Дупликации. 
Генетика

Дупликации, в строгом смысле этого слова, представляют собой двукратное повторение одного и того же участка хромосомы. Известны случаи многократных повторений, или мультипликаций, какого-либо участка. Их называют также амплификациями.

Дупликации могут происходить в пределах одной и той же хромосомы или сопровождаться переносом копии участка генетического материала на другую хромосому. Повторы, возникшие в одной хромосоме, могут располагаться тандемно (ABCBCDE…) или инвертированно (ABCCBDE…). Различают также терминальные повторы, если дупликация затрагивает конец хромосомы.

По-видимому, главной причиной множественных повторов участков генетического материала является так называемый неравный кроссинговер. Наиболее известный пример участия этого механизма в генерации повторов получен для локуса Ваг (В) у D. melanogaster. Доминантная мутация В (полосковидные глаза) представляет собой дупликацию небольшого сегмента (16А) у конца Л'-хромосомы (на 57,0 сМ от конца хромосомы) (рис. 9.3). В линии, гомозиготной по Ваг, изредка с частотой около 6 х Ю^¹ на гамету наблюдаются реверсии — выщепление мух дикого типа В*, а также мух с еще более узкими глазами, чем у В. Этот усиленный вариант Ваг назван ультра-йог и обозначается ВВ. У мух В В сегмент 16А в Х-хромосоме оказался уже триплицированным, в то время как у ревертантов В' тот же сегмент представлен в единственном числе.

Механизм этого проявления объяснил А. Стертевант еще в 1925 г. на основе генетического анализа. Участки слева и справа от Ваг были маркированы тесно сцепленными мутациями: / - forked (56,7); В — Ваг (57,0); fu — fused (59,5). Цифры в скобках — точки локализации (сМ). При скрещивании:

наряду со всеми ожидаемыми классами расщепления появлялись также мухи В', нормальные по форме глаза, и ВВ — ультра-йаг. Те и другие были одновременно рекомбинантными по генам/и/и. Эти необычные сегреганты возникали только в результате мейоза у самок В/В. В реципрокной комбинации $ В*/В" х В они не были получены.

На основании полученных результатов А. Стертевант предположил, что мухи ультра-йаг и Ваг' - реципрокные продукты неравного кроссинговера между дуплицированными участками Х-хромосомы.

Рис. 9.3. Фенотипическое проявление повторов одного и того же участка (16А) в Л'-хромосоме О. melanogaster — изменение признака Ваг.

В скобках — среднее число фасеток в глазах мух соответствующего генотипа Позже на материале гигантских хромосом было показано, что улътра- Ваг — действительно тройное повторение сегмента 16А, дуплицированного у мутанта и единичного у дикого типа Ваг⁺.

По-видимому, и исходная «мутация» Ваг возникла в результате неравного кроссинговера (рис. 9.4). В этом случае дупликации и делеции могут иметь общий механизм возникновения.

Рис. 9.4. Возможный механизм возникновения дупликаций и делений в результате неравного кроссинговера на примере мутаций Ваг в .^-хромосоме D. melanogaster: а — при возникновении мутации Ваг. б — при возникновении мутации ультра-itor; 16А — наименование диска, дуплицируемого в политенных хромосомах Дупликации и делеции могут возникать в результате неравного кроссинговера между сестринскими хроматидами или даже в результате рекомбинации в пределах одной и той же хроматиды.

Фенотипическое проявление дупликаций показано на примере ряда генов у дрозофилы, как рецессивных: white (w), scute (sc), achaete (ас) — редукция щетинок, vermilion (v) — ярко-красные глаза, так и доминантных: Ваг (В), Hairy wing (Hw) — волосатые крылья.

Цитологически гетерозиготы по дупликациям выявляются сходно с гетерозиготами по делециям — образуется петля при конъюгации хромосом.

Дупликации и делеции часто возникают в результате разрывов хромосом, вызываемых различными повреждающими агентами, ионизирующей радиацией, химическими мутагенами, вирусами и др., а также факторами рекомбинации у самцов О. melanogaster (МЯ), представляющими компоненты системы гибридного дисгенеза. Кроме того, дупликации и делеции могут быть результатом кроссинговера у гетерозигот по инверсиям и транслокациям.

Дупликации и другие повторы обычно не оказывают такого отрицательного влияния на жизнеспособность, как делеции и дефишенси. Сходные элементы часто повторяются в геномах различных организмов. Так, К. Бриджес обратил внимание на сходный рисунок расположения дисков в двух одинаково ориенгированных участках П хромосомы дрозофилы. По-видимому, эти участки представляют собой прямой повтор. На гигантских хромосомах дрозофилы также обнаруживаются инвертированные повторы. На существование повторов в геномах других организмов указывает, например, спаривание отдельных участков негомологичных хромосом при мейозе у гаплоидных растений, которые могут быть получены экспериментальным путем. В отсутствие гомологов у гаплоидов наблюдаются участки синапсиса. Это так называемое гомеологическое спаривание.

При дупликации доминантного аллеля какого-либо гена, сопровождаемой транспозицией копии на другую хромосому, меняется и картина расщепления, если скрещивание проводят с рецессивным мутантом по тому же гену. Вместо моногибридного расщепления 3 :1 у диплоидных организмов наблюдается полимерное расщепление 15:1. Возможность клонирования генов, проверка гибридизации их ДНК и определение первичной структуры генов часто вскрывают высокий уровень гомологии полимерных генов. Например, два гена, кодирующих изозимы (т. е. ферменты с одинаковой функцией) кислой фосфатазы у дрожжей ЯассИ. сегеутае, — рко 3 и р1ю 5 — гомологичны на 80%. Очевидно, эти гены некогда возникли в результате дупликации.

Как показал И. А. Рапопорт для локуса Ваг, экспериментальное повторение одного и того же гена (до 8 раз) может достигаться за счет многократных дупликаций. Многократные повторы — амплификации — обнаружены в культурах клеток млекопитающих, устойчивых к ряду повреждающих агентов: метатрексату, колхицину, ионам тяжелых металлов и др. В этих случаях кратность повторения одного и того же участка генетического материала, включающего, например, ген дигидрофолатредуктазы, связывающей метатрексат, может достигать нескольких сотен и даже более тысячи. В присутствии метатрексата как селектирующего агента формируются целые хромосомы с центромерами, содержащие один и тот же повторяющийся фрагмент ДНК размером в 30 000−40 000 п.н. При этом устойчивость к метатрексату может повышаться до 100 тыс. раз. В процессе такой амплификации принимает участие механизм рекомбинации.

У дрожжей аналогично амплифицируется участок, содержащий ген CUP, обусловливающий устойчивость клеток к ионам меди. В отсутствие селективного агента эти отобранные генетические конструкции оказываются нестабильными, и устойчивость быстро теряется.

Многократные повторения одного и того же участка характерны для генов рибосомной ДНК у дрозофилы. Около 130 повторов этих генов собрано в локусе bb {bobbed), который присутствует как в Х-, так и в У-хромосоме этого насекомого. Мутанты bb несут делеции генов рДНК. В течение нескольких поколений у мух, гомозиготных по делеции большей части рДНК, происходит восстановление числа генных копий, характерных для дикого типа. Мультипликация, или амплификация рДНК, сопровождается повышением частоты кроссинговера между X- и У-хромосомами в районе bb.

Дупликации играют существенную роль в эволюции генома, поскольку они создают дополнительные участки генетического материала, функция которых может быть изменена в результате мутаций и последующего естественного отбора.