Эффект положения гена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Волгоградский государственный медицинский университет

Кафедра молекулярной генетики

Доклад по генетике на тему:

"Эффект положения гена"

Выполнила: Бусарова Кристина

Проверила: Кузютина Ю.А.

Волгоград 2014

Введение

Довольно скоро после того, как генетики пришли к определению понятия гена как единицы дискретности наследственной информации, расположенной и функционирующей в определенном участке хромосомы, были обнаружены факты, свидетельствующие о возможности изменения его проявления в результате перемещений в системе генома. Также изменения активности гена при изменении его положения в геноме называют эффектами положения.

Впервые явление эффекта положения было обнаружено в 1925 году одним из основоположников генетики, А. Стертевантом, который показал, что, когда в результате неравного кроссинговера оба мутантных аллеля гена Bar у дрозофилы оказались в одной хромосоме, это существенно повлияло на экспрессию мутантного фенотипа по сравнению с ситуацией, когда эти же аллели были в разных гомологичных хромосомах. Явление, обнаруженное Стертевантом, имеет особенность, отличающую его от других эффектов положения: мутантный фенотип проявляется более или менее стабильно, поэтому в 1954 году Э. Льюис назвал его стабильным эффектом положения. Этот тип изменений активности генов напоминает по характеристикам обычную мутацию и имеет довольно широкое распространение, особенно в экспериментальной практике. Так, в 80-х годах были обнаружены многочисленные примеры существенных различий в активности гена white, заключенного в материал транспозона и перемещаемого по геному в результате трансформации, в зависимости от места встройки последнего в ту или иную часть хромосомы. Все эти примеры позиционных эффектов свидетельствуют о существенной зависимости экспрессии гена от специфического окружения, по-видимому, от того, под какой энхансер происходит встраивание гена.

Эффект положения мозаичного гена

В 1934 году Н.П. Дубинин и Б.Н. Сидоров обнаружили факт ослабления доминирования нормального аллеля гена cubitus interruptus при перенесении его из соседства с прицентромерным гетерохроматином в какой-то из районов эухроматина, то есть ген, нормально работавший, будучи расположенным по соседству с гетерохроматином, инактивируется, если покидает это положение и располагается в участке эухроматина. Впоследствии это явление было названо эффектом Дубинина.

Особым случаем является эффект положения мозаичного типа. В 1930 году другой основоположник генетики, Г. Дж. Меллер, обнаружил удивительное явление - потерю проявления доминантности у аллеля, расположенного в хромосомной перестройке, полученной в результате облучения, то есть у гетерозиготы R(g+) / R +(g) (где R - хромосомная перестройка, а g - ген) аллель g+ не проявляется и особь имеет мутантный g-фенотип. ген наследственный хромосома

Уже сам Меллер установил, что генетическая инактивация возникает, во-первых, в хромосоме с перестройкой, а во-вторых, ген должен быть перенесен в окрестности прицентромерного гетерохроматина. В-третьих, проявление гена становится мозаичным, то есть при анализе большого числа относительно однородных клеток, например клеток, слагающих омматидии глаза и имеющих одинаковый генотип - R(g+) / R +(g), в одной группе клеток формируется мутантный фенотип, в других клетках - нормальный.

Таким образом, эффект положения мозаичного типа можно коротко охарактеризовать следующим образом: ген инактивируется в результате переноса его из эухроматина в окрестности гетерохроматина, при этом в части клеток он сохраняет свою активность, в другой части инактивируется.

В последующие 70 лет исследователи открывали все новые и новые особенности инактивации генов при эффектах положения.

Цитогенетические характеристики эффекта положения мозаичного типа

Как показали Н.П. Дубинин и Б.Н. Сидоров в 1935 году, при эффекте положения мозаичного типа ген не теряется, а изменяется лишь состояние его активности. С помощью кроссинговера они отделили инактивированный аллель от перестройки, а, следовательно, и от соседства с гетерохроматином, и ген вновь стал стабильно формировать нормальный фенотип. Несколько позже, в 1938 году, И.Б. Паншин получил обратные хромосомные перестройки, которые переносили инактивированный ген от гетерохроматина в исходное положение - в эухроматин. Активность гена при этом также восстанавливалась.

В результате получения огромного числа хромосомных перестроек и их проверки на способность индуцировать генетическую инактивацию было установлено, что эффект положения мозаичного типа проявляется только в перестройках между эу- и гетерохроматином. Любой ген у дрозофилы при наличии соответствующей перестройки, переносящей его в гетерохроматин, может инактивироваться, то есть испытывать мозаичный эффект положения.

В 1991 году Е.С. Беляева открыла уникальное явление - прерывистую инактивацию участков хромосом, перенесенных в окрестности гетерохроматина. Суть ее сводится к тому, что гены инактивируются не последовательно, а прерывисто, например e+dc+ba+ или edcb+a и т.д. Если в случае непрерывной инактивации довольно легко представить себе, как некий инактивирующий сигнал из гетерохроматина распространяется вдоль по хромосоме, то в случае прерывистой компактизации должен существовать какой-то неизвестный механизм перескоков инактивирующего сигнала.

