Виды мобильных генетических элементов

За появление системы гибридного дисгенеза отвечает мобильный элемент P .

Р элемент.

Его размеры могут колебаться от 0,5 до 2,9 тпн. Различные линии мух обычно несут 50–60 копий этого элемента, и треть из этих копий - полноразмерные. В зависимости от наличия в геноме P-элементов выделяют несколько типов линий Drosophila melanogaster. P-линии содержат 30-60 копий P-элемента, одна треть из них состоит из полных P-элементов, а две трети из дефектных. Эти линии свойственно наличие P-цитотипа.

Геном M-линий лишен P-элементов, и состоит из M-цитотипов.

Синдром гибридного дисгенеза происходит только при скрещивании самок из M-линий Maternal с самцами из P-линий Paternal, в виду того, что  P-цитотип передается по материнской линии, потомство от обратных скрещиваний между P-самками и M-самцами зачастую нормальное.

В дополнение, так же выделяют M и Q линии. M или псевдо-M линии содержат в геноме большое количество дефектных P-элементов, но при этом, характеризуются наличием слабого потенциала репрессии M-цитотип . Некоторые M-линии имеют способность индуцировать определенные аспекты гибридного дисгенеза. Q-линии также содержат в геноме дефектные элементы и, подобно P-линиям, имеют P-цитотип.

Q-линиям присуща способность, индуцировать дисгенез в скрещиваниях с истинными M-линиями. На данный момент P-элемент детально исследован на молекулярном уровне, это дает возможность четче понять его функции в P-M системе гибридного дисгенеза. В геноме Drosophila melanogaster встречаются структурно и функционально гетерогенные P-элементы . Полноразмерный P-элемент имеет длину 2907 п.н. и характеризуется наличием терминальных инвертированных повторов с размерами 31 п.н. и субтерминальными инвертированными повторами размером 11 п.н, без которых его перемещение было бы невозможным. Внутренняя часть имеет в составе небольшой инвертированный повтор с неопределенными функциями и ген транспозазы, который состоит из 4 экзонов и 3 интронов. Ген транспозазы кодирует белок необходимый для перемещения P-элемента, исходя из этого, полноразмерный P-элемент самостоятельно контролирует свое перемещение, вследствии чего, является автономным . Кроме полноразмерных P-элементов, в геноме различных линий Drosophila melanogaster можно встретить дефектные копии. К таковым относят: KP элемент, имеющий делецию в центральном участке, который захватывает 808-2560 нуклеотиды, элементы A12 и D50 . Дефектные P-элементы не синтезируют транспозазы, но благодаря сохранности интактных терминальных и субтерминальных последовательностей, им свойственно перемещаться при помощи транспозазы полноразмерных элементов. В данный момент выделяют два типа регуляции активности P-элемента. Первый тип регуляции ограничивает активность P-элемента исключительно за счет клеток зародышевой линии, второй тип регулирует активность P-элемента в дисгенных скрещиваниях.

Ограничение активности P-элемента клетками зародышевой линии является последствием регулируемого сплайсинга мРНК . В зародышевых клетках сплайсируются три интрона, что приводит к образованию транспозазы. В соматических тканях третий интрон не удаляется и, в связи с наличием в данном интроне стоп-кодона, формируется усеченный белок, который имеет репрессорное дестие. Тканеспецифичный сплайсинг является следствием действия соматических факторов, ингибирующих сплайсинг третьего интрона. Механизм регуляции транспозиций P-элемента в дисгенных скрещиваниях еще не достаточно изучен.

На не длительный период, а точнее, несколько поколений, данная регуляция передается по материнской линии, но в случаях длительных сроков, определяется хромосомно, самими P-элементами.

Данный тип регуляции в клетках зародышевой линии именуется P-цитотипом, а в случаях его отсутствия, обозначается как M-цитотип. Модель, которая объясняет принципы детерминации и наследственности P-цитотипа, основывается на альтернативном сплайсинге пре-мРНК P-элемента на уровне 2-3 интрона.

Альтернативный сплайсинг отвечает за синтез транспозазы или репрессора.

В зависимости от концентрации пре-мРНК P-элемента, эффективность сплайсинга или снижается (при малых концентрациях), или увеличивается (при высоких) . В P-цитотипе промотор P-элемента репрессирован, что пиводит к низкой концентрации пре-мРНК и к синтезу репрессорного белка.

В обратных случаях, при наличии дисгенных условий P-промотор не репрессирован, вызывает  высокую концентрацию пре-мРНК и синтез транспозазы.

Данная модель изначально подтверждалась генетическими методами и  данными молекулярного анализа . На репрессионную способность P-элемента может влиять его структура и положение в геноме. Высокий уровень регуляции перемещений P-элемента может указывать на высокую чувствительность P-M системы гибридного дисгенеза к действию ДНК-повреждающих факторов и на сбои в процессах репарации.

