СТАТЬИ
РОЛЬ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНОМА В ФОРМИРОВАНИИ
КЛЕТОЧНОГО ОТВЕТА НА ОБЛУЧЕНИЕ
к.б.н. М. Шапошников
Научные интересы: радиационная генетика, молекулярная и клеточная радиобиология, малые дозы ионизирующей радиации Согласно определению, мобильные генетические элементы (МГЭ) эукариот представляют сегменты ДНК, которые могут изменять свое местоположение в пределах генома. МГЭ распространены повсеместно и составляют существенную часть геномной ДНК многих изученных организмов. Так, геном кукурузы на 50 % состоит из транспозонов, а в геноме человека, при их общем уровне содержания 30 % насчитывается свыше 4 млн. отдельных копий [9]. Перемещаясь случайным образом, мобильные генетические элементы существенно влияют на структуру генетического материала хозяина и имеют фундаментальное значение в формировании генетической изменчивости. Считают, что транспозиционная активность МГЭ вызывает до 80 % спонтанных мутаций и является основной причиной их возникновения [5]. Однако МГЭ могут выполнять и ряд полезных функций в геноме хозяйской клетки. Унаследованные эукариотами от прокариотических эубактерий, МГЭ прошли с ними долгий путь эволюции и стали незаменимыми при выполнении таких функций как V(D)J рекомбинация в клетках иммунной системы млекопитающих, поддержание теломер у дрозофилы и процесс репарации двунитевых разрывов ДНК у дрожжей [9]. В клетке, в свою очередь, возникли приспособления, направленные на генетический контроль процесса транспозиции и снижение вредных последствий от незапланированных перемещений МГЭ, наиболее значимым и глобальным из которых можно считать механизм метилирования ДНК [13]. В нормальных условиях уровень перемещений отдельных копий МГЭ незначителен и в среднем составляет 10–4-10–5 на геном за поколение, но в определенных условиях скорость транспозиций мобильных элементов может увеличиваться на несколько порядков, что ведет к индуцированному усилению их воздействия на геном хозяина. Причины возрастания уровня транспозиций могут обусловливаться или генетическими механизмами, как в случае гибридного дисгенеза у Drosophila melanogaster, или действием неблагоприятных (мутагенных) внешних факторов. В настоящее время накоплен большой фактический материал, показывающий, что ионизирующее излучение вызывает повышение транспозиционной активности МГЭ и увеличение количества их копий в геноме разных организмов [6]. С учетом современных представлений о структурно-функциональных отношениях МГЭ с геномом хозяина это позволяет предположить важную роль индуцированной активности мобильных элементов в формировании генетических реакций на действие ионизирующей радиации [3]. Немаловажным является тот факт, что транспозоны, являясь высоко интегрированными генетическими элементами, используют для своей активации механизмы генерализованной реакции клетки на неблагоприятные факторы. Транспозиционная активация различных групп МГЭ может происходить как по механизму транскрипционной активации, так и в ответ на индукцию одно- и двунитевых разрывов ДНК. Показано, что при радиоиндуцированной активации МГЭ дрозофилы из группы ретротранспозонов участвуют транскрипционные факторы теплового шока и NF-kB [1, 8]. Активация ретротранспозонов с помощью этих факторов может быть обусловлена присутствием в их структуре последовательностей ДНК, гомологичных консенсусным последовательностям промоторов генов теплового шока и генов раннего ответа [1, 8]. Еще одним механизмом, ответственным за изменение активности МГЭ, является метилирование ДНК. Как показано на растениях и млекопитающих, неблагоприятные условия (холодовой стресс) ведут к деметилированию ДНК и повышению активности МГЭ [7, 12]. Таким образом, МГЭ используют для собственной активации такие механизмы контроля генной экспрессии, как транскрипционные факторы и метилирование ДНК, а также восприимчивы к разрывам ДНК. Возможно, что при перемещении некоторые МГЭ выполняют функцию модификаторов генетической экспрессии количественных и адаптивных признаков [2]. Многочисленными экспериментами на дрозофиле показана корреляция ряда количественных признаков с изменением сайтов локализации МГЭ. Известны случаи, когда отбор на снижение адаптивных признаков приводил к изменению сайтов локализации МГЭ, а отбор на повышение уровня приспособленности вел к предпочтительному встраиванию мобильных элементов в места прежней локализации [2]. В таком случае возникает предположение о возможной роли МГЭ в процессах генотипической адаптации к действию ионизирующих излучений. На лабораторных популяциях D. melanogaster, имеющих длительную историю содержания в условиях повышенного радиационного фона, показано ступенчатое снижение радиочувствительности при ступенчатом повышении уровня облучения [11]. Было установлено, что чувствительность к радиации контролируется тремя дискретными генетическими факторами, поведение одного из которых напоминает перемещение мобильного элемента [11]. Данные, свидетельствующие об изменении транспозиционной активности МГЭ, получены также при исследовании показателей синдрома гибридного дисгенеза у хронически облучаемых лабораторных линий дрозофилы с различиями по содержанию МГЭ в геноме [4]. Способность МГЭ активироваться при действии широкого спектра неблагоприятных факторов вследствие нарушения генетического гомеостаза, по-видимому, определяется регуляторными свойствами самих