Долгое время обсуждали вопрос: на каком уровне происходит нарушение нормальной функции гена. Как уже говорилось выше, собственно структура гена (то есть последовательности нуклеотидов) при эффекте положения не повреждается. Однако было установлено, что в клетках с мутантным фенотипом уменьшено количество транскриптов с инактивируемого гена и количество его белкового продукта. Следовательно, при эффекте положения речь идет в первую очередь об инактивации транскрипции. Прямое доказательство этому получено экспериментально. Были созданы линии дрозофил, у которых ген hsp26 с помощью трансформации был встроен в эу- или гетерохроматин. В первом случае ген hsp26 нормально функционировал и отвечал на индукцию тепловым шоком. Напротив, при индукции гена, встроенного в гетерохроматин, он становился транскрипционно неактивным.

При эффекте положения участок хромосомы, где расположен инактивируемый ген, испытывает компактизацию. Этот процесс изучают на клетках слюнных желез личинок дрозофилы, имеющих политенные хромосомы. Материал хромосомы становится плотным, сильно окрашивающимся, происходит слияние дисков в один плотный блок, начиная от точки контакта эухроматина с гетерохроматином. В некоторых случаях материал хромосомы компактизуется прерывисто, то есть компактные районы чередуются с обычными районами, присущими эухроматиновым частям политенных хромосом.

В результате компактизации участки хромосом, прежде эухроматиновые, приобретают свойства, характерные для гетерохроматина: они становятся позднореплицирующимися, вступают в эктопические контакты. В компактных районах политенных хромосом ДНК не полностью реплицируется, так же как и в прицентромерном гетерохроматине. В блоках компактного гетерохроматина выявляется белок HP-1, являющийся структурным компонентом гетерохроматина. В результате прежде эухроматиновый участок хромосомы становится гетерохроматиновым, то есть гетерохроматизируется.

Процесс компактизации имеет те же три свойства, которые присущи собственно генетической инактивации при эффекте положения:

1) компактизация мозаична, то есть в одной клетке участок хромосомы находится в компактном состоянии, в соседней клетке район обнаруживает нормальную эухроматиновую структуру;

2) компактизация распространяется вдоль по хромосоме от точки соединения эу- и гетерохроматина;

3) компактизация может распространяться прерывисто.

Модификаторы эффекта положения

На степень проявления мозаичного фенотипа влияют многие факторы. Так, низкая температура (14-18оС по сравнению с нормальной 25оС, при которой обычно проходит развитие дрозофил) резко усиливает генетическую инактивацию, что выражается как в увеличении размеров секторов неокрашенных фасеток, так и в увеличении протяженности компактизации и генетической инактивации.

Изменение количества гетерохроматина в геноме оказывает существенное влияние на проявление эффекта положения. Легче всего варьировать количеством гетерохроматина Y-хромосомы. Во-первых, потому, что это самый большой гетерохроматиновый блок в геноме, а во-вторых, ее легко вводить в геном и удалять с помощью обычных скрещиваний.

При удалении Y-хромосомы (самцы в этом случае имеют генотип X0 в отличие от нормальной структуры XY) генетическая инактивация резко усиливается. Добавление дополнительного гетерохроматина (самцы XYY) ослабляет инактивацию.

Число Y-хромосом в геноме - сильнейший модификатор эффекта положения. Кроме этого, в настоящее время открыты несколько десятков генов, мутации которых могут приводить к усилению или ослаблению генетической инактивации, - это гены-модификаторы эффекта положения. При этом генов-супрессоров (ослабителей) в несколько раз больше, чем энхансеров (усилителей). Эти гены были предсказаны еще в середине 30-х годов XX века, а выделены в чистые линии в начале 80-х годов (не следует путать гены-энхансеры эффекта положения с открытыми в 1979 году элементами гена, усиливающими его транскрипцию и называемыми энхансерами генов).

Модификаторы эффекта положения изменяют проявление степени компактности инактивированного участка эухроматина: низкая температура, удаление гетерохроматина из генома, действие генетических энхансеров резко усиливают как частоту встречаемости клеток с компактизованными участками хромосом, так и протяженность компактизации. Высокая температура, добавление гетерохроматина и действие генетических супрессоров эффекта положения действуют в противоположном направлении.

Одним из путей регулирования процессов формирования хроматина являются модификации гистонов, в частности их ацетилирование. Таким образом, мутация, обусловливающая усиление ацетилирования гистонов, должна подавлять проявление эффекта положения.

Существенное влияние на эффект положения мозаичного типа оказывают мутации генов, кодирующих белки гетерохроматина, такие, как HP1 (heterochromatic protein 1), кодируемый геном Su-var(2)205, и SU(VAR)3-7, являющиеся структурными блоками гетерохроматина. Утрата любого из этих белков приводит к супрессии мозаичного эффекта положения.

