WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
БИОЛОГ ИЯ КОНВЕРСИЯ ГЕНА В. М. ГЛАЗЕР Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ВВЕДЕНИЕ Конверсия гена, которой посвящена эта статья, являGENE CONVERSION ется биологическим процессом, играющим важную V. M. GLASER роль и в эволюции живых организмов, и в их онтогенезе. Помимо того что конверсия гена участвует в общей (гомологичной) рекомбинации [1], она является одним Gene conversion is nonreciprocal homologous из проявлений другого фундаментального генетичесrecombination based on the correction of misкого процесса – репарации ДНК [2]. Хотя в основе matched bases in recombinational heterodupконверсии лежит общий механизм – исправление lex. Genetic control and the molecular mecha(коррекция) неспаренных (некомплементарных) осноnisms of gene conversion as well as its roles ваний в рекомбинационном гетеродуплексе ДНК [1], этот механизм может участвовать в разнообразных both in the gene evolution and in life cycles of биологических процессах, часто играя ключевую роль.

various organisms are considered.

Конверсия происходит и в клетках бактерий, и в половых и в соматических клетках эукариот.

Конверсия гена – нереципрокная гомологичПервоначально, со времени ее открытия К. Линденая рекомбинация, основанная на коррекгреном в 1949 году [3], термин “конверсия гена” приции неспаренных оснований в рекомбинацименяли только к конкретному явлению – нарушению онном гетеродуплексе. Рассмотрены гене- стандартного менделевского расщепления 2А : 2а в тетрадах аскоспор у грибов-аскомицетов [1, 3]. Однако, тический контроль и молекулярные мехапосле того как был выяснен универсальный механизм низмы конверсии и ее роли в эволюции гекоррекции неспаренных оснований, этот термин раснов и индивидуальной изменчивости оргапространили на все процессы, в которых происходит низмов. превращение одного аллеля в другой путем коррекции рекомбинационного гетеродуплекса. Читатель, прочитавший эти строки, должен был заметить, что эта статья является логическим продолжением статей [1, 2], ранее опубликованных в “Соросовском Образовательном Журнале”.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССАХ, ПРИВОДЯЩИХ К КОНВЕРСИИ ГЕНА, НА ПРИМЕРЕ ESCHERICHIA COLI Биологические аспекты конверсии сложны и многообразны. Для облегчения их восприятия сначала рассмотрим молекулярные процессы, лежащие в основе конверсии. Начнем с того, что у всех видов живых организмов среди различных систем репарации важнейшее место занимает особый механизм исправления ошибок репликации ДНК. Репарируемые ошибки заключаются в ГЛАЗЕР В.М. КОНВЕРСИЯ ГЕНА Глазер В.М., © БИОЛОГ ИЯ том, что иногда (редко!) в ходе репликации ДНК-поли- случайным. Он также относится к системам репарации мераза ошибочно включает во вновь синтезируемую с вырезанием и застройкой протяженных брешей.

цепь ДНК основание, некомплементарное основанию Подчеркнем, что процесс исправления ошибок репв матричной цепи. Механизм репарации некомплеликации гена не относится к конверсии гена. Мы ментарных оснований наиболее изучен у E. coli под навспомнили о нем только потому, что его механизм исзванием “система MutHSLU”. Хотя он подробно опипользуется и в коррекции рекомбинационного гетеросан в статье [2], напомним основные детали. Основу дуплекса, а это уже конверсия. Таким образом, коррексистемы составляют гены mutH, mutL, mutS и mutU. Нация неспаренных оснований есть широкое понятие, звание mut (mutator) указывает на то, что мутанты по включающее и исправление ошибок репликации, и конэтим генам проявляют мутаторный фенотип, то есть у версию гена.

них наблюдается резкое повышение (обычно на неДля изучения механизмов конверсии у бактерий сколько порядков) частоты спонтанного мутирования.

(как и у эукариот) создают искусственные гетеродупЭтот факт служит прямым доказательством того, что неспаренные основания являются предшественника- лексы, содержащие различные комбинации некомплеми мутаций. Кроме того, он свидетельствует, что про- ментарных оснований, вводят их в реципиентные клетдукты указанных генов участвуют в устранении неспа- ки и прослеживают дальнейшую судьбу. Используя в качестве реципиентов клетки, несущие различные муренности оснований.

