УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 3, с. 223-233
УДК 575.116:577.113:577.34
ГЕНЫ ДРОЗОФИЛЫ, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ГОМОЛОГИЧНУЮ РЕКОМБИНАЦИЮ И РЕПАРАЦИЮ ДВУНИТЕВЫХ РАЗРЫВОВ ДНК
© 2004 г. Ю. М. Хромых, Е. Р. Баренцева, С. В. Саранцева, Л. В. Котлованова
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, Гатчина
Гены дрозофилы, контролирующие гомологичную рекомбинацию и рекомбинационную репарацию, играют две важные роли в ее жизненном цикле: обеспечивают внутрипопуляционное разнообразие и поддерживают стабильность генома. В обзоре рассмотрены известные к настоящему времени свойства трех таких генов, те1-9, те1-41 и Яай51С, вовлеченных в различные аспекты самой рекомбинации и репарации двунитевых разрывов ДНК. Их широко изученные на клеточном и ор-ганизменном уровне свойства, как показывают рассмотренные в обзоре материалы, во многом сходны со свойствами их гомологов у других эукариот как высших, так и низших. В основе этого лежит эволюционный консерватизм их молекулярных функций. Вместе с тем показано, что далеко не все их фенотипы выводимы непосредственно из молекулярных функций генов, предсказанных на основе метода концептуальной трансляции. Из представленных данных можно видеть направления дальнейшего исследования этих генов, связанные с изучением их молекулярных функций и природы их взаимодействия.
Гены рекомбинационной репарации у дрозофилы, как и у других эукариот, занимают центральное положение в системе поддержания стабильности генома, так как контролируют репарацию двунитевых разрывов (ДНР) ДНК, нарушающих ее целостность. ДНР относят к наиболее тяжелым генетическим повреждениям, поскольку дефектность или неполнота их репарации ведет к потерям генетического материала, несбалансированности генома и последующей клеточной, а в ряде случаев и организменной гибели. Клетки залечивают эти повреждения с помощью множественных путей гомологичной рекомбинации или путем прямого негомологичного воссоединения концов ДНК, при котором требования к гомологии отжигаемых концов минимальны [57]. Группа генов и их продуктов, участвующих в работе этих клеточных механизмов, наиболее полно выявлена и изучена на материале репарационных мутантов у одноклеточных эукариот - дрожжей и у млекопитающих [51, 85]. Однако точные функции многих из этих генов и набор их фенотипических проявлений, особенно у многоклеточных, выяснены далеко не полностью. На дрозофиле начало систематического поиска аналогичных мутантов было положено в 1973 г. почти одновременной публикацией двух работ, выполненных независимо в лабораториях П.Д. Смита (США) [80] и И.А. Захарова (СССР) [15]. В возглавляемой И.А. Захаровым лаборатории радиационной генетики Ленинградского института ядерной физики АН СССР к тому времени был накоплен большой опыт работы по изучению репарации у дрожжей на материале оригинальных репарационно-дефектных му-
тантов; перенос этого опыта на модель многоклеточных, дрозофилу, был логичным развитием этих исследований. В указанных выше работах были впервые предложены и успешно апробированы методы выделения репарационно-дефектных мутантов плодовой мушки по признаку повышенной организменной гибели развивающихся мух в ответ на воздействие мутагенов лучевой и химической природы. С помощью этих методов и усилий группы генетических лабораторий в дальнейшем была создана коллекция из более 100 выделенных мутагенчувствительных мутантов, представляющих более 30 генов репарации. Более полное представление о численности таких генов было получено после недавнего завершения международного проекта "Геном дрозофилы", в результате которого вся эухроматиновая часть генома была сиквенирована. Компьютерный анализ прочитанных последовательностей выявил около 150 генов дрозофилы, предсказанные продукты которых имеют гомологию с репарационными генами дрожжей и человека, включая и гены рекомбинационной репарации. Сведения о них сосредоточены в Интернете на электронном сайте Flybase [47].
На фоне широко развернутых исследований механизмов рекомбинационной репарации на дрожжах и клеточных линиях млекопитающих интерес к исследованию этой проблемы на дрозофиле обусловлен несколькими факторами. Плодовая мушка, будучи сложным многоклеточным организмом, является естественным эволюционным посредником между простейшими эукарио-
тами - одноклеточными дрожжами, и человеком. Поэтому данные, получаемые на дрозофиле, позволяют полнее понять сложившиеся в эволюции преемственность и дивергенцию репарационных механизмов, а также появление их новых особенностей. Кроме того, у многоклеточных генетический контроль рекомбинационной репарации отличают две важных особенности: плейотроп-ность эффектов соответствующих генов и их "избыточность" [75, 83]. Последняя выражается в возникновении в геноме групп генов, в которых есть центральный участник и его паралоги, т.е. эволюционно возникшие дупликации, показывающие частичную гомологию между собой и с центральным геном, но приобретшие в эволюции отличные от него функции. Эти особенности значительно усложняют выяснение истинных взаимоотношений между молекулярной функцией гена и его фенотипами, регистрируемыми на молекулярном, клеточном и организменном уровнях. Дрозофила является удобным объектом для анализа данного вопроса, поскольку на ней любые фенотипические проявления репарационных мутаций могут быть изучены детально. В настоящем обзоре мы рассмотрим под этим углом зрения три гена дрозофилы, шв1-9, шв1-41 и тай51С, вовлеченные в различные аспекты гомологичной рекомбинации.