Белок HP1. Первоначально этот белок был обнаружен главным образом в районах прицентромерного гетерохроматина политенных хромосом дрозофилы, в меньшей степени в теломерах и некоторых эухроматиновых районах. Позже были обнаружены три белка из хромосомы мыши, имеющие гомологию с HP1: M31 (иногда называемый MOD1), M32 (MOD2) и mHP1L. Антитела против M31 связываются с районами прицентромерного гетерохроматина в хромосомах как мыши, так и человека. Напротив, антитела против M32 локализуются в эухроматине. Также три белка, имеющие гомологию с HP1 дрозофилы, обнаружены и у человека.

Белок SU(VAR)3-7. Этот белок также выявляется в гетерохроматине. Его особенностью является то, что он имеет семь так называемых цинковых пальцев, то есть особых последовательностей аминокислот, образующих домен, в состав которого входит также ион цинка. Вся эта конструкция имеет вид удлиненной петли, как бы пальца, и способна непосредственно связываться с определенной последовательностью ДНК.

Поскольку основной характеристикой гетерохроматина является его компактное состояние, можно предположить, что основная функция нормальных белков, таких, как НР 1 и SU(VAR)3-7, заключается в компактизации хроматина, а мутации приводят к ослаблению этой функции.

Механизмы генетической инактивации

Почему при перенесении гена в окружение гетерохроматина происходит компактизация участка хромосомы и как следствие инактивация гена? Наиболее разумными кажутся гипотезы К. Тартофа и его коллег из Калифорнийского университета. По их мнению, гетерохроматин состоит из многочисленных тандемно (один за другим) расположенных фрагментов ДНК (или доменов). Каждый из них начинается с участка начала (сайта инициации) и заканчивается сайтом терминации компактизации материала хромосом. Вся ДНК, заключенная между этими сайтами, с необходимостью компактизуется, и, таким образом, участок хромосомы гетерохроматизируется.

В настоящее время можно считать общепринятым представление, согласно которому неактивное, суперкомпактное состояние прицентромерного гетерохроматина обеспечивается сложными белковыми комплексами. Эти комплексы начинают формироваться в центрах инактивации (то есть на последовательностях ДНК, которые имеют повышенную возможность связываться с этими белками гипотетически, пока центры не выявлены и их специфика неясна), а затем растут, подобно кристаллу, благодаря кооперативному эффекту (когда присоединение первых белковых молекул резко усиливает присоединение последующих и т.д.). В результате мультимерный (состоящий из многих молекул разных белков) комплекс распространяется на большие расстояния, упаковывая хромосомную нить в неактивные блоки - домены гетерохроматина. Согласно этой модели, генетическая инактивация при эффекте положения объясняется довольно просто: хромосомная перестройка разрывает ДНК в пределах домена и переносит ген в сферу действия инициации компактизации, которая, начавшись с инициатора, переходит и на приблизившуюся эухроматиновую часть хромосомы. Поскольку при нарушении естественной границы между эу- и гетерохроматином в результате перестройки не происходит остановки в движении белков и они распространяются на нового эухроматинового соседа, присоединившегося к гетерохроматину в результате перестройки.

Компактизующие белки играют существенную роль в упаковке материала гетерохроматина. При удалении из генома Y-хромосомы (то есть значительной части гетерохроматина) белки компактизации, не имеющие теперь адекватного количества гетерохроматина, то есть мишеней для связывания, более плотно упаковывают оставшийся прицентромерный гетерохроматин и соответственно присоединенный к нему участок эухроматина.

Заключение

Исследования эффекта положения мозаичного типа у дрозофилы привели к важным заключениям:

1. В основе особой структуры гетерохроматина действительно лежит более плотная компактизация, которая инициируется в особых центрах гетерохроматина и распространяется при участии компактизующих белков. Сила компактизации, исходящая от гетерохроматина, столь велика, что распространяется и на эухроматин, когда он переносится в окрестности гетерохроматина.

2. Явление мозаичного эффекта положения представляет собой замечательную модель для изучения действия белков, изменяющих состояние компактизации хроматина. Изучение модификаторов эффекта положения позволяет провести генетический анализ компонентов хроматина.

Список испоьзованной литературы

1. Жимулев И.Ф. Гетерохроматин и эффект положения гена. Новосибирск: Наука, 1993.

2. Жимулев И.Ф. Трансформация у дрозофилы - новый экспериментальный подход в генетике // Соросовский Образовательный Журнал. 2000. № 7.

3. Кулаева О.Н. Белки теплового шока и устойчивость растений к стрессу 1997. № 2.

4. Прокофьева-Бельговская А.А. Гетерохроматические районы хромосом. М.: Наука, 1986.

Размещено на Allbest.ru