Механизм неменделевской наследственности остается загадочным
|
Парамутацией называют наследственное изменение свойств гена, возникающее в результате взаимодействия разных копий (аллельных вариантов) гена между собой и не сопровождающееся изменениями последовательности нуклеотидов. Американским генетикам удалось идентифицировать один из белков, необходимых для поддержания «парамутантного» состояния гена pl1, от которого зависит окраска пыльников у кукурузы. Открытие показало, что парамутация — весьма сложное явление, в регуляции которого участвует множество специализированных молекул РНК и белков.
На сегодняшний день хорошо известно, что далеко не вся наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение, «записана» в последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Кроме этой генетической информации есть еще и так называемая «эпигенетическая». Например, определенные нуклеотиды в ДНК могут подвергаться химической модификации — метилированию. В ходе репликации (удвоения) молекул ДНК специальные ферменты не всегда, но часто метилируют в новой молекуле ДНК те же нуклеотиды, которые были метилированы в «родительской» молекуле. Таким образом, паттерн метилирования может передаваться по наследству, а от него зависит активность генов и, соответственно, фенотипические признаки. «Внегенетическая» наследственная информация может передаваться и с другими молекулами (например, РНК), которые имеются в цитоплазме половых клеток.
Эпигенетическая наследственность порой приводит к «нарушениям» основополагающих законов классической генетики (законов Менделя). Типичным примером являются так называемые парамутации, обнаруженные у растений полвека назад, а недавно зарегистрированные и у животных (подробно об этом открытии и о сути явления см. в заметке Наследственная информация записана не только в ДНК, «Элементы», 01.06.2006). Парамутация — это устойчивое, наследуемое изменение свойств гена, которое возникает в результате взаимодействия разных вариантов (аллелей) этого гена между собой и при котором нуклеотидная последовательность гена не меняется (в отличие от обычных мутаций).
Классический пример парамутации дает один из аллелей гена pl1 (purple plant 1), от которого зависит окраска пыльников (той части тычинки, в которой образуется пыльца) у кукурузы. Этот ген кодирует белок — транскрипционный фактор, регулирующий активность других генов, которые, в свою очередь, кодируют белки, необходимые для синтеза пигмента антоциана.
|
У гена pl1 есть несколько аллельных вариантов, но только один из них (Pl1-Rhoades) проявляет склонность к парамутации. Этот аллель при одной и той же последовательности нуклеотидов может находиться в одном из двух состояний: «активном» (Pl-Rh, пурпурные пыльники) и «неактивном» (Pl', светлые пыльники). Когда аллель находится в активном состоянии, в клетке наблюдается высокая концентрация считанных с этого гена молекул РНК и синтезируется много соответствующего белка, который активизирует гены синтеза антоциана; в результате в пыльниках производится много пигмента, и пыльники приобретают пурпурную окраску. Фокус состоит в том, что неактивное состояние гена (Pl') является как бы «заразным», то есть ген Pl-Rh, побывав в одной клетке с геном Pl', сам превращается в Pl'.
Согласно законам Менделя, при скрещивании двух гетерозиготных растений (Pl-Rh/Pl') четверть потомков должна иметь генотип Pl-Rh/Pl-Rh и, соответственно, пурпурные пыльники. Однако этого не происходит, у всех потомков пыльники оказываются светлыми, и в последующих поколениях пурпурная окраска пыльников тоже не появляется. Это происходит потому, что ген Pl-Rh, побывав в гетерозиготном состоянии с геном Pl', меняет свои свойства и переходит в неактивное состояние, то есть сам превращается в Pl', и в таком состоянии передается по наследству. Это и есть парамутация.
По-видимому, за явлением парамутации стоит некий общий и довольно широко распространенный механизм, однако расшифровать его до сих пор не удалось, несмотря на большой интерес к этой проблеме.
На сегодняшний день удалось выяснить, что большую роль в поддержании «переключенного» состояния гена при парамутации играют молекулы РНК, передающиеся от родителей к потомкам. Кроме того, недавно выяснилось, что для устойчивой передачи парамутации из поколения в поколение необходим фермент, размножающий молекулы РНК без участия ДНК (РНК-зависимая РНК-полимераза). И еще было установлено, что многие другие гены тоже участвуют в поддержании устойчивости парамутантного состояния, но в чём конкретно состоит функция этих генов, никто до недавнего времени не знал.
