Мутация в онтогене – дестабилизация генома – формообразование*

УДК: 575
Мутация в онтогене – дестабилизация генома – формообразование*
Б.Ф.Чадов, Е.В.Чадова, Е.А.Хоцкина, Н.Б.Федорова
Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск,
факс (3832)331278, e-mail: [email protected]
Аннотация
Описывается феноменология дестабилизации генома у мутантов Drosophila
melanogaster, содержащих мутации онтогенов (регуляторных генов, управляющих
онтогенезом). Дестабилизация выражается в: 1) потере или снижении летальности ранее
летальных мутаций; 2) потере проявления доминантных мутаций в оппозитном гомологе;
3) хромосомной нестабильности в виде потери Х-хромосомы в половых и соматических
клетках; 4) образовании новых мутаций (с полной и неполной пенетрантностью), а также
т.н. диморфных мутаций; 5) появлении единичных и массовых модификаций; 6)
серийном характере появления мутаций; 7) массовом образовании морфозов.
Предполагается, что причиной перехода генома из стационарного состояния в
нестационарное является появление мутации в онтогене. К образованию нового вида
может привести формирование новации – генетически обусловленного комплексного
изменения фенотипа в период пребывания генома в нестационарном состоянии.
Таблиц – 4 , рисунков – 7.
Введение
В 30-х годах прошлого века Четвериков, Фишер и Райт соединили дарвиновскую
эволюционную идею с генетикой [1, 2, 3]. Возникли т. н. «синтетическая» теория эволюции
и популяционная генетика, как полигон для ее проверки. Процесс эволюции был
представлен как «естественный отбор» генных вариантов (аллелей). В рамках стремительно
развившейся популяционной генетики был накоплен обширный материал о генетическом
полиморфизме и его динамике [4, 5]. Оказалось, однако, что изменения частот аллелей в
популяциях носят обратимый характер. Не найдено финальной направленности процесса, не
говоря уже о фактах совершившегося видообразования. Популяционные генетики склонны
считать, что аллельное разнообразие, наблюдаемое в популяциях, служит, скорее, адаптации
вида в пределах ареала, чем является материалом для биологической эволюции [6, 7, 8].
Вновь стали актуальными гипотезы номогенеза [9] и сальтационного видообразования [10,
11, 12, 13].
Выход из кризиса, в котором находится генетическая интерпретация эволюции, видится в
том, чтобы в качестве материала для эволюции рассматривать не традиционные
менделевские гены, обеспечивающие внутривидовую изменчивость, а гены «инвариантной»
части генома [6, 7], обеспечивающие внутривидовое сходство [14, 15]. Авторами статьи с
использованием средств прямой генетики разработаны методы получения мутаций по таким
генам у дрозофилы [14, 16]. Первые исследования мутаций показали, что они принадлежат
регуляторным сигнальным генам, осуществляющим процесс индивидуального развития [17,
18, 19]. Эти гены назвали онтогенами [15].
Мутации онтогенов обладают особенностями, делающие их пригодными для
продолжительной и скрытой перестройки генетической системы. Именно такая, долгое
время не подконтрольная отбору, перестройка и должна, по нашему мнению, обеспечивать
видообразование. Одна из важнейших особенностей полученных мутаций - способность
дестабилизировать геном.
*- рукопись статьи в кн. «Эволюционная биология» Т.3. / Под ред. В.Н. Стегния. Томский
государственный университет. 2005. С.92-106.
Материалы и методы
Мутации в Х-хромосоме и аутосоме 2 получили в 2000 - 2001 годах [14, 16], в течение
пятилетнего срока их поддерживали в виде лабораторных культур и наблюдали за ними.
Формально – генетически эти мутации - условные доминантные летали. Показатель
летального действия мутации в Х-хромосоме - отсутствие дочерей в скрещивании
мутантного самца с самками линии «yellow». Показатель летального действия мутации в
аутосоме 2 – отсутствие мутантного потомства обоего пола в таком же скрещивании.
Мутации в Х-хромосоме (22 штуки) поддерживали двумя способами: в культуре со
сцепленными Х- хромосомами и в культуре, содержащей инверсию Muller-5 в Ххромосоме (рис.1).
A
Б
Рис. 1. Два способа поддержания мутаций онтогенов в Х-хромосоме: (А) в гетерозиготе
у самок, содержащих инвертированную хромосому Muller-5 (In(1) M-5) и мутантную Ххромосому (+, жирная линия) и (Б) в культуре со сцепленными Х- хромосомами (y v f/ y v f). В
первом случае мутантную Х-хромосому получают дочери In(1)M-5/+ и сыновья +. Дочери
In(1)M-5/ In(1)M-5 и сыновья In(1)M-5 мутантной Х-хромосомы не получают. Во втором
случае – мутантную Х-хромосому получают сыновья, и не получают дочери.
Летальные мутации в аутосоме 2 (8 штук), поддерживали в гетерозиготе с
инвертированной хромосомой In(2LR)Cy, Cy Bl L4 (рис.2). Эта хромосома содержала
доминантные мутации Curly, Bristle и Lobe, которые отличаются устойчивым и отчетливо
выраженным проявлением [20].