тации по репарации и рекомбинации, выявляют (по Система MutHLSU узнает и исправляет все пары неспособности к коррекции) гены, контролирующие некомплементарных оснований (GT, GA, TC и т.д.), исправление того или иного типа некомплементарных кроме пары СС. Она репарирует еще выпадения или пар, и выясняют основные характеристики конверсии.

вставки одного–трех нуклеотидов в одной из цепей Например, Р. Фишель и др. (1988 год) вводили в клетки ДНК. В случае исправления ошибок репликации ДНК различных мутантов E. coli искусственные гетеродуппроцесс связан с метилированием аденина в последовалексы, которые содержали две группы неспаренных тельностях GATC. Рассматриваемый механизм основан оснований, разделенные 1243 п.н. Кроме того, в их эксна том, что матричные цепи ДНК исходно метилироваперименте цепи ДНК в гетеродуплексах были либо ны, тогда как метилирование вновь синтезируемых цеметилированы по аденину, либо неметилированы.

пей чуть-чуть запаздывает за репликацией, оставляя Оказалось, что независимо от метилированности ценебольшое окно во времени для работы коррекционной пей репарация происходила до репликации ДНК и при системы. Процесс (см. рис. 1 в статье [2]) начинается с этом в большинстве случаев наблюдалась одновременприсоединения к некомплементарной паре оснований ная коррекция (кокоррекция) обеих неспаренных белка MutS, роль которого заключается в узнавании групп, то есть механизм репарации протяженных бреэтого типа нарушений структуры ДНК. С образовавшей был доминирующим. Если была метилирована одшимся комплексом связывается белок MutL. Взаимона из цепей, кокоррекции подвергалась неметилиродействие MutS и MutL с некомплементарной парой осванная цепь. Процесс контролировали все четыре гена нований активирует латентную эндонуклеазу – продукт системы MutHLSU. Если обе цепи были неметилирогена mutH, которая расщепляет одну из цепей ДНК в ваны, процесс также требовал продуктов всех четырех сайте GATC в дочерней неметилированной цепи. Возгенов, но если обе цепи были метилированы – только никший разрыв служит сигналом для коррекции этой генов mutS и mutU. Но и в том и в другом случае выбор цепи. От конца разрыва экзонуклеаза гидролизует цепь цепи, подвергшейся кокоррекции, был случаен.



ДНК в направлении ошибочного основания и удаляет его. Экзонуклеазы, осуществляющие вырезание (эксци- Помимо MutHSLU у E. coli описаны и другие сисзию) участка цепи ДНК, гидролизуют одноцепочечную темы коррекции рекомбинационного гетеродуплекса.