элементов. Наличие сложного механизма регуляции транспозиций позволяет мобильным генетическим элементам использовать для активации множество различных внутриклеточных сигналов. Можно выделить несколько наиболее значимых последствий активации мобильных генетических элементов в ответ на облучение. К ним, прежде всего, относится многократное увеличение количества повреждений ДНК. В то время, как непосредственное повреждение ДНК немедленно репарируется или фиксируется в качестве стабильной мутации, мобильные элементы формируют циклы инсерций и эксцизий долгое время после активации, что может быть причиной возникновения генетической нестабильности. На фоне генетической нестабильности, в свою очередь, могут проявляться такие радиобиологические реакции, как гормезис, адаптивный ответ или радиационно-индуцированное старение [3]. Кроме того, при встраивании в определенные сайты, МГЭ изменяют экспрессию широкого спектра количественных признаков, что может обусловливать изменение приспособительных характеристик облученных популяций [2, 11]. Также одним из последствий транспозиций является возникновение генетических перестроек, таких как транслокации, инверсии, крупные инсерции и делеции, имеющих большое эволюционное значение [10]. И, наконец, мобильные элементы выполняют в геноме ряд жизненно-важных для хозяина функций, в том числе репарацию двунитевых разрывов ДНК у дрожжей и восстановление поврежденных концов хромосом у дрозофилы [9]. Можно ожидать, что при действии облучения будет происходить изменение этих функций. Другим аспектом рассматриваемой проблемы является возможная роль мобильных генетических элементов в формировании радиационно-индуцированных реакций в диапазоне малых доз облучения как специфических факторов индукции генетической нестабильности [3]. Увеличение уровня транспозиций в ответ на неблагоприятное воздействие имеет линейный характер зависимости от дозы [1], что позволяет предположить дозо-зависимое влияние мобильных элементов на функциональное состояние генома. В то время, как в диапазоне больших доз облучения транспозиции вызывают множественные повреждения генетического материала и гибель клеток, в диапазоне малых доз активация МГЭ может играть роль триггерного механизма, который запускает сразу несколько процессов и обеспечивает поливариантную реакцию живой клетки в ответ на действие неблагоприятного фактора [3]. Таким образом, в клетке существуют механизмы поддержания динамического равновесия между уровнем спонтанной активности мобильных генетических элементов, приводящей к нарушениям структуры генома, и генетически-контролируемыми перемещениями, имеющими важные генетические функции. Радиационно-индуцированное нарушение этих механизмов может иметь самые серьезные последствия как на молекулярно-генетическом, так и на организменном уровне. ЛИТЕРАТУРА 1. Васильева Л.А., Ратнер В.А., Бубенщикова Е.В. Стрессовая индукция транспозиций ретротранспозонов дрозофилы: реальность явления, характерные особенности и возможная роль в быстрой эволюции // Генетика, 1997. Т. 33, № 8. С. 1083-1093. 2. Гвоздев В.А., Кайданов Л.З. Геномная изменчивость, обусловленная транспозициями мобильных элементов, и приспособленность особей Drosophila melanogaster // Журн. общ. биол., 1986. Т. 47, № 1. С. 53-63. 3. Зайнуллин В.Г. Генетические эффекты хронического облучения в малых дозах ионизирующего излучения. СПб.: Наука, 1998. 100 с. 4. Современные аспекты радиобиологии Drosophila melanogaster / В.Г. Зайнуллин, М.В. Шапошников, А.А. Москалев, А.И. Таскаев. Екатеринбург, 2001. 102 с. 5. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984. 472 с. 6. Arnault C., Dufournel I. Genome and stresses: reactions against aggressions, behavior of transposable elements // Genetica, 1994. Vol. 93, № 1-3. P. 149-160. 7. Effects of X-ray irradiation on genomic DNA methylation levels in mouse tissues / R. Tawa, Y. Kimura, J. Komura et al. // J. Radiat. Res. (Tokyo), 1998. Vol. 39, № 4. P. 271-278. 8. Faure E., Best-Belpomme M., Champion S. X-irradiation activates the Drosophila 1731 retrotransposon LTR and stimulates secretion of an extra-cellular factor that induces the 1731-LTR transcription in nonirradiated cells // J. Biochem. (Tokyo), 1996. Vol. 120, № 2. P. 313-319. 9. Kidwell М.J., Lisch D. Transposable elements as sources of variation in animals and plants // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1997. Vol. 94, № 15. P. 7704-7711. 10. Lim J.K., Simmons M.J. Gross chromosome rearrangements mediated by transposable elements in Drosophila melanogaster // BioEssays, 1994. Vol. 16, № 4. P. 269-275. 11. Nothel H. Adaptation of Drosophila melanogaster populations to high mutation pressure: Evolutionary adjustment of mutation rates // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1987. Vol. 84, № 4. P. 1045-1049. 12. Steward N., Kusano T., Sano H. Expression of ZmMET1, a gene encoding a DNA methyltransferase from maize, is associated not only with DNA replication in actively proliferating cells, but also with altered DNA methylation status in cold-stressed quiescent cells // Nucleic Acids Res., 2000. Vol. 28, № 17. P. 3250-3259. 13. Yoder J.A., Walsh C.P., Bestor T.H. Cytosine methylation and the ecology of intragenomic parasites // Trends Genet., 1997. Vol. 13, № 8. P. 335-340.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3685 посещений с 30.06.2002 |