«Прыгающие» гены

Сегодня «прыгающие» гены найдены во всех живых организмах, в КОТОРЫХ их искали: в безъядерных клетках бактерий, в клетках растений, у червей, у плодовой мушки дрозофилы, у мыши и человека. Само существование «прыгающих» генов, явление транспозиции, 30 лет назад воспринятое как курьезный факт, в наши дни позволило ближе подойти к таким нерешенным проблемам биологии, как регуляция генов, происхождение опухолей и эволюционные процессы. У генетиков существовало твердое правило: каждый ген имеет точный адрес, постоянную прописку на хромосоме. Если каждая хромосома — город, ее отдельный участок (локус) — улица, то «прыжки» означают, что некоторые участки ДНК могут переезжать не только с одной улицы на другую, но даже изменить город, в котором они проживали. Такие переезжающие участки — это и есть «прыгающие» гены, или транспозоны, или еще иначе — мобильные генетические элементы.

Нужно сразу заметить, что «прыжки» совершаются крайне редко, примерно один раз на

[smszamok]

сотни тысяч событий в жизни клетки. Мобильные генетические элементы по величине и по строению можно разделить О работах советских исследователей на передовых рубежах современной молекулярной биологии было рассказано на научной сессии, посвященной девяностолетию выдающегося биохимика академика В. А. Энгельгардта. Публикуем краткие рефераты некоторых докладов, сделанных на сессии (в подзаголовках — их официальные названия), они отражают ключевые проблемы науки, исследующей молекулярные основы жизни. Например, мобильные элементы обычно имеют на обоих концах повторы. Это могут быть длинные цепочки из 200—600 нуклеотидов (оснований) или короткие — из 20—30 нуклеотидов, прямые или обращенные, как слова-перевертыши, которые одинаково читаются справа налево и наоборот, например, «заказ». Характерно, что на ДНК, в месте, где встраиваются «прыгуны», отмечается, так сказать, «удвоение мишени», как будто перед включением «прыгающего» гена произошло легкое заикание: короткий кусочек ДНК-хозяина, всего 4—5 нуклеотидов, повторяется.

«Прыгающих» генов в организме может быть много. Например, у дрозофилы на долю подвижных элементов приходится 5—10 процентов всего генетического материала. Если обычные, стабильные гены имеют всего несколько копий (нередко всего одну), то у «прыгающих» генов количество копий десятки и сотни.

Как они размножаются и как происходят «прыжки»? В Лаборатории биосинтеза нуклеиновых кислот и Лаборатории подвижности генома Института молекулярной биологии АН, где были в 1977 году открыты мобильные диспергированные (то есть рассыпанные по всем хромосомам) генетические элементы дрозофилы, сокращенно МДГ, изучали механизмы, с помощью которых перемещаются подвижные гены. Оказалось, что «прыгающие» гены могут воспроизводиться через обратную транскрипцию. О том, как гены перемещаются и умножают число копий, известно пока лишь для не

которых «прыгающих» генов. А: МДГ дрозофилы размножаются вне хромосомы через

обратную транскрипцию. 1 — Сначала на матрице ДНК синтезируется РНК «прыгающего» гена так, что крайние области концевых повторов ЦЗ слева и 115 справа не переписываются; 2, 3, 4 — На следующих стадиях размножения МДГ эта РНК служит матрицей для синтеза ДНК, который идет с помощью фермента ревертазы, затравкой служит тРНК. 5 — Затем однонитевая ДНК удваивается, и новая кольцевая копия МДГ (6) способнавстраиваться в новый участок хромосомы. Б: В клетках кукурузы многие «прыгающие»гены удваивают себя и совершают «прыжки» непосредственно в хромосомах на стадииудвоения нитей ДНК. III. «Транспозиционные взрывы» — одновременные перемещении многих «прыгающих» генрв приводят сразу к нескольким мутациям. У кукурузы (Б) это сказывается в мозаичной окраске зерен. У мушек дрозофил (А) по сравнению с дикими слева у мутантов-самок (в центре) туловище стало желтым, глаза — белыми, крылья — вырезанными и без ворсинок; у самца (справа) изменился только один признак — щетинки на спине стали завитыми.

Эта ДНК образует кольцевые молекулы вне хромосом, которые могут встраиваться в самые различные участки на различных хромосомах. Удалось выделить разные промежуточные продукты этого процесса, которые образуются при размножении «прыгающих» генов у дрозофилы,— комплексы РНК с ДНК, кольцевые ДНК.

Внедрение «прыгающих» генов в ДНК может вызвать мутации. Как это происходит?

Одно из важнейших открытий современной молекулярной биологии — мозаичиость генов. Оказывается, не вся последовательность нуклеотидов на ДНК несет информацию о белке, который ген кодирует. Есть участки, которые одно время считали «бессмысленными»,— это вставки, интро-ны (смысловые участки называют экзона-ми). Если, синтезируя РНК на матрице ДНК, снять с нее полную копию, то получается РНК, не совсем готовая для процесса транспляции (изготовления белков) на рибосоме. Переписанный на РНК текст требует редактирования — только после вырезания интронов из РНК-предшественника получается зрелая мРНК, готовая к синтезу белка.

Если «прыгающий» ген попадает в область смысловой части, той, которая кодирует последовательность аминокислот в белке, возникает нарушение смысла, и работающий ген может начать синтезировать

Мутанты дрозофилы, появившиеся в результате транспозиционных взрывов. Если подвижный ген окажется в области «бессмысленной» вставки — интрона или рядом с геном, то инактивации гена не произойдет, хотя в ряде случаев при этом изменится регуляция гена. Он, например, начинает работать менее активно или, наоборот, более активно. Иногда при «прыжках» мобильные гены могут захватить с собой соседние гены и вызывать разные перестройки в хромосомах. Они оказываются важным фактором генетической изменчивости. В Институте общей генетики удалось вывести линии мушек, у которых перемещения генетических элементов происходят в тысячи раз чаще, чем обычно. Многие происходящие при этом мутации выражаются в видимых на глаз изменениях: меняется форма крыльев, окраска тела или цвет глаз насекомых. Исследования, проведенные на дрозофилах такой линии, привели к открытию так называемых транспозиционных взрывов, Оказалось, что в подавляющем большинстве клеток дрозофил вообще не происходит перемещений подвижных элементов, но зато в некоторых клетках (примерно в одной на тысячу) проходят массовые «прыжки» подвижных генов. В результате потомство может изменяться сразу по многим признакам. Очевидно, транспозиционные взрывы должны были сыграть важную роль в процессе эволюции живого на Земле. Именно множественные скачкообразные изменения могли быть причиной появления новых видов.

[/smszamok]

Казалось бы, сами «прыгающие» гены не несут полезной для клетки информации, не кодируют необходимые ей белки. Значит ли это, что они только паразитически используют энергию и генетический аппарат клетки в своих эгоистических целях, для своих «прыжков» или для своего умножения? Возможно, «прыгающие» гены — это симбионты, сожители, выполняющие и некоторые полезные для организма функции.

Сейчас ясно одно — «прыгающие» гены могут оказывать глубокое и разнообразное влияние на жизнь клетки.