ДНК. Для их работы необходимо участие ДНК-хелика- Обычно они узнают более узкий спектр неспаренных зы (белка MutU), которая обеспечивает высвобождение оснований, некоторые из них специфичны для опредеодноцепочечной ДНК путем расплетания дуплекса. ленных некомплементарных пар. Например, система Образуется брешь протяженностью до 1 т.п.н. и более. VSP (very short patch repair) превращает некомплеменОна застраивается по матрице исходной метилирован- тарную пару GT в комплементарную G–C. Как следуной цепи с помощью ДНК-полимеразы, а затем ДНК- ет из названия, эта система вырезает и застраивает лигаза залечивает оставшийся разрыв цепи. Ошибка очень короткие (не более пяти нуклеотидов) участки репликации исправлена. Рассмотренный механизм кор- цепи ДНК, содержащие неспаренный тимин. Наряду с рекции, когда репарации подвергается определенная другими генами в ней также участвуют гены mutL и цепь ДНК, называется направленным, хотя в других слу- mutS. Можно привести также систему с участием гечаях выбор цепи, подвергаемой коррекции, может быть нов recF, recJ и recO. Она работает на участке не более СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №1, БИОЛОГ ИЯ 300 п.н. и малоэффективна по сравнению с MutHSLU. Функции некоторых белков еще не выяснены. Из Еще следует отметить, что другие виды бактерий имеют гомологов MutL по крайней мере два – MLH1и PMSсистемы репарации ошибок репликации и коррекции (у человека PMS2) участвуют в исправлении ошибок гетеродуплексов, родственные MutHSLU, но не свя- репликации и в конверсии. У мутантов по генам, кодизанные с метилированием ДНК. В тех случаях, когда рующим эти белки, резко повышены частоты спонтанкоррекция осуществляется направленно, выбор под- ных мутаций и ПМС. В норме оба белка работают в вергаемой эксцизии цепи определяется наличием в комплексе, который эквивалентен одному бактериальэтом районе одноцепочечного разрыва. Это правило ному белку MutL. Из гомологов MutS по крайней мере распространяется и на эукариотические организмы. три (MSH2, MSH3 и MSH6) функционируют в тех же процессах. MSH2 формирует два разных гетеродимера, Мы уделили так много внимания системе MutHSLU, один с MSH3, другой с MSH6. Первый участвует тольтак как два ее основных компонента – белки MutL и ко в коррекции вставок/выпадений нуклеотидов, втоMutS – оказались консервативными и в ходе эволюции рой – и вставок/выпадений, и некомплементарных сохранились не только у бактерий, но и у эукариот, от пар оснований. Эукариотическая система отличается дрожжей до человека. В следующем разделе рассмотот бактериальной и более широким спектром распозрим именно эти эукариотические белки, запускающие наваемых нарушений структуры дуплекса. Она узнает и процесс конверсии, не забывая при этом об участии репарирует гетерологии из 8–12 нуклеотидов (бактериДНК-полимераз, лигаз, хеликаз и других белков общеальная не более трех). Кроме того, в клетках млекопитаго метаболизма ДНК.

ющих эта система узнает даже пары СС. Отметим, что система участвует и в мейотической и в митотической ГОМОЛОГИ БЕЛКОВ MutL и MutS конверсии. Недавно в лаборатории В.Г. Королева (ПеУ ЭУКАРИОТ тербург) был обнаружен седьмой гомолог MutS у дрожжей – продукт гена HSM3. Оказалось, что новый белок Эукариотические гомологи бактериальных белков участвует в каком-то ином пути коррекции гетеродупMutL называют MLH (MutL homolog) или PMS (post леса, нежели система с участием PMS1.

meiotic segregation), а гомологи MutS – MSH (MutS homolog). Их удалось выявить по гомологии с бактериОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ альными белками и с помощью биохимического анаО КОНВЕРСИИ ГЕНА лиза с использованием клеточных экстрактов. Как и у В настоящее время общепризнаны две модели рекомбактерий, эти белки могут участвовать и в исправлении бинации, приводящие к конверсии. Одна из них – моошибок репликации, и в конверсии. Главное доказадель Р. Холлидея, вторая – Дж. Жостака и др., в которой тельство участия каждого белка в конверсии – повырекомбинация начинается с двуцепочечного разрыва в шение частоты так называемой постмейотической сегодном из гомологов. Обе модели рассмотрены в статье регации (ПМС) у мутанта по соответствующему гену.





[1]. Для краткости изложения ограничимся демонстраПМС возникает как результат подавления конверсии и цией конверсии на примере модели Холлидея (рис. 1).

проявляется в виде секторных колоний, выросших из Поскольку читатель уже знаком с моделью, в рисунок клеток, содержащих нерепарированный гетеродупвключены только те ее этапы, которые непосредственлекс: каждая половина колонии несет один из аллелей, но относятся к конверсии. Как видно из рис. 1, если в имеющихся в гетеродуплексе.