ГЕН те1-9
Локализация в геноме: на генетической карте -1-6.5; на цитогенетической карте - 4В6.
Ген шв1-9 первоначально был идентифицирован как мейотический ген, контролирующий гомологичную рекомбинацию у самок [26] и лишь через несколько лет после этого был переоткрыт в качестве гена, определяющего мутагенчувстви-тельность дрозофилы [25]. Кроме шв1-9а и шв1-9ъ аллелей, выделенных в первой из указанных работ, к настоящему времени описаны еще 13 мутаций, полученные в различных лабораториях при поиске мутаций мутагенчувствительности [47]. Все они являются рецессивными. Эти мутации вызывают высокую частоту мейотического нерасхождения хромосом, сопровождаемую пост-мейотической сегрегацией, и редукцию протекающей в оогенезе гомологичной рекомбинации, частота которой у сильных мутантных аллелей может снижаться до 8-10% от нормы [26]. Эта редукция касается только реципрокных обменов и не влияет на частоту конверсии [38]. При этом хромосомное распределение остаточных событий обмена и коэффициент их интерференции остаются теми же, что и у самок линий дрозофилы дикого типа. Учитывая эти особенности и исходя из предложенной ранее модели участия шв1-генов в процессах гомологичной рекомбинации [73], авторы цитированной работы [26] заключили, что
mei-9 мутанты дефектны в осуществлении непосредственно обменной функции, а не предусловий обмена. Это заключение подкрепляют результаты проведенного электронно-микроскопического анализа, показавшего, что структура синапто-немального комплекса, а также морфология, количество и распределение рекомбинационных узелков (нодул) в ооцитах mei-9 мутантов нормальны [39].
Изучение мутагенчувствительности mei-9 аллелей показало, что они оказывают плейотроп-ное действие на репарацию генетических повреждений и стабильность генома дрозофилы. В ин-тактных митотически активных личиночных нейробластах mei-9 генотипа значительно увеличена частота хромосомных аберраций, представленных главным образом хроматидными разрывами, возникающими и в эу-, и в гетерохроматине [52]. Предкуколочные стадии развития мутантов гиперчувствительны к летальному действию многих мутагенов лучевой и химической природы, включая УФ-лучи, ММС, NH2, AAF, и ионизирующую радиацию. При этом, по крайней мере, в отношении устойчивости к УФ-лучам и ММС нормальный аллель mei-9 показывает материнский эффект [28, 56]. В работах Бойда с соавт. [34] было впервые установлено, что мутации гена mei-9 вызывают дефектность начального, инци-зионного этапа эксцизионной репарации нуклео-тидов (NER) и снижение эндонуклеазной активности. Эту дефектность восстанавливает введение в геном дрозофилы гена эндонуклеазы denY бактериофага T4 [29]. Кроме того, на материале микроделеционных мутантов по гену rosy и на клеточных экстрактах mei-9 генотипа с использованием искусственных субстратов показана вовлеченность данного гена в ник-зависимую коррекцию определенных типов ошибочно спаренных оснований (mismatch repair) [33, 38].
Молекулярное клонирование гена mei-9 было осуществлено с помощью Р-элемент-индуциро-ванного мутантного аллеля [76, 86], а также методом позиционного клонирования [50]. В результате установлено, что предсказанный белок mei-9 является структурным гомологом эндонуклеаз XPF (пигментная ксеродерма группы F) у человека и Radl у дрожжей. Продукты этих генов являются субъединицами соответствующих белковых комплексов XPF/ERCC1 и Rad1/Rad10 (дрожжевой гомолог XPF) , осуществляющих в ходе NER у названных объектов инцизию поврежденного участка ДНК с 5'-стороны [32, 79]. Кроме того, у дрожжей Rad1/Rad10 вовлечен в митотическую рекомбинацию [74], а Rad1 - неспецифически участвует в коррекции ошибочно спаренных оснований [62]. Предполагается, что продукт mei-9, в комплексе с недавно идентифицированным DmERCC1, выполняет такую же функцию в NER у дрозофилы [75], хотя на молекулярном уровне
такой комплекс в клетках плодовой мушки еще предстоит выявить. В литературе предложена модель действия рассматриваемого гена, которая объясняет результаты цитированных выше работ одним и тем же дефектом: нарушением 5'-ин-цизионной активности mei-9 [59]. В соответствии с ней наблюдаемые эффекты mei-9- аллелей связаны с тем, что осуществляемые mei-9-эндонук-леазой 5'-ники ДНК необходимы для инициации NER, для разрешении структур Холлидея в гомологичной рекомбинации и для удалении гетеро-дуплексов ДНК, вызываемых ошибочно спаренными основаниями [60].
Данная модель объясняет не все особенности плейотропных эффектов mei-9. На это указывают, например, различия в УФ-чувствительности клеток mei-9 и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.