Каждую культуру поддерживали в 4-5 стаканчиках со стандартной средой для
дрозофилы. Один - два раза в месяц её пересаживали на новую среду. При пересадке
потомство просматривали под бинокулярной лупой. Новые фенотипические варианты,
2
включая морфозы, документировали с помощью цифровой видеокамеры. В большинстве
случаев от особи с необычным фенотипом пытались сделать отводок, скрещивая ее с
сибсами. В исходной культуре, давшей новый фенотип, в следующем поколении
целенаправленно искали повторного появления этого фенотипа.
Проверку летальности проводили путем скрещивания самцов из мутантных культур с
самками yellow [16].
Результаты
1. «Разлеталивание»
Потеря летального действия мутаций была обнаружена случайно в 2001 году в опытах по
определению частоты доминантных леталей. Самцы из культур 1, 3, 5, 27 и 33, ведущихся на
сцепленных Х-хромосомах, в скрещивании с самками yellow стали давать дочерей (табл.1). В
последующие годы летальность проверили в более представительных выборках потомства.
Пять вышеназванных мутаций, проверенные в 2002 и в 2004 годах, показали, что они
действительно перестали быть леталями. В 2002 г. потеряли летальное действие еще 3
мутации (№№ 29, 38, 41), а в 2004 г. – ещё одна (№35). В некоторых культурах летальность
не исчезла, но снизилась. В потомстве стали возникали дочери, хотя их доля не достигала
положенного уровня 50% (№№ 7, 9, 10, 11). Всего из 22 летальных мутаций за период 20002004 гг. 9 мутаций полностью потеряли летальность, а 5 перешли в разряд полулеталей.
Таблица 1
Потеря летального проявления мутаций, полученных в 2000 году
(поддержание в культуре «attached –X»)
Номер
культуры
1
2
3
5
6
7
8
9
10
11
26
27
29
30
31
32
33
34
35
36
38
41
2000 г.
Всего
потомства
191
435
180
303
283
100
216
529
297
409
89
161
76
115
189
198
234
198
115
110
84
100
2001 г.
Доля
дочерей
0.00
0.00
0.00
0.02
0.02
0.00
0.07
0.00
0.04
0.06
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.04
0.01
0.01
0.01
Всего
потомства
13
4
20
33
2
3
5
7
7
4
29
4
8
8
4
23
12
5
3
5
2002 г.
Доля
дочерей
*0.46
0.00
*0.45
*0.45
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
*0.69
0.00
0.00
0.00
0.00
*0.52
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Всего
потомства
199
259
311
265
111
44
90
169
69
82
175
113
171
109
138
74
214
62
162
106
80
331
Доля
дочерей
*0.42
0.02
*0.43
*0.60
0.02
**0.27
0.09
**0.21
**0.30
**0.18
0.07
*0.56
*0.54
0.02
0.01
0.00
*0.56
0.00
**0.13
0.02
*0.56
*0.49
2004 г.
Всего
потомства
77
36
95
83
39
63
49
81
57
55
40
92
80
71
70
53
88
54
83
54
51
106
Доля
дочерей
*0.52
0.03
*0.50
*0.41
0.05
**0.40
**0.14
0.04
**0.26
**0.16
0.02
*0.49
*0.51
0.00
0.03
0.02
*0.51
0.02
*0.48
0.07
**0.33
*0.52
* - потеря летального действия мутации
** - снижение летального действия мутации
3
Процесс потери летальности мутаций №№ 1-41 происходил и в культурах, ведущихся в
гетерозиготе с хромосомой Muller-5 (табл.2). За то же период времени полностью потеряли
летальность 7 мутаций (№№ 3, 5, 9, 11, 32, 34, 38), снизили летальность – 8 (№№ 6, 7, 8, 10,
30, 31, 33, 36). Различие в способах поддержания мутаций определенно сказывалось на
процессе разлеталивания. В культуре Muller-5 летали сохранялись более устойчиво.
Разлеталивание мутаций №3, 5, 38 прошло при обоих способах поддержания, мутации №
№2, 6, 30, 31 при обоих способах поддержания не утратили летальности. Для большинства
мутаций (16 из 22) сохранение летальности и ее потеря не были скоординированы в
культурах Muller-5 и «сцепленные Х-хромосомы»
В 2002 г., после того как была обнаружена потеря и резкое ослабление летальности 10
культур, поддерживающихся на сцепленных Х-хромосомах, их продублировали новыми
культурами, полученными от самцов, взятых из соответствующих культур Muller-5.
К 2004 году 7 из них, теперь ведущихся на сцепленных Х-хромосомах, опять потеряли
летальное действие (табл.3). Остались леталями три (№№ 27, 29, 41). Эти мутации остались
леталями и при поддержании на Muller-5 (табл.2).
Таблица 2
Потеря летального действия мутаций, полученных в 2000 году и поддерживающихся в
культурах «attached-X» и «Muller-5»
2000 г.