 Это находит подтверждение в многочисленных экспериментальных факторах. Подтверждено, что облучение оказывает влияние на эффекты транспозиций P-элемента, при наличии условий гибридного дисгенеза. Это повышает выход рецессивных и доминантных летальных мутаций . Эффект, который можно наблюдать при синергичном действии облучения и активности транспозона, связывается с индукцией этими двумя факторами однотипных повреждений ДНК, а именно, двунитевых разрывов.

Возможность P-элемента вызывать данные повреждения ДНК, а также активность на премейотических стадиях развития яйцеклеток, обусловливает повышенный интерес к вопросу о функционировании P-M системы гибридного дисгенеза в условиях нарушения репарации . Особую значимость так же могут приобретать мутации в генах mei-9 и mei-41, которые контролируют одновременно мейотическую рекомбинацию и репарацию. В процессе изучения системы транспозиций в условиях гибридного дисгенеза у линий с мутациями генов репарации mei-9, mei-41 и mus101 не наблюдается видимый эффекта, влияющий на уровень рекомбинации у самцов и инсерционный мутагенез. Мутации mei-41 и mus101 вызывают удлиненный эффект на не расхождение хромосом и эмбриональную смертность, усиливая их, присутствие мутации mei-41 снижает появление хромосом с P-элементами.

Данные последствия наблюдаются только у мух с M-цитотипом, что указывает на их обусловленность синдромом гибридного дисгенеза. Основываясь на данных, которые были получены в процессах исследований, был сделан вывод, что дефекты в процессе пострепликативной репарации мутация mei-41 усиливают те из проявлений гибридного дисгенеза, которым сопутствуют события клеточной гибели и доминантной летальности. Не смотря на это, ни пострепликативная репарация мутация mei-41, ни эксцизионная репарация мутация mei-9 не оказывают влияния на уровень рекомбинации у самцов и частоту инсерций.

Параллельно доказано, что в присутствии мутаций mei-9 и mei-41 сильно повышается уровень индуцированных гибридным дисгенезом видимых мутаций, в том числе, в локусе. Значимость путей пострепликативной и эксцизионной репарации для репараций повреждений, индуцируемых при транспозициях P-элемента, доказывается исследованием уровня стерильности в скрещиваниях с использованием линий mei-9 и mei-41. Так же известно, что при скрещивании мух, которые имеют нарушения в  системе репарации, с мухами, имеющими активные P-элементы в геноме, наблюдается низкий порог термочувствительной стерильности, низкая плодовитость и преждевременное старение клеток зародышевой линии самцов.

Hobo-элемент.

Hobo-элемент способен перемещаться путем образования ДНК-посредника и классифицируется к семейству hobo-Ac-Tam3 hAT . Полный hobo-элемент имеет длину 2959 п.н. Данный элемент включает в себя два инвертированных концевых повтора по 12 п.н., образуя дупликацию в сайте инсерции размером 8 п.н. Транспозиции hobo-элемента в H-E системе гибридного дисгенеза имеют свою специфику, особенно для клеток зародышевого пути, но слабая активность hobo в соматических тканях эмбрионов, так же полностью не исключается. Сходно с P-элементом, активность hobo ограничевается зародышевыми клетками. Это объясняется  отсутствием транспозазы в соматических тканях.

Но в отличие от P-элемента, тканеспецифическая транспозиция hobo регулируется секрецией транспозазы на уровне транскрипции . В основе классификации линий в H-E системе гибридного дисгенеза лежит наличие или отсутствие полноразмерного hobo-элемента. Ссылаясь на данный критерий, линии классифицируются как: 1 H-линии Hobo (когда молекулярными методами определяют наличие полноразмерных hobo-элементов они также содержат элементы с внутренней делецией), 2 DH-линии Deleted Hobo (когда определяются только делетированные элементы), 3 E-линии Empty (когда они не имеют ни полных, ни делетированных копий элемента hobo). Так же, линии могут классифицироваться в зависимости от их способности индуцировать гонадную атрофию . Дисгенная стерильность зависит не только от H но и от E-линий.

Характерным для H-E системы гибридного дисгенеза, является отсутствие корреляции между различными дисгенными событиями. Механизмы регуляции транспозиций hobo-элементов частично отличаются от механизмов регуляции активности P-элементов, хотя, схожесть строения и функций этих элементов способна предполагать изменение функционирования hobo-элементов в H-E системе гибридного дисгенеза в ответ на действие ионизирующего облучения, как это показано для P-M системы.

Еще одним из плюсов, для предположения о респонсивности hobo-элементов на действие внешних факторов, становятся данные, которые указывают на изменения характеристик в H-E системе гибридного дисгенеза, но это лишь для некоторых длительно селектируемых по адаптивным признакам линий Drosophila melanogaster . В виду всего выше сказанного, низкоактивные линии, приобретают характеристику с повышенной способностью индуцировать дисгенную стерильность и пониженную способность репрессировать гибридный дисгенез.

