Геном как экосистема

Захаренко Л.П.

Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск 630090, Россия

e-mail: zakharlp@bionet.nsc.ru

В современной генетике мобильные элементы (МЭ) рассматриваются как один из факторов эволюции, им отводят роль обеспечения генетической гетерогенности, являющейся базой для естественного отбора и последующего преобразования старого или зарождения нового вида. Большая часть спонтанных мутаций Drosophila melanogaster– результат перемещения МЭ, составляющих 22 % генома и принадлежащих к нескольким десяткам семейств. В разных популяциях набор МЭ может быть разным, то есть без каждого конкретного мобильного элемента особь может прожить. Но благодаря этому факту, самым мощным индуктором, влияющим на перемещение МЭ у Drosophila melanogaster, является гибридный дисгенез (ГД), ярко проявляющийся при скрещивании мух, различающихся по набору МЭ. Частота перемещения МЭ может варьировать в диапазоне 10^-1 – 10^-5на сайт за поколение. Эффект ГД может усиливаться в сочетании с неблагоприятными факторами среды, например, при повышении температуры содержания личинок. В результате, в популяции вряд ли найдется две особей с одинаковым распределением МЭ по геному.

Геном каждого вида можно рассматривать как экосистему, состоящую из консервативных генов, выполняющих ключевые функции жизнеобеспечения, обеспечивающих константность вида, и генов перемещающихся, наряду с другими факторами определяющих генетическую нестабильность. Часть МЭ имеет ретровирусное происхождение. В связи с этим можно говорить об участии представителей разных таксонов в формировании генома, можно говорить о коэволюции, поскольку внедрившийся в геном МЭ может изменяться вместе с геномом хозяина, можно говорить о симбиозе МЭ–хозяин, поскольку некоторые МЭ не потеряли способности формировать вирусную частицу и инфицировать соседние геномы. У Drosophila melanogasterесть мобильные элементы, которые появились в начале прошлого века за счет горизонтального переноса из генома другого вида дрозофил на глазах одного поколения исследователей. За это время сменилось порядка 500 поколений дрозофил. И хотя внешний вид дрозофил с тех пор заметно не изменился, скрещивание дрозофил из природы с дрозофилами лабораторных линий вызывает ситуацию гибридного дисгенеза, демонстрируя генетическую разницу, накопившуюся уDrosophila melanogasterза последнюю сотню лет.

В данной работе мы исследовали, есть ли база для гибридного дисгенеза внутри популяции г. Умани Drosophila melanogaster.В этой популяции в 1980-х годах наблюдали повышенную концентрацию нестабильныху2-аллелей, обусловленных внедрениемhobo в регуляторную зону генаyellow.Молекулярно-генетический анализ показал, что линии, выделенные из природной популяции Умани, разделяются на две группы в зависимости от того, скрещивали мух, давших начало этим линиям, с мухами лабораторных линий или нет. Линии, берущие начало от самок, гетерозиготных по генуyellowили самок, оплодотворенных в природеу2-самцами, переводили в гомозиготное состояние за счет внутрисемейных скрещиваний. В 70% случаев такие линии имели инверсию в регуляторной зоне генаyellow, фланкированнуюhobo. Если жеу2-линия брала начало от мутантного самца, то в 90% случаев наблюдали делецию в регуляторной зоне генаyellowили комбинацию других перестроек. Мутантных самцов из природы скрещивали с лабораторными самками со сцепленными Х-хромосомами для того, чтобы сохранить Х-хромосому самца. Как оказалось, линия со сцепленными Х-хромосомами содержит в геноме полноразмерную копиюhobo, способную индуцировать транспозиции. Фенотипическая нестабильность оказалась лишь вершиной айсберга. Мультиплицированные последовательностиhobo, ассоциированные с фрагментами регуляторной зоны генаyellow, рекомбинировали друг с другом так, что результат блот-гибридизации линий менялся со временем без смены фенотипа. Наблюдалось укорочение фрагментов геномной ДНК, гибридизовавшихся с зондом из регуляторной зоны генаyellow, фланкированнойhobo.Итак, повышенная концентрацияу2-мутаций была вызвана распространением в популяции инверсии, а нестабильность ву2-аллелях из Умани индуцирована гибридным дисгенезом, мультипликацией инверсии, сопряженной сhoboи рекомбинацией этих повторов между собой. Локусспецифическая нестабильность была ассоциирована с нестабильностью всего генома, поскольку сопровождалась увеличением числа копийhobo в геноме.

Согласно нашим данным, внутри популяции есть база для гибридного дисгенеза: не все мухи из Умани содержат полноразмерную последовательность hobo-элемента, способную индуцировать его перемещение, и не все линии, происходящие от самок, не скрещивавшихся с самцами лабораторных линий, сохраняют инверсию. Нестабильность генома при неизменном фенотипе – естественное состояние, так же как и нестабильность экосистемы, находящейся в устойчивом равновесии.