2004 г. attached-X
Номер
культуры
самца
Всего
потомства
Доля
дочерей
Всего
потомства
1
2
3
5
6
7
8
9
10
11
26
27
29
30
31
32
33
34
35
36
38
41
191
435
180
303
283
100
216
529
297
409
89
161
76
115
189
198
234
198
115
110
84
100
0.00
0.00
0.00
0.02
0.02
0.00
0.07
0.00
0.04
0.06
0.01
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.04
0.01
0.01
0.01
77
36
95
83
39
63
49
81
57
55
40
92
80
71
70
53
88
54
83
54
51
106
Доля
дочерей
0.52
0.03
*0.50
*0.41
0.05
**0.40
**0.14
0.04
**0.26
**0.16
0.02
*0.49
*0.51
0.00
0.03
0.02
*0.51
0.02
*0.48
0.07
**0.33
*0.52
2004 г. Muller-5
Всего
потомства
77
89
77
64
31
11
68
118
79
86
55
34
60
50
43
48
67
44
30
84
93
Доля
дочерей
0.06
0.08
*0.48
*0.50
**0.10
**0.18
**0.19
*0.54
**0.42
*0.46
0.04
0.06
**0.10
**0.10
*0.54
**0.10
*0.45
**0.14
**0.27
*0.50
0.06
* - потеря летального действия мутации
** - снижение летального действия мутации
Полученные данные позволяют считать, что в культурах идет процесс изменения свойств
мутаций. Он зависит как от самой мутации, так и от
геномного окружения.
4
Таблица 3
Потеря летального проявления мутаций, содержавшихся первоначально в культуре
Muller-5, а затем в культуре C(1)DX, y w f
Номер
культуры
самца
1
3
5
7
11
27*
29*
33
38
41*
Дочерей
«+»
53
44
62
72
33
0
3
47
66
4
Сыновей
yellow
65
83
49
60
34
58
66
61
60
47
Всего
потомства
118
127
111
132
67
58
69
108
126
51
Доля
дочерей
0.45
0.35
0.56
0.54
0.49
0
0.04
0.44
0.52
0.08
* - мутации, не потерявшие летального действия
2. Потеря проявления доминантной мутации в оппозитной хромосоме
Летальные мутации в аутосоме 2, поддерживающиеся в гетерозиготе с
инвертированной хромосомой In(2LR)Cy, Cy Bl L4, характеризуются «потерей
проявления» доминантных мутаций Cy, Bl и L4 в инвертированной хромосоме (рис.2).
♀ In(2L+2R)Cy, Cy dplv1 pr Bl cn2 L4 sp2
l (2)
x
♂ In(2L+2R)Cy, Cy dplv1 pr Bl cn2 L4 sp2
l (2)
Фенотип потомков
в норме:
Cy Bl L4
Варианты:
Cy Bl
L4
Cy
Bl L4 Сy
L4 Bl
-8
-1
-1
-9
-0
-1
Рис.2. Непроявление фенотипа доминантных мутаций в аутосоме 2. Летальные
мутации в аутосоме 2 l(2) поддерживали в культуре, содержащей инвертированную
аутосому 2 и видимые доминантные мутации Curly [Cy], Bristle[Bl] и Lobe [L4]. В норме
у потомков проявлялись все три доминантные мутации, однако в 20 случаях произошла
потеря проявления одной или двух мутаций.
Потеря происходила в скрещиваниях, направленных на поддержание мутаций, а также
в скрещиваниях между мутантными культурами. Всего за первые полгода поддержания
мутаций было замечено 20 случаев потери проявления (рис.2). В 17 случаях произошла
потеря одного маркера и в 3 случаях – двух. Реципрокные классы резко различаются по
численности. Это говорит против кроссоверной природы потерь. Хромосомы с
измененным набором доминантных маркеров продолжали вести себя как балансеры
леталей в аутосоме 2. Это было бы невозможно, если бы маркеры перемещались в
результате кроссинговера. Процесс, приводящий к изменению проявления доминантной
мутации, для каждой мутации был автономным. По этой причине самой частой была
потеря одной мутации, значительно реже – двух. Случаев потери всех трех мутаций
сразу не было замечено. По отдельности терялись все три мутации, но с разной частотой.
В 11 случаях была потеряна мутация Curly, в 10 - Lobe, в 2 - Bristle.
В скрещивании самок yellow c мутантными самцами (4 культуры) среди 833 потомков
не было ни одного случая потери маркера. Можно полагать, что потеря случается при
нахождении мутации у матери. Хромосомы In(2LR)Cy, с потерянными маркерами были
введены в культуру и показали стабильное наследование этого изменения.
3. Хромосомная нестабильность
Самки, содержащие мутацию в одной Х-хромосоме и инверсию Muller-5 в другой, в
скрещивании с самцами yellow дали неожиданное потомство: патроклинных самцов
yellow(табл.4).