Линии с высокими адаптивными показателями не индуцируют дисгенную стерильность, но существенно репрессируют ее. Возможно, что эти различия определяются разным составом фракций hobo-элемента и разной локализацией его копий в геноме. Проявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов, которые соответствуют линии и их репрессионным потенциалом.

Низкоактивные линии имеют исключительно большую частоту спонтанного мутирования высокой частоты возникновения рецессивных сцепленных с полом и аутосомных мутаций, поздних эмбриональных леталей.

Это явления основывается на механизме перемещения по геному мобильных hobo-элементов.

Низкоактивная линия включает в себя полноразмерные копии hobo-элементов, которые способны к синтезу транспозазы и транспозициям.

У данной линии обнаруживаются закономерные изменения в числе и локализации в геноме ретротранспозонов, связанных с приспособленностью линий.

Так же, не исключается, что мобильные генетические элементы являются составной частью генотипа селектируемых линий, которые обеспечивают стратегию вредных последствий отбора и инбридинга. Дестабилизация hobo-элемента, сама по себе, не способна вызывать изменения приспособленности линии, в связи с этим, проявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов соответствующих линий и их репрессионным потенциалом. Это дает возможность предположить, что возможная роль H-E системы гибридного дисгенеза, заключается в формировании генетических механизмов связанных с приспособленностью к внешним условиям и уровнем генетической изменчивости.

I-элемент.

I-R система гибридного дисгенеза, работает за счет, активности I-элемента, который относится к классу ретропозонов или LINE-подобных элементов . Полноразмерный I-элемент имеет длину 5371 п.н. Перемещение I-элемента происходит путем образования РНК-посредника с дальнейшим использованием обратной транспозазы, которая кодируется самим элементом. В соответствии к I-R системе гибридного дисгенеза линии, Drosophila melanogaster подразделяются на два типа: I-линии Inducer или индукторные и R-линии Reactive или реактивные.

Геном I-линий содержит 10-15 копий полноразмерных I-факторов, которые распределяются по всем хромосомам. Активация I-элемента происходит при скрещиваниях самцов из I-линий,  имеющих I-цитотип с самками из линий с R-цитотипом, в скрещиваниях I-самок с R-самцами I-элемент не активируется. Дисгенные нарушения проявляются только в яичниках у гибридных самок, у гибридных самцов таких нарушений не происходят.

Регуляция активности I-фактора в клетках зародышевой линии происходит на уровне инициации транскрипции или стабильности РНК . Частота транспозиций I фактора в дисгенных скрещиваниях регулируется с помощью уровня реактивности R-самок. Исходя из этих критерий, различают линии со слабым, средним или сильным уровнем реактивности.

Уровень реактивности выделяется по клеточному состоянию в зрелом ооците R-самки и передается чаще всего по материнской линии. Уровень реактивности связан с механизмами репарации и рекомбинации. Он повышется при действии ДНК повреждающих факторов. Этим доказывается, что действие ингибиторами синтеза ДНК и гамма лучами повышает уровень реактивности. Параллельно, уровень реактивности коррелирует с частотой кроссинговера и эффективностью репарации. Это дает возможность утверждать, что уровень реактивности является одним из проявлений единой индуцибельной репарационно-рекомбинационной системы. Биологическая роль, аналогичная SOS-ответу у бактерий, заключаться в модификации уровня изменчивости в ответ на изменение условий окружающей среды. Принято называть данную систему VAMOS от англ. variability modulation system, система модуляции изменчивости . Молекулярные механизмы, которые участвуют в формировании данной системы, еще не до конца определены, хотя, скорее всего, представляется участие генов, которые одновременно контролируют процессы рекомбинации и репарации. В данный момент предполагается, что в определении уровня реактивности наиболее вероятно участие генов mei-9 и mei-41. Новые открытия, касаемые роли, которую исполняет VAMOS в контроле генетической изменчивости при неблагоприятных условиях окружающей среды, способны прояснить картину молекулярных механизмов адаптации.

Дисгенные нарушения в рассмотренных системах гибридного дисгенеза, чаще всего, вызываются транспозициями и эксцизиями мобильных элементов в развивающихся зародышевых клетках.

Высокая частота хромосомных перестроек и рекомбинации у самцов происходят преимущественно в сайтах инсерции МГЭ. Повышенный уровень мутаций происходит от инсерционных мутаций и других индуцированных транспозициями МГЭ изменений в геноме.

Исследовательские данные и  выводы, дают возможность рассматривать синдром гибридного дисгенеза не только в качестве показателя активности некоторых семейств мобильных генетических элементов, но и как целостную генетическую систему, обеспечивающую контроль генетической изменчивости генотипа в неблагоприятных условиях.