Фенокопии нормы. Фенотипическая супрессия

Наряду с рассмтренными примерами адаптивных модификаций, основанных на механизмах регуляции, существуют и т.н. не адаптивные модификации, которые носят нерегулярный характер. Они в некоторых случаях также могут иметь адаптивное значение.

Фенотипическая супрессия , или фенокопии нормы

Один из первых примеров фенотипической супрессии был описан С.Бензером и С.Чеймпом при разработке мутационной системы rII фага Т4. Напомню, что это было связано с идентификацией первых нонсенс-мутантов. Для этого использовали мутант 1589 (первый fusion) в качестве инструмента для анализа природы мутаций, локализованных в левой части гена rIIA. В частности, был исследован набор мутаций, индуцированных аналогами оснований и способных ревертировать под действием аналогов оснований, т.е. представлявших собой результат замены нуклеотидных пар. Оказалось, что некоторые из них, подобно сдвигам считывания, способны выключать функцию гена rIIB в комбинации с делецией 1589. Об этом говорила некомплементарность двойных мутаций одиночным мутациям в гене rIIB (рис.). С.Бензер и С.Чеймп предположили, что эти необычайные мутации приводят к возникновению нонсенса или бессмысленного кодона, который прерывает трансляцию. В дальнейшем тип нонсенс-кодонов, открытых С.Бензером и С.Чеймпом, назван amber (янтарь) . В той же работе было показано, что нонсенс-мутанты фага Т4 по гену rIIA могут ревертировать за счет супрессорных мутаций, локализованных в некоторых генах E.coli. Супрессорная мутация по мнению авторов работы изменяет один из компонентов аппарата трансляции (как выяснилось позже – тРНК) таким образом, что становится возможным осмысливание нонсенса.

То, что существенно для нас с вами, - некоторые из этих нонсенс-мутантов демонстрировали дикий или близкий к нему фенотип в присутствии аналога – 5-фторурацила (ФУ). Объяснение – ФУ включается в мРНК на место урацила. Далее, при трансляции он может образовывать пары с гуанином. Тем самым в присутствии аналога фенотип нормализуется, но стоит его «убрать» и фенотип – вновь мутантный. Это и есть фенотипическая супрессия, которая основана на модификации на уровне транскрипции с последующим нарушением трансляции (Benzer & Champe, 1962).

Фенотипическая супрессия може происходить и непосредственно на уровне трансляции. Л.Горини описал стрептомициновую супрессию у E. coli. Некоторые нонсенс-мутанты у этого объекта по структурному гену орнитин-транскарбамилазы, нуждающиеся в аргинине, восстанавливали прототрофность на среде с небольшими дозами стрептомицина. Штаммы были чувствительны к антибиотику. При возникновении мутаций устойчивости к стрептомицину фенотипическая супрессия при тех же дозах антибиотика становилась невозможной. Механизм этой фенотипической супрессии основан на том, что этот аминогликозидный антибиотик связывается с рРНК и вызывает ошибки (а правильнее повышает неоднозначность) трансляции. Интересно, что рибосомы, собранные в присутствии стрептомицина и отмытые затем от него, продолжают «подвирать». Они «помнят» стрептомицин, сохраняя исходную структуру, сложившуюся в присутствие антибиотика.

Аналогичный эффект у дрожжей вызывает аминогликозидный антибиотик - паромомицин. Аминогликозидные антибиотики связываются с участком рРНК меньшей субчастицы рибосомы в участке, ответственном за взаимодействие с факторами терминации и тем самым, ослабляя терминацию, приводят к супрессии нонсенсов.

У E.coli 3`-конец 16S рРНК имеет структуру: .... GAUCACCUCC UUA_OH, в которой тройки, комплементарные кодонам-терминаторам разделены последовательностью CCUCC (которой нет у эукариот). Вспомните последовательность Шайна-Далгарно.

3 ’-AGU-5^’ 3 ^‘-AAU-5^’

5^’- GAUCACCUCCUUA-3^’

У дрожжей, дрозофилы, кролика, птиц 3`-конец 18S рРНК имеет последовательность:...UCAUUA_OH, комплементарную кодонам UAA и UGA. Согласно гипотезе неоднозначного спаривания (wobbl) Ф.Крика UUA может спариваться и с кодоном UAG. Аминогликозиды нарушают эти взаимодействия и тем самым приводят к фенотипической супрессии нонсенсов. Повидимому, возможна аналогичным образом и миссенс-супрессия. Примеров, однако привести не могу, поскольку основное внимание было направлено на исследование нонсенс-супрессии как более удобной для этого модели. С миссенсами – хлопотно. Последствия дествия антибиотиков на рибосомы E.coli –рибосомная плейотропия указывают на возможные непрямые эффекты действия модифицирующих агентов.

Аналогичные результаты, т.е. фенотипическую нонсенс-супрессию у про- и эукариот (дрожжи) дает повышение концентрации ионов Mg⁺⁺, этанол и некоторые др. воздействия, включая аминокислотное голодание (у E.coli). Для дрожжей-сахаромицетов можно привести пример фенотипической супрессии 1М Mg⁺⁺ для аллелей ade1-14 и ade1-22.

Хорошо известны т.н. условные мутанты, фенотип которых зависит от температуры, осмоса, холодочувствительные и пр., т.е. такие, у которых при одном значении внешнего фактор фенотип мутантный, а при другом – нормальный. Например известны и широко используемы в ген-анализе (особенно жизненно-важных генов) мутанты, чувствительные к повышенной температуре. Считается, что все дело в устойчивой конформации макромолекулы (белка, тРНК и др.) при низкой температуре и ее нестабильности при низкой температуре или наоборот. Это в среднем верно, но глобальные обобщения рискованны. Пример с мутантами sup35 и sup45, чувствительными к повышенной температуре.

Морфозы или фенокопии мутаций

В этом случае, воздействуя на организм или клетку можно получить мутантный фенотип за счет выключения каких-либо генных продуктов. Например, у сахаромицетов на α-аминодипиновойй кислоте вы легко отберете мутантов по гену LYS2 (реже по LYS5), поскольку это антиметаболит именно этих этапов биосинтеза лизина. Аналогично на 5-фтороротовой кислоте отбирают мутантов по URA2. Сходным образом можно отбирать мутанты по биосинтезу стеринов, используя полиеновые антибиотики и т.д.

У дрозофилы, действуя повышенной температурой или солями тяжелых металлов (И.А.Рапопорт) на определенной стадии развития можно получить с высокой частотой определенные морфозы, или генокопии напоминающие мутантов: с вырезкой на крыле, аномалиями развития брюшка, по окраске тела (yellow на солях ртути), особенно важно попасть в определенный «критический период». В случае многоклеточных сложно говорить о механизмах. Тем не менее, это примеры, иллюстрирующие возможную природу т.н. врожденных аномалий. Не путать с наследственными аномалиями.

Это все примеры “классических” модификаций в том смысле, что мы вмешиваемся в экспрессию генов на разных стадиях.