Таблица 4
Потомство самок In(1)Muller-5, wa B/+ , содержащих мутацию, в скрещивании с
самцами yellow*
Номер
культуры
самца
1
2
3
5
6
7
8
9
10
11
27
29
30
31
32
33
34
35
36
38
41
Контроль
Всего
потомства
Доля
патроклинных
самцов
yellow в
потомстве
174
317
122
242
501
377
363
250
194
291
198
285
378
460
226
162
264
444
481
504
359
937
0.27
0.17
0.16
0.06
0.15
0.09
0.09
0.20
0.00
0.05
0.25
0.07
0.15
0.17
0.01
0.06
0.13
0.28
0.10
0.04
0.08
0.00
Фенотипы потомства
Самки
Самцы
B
+
wa B
+
y
65
93
28
52
147
124
83
88
50
76
54
77
109
132
57
45
99
142
138
140
93
262
5
59
19
63
105
86
88
44
49
66
38
85
70
89
65
31
63
56
97
107
88
258
56
80
32
60
102
64
72
37
51
72
36
44
85
83
57
53
42
85
98
119
66
178
1
31
23
53
74
68
89
31
44
63
21
60
58
77
44
23
27
37
100
120
84
239
47
54
20
14
73
35
31
50
0
14
49
19
56
79
3
10
33
124
48
18
28
0
6
Патроклинные самцы находились в потомстве 20 мутаций из 21, причем у 11 мутаций
доля патроклинных самцов была очень высокой - более 10% потомства. Образование
патроклинных самцов свидетельствует о потере Х-хромосомы во время образования
ооцита или о мейотическом нерасхождении Х-хромосом [21]. Исследование других
мутаций онтогенов показало, что в оогенезе мутантов происходят оба процесса [22].
Потеря хромосом имеет место и в митотически делящихся клетках мутантов. У
дочерей мутантных самок находили участки самцовой ткани. К примеру, участки yellow
на сером фоне, глаза разного фенотипа (рис.3).
Рис. 3. Образование мозаиков и гинандроморфов в культурах, содержащих мутацию в
онтогене. а) разный цвет глаз у потомка wa/+ ; б) разная форма глаз у потомка В/+; в)
отсутствие окраски левой половины последних тергитов; г) правая половина головы и
груди самцовая (полосковидный глаз, половой гребешок на проторакальной ноге,
желтый цвет ног), остальная часть тела – женская; д) левая половина тела мужская
(желтая окраска тела, укороченное крыло), правая – женская; структура наружных
половых органов смешанная; е) левая половина брюшка окрашена по женскому типу,
правая - по мужскому; ж) левая сторона особи имеет мужской вид; з) правая половина
той же особи, включая наружные половые органы, женского типа.
Потеря Х-хромосомы в раннем эмбриогенезе приводила к образованию гинадроморфов –
мозаиков, сочетающих часть тела женского строения с частью тела мужского строения
(рис. 3 в, д, ж, з).
4. Образование видимых мутаций
Мутации с полной пенетрантностью. Мухи с летальными мутациями имели
нормальный фенотип. В процессе поддержания культур возникали особи, имеющие
аномальные фенотипы. Большинство из них соответствовали фенотипам известных
мутаций, и в соответствии с этим они получили свои названия. Это были: 1) plexus; 2)
dumpy; 3) brown; 4) radius incompletus; 5) forked; 6) balloon; 7) Bar, а также мухи с
крыльями, поставленные под углом друг к другу (фенотип «домик»). Все мутации, кроме
Bar, были рецессивными, в гомозиготе имели 100% пенетрантность. Их отношение к
известным мутациям, имеющим похожие фенотипы, не исследовано.
Мутации с неполной пенетрантностью. Они отличались от выше приведенных
тем, что часть носителей мутации имела нормальный фенотип. Наличие мутации у них
выявлялось при последующем ведении культуры. Это были мутации 1) cubitus
interruptus; 2) radius incompletus; 3) black; 4) dumpy; а также 5) мухи с нарушением
рисунка тергитов; 6) мухи с «раздвоением затылка»; 7) мухи с уплощением головы и
длинной шеей.
Диморфные мутации. Первоначально все мутации поддерживались в культуре самок
со сцепленными Х-хромосомами. При переводе мутаций на поддержание с хромосомой
Muller-5 выявились четыре мутации с необычными фенотипами: 1) «коротконожка»; 2)
«прерванная жилка (18)»; 3) «прерванная жилка (30)» и 3) «пузыри на крыльях».
Мутации были рецессивными, располагались в Х-хромосоме, проявлялись у самок со
100% пенетрантностью. Самцы, содержащие каждую из этих мутаций в Х-хромосоме,
имели нормальный фенотип [23].
Диморфные мутации не стабильны, в свою очередь. В течение двух лет после
получения культур в каждой из них возникли производные двух типов. По первому типу,
мутация проявляется у обоих полов со 100% пенетрантностью. По второму, мутация
проявляется у обеих полов, но с неполной пенетрантностью.
Фенотип мутации «коротконожка» складывается из четырех компонентов: 1)
отсутствия четырех члеников лапок на каждой ноге; 2) косо срезанных крыльев; 3)
отсутствия второй продольной жилки на крыльях и 4) пузыря на одном или двух
крыльях. Образовались производные этой мутации, в которых при сохранении прежнего
4-х компонентного фенотипа у самки у самца проявляется компонент 3) и компонент 4).
