Рекомбинационный механизм хромосомных перестроек

Впервые предположение о рекомбинационном механизме хромосомных аберраций высказал А. С. Серебровский (1929). Он исходил из реципрокного характера транслокаций, рекомбинационного происхождения дупликаций и делеций, а также предполагал необходимость реципрокного обмена в случае инверсий.

Было замечено также, что точки разрывов при транслокациях у дрозофилы предпочтительно локализуются в районах эктопического спаривания, т. е. в районах негомологичных хромосом, время от времени синаптирующих на препаратах слюнных желез. Это указывало на существование в негомологичных хромосомах участков частичной гомологии и позволяло искать рекомбинационный механизм хромосомных перестроек. Несомненный успех в этом направлении был достигнут только с открытием мигрирующих элементов генома и в связи с применением техники рекомбинантной ДНК для их выделения и изучения.

Одним из наиболее важных моментов, связанных с изучением мигрирующих элементов, является обнаружение частых хромосомных перестроек вблизи точек внедрения /5-элементов и транспозонов. Это справедливо как для бактерий, так и для одноклеточных и многоклеточных эукариот. В настоящее время с учетом перемещения мигрирующих элементов и механизма обычной (гомологичной) рекомбинации, а также рекомбинации между /5-элементами удается объяснить все типы известных хромосомных перестроек.

Делеции и дупликации могут происходить, если два мигрирующих элемента в одной и той же хромосоме одинаково ориентированы. Тогда рекомбинация по гомологии между этими элементами после репликации между сестринскими хроматидами или гомологичными хромосомами приведет к дупликации (трипликации) и делеции в качестве реиипрокных продуктов рекомбинации (рис. 9.12, а). Делеции могут возникать и в результате рекомбинации двух гомологичных элементов, расположенных в одной хромосоме и одинаково ориентированных (рис. 9.12, б). При этом дупликация отсутствует.

Инверсии возникают в случае противоположной ориентации двух гомологичных элементов в одной хромосоме (рис. 9.12, в).

Рис. 9.12. Механизм возникновения хромосомных перестроек, опосредованных мигрирующими элементами: а — делеции и дупликации; б — делеции без дупликаций; в — инверсии; г — транслокации; д — образование мостов и фрагментов в анафазе 1:

1 — исходная копия мигрирующего элемента, 2 — копия мигрирующего элемента, переместившаяся в новое место Транслокации могут быть результатом рекомбинации двух копий одного и того же элемента, интегрированных в разные хромосомы и расположенных одинаково в направлении от центромеры или к центромере (рис. 9.12, г).

Мосты и фрагменты, часто наблюдаемые в анафазе при индукции хромосомных аберраций ионизирующими излучениями, — результат рекомбинации копий одного и того же мигрирующего элемента в негомологичных хромосомах, по-разному ориентированных к центромере: в одной хромосоме от центромеры, в другой — к центромере (рис. 9.12, д).

Большинство перечисленных здесь рекомбинационных механизмов возникновения хромосомных аберраций продемонстрированы в экспериментальной работе с бактериями и дрожжами. Мигрирующие элементы способны захватывать и переносить на новое место гены, рядом с которыми они располагаются. По образному выражению Р. Б. Хесина, «попав в плохую компанию, гены из «добропорядочных» превращаются в «бродяг» «(непостоянство генома). Тем самым осуществляется дупликация отдельных генов, необходимая для дивергенции генетического материала, т. е. возникновения генов с новыми функциями. Кроме того, повторы одинаковых или сходных участков генетического материала сами по себе создают условия для рекомбинации по гомологии между генами, располагающимися в негомологичных участках генетического материала. Подобная рекомбинация происходит значительно реже, чем полностью гомологичная рекомбинация — кроссинговер, но она также связана с инициирующей рекомбинацию конверсией. Это характерно для дрожжей-сахаромицетов, имеющих два одинаковых гена his 3: один на своем месте в хромосоме XY, а другой — внесенный с плазмидой в результате интегративной трансформации. Второй ген his 3 интегрируют в другую часть генома благодаря рекомбинации плазмиды с Ту -элементом, который она также несет. С помощью такой модели демонстрируется конверсия между негомологичными хромосомами. Аналогичный результат был получен и для разных генов дрожжей с высоким уровнем гомологии нуклеотидных последовательностей: сус 1 на сус 7, кодирующих изо-1- и изо-2-цитохромы С. У другого вида дрожжей «негомологичная» конверсия показана между генами, кодирующими очень близкие по структуре тРНК. В редких случаях «негомологичная» конверсия сопровождается реципрокными транслокациями.

Рассмотренные способы возникновения повторов в геноме при участии мигрирующих элементов следует назвать первичными дупликациями, т. е. дупликациями, возникающими de novo. Очевидно, существует большая группа так называемых вторичных дупликаций, примерами которых могут быть повторы, возникающие вследствие кроссинговера в гетерозиготных инверсиях и транслокациях, а также вследствие нерасхождения хромосом и полиплоидии.

События, изменяющие структуру хромосом в геноме, традиционно связывали с эволюционными преобразованиями генетического материала. Дупликации поставляют материал для созидания новых генов в процессе естественного отбора. Инверсии и транслокации способствуют генетической изоляции новых форм в процессе их внутривидовой дивергенции. В то же время механизм возникновения хромосомных перестроек долгое время не был известен, и аберрации хромосом считались нерегулярными событиями, о чем говорит сам термин «аберрация», т. е. отклонение от нормы. Раскрытие механизма рекомбинации как основного источника перестроек хромосом заставляет по-новому увидеть проблему соотношения стабильности и лабильности генетического материала.

Хромосомные перестройки, традиционно рассматриваемые как один из типов мутации, оказались связанными с процессами рекомбинации.

Дальнейшее изучение механизма перестроек хромосом позволит превратить этот раздел генетики в область направленной перестройки геномов, которая по праву получит наименование хромосомной инженерии.