В отличие от «настоящей» мутации парамутация может сравнительно легко ревертироваться, то есть вернуться в исходное состояние. Так, Pl' может превратиться обратно в Pl-Rh, если побывает в гетерозиготном состоянии с некоторыми другими аллелями гена pl1 (не Pl1-Rhoades), или если произойдут определенные мутации (настоящие, а не «пара-») в других генах.
У кукурузы удалось выявить 10 генов, мутации в которых могут приводить к возвращению неактивного гена Pl' в активное состояние Pl-Rh. Это означает, что нормальная работа этих десяти генов необходима для поддержания парамутантного состояния Pl'. Для того чтобы понять механизм парамутации, очень важно выяснить, что это за гены и что они кодируют. До сих пор удалось разобраться только с одним из них — оказалось, что он кодирует РНК-зависимую РНК-полимеразу (см. выше).
В статье, только что опубликованной в журнале PloS Biology, американские генетики сообщили о результатах исследования еще одного гена, необходимого для устойчивой передачи парамутации Pl' из поколения в поколение.
Этот ген называется rmr1 (required to maintain repression 1), и до сих пор никто понятия не имел, как он работает и что кодирует. Единственное, что о нём было известно, это его приблизительное положение на хромосоме и то, что мутации в нём могут приводить к превращению Pl' в Pl-Rh. Собственно, только по этим мутациям и по этому эффекту о нём и узнали, о чём наглядно свидетельствует его название — «необходимый для поддержания репрессии» (имеется в виду репрессия, то есть подавление активности аллеля Pl1-Rhoades).
Оказалось, что ген rmr1 кодирует неизвестный ранее белок, состоящий из 1435 аминокислот. Из всех известных белков он более всего сходен с имеющимися у других растений белками, функция которых состоит в регуляции метилирования ДНК, которое осуществляется под управлением особых маленьких молекул РНК. Это позволило предположить, что поддержание «парамутантного» состояния как-то связано с метилированием ДНК. Заодно наметилась и связь с РНК-зависимой РНК-полимеразой, которая тоже участвует в механизме парамутации, как было показано ранее. Дело в том, что РНК-зависимая РНК-полимераза участвует в синтезе тех самых молекул РНК, которые управляют процессом метилирования ДНК.
Это позволило предположить, что парамутация (превращение Pl-Rh в Pl') как-то связана с метилированием ДНК в окрестностях гена pl1.
Ученые обратили внимание на то обстоятельство, что перед началом гена pl1 имеется некодирующий участок ДНК, представляющий собой фрагмент транспозона. Надо сказать, что метилирование ДНК используется в том числе и для инактивации транспозонов (см. об этом: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.2007). Не случайно многие малые РНК, «указывающие» ферментам те места геномной ДНК, которые нужно метилировать, направляют их деятельность именно на транспозоны.
Кусочек транспозона, расположенный перед началом гена pl1, как выяснилось, по-разному метилируется у нормальных растений и у мутантов с неработающим геном rmr1 (у первых он метилируется сильнее). Кроме того, при работающем гене rmr1 (rmr1+) в клетках растений была выявлена пониженная концентрация молекул РНК, считанных с гена pl1, по сравнению с растениями, у которых ген rmr1 не работал (rmr1-). Скорость транскрипции (считывания) гена pl1, однако, была одинаковой в обоих случаях. Это значит, что от гена rmr1 зависит не скорость транскрипции, а устойчивость (стабильность) уже считанных с гена pl1 молекул РНК.
На этом этапе исследователи, казалось, уже вплотную подошли к пониманию механизма парамутации. Разрозненные факты вроде бы начали складываться в цельную картину. Можно было предположить, что «активное» состояние гена (Pl-Rh) соответствует низкому уровню метилирования фрагмента транспозона перед его началом, а «пассивное» (Pl') — высокому; что ген rmr1 регулирует уровень метилирования, а уровень метилирования, в свою очередь, определяет стабильность молекул РНК, считанных с гена pl1 (и тем самым определяет «активность» гена).