тетраде произошел кроссинговер в участке гена В, то Эукариотические белки взаимодействуют с неспа- соотношение аллелей генов А и С, внешних (флангоренными основаниями по той же схеме, что и их бак- вых) по отношению к участку кроссинговера, не изметериальные гомологи. Однако в отличие от бактерий няется и остается равным 2А : 2а и 2С : 2с (рис. 1, г), то эукариотические гомологи проявляют большое разно- есть рекомбинация по ним реципрокна. Напротив, реобразие и представлены семействами. У дрожжей об- комбинация маркеров, попавших непосредственно в наружены три гомолога MutL (MLH1, MLH2, PMS1) и участок кроссинговера, то есть в гетеродуплекс, обычно шесть гомологов MutS (от MSH1 до MSH6), у челове- нереципрокна из-за коррекции неспаренных основака – соответственно 11 и 4. Это свидетельствует о боль- ний, внесенных разными аллелями (B и b). Протяженшей сложности и разнообразии систем коррекции у эу- ность гетеродуплекса в мейотической рекомбинации кариот. Правда, не все белки заняты в конверсии. Так, достигает 1 т.п.н., в случае митотической рекомбинации дрожжевые белки MSH4 и MSH5 участвуют в мейоти- она еще больше. Все гетерозиготные маркеры, попавческом реципрокном кроссинговере, но не в конвер- шие в гетеродуплекс, обычно конвертируют совместно, сии. Белок MSH1 обеспечивает стабильность ДНК в что является следствием существования участка конмитохондриях. версии [3]. Этот факт основан на работе рассмотренной ГЛАЗЕР В.М. КОНВЕРСИЯ ГЕНА БИОЛОГ ИЯ Рис. 1. Упрощенная схема конверсии гена по модеA B C а ли Холлидея. Линии соответствуют цепям ДНК, две параллельные линии – хроматиде. Синий и красный A B C цвета позволяют различать гомологов. Вертикальb ные линии слева обозначают центромеры, удержиB вающие сестринские хроматиды. Пара синих и пара красных сестринских хроматид образует тетраду.

ab c Более детально модель Холлидея представлена в [1]; а – полухиазма Холлидея, сформированная в реab c зультате обмена цепями между двумя хроматидами с последующей миграцией ветвления; б – два типа б продуктов рекомбинации, возникшие в результате A B C A B C двух способов разрешения полухиазмы. Слева структуры с гетеродуплексом, но без кроссинговера по внешним маркерам. Справа структуры с гетероA B C A B с дуплексом и кроссинговером по внешним маркерам; в – в левой тетраде происходит конверсия от В B B к b, в правой – от b к В. Направление конверсии в тетрадах выбрано произвольно. Также произвольно ab c ab С выбрана и стадия, на которой происходит конверсия. Она может осуществляться и раньше, до разреab c ab c шения полухиазмы; г – продукты рекомбинации в A B C A B C сайтов, в которых инициируется рекомбинация. В поA b C A B с следние годы у дрожжей идентифицировано несколько таких сайтов. Их называют горячими точками рекомбинации. Например, по данным Дж. Жостака и др., частота конверсии в начале гена ARG4 составляет около ab c a C B 7,4%, затем она постепенно снижается. Удаление учаab c ab c стка из 875 п.н. непосредственно перед кодирующей г рамкой гена снижает частоту конверсии до 0,8%. СходA B C A B C ная ситуация наблюдалась в случае гена HIS4, у которого горячая точка локализована в промоторном районе. А у гена HIS2 горячая точка лежит на 700 п.н. после гена.

A b C A B c Еще одна важная характеристика конверсии, легшая, как помнит читатель, в основу модели Холлидея, заключается в том, что конверсия может сопровождаться, а может не сопровождаться кроссинговером по ab c a B C внешним маркерам (рис. 1, в, г), и эти случаи равновероятны. Это правило не распространяется на соматические клетки, по крайней мере грибов, где конверсия ab c ab c 1B : 3b 3B : 1b преобладает, а на долю реципрокного кроссинговера приходится менее 10% событий. Это свидетельствует о выше системы коррекции с вырезанием и застройкой том, что распространенная точка зрения на конверсию длинных брешей.

как на процесс нереципрокной рекомбинации, который может сопровождаться, а может не сопровождатьА теперь выделим другие основные закономерносся кроссинговером, может быть видоизменена. Либо ти процесса конверсии. Конверсия обычно равнонаконверсия и кроссинговер – это разные процессы, липравленна. Выбор удаляемого основания из двух небо они возникают в результате разных способов разреспаренных случаен, поэтому тетрады 3B : 1b и 1B : 3b шения полухиазмы, и в случае конверсии этот способ равновероятны. Конверсия полярна. Это проявляется ориентирован на разрешение, не приводящее к кросв том, что частоты конверсии разных аллелей одного синговеру.

гена закономерно снижаются, начиная с определенной точки, чаще всего от одного конца гена к другому. У ЭКТОПИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ:

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.