В случае образования культуры с проявлением мутации у обоих полов произошла смена
локализации мутации. Мутация из Х-хромосомной превратилась в аутосомную
(хромосома 3).
Образование набора мутаций в одном поколении или последовательно в
следующих друг за другом поколениях. В одном поколении возникло три особи, каждая
из которых содержала комплекс из 4 мутаций. Три аллельны известным у дрозофилы
мутациям thread, scarled, radius incompletus в аутосоме 3. Четвертая похожа на мутацию
eyeless в аутосоме 4. Комплекс из 4 мутаций выявился сразу в нескольких пробирках.
Отмечен случай последовательного образования мутаций в каждой из следующих
генераций: летальная мутация 9 дала фенотип <plexus>, который через несколько
поколений дал фенотип <speck>, тот в следующей генерации дал <purple cinnabar> и
<Bar>. Те при следующей пересадке дали фенотип <ячеистые глаза>, затем последовал
фенотип типа <Dichaete>, породивший, в свою очередь, фенотип <широкие крылья> и
далее - фенотип «поднятые крылья» (рис.4). Все из указанных фенотипических форм
сохраняются в специальных отводках.
Рис. 4. Образование двух комплексов мутаций в культурах, содержащих мутацию в
онтогене. Комплекс а-в: а- фенотип «прерванная жилка L2»; б) фенотипы «глаза ярко
красного цвета» и «аристы без разветвлений», контроль-сверху; в) фенотип
«уменьшение глаза», контроль- справа. Комплекс г-з: г) фенотип «темное пятно в
основании крыла»; д) фенотипы «purple, cinnabar, facet (фасетки глаза крупные
оранжевого цвета»; е) фенотип «широкие крылья»; ж) фенотип «разведенные крылья»;
з) фенотип «разведенные и поднятые крылья».
5. Единичные и массовые модификации
В культурах мутаций появляются волны фенокопий. В одном или нескольких
поколениях воспроизводится тот или иной фенотип известных мутаций: black, purple,
brown, trident, abnormal abdomen, Notch, yellow, Dichaete и др. (рис. 5). В большинстве
случаев появляется сразу несколько особей (от 3 до 10) нового фенотипа. В следующей
генерации, как правило, число таких особей увеличивается. Однако через несколько
поколений они начинают постепенно исчезать из потомства. Попытка закрепить новый
фенотип в отводке оказывается безуспешной. Например, одной из часто возникающих
фенокопий является наличие у мух меланомоподобных образований (рис. 5 а). Удавалось
9
Рис. 5. Модификации в культурах, содержащих мутацию в онтогене. а) «меланома»
участок ткани темного цвета; б) «пузырчатое» крыло; в) «бледные карлики» - мухи
малого размера и бледно-желтой окраски; г) вертикально загнутые крылья; д)
«укороченные» крылья, крылья изменены и уменьшены вплоть до полного отсутствия;
е) «карлик» - самец уменьшен в размере, нормально окрашен, сверху - самец нормального
размера; ж) самка темной окраски, справа самец нормальной окраски; з) три особи с
дефектом фасеточной части глаза.
получить отводки со 100% наличием «меланомы» у потомка, однако через некоторое
количество поколений фенотип терялся окончательно.
В культурах мутаций периодически появляются мелкие особи. Вывести культуру с
таким фенотипом, несмотря на неоднократные попытки, не удалось. Периодически
возникают резкие нарушения в соотношении полов. Эти изменения ведут себя так же,
как было указано выше для фенокопий.
6. Массовое образование морфозов.
Выщепление новых фенотипов в культурах мутаций онтогенов происходит на фоне
образования разнообразных односторонних морфозов у потомков мутантов, о чем уже
ранее сообщалось (15, 18, 23). По частоте встречаемости в культурах морфозы намного
превосходят мутации и модификации.
О частоте образования эндогенных мутаций и модификаций у мутантов по
онтогенам
Приведенные данные по образованию новых фенотипов (мутаций, модификаций и
морфозов) основаны на наблюдениях за культурами мутаций при их поддержании или
при участии в экспериментах. Строгих оценок частот нет, поскольку сами факты были
неожиданными. Вместе с тем можно утверждать, что: 1) частоты обнаруженных событий
на несколько порядков величин выше, чем в культурах обычных мутаций дрозофилы; 2)
процесс образования новых фенотипов неравномерен, он наиболее интенсивен сразу
после получения мутации и в случае ее гибридизации с иной культурой; 3) существует
тенденция к затуханию образования новых форм в процессе поддержания мутанта в
культуре.
Обсуждение
Наблюдение за культурами, содержащими мутации онтогенов, показало, что
мутантные геномы находятся в состоянии нестабильности. Нестабильность проявляется
в нескольких формах. Разлеталивание говорит о нестабильности самих мутировавших
локусов. Непроявление доминантных мутаций в оппозитной хромосоме и образование
новых мутаций указывают на распространение нестабильности на другие локусы. Потеря
и нерасхождение Х-хромосом свидетельствуют о нарушении мейоза, а образование
мозаиков и гинандроморфов – о нарушении митоза. О неблагополучии генетических
процессов в митотически делящихся клетках говорит и образование морфозов. Морфозы
представляют собой односторонние нарушения хода онтогенеза в ограниченной группе
клеток развивающегося организма.