Хотя эту схему трудно назвать простой, дальнейшие эксперименты показали, что в действительности всё гораздо сложнее. Стало ясно, что истинный механизм парамутации иной, и загадка в итоге так и осталась неразгаданной.
Ученые выявили два факта, которые говорят о том, что уровень метилирования фрагмента транспозона перед началом гена pl1 не является определяющим для возникновения парамутации.
Во-первых, если бы это было так, то уровень метилирования у растений с генотипом Pl-Rh/Pl-Rh, rmr1+/rmr1+ был бы выше, чем у растений Pl'/Pl', rmr1+/rmr1+. Иными словами, в случае нормально работающего гена rmr1 у «парамутантных» растений он должен быть выше, чем у «непарамутантных». Но это не подтвердилось: уровень метилирования у таких растений оказался одинаковым (высоким).
Во-вторых, оказалось, что ген rmr1 необходим только для устойчивого наследования парамутации, но не для ее возникновения. Удалось показать, что даже при неработающем гене rmr1 у гетерозигот (Pl-Rh/Pl') ген Pl-Rh всё равно превращается в Pl', хотя и не всегда. У самих гетерозигот этого не видно, пыльники у них из-за неработающего гена rmr1 всё равно получаются пурпурные. Однако это стало очевидно, когда этих гетерозигот скрестили с гомозиготами Pl-Rh/Pl-Rh, у которых ген rmr1 работает. В этом случае большинство потомков (45 из 65), унаследовавших от гетерозиготного предка хромосому с геном Pl-Rh (хромосомы были особым образом помечены), имели светлые пыльники. Это значит, что парамутация у гетерозиготного предка все-таки произошла, хотя ее эффект и был «замаскирован» неработающим геном rmr1. Чтобы парамутация «проявилась», понадобилось заменить у потомков неработающий вариант гена rmr1 работающим.
Таким образом, механизм парамутации у кукурузы по-прежнему неизвестен. Может быть, это явление связано с метилированием каких-то других участков ДНК, или с какими-то иными наследуемыми (эпигенетическими) модификациями. Метилирование кусочка транспозона перед началом гена pl1, очевидно, необходимо для сохранения неактивного состояния гена, но таких «необходимых, но не достаточных условий», в принципе, может быть много.
Скорее всего, выявленные на сегодняшний день случаи парамутаций — лишь верхушка айсберга, основу которого составляют неизвестные пока аспекты эпигенетической наследственности. Нужно иметь в виду, что существует не так уж много генов, аллельное состояние которых так четко и однозначно проявляется в фенотипе, как у гена pl1 (не случайно большинство известных парамутаций связаны именно с окраской — будь то пыльники кукурузы или хвосты мышей).
Может быть, не случайным является то обстоятельство, что парамутации обнаружены именно у тех двух групп организмов (цветковых растений и млекопитающих, венчающих эволюционное древо, соответственно, растений и животных), у которых наибольшее развитие получил так называемый родительский геномный импринтинг — эпигенетические модификации половых клеток, представляющие собой, по сути дела, целенаправленное манипулирование наследственными свойствами потомства.
Источник: Christopher J. Hale, Jennifer L. Stonaker, Stephen M. Gross, Jay B. Hollick. A Novel Snf2 Protein Maintains trans-Generational Regulatory States Established by Paramutation in Maize // PLoS Biology. 2007. 5(10): e275 doi:10.1371/journal.pbio.0050275.
О неклассических («эпигенетических») механизмах наследственности см. также:
1) Б. Ф. Ванюшин. Материализация эпигенетики, или небольшие изменения с большими последствиями, PDF, 175 Кб (о метилировании ДНК).
2) Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007 (о роли материнских мРНК в раннем эмбриогенезе).
3) Почему некоторые наследственные признаки зависят от возраста родителей? (о геномном импринтинге).
4) Устойчивое существование популяции обеспечивается негенетической «памятью поколений», «Элементы», 03.07.2007 (о «материнских эффектах»).
Александр Марков
