое повреждения ДНК

Источники повреждения ДНК

· УФ излучение

· Радиация

· Химические вещества

· Ошибки репликации ДНК

· Апуринизация -- отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

· Дезаминирование -- отщепление аминогруппы от азотистого основания

Основные типы повреждения ДНК

· Повреждение одиночных нуклеотидов

· Повреждение пары нуклеотидов

· Разрыв цепи ДНК

· Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК

·

Рис. ДНК-лигаза, осуществляющая репарацию ДНК

Устройство системы репарации

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

· фермент, "узнающий" химически изменённые участки в цепи ДНК и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения

· фермент, удаляющий повреждённый участок

· фермент (ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого

· фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность

Типы репарации

У бактерий имеются по крайней мере 2 ферментные системы, ведущие репарацию -- прямая и эксцизионная.

Прямая репарация

Прямая репарация наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

Эксцизионная репарация

Эксцизионная репарация (англ. excision -- вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.

Два типа нарушений структуры ДНК приводят к мутациям. Это, во-первых, включение нормальных нуклеотидов в аномальное окружение из последовательностей нуклеотидов, приводящих к образованию неправильно спаренных оснований и петель разных размеров. Во-вторых, появление повреждений ДНК в виде аномальных нуклеотидов в правильных последовательностях ДНК. В этом случае речь идет о различных химических модификациях нуклеотидов, включая их разрушение и образование поперечных сшивок. Повреждения ДНК могут приводить к задержке и блокированию репликации и транскрипции.[2,c.21]

При исследовании механизмов репарации ДНК важные результаты были получены на клетках, облученных УФ-светом с длинами волн 240-280 нм. УФ-облучение клеток часто сопровождается их гибелью, образованием мутаций и злокачественной трансформацией. Среди первичных повреждений наиболее часто встречаются биспиримидиновые фотопродукты: пиримидиновые димеры циклобутанового типа (рис.2).

Рис. Димеры циклобутанового типа

а - тиминовый димер циклобутанового типа; б - пиримидиновый димер, соединенный 6-4 связью. С - цитозин; Т

Как про-, так и эукариоты имеют несколько ферментных систем, которые разделяют пиримидиновые димеры или восстанавливают исходную структуру азотистых оснований. К таким репаративным системам относится, прежде всего, система эксцизионной репарации ДНК (NER) , осуществляющая вырезание поврежденных нуклеотидов ( NER - nucleotide excision repair ) или азотистых оснований ( BER - base excision repair ). Система ферментативной фотореактивации ДНК ( PHR - photoreactivation ), основным компонентом которой является ДНК- фотолиаза, разделяет пиримидиновые димеры, превращая их в нормальные пиримидиновые основания. Кроме того, поврежденные УФ- светом молекулы ДНК могут репарироваться с участием систем рекомбинации и в процессе пострепликативного синтеза ДНК. Действие систем репарации поврежденной ДНК распространяется не только на фотопродукты, но и на другие модифицированные основания, образующиеся под действием химических мутагенов. Отдельно следует упомянуть систему, распознающую неправильно спаренные основания в двойной спирали ДНК, возникающие в результате ошибок репликации.

Большинство исследованных организмов обладают системами репарации ДНК в различных комбинациях. Так, клетки E. coli для удаления фотопродуктов используют системы NER и PHR, тогда как у человека пиримидиновые димеры циклобутанового типа удаляются исключительно системой NER.

Список литературы

1. А.С. Коничев, Г.А. Севастьянова. Молекулярная биология. -- Москва: Академия, 2003

2. Агол В.И. и др. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. Под ред. А.С. Спирина. М., Высшая школа, 1990г.

3. Альберте Б. и др. Молекулярная биология клетки. М., Мир, 1994 .

4. Спирин А.С. Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка. М., Высшая школа, 1986 г.