Нестабильность касается как структурных генов (образование фенотипически
известных мутаций), так и регуляторных генов, управляющих онтогенезом (онтогенов).
Образование сложных морфологических структур в неположенном месте (морфозов)
объясняется запуском в не предназначенных для этого клетках цепи автоматически
следующих друг за другом онтогенетических событий.
Факты образования фенотипически известных мутаций со стойким наследованием в
чреде поколений позволяет считать, что нарушения могут выражаться в изменении
первичной последовательности ДНК. Однако нарушения могут и не затрагивать
первичную структуру. Осуществляется вариант мутации только на одно поколение
(типичная фенокопия) или вариант «транзитной» мутации на несколько поколений
(волны фенокопий). В последнем случае должно происходить временное изменение
участка ДНК в генеративном пути, которое передается потомкам в некотором числе
поколений, а затем исчезает.
Полученная картина дестабилизации напоминает нестабильность, вызываемую
перемещением мобильных элементов[24]. Новыми моментами являются два: 1) пусковой
момент нестабильности - мутация в онтогене и 2) нестабильность распространяется,
прежде всего, на онтогены. Тот факт, что нестабильность провоцировалась каждой из
полученных мутаций, говорит о том, что состояние нестабильности является
биологически узаконенной формой состояния генома. Распространение нестабильности в
первую очередь на онтогены позволяет предполагать, что состояние нестабильности
предназначается для поиска вариантов переустройства генома.
Генетическая расшифровка онтогенеза делает первые шаги и вопрос о
перепрограммировании онтогенеза в процессе филогенеза пока далек от решения.
11
Полученные данные, однако, позволяют утверждать, что мутагенез по онтогенам создает
реальную возможность для переустройства генома.
Структурные гены находятся на концах регуляторных цепей онтогенеза (рис.6),
существующие в природе их мутационные варианты не нарушают общей композиции
организма. Классическая генетика показывает, насколько широк диапазон мутационной
изменчивости по этим генам. По причине расположения на концах регуляторных путей и
по причине уникальности структурных генов, мутации структурных генов, как правило,
изменяют фенотип. Они становятся достоянием отбора. Отбор оставляет тех из них,
которые своим присутствием не нарушают ход онтогенеза. Это значит, что среди
мутаций, имеющих фенотипическое проявление и прошедших отбор, не окажется ни
одной, которая представляла бы из себя серьезное изменение онтогенеза и могла бы
служить образованию нового вида.
Рис. 6. Генетическая модель онтогенеза. А – гены и сигнальные пути. Геном особи
состоит из структурных генов (кружки черного цвета) и онтогенов разных рангов
(светлые круги, квадраты и треугольники). Онтоген представлен набором цис-аллелей
(разделение значков на сектора). t0-4 – стадии онтогенеза. Активация генома идет по
регламентированной системе сигнальных путей (линии между генами, стрелки).
Сигнальные пути завершаются включением структурных генов. Онтогенез
представляет собой процесс последовательного включения онтогенов разного ранга по
принципу эстафеты. При переходе от предыдущей стадии онтогенеза к последующей
стадии отключаются онтогены, работавшие на предыдущей стадии, а также
структурные
гены,
обеспечивавшие
появление
презумптивных
структур
(заштрихованные кружки). Б – онтогенез на одной из последних стадий (t4). Пунктиром
показаны отключенные онтогены и не действующие сигнальные пути. Остается
включенной большая часть структурных генов и некоторые онтогены, близкие к ним по
времени включения (онтогены стволовых клеток).
12
Мутации онтогенов возникают в организме по тем же законам, что и мутации
структурных генов. Однако в отличие от последних они имеют более прямое отношение
к механизму онтогенеза и к тому же могут находиться в геноме, не проявляясь
фенотипически. Это происходит потому, что онтогены устроены по принципу кассеты
цис-аллелей (рис.7). Мутация сохраняется в организме, у которого в активном состоянии
находится нормальный цис-аллель, а мутантный цис-аллель - в не активном состоянии.
Устройство онтогена в виде кассеты цис-аллелей позволяет иметь в геноме и
работающую программу онтогенеза, и не работающую «теневую» программу, и части
некой новой программы в стадии становления. В качестве иллюстрации возможности
сосуществования в геноме нескольких программ развития приведем онтогенез у
двуполых видов. В геноме каждого представителя вида генетически представлены и
женская, и мужская программы развития, однако в активном состоянии находится одна.
Рис 7. Схема генома диплоидного организма. C, E, F (в кружках) – уникальные
структурные гены, в популяции существуют аллели этих генов (например, С1-С6); в
диплоидном геноме не более двух аллеляей. У каждого представителя вида активны оба
аллеля (заштрихованы). Онтогены A, B, D, G состоят из кассет цис-аллелей (например,
А1-А5). У конкретного организма активен только один цис-аллель онтогена и только в
одном из гомологов (заштрихованные кассеты). В зависимости от включения того или
иного цис-аллеля реализуется конкретный вариант онтогенеза. a и b – варианты
онтогенеза. Мутация в цис-аллеле D1 при нормальном развитии (вариант а) окажется
летальной, но при развитии по варианту b ее действие не проявится.
