Геном плодовой мухи Drosophila melanogaster

Плодовая, или уксусная, муха D. melanogaster принадлежит к семейству Drosophilidae из отряда двукрылых насекомых Diptera. Это очень маленькая мушка, величиной около 3 мм, с ярко-красными глазами и серым телом. К настоящему времени описано более тысячи видов, относящихся к этому семейству. Генетически более изучены D. melanogaster, virilis, funebris. Дрозофила — один из прекраснейших объектов, обладающий всеми качествами, необходимыми для успешного проведения генетического анализа и исследований. Она широко используется в генетических экспериментах, начиная с 1909 г. в американской школе генетики Т. X. Моргана. Ряд теоретических вопросов генетики — искусственное получение мутаций и природа гена, определение пола и локализация генов в хромосомах, проблема осуществления гена, генетика популяций, механизм расо- и видообразования и многие другие проблемы — интенсивно изучаются на дрозофиле и дали важные результаты для решения не только вопросов частной генетики, но и общей биологии и эволюции видов.

В конце 70-х гг. одновременно в СССР — группой советских генетиков во главе с академиком Г. П. Георгиевым, и в США — группой американских генетиков во главе с Д. Хогнессом, были открыты мобильные генетические элементы (МГЭ) у дрозофилы. С этого момента исследования МГЭ существенно ускорились. Мир МГЭ оказался велик и многолик — различные МГЭ были обнаружены также у дрожжей, млекопитающих, включая человека, и других объектов.

Международная программа полного секвенирования генома дрозофилы представила к 2000 г. полную последовательность ДНК с указанием положений всех известных генов, других генов с неизвестными пока функциями (ORF), регуляторных сайтов и других функциональных субструктур (Adams et al., 2000). Без учета прицентромерного гетерохроматина геном дрозофилы содержит 120 млн п. н. ДНК с числом предполагаемых генов ~13.600, кодирующих различные типы РНК и белков. По более поздним уточненным данным, размер генома с прицентромерным гетерохроматином, составил 180 млн п. н. с числом генов 13.061 (Щелкунов С. Н., 2004). Методы оценки предполагаемого числа генов и их белков допускают некоторые неоднозначности в интерпретации. Поэтому оцененные числа генов не являются окончательными. Оценки некоторых ORF в качестве генов могут уточняться.

Непосредственное участие в кодировании принимает около 5 % суммарной ДНК генома, а остальные 95 % считаются некодируюшими: это интроны, межгенные промежутки, содержащие знаки управления - энхансеры, инсуляторы и другие участки, возможно, выполняющие иные функции. Приведенные в списке гены достаточно хорошо изучены, они секвенированы и клонированы. Для половины секвенированных геноа установлены их функции или сходство с известными функционирующая генами, выявлены их белковые продукты, а для многих — механизмы управления. Другая половина секвенированных генов пока функционально описана, а на основе их ORF проводится изучение по базам данных.

Особенностью дрозофилы являются огромные политенные хромосомы клеток слюнных желез с характерной поперечной исчерченностью в виде 5100 окрашенных дисков, или участков плотной упаковки. Порядок расположения дисков рассматривается как своеобразная хромосомная карта — карта Бриджеса, которая устойчива при наследовании и характерна для вида. Эта карта разделена на 102 сегмента 1-го уровня, 612 сегментов 2-го уровня и более мелкие сегменты. Цитологическая карта Бриджеса охватывает плечи больших хромосом, содержащие 75 % гаплоидного набора ДНК и организованные в диски. Остальные 25 % ДНК образуют районы прицентромерного гетерохроматина, где дисковая организация отсутствует.

В геноме дрозофилы содержится 50 различных семейств МГЭ, они занимают 10 % ДНК генома. Средний размер копии МГЭ составляет 3-5 тыс. п. н., а каждая копия МГЭ в среднем окружена фрагментом геномной ДНК длиной до 50 тыс. п. н. число копий МГЭ в геноме дрозофилы оценивается в 3-5 тыс.

На основе этих данных Л. А. Васильева и В. А. Ратнер (2000) предложили концепцию, в основе которой лежит представление о МГЭ генома как о геномной системе, на долю которой приходится существенная эволюционная роль. Специфические сайты локализации МГЭ каждого семейства заполнены лишь на 25-30 %, поэтому МГЭ имеют достаточный простор для перемещений. Сайты локализации МГЭ в плечах больших хромосом не случайны, а сосредоточены в окрестностях функционирующих генов и их регуляторных зон.

Копии МГЭ способны модифицировать функции менделеевских генов и полигенов посредством энхансеров. Энхансеры — это функциональные сайты, знаки управления, узнаваемые регуляторными белками и активирующие транскрипцию смежных генов и полигенов. Зона влияние энхансера может простираться до 50-100 тыс. п. н. вдоль цепи ДНК, т. е. в зоне действия системы МГЭ находятся практически все гены генома.

При сопоставлении МГЭ геномов родственных видов дрозофилы выявлены случаи «горизонтального» переноса МГЭ между видами. Вид D. melanogaster приобрел семейство P-элементов совсем недавно, в XX веке, от других видов дрозофил. Это своеобразное «заражение» произошло у популяций Нового Света, тогда как линии, взятые из природных популяций в начале века и позднее в Старом Свете, не содержали Р-элементов.

Структура относительно протяженного «среднего» генома классического генетического объекта — плодовой мухи D. melanogaster — расшифрована при участии частной американской фирмы «Селера Дженомикс». При сопоставлении этих данных с результатами изучения генома дрозофилы, полученными мировым научным сообществом за девять десятилетий XX века, оказалось, что большинство генов, входящих в описанный контиг (совокупность перекрывающихся смежных сегментов ДНК), выявлены ранее. Однако он охватывает лишь 2/3 от общей протяженности генома, его эухроматическую часть. Остальная гетерохроматическая треть состоит из различных повторяющихся последовательностей, не поддающихся расшифровке.

А. В. Зеленин, Е. Д. Бадаева, О. В. Муравенко (2001) уточнили вопрос о значении понятия «полное секвенирование генома». В ходе многих исследований, в том числе при создании программы «Геном человека», оно подразумевало установление линейной последовательности всех нуклеотидов генома. Такое представление адекватно в отношении «сверхмелких» геномов вирусов и прокариот, а также и применительно к геному нематоды С. elegans (97 млн п. н.). в котором определено линейное расположение 97% всех нуклеотидов. Приблизительно такая же картина наблюдается и в отношении генома представителя крестоцветных — арабидопсиса (120 млн п. н), для которого известна первичная структура 94 % генома. Такой уровень секвенирования геномов принято называть «по существу завершенным» (essentially completed).

Секвенирование генома дрозофилы открывает другой уровень оценки (размер генома 180 млн п. н.). Составленный континг. содержащий 13.061 генов, охватывает лишь эухроматическую часть (120 млн п. н ). Остальные 33 % генома относятся к протяженным гетерохроматическим районам, секвенирование которых на современном уровне знаний практически невозможно и вряд ли целесообразно. Такой уровень секвенирования генома принято называть «в основном завершенный» (substantially completed). Таким образом, выясняется, что для всех геномов, в том числе и для малых, в обозримом будущем будет ставиться вопрос не о полной нуклеотидной последовательности, а лишь об эухроматической части, а также о составлении генного континга, т. е. определении линейного расположения генов в индивидуальных хромосомах и целом геноме.