Мутации онтогенов, обладая возможностью находиться в геноме без фенотипического
проявления, могут накапливаться в нем. Будучи по отдельности летальными в активном
состоянии, все вместе они могут утратить летальность. Это может произойти, если,
соединяясь друг с другом, они создадут новую регуляторную цепь, вписывающуюся в
ход онтогенеза. Не исключены и другие возможности реорганизации регуляторных
цепей при наличии поврежденных звеньев. На уровне фенотипа новый регуляторный
ансамбль вызовет появление «новации» (<innovation>) - нового морфологического или
13
функционального дополнения, которое с помощью мутаций нельзя разложить на
составные части. Тот факт, что мутация в онтогене запускает процесс нестабильности во
всем геноме, указывает на то, что в живом организме существует путь достижения
стабильного состояния способом активного, но скрытого до поры до времени
переустройства генома.
Все мутанты по онтогенам, которые находились в опыте, существовали как живые
организмы только потому, что мутантные аллели находились у них в неактивном
"спящем" состоянии. Это означает, что есть способ, с помощью которого генетическая
система обнаруживает присутствие не работающего мутантного аллеля, для того чтобы
отреагировать на это дестабилизацией генома.
Предполагаем, что механизм дестабилизации состоит в инициации перемещения
мобильных элементов в геноме. Полагаем, что система регуляторных генов,
управляющих онтогенезом (онтогенов), является очень подвижной, а ее деятельность
тесно связана с мобильными элементами. Перемещение последних по онтогенам
является заурядным событием. Полученные данные позволяют считать, что перемещение
мобильных элементов чаще всего происходит по ходу регуляторных цепей: от онтогена
высшего порядка к низшему, далее - к структурным генам. Случаи повторного
образования одних и тех же мутаций в культуре мутанта, образование мутантов пучками
и одновременного образования мутантов в отдельно ведущихся семьях позволяет
говорить о «рассылке мобильных элементов по адресам» («mailing»), а не о хаотическом
их перемещении, на что ранее указывали и другие авторы [25, 26].
Давно было замечено, что воздействие мутагенными факторами не только приводит к
образованию мутаций в классическом генетическом смысле, но и вызывает
«дестабилизацию» генома [27]. Она выявляется как у мутантов, так и не мутантов. У
мутантов, к примеру, возрастает частота образования новых мутантных форм,
появляются модификации, повышается вариабильность фенотипа [28, 29].
Нестабильность генома человека и животных после облучения привлекает внимание
радиобиологов [30, 31]. Наши данные на дрозофиле, позволяют предполагать, что
причиной нестабильности, вызванной внешними воздействиями, являются мутации в
онтогенах, которые возникли при облучении и попали к потомкам.
Полученные данные являются еще одним аргументом в пользу представления о том,
что главным биологическим предназначением мобильных элементов является участие в
работе регуляторной части генома [32]. Их роль в эволюционном преобразовании генома
[12, 33-35] становится все более определенной. Она сводится не столько повышению
общей частоты выхода мутаций, сколько к переводу генома из стационарного состояния
в не стационарное, в котором происходит специфическая, эндогенная по природе,
перестройка регуляторной системы онтогенеза.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ: грант № 04-04-48100.
Литература
1. Четвериков С.С. О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения
современной генетики \\ Журн. эксперим. биологии. 1926. №1. С.3-54.
2. Fischer R.A. The general theory of natural selection. Oxford: Clarendon press, 1930.
272 p.
3. Wright S. Evolution in Mendelian populations // Genetics 1931.Vol. 16. P.97-159.
4. Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Глотов Н..В. Очерк учения о популяции.
М.: Наука, 1973, 277 с.
5. Dobzhansky Th., Ayala F.J., Stebbins G.L.. et al. Evolution. San Francisco: Freeman, 1977. 572
p.
14
6. Алтухов Ю.П., Рычков Ю.Г. Генетический мономофизм вида и его биологическое
значение // Журн. общ. биологии. 1972. Т. 33. №3. С.281-300.
7. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. Москва, ИКЦ «Академкнига»,
2003, 431с.
8. Carson A. The genetics of speciation at the diploid level. Amer. Nat, 1975, V.109, Р. 83
- 95.
9. Берг Л.С. Труды по теории эволюции. Л.: Наука, 1977.
10. Goldschmidt R.B. Evolution as viewed by one geneticist // Amer. Sci. 1952. Vol.40.
P.84-98.
11. Стегний В.Н. Архитектоника генома, системные мутации и эволюция.
Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 1993, 110 с.
12. Евгеньев М.Б., Е.С. Зеленцова, Е.С. Полуэктова и др. Инвазия мобильных
элементов – причина взрывного сальтационного видообразования. В кн.: Эволюционная
биология. Материалы конференции «Проблема вида и видообразование»/ Под ред. В.Н.
Стегния. Томск: Томский государственный университет. Т.1, 2001, 396 с.
13. Гродницкий Д.Л. Эпигенетическая теория эволюции как возможная основа нового
эволюционного синтеза. Журн. общ. биологии, 2001, Т.62, N2, С.99-109.
14. Чадов Б.Ф. Мутации, способные инициировать видообразование. В кн.
Эволюционная биология: Материалы конференции «Проблема вида и видообразование»/
Под ред. В.Н. Стегния. Томск: Томский государственный университет, Т.1, 2001. С. 138162.
15. Чадов Б.Ф., Е.В. Чадова, С.А. Копыл, Е.В. Артемова, Е.А. Хоцкина, Н.Б.
Фёдорова. От генетики внутривидовых отличий к генетике внутривидового сходства //
Генетика. 2004. Т.40. № 9. С. 1157-1172.
16. Чадов Б.Ф., Чадова Е.В., Копыл С.А., Федорова Н.Б. Новый класс мутаций у
Drosophila melanogaster // Доклады РАН. 2000. Т.373. №5. С. 714- 717.
17. Чадов Б.Ф. «Образ» регуляторного гена в опытах на дрозофиле // Генетика. 2002.
Т.38. N 7. С.869-880.
18. Чадов Б.Ф. Факультативные доминантные летали: генетика, онтогенез и
филогенез. В кн. Эволюционная биология: Материалы II конференции «Проблема вида и
видообразование»/ Под ред. В.Н. Стегния. Томск: Томский государственный
университет, Т.2, 2002. С.118-142.
19. Чадов Б.Ф., Н.Б. Федорова. Элементарное событие онтогенеза. Докл. РАН. 2003.
Т. 389. No 3. С. 408 – 412.
20. Lindsley D. L., Grell E.H. Genetic Variation of Drosophila melanogaster. Carnegie
Inst. Wash. Publ., 1968. № 627. 472 P.
21. Bridges C.B. Nondisjunction as proof of the chromosome theory of heredity. Genetics.
V.1. P.1-52, 107-162.
22. Федорова Н.Б., Е.А Хоцкина, Е.Ю Митрёнина, Б.Ф. Чадов. Хромосомная
перестройка и видообразование: объяснение связи между событиями. Вестник ТГУ (в
печати).
23. Чадов Б.Ф., Чадова Е.В., Копыл С.А., Хоцкина Е.А., Федорова Н.Б. Гены,
управляющие онтогенезом: морфозы, фенокопии, диморфы и другие видимые
проявления мутантных генов // Генетика, 2004. Т.40. № 3. С.353-365.
24. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984. 472 с.
25. Ратнер В. А., Забанов С.А., Колесникова О.В., Васильева Л.А. Анализ
множественных транспозиций МГЭ Dm412 в геноме дрозофилы при помощи теплового
шока // Генетика.1992.Т.28. С. 68-86.
26. Забанов С.А., Л.А. Васильева, В.А. Ратнер. Индукция транспозиций МГЭ Dm412
при помощи гамма - облучения в изогенной линии Drosophila melanogaster // Генетика.
1995. Т.31. С.798- 803.
15
27. Дубинин Н.П. Потенциальные изменения в ДНК и мутации (молекулярная
цитогенетика). Москва: Наука. 1978. 244 с.
28. Сидорова К.К. Генетика мутантов гороха. Новосибирск, Наука. 1981. 168 с.
29. Сидорова К.К. Естественная и индуцированная мутабильность мутантов гороха. В
сб. "«Современные концепции эволюционной генетики". ч. II, 1997. С. 319-321.
30. Kiefer J. Radiation biology: glory of the past – changes and challenges of the future. In:
Современные проблемы радиобиологии, радиоэкологии и эволюции. Дубна: ОИЯИ,
2001, С.130-139.
31. Лавренчук Г.И., Серкиз Я.И., Дудченко Т.Н., Ряполова И.Ю. Радиогенные
эффекты малых доз радиации у потомков облученных клеток. В сб.: Современные
проблемы радиобиологии, радиоэкологии и эволюции. Дубна: ОИЯИ, 2001, С.221-232.
32. Ратнер В.А., Л.А.Васильева. Мобильные генетические элементы (МГЭ):
“Эгоистическая ДНК” или функциональные компоненты генома? В сб. "«Современные
концепции эволюционной генетики". ч. II, 1997. С. 289-291.
33. Гвоздев В.А., Кайданов Л.З. Геномная изменчивость, обусловленная
транспозициями мобильных элементов, и приспособленность особей Drosophila
melanogaster // Журн. общей биологии. 1986. Т.47. С.51.
34. Di Franco C., Galuppi D., Junackovic N. Genomic distribution of transposable elements
among individuals of an inbred Drosophila line // Transposable elements and evolution/ Ed.
McDonald J. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1993.
35. Biemont C., Arnault C., Heizmann A., Ronsseray S. Massive changes in genomic
localization of P element in an inbred line of Drosophila melanogaster // Naturwissenschaften.
1990. B.77. S. 485-488.
16