Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан


Д. Никифоров и др.
ЭКО: длинная история короткой встречи


А. Никонов
Небывалое бедствие в селе Кашкаранцы


Л. Сасскинд, Дж. Грабовски
«Теоретический минимум». Глава из книги


А. Сергеев, А. Благодатский
Насекомые и бионика: загадки зрительного аппарата


Л. Смолин
«Возвращение времени». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Механизм неменделевской наследственности остается загадочным


Пурпурная окраска стебля кукурузы свидетельствует об активной работе генов, участвующих в синтезе пигмента антоциана. В результате «парамутации» стебель может стать из пурпурного зеленым без изменения генотипа, то есть последовательности нуклеотидов в ДНК. (Фото с сайта www.sciencedaily.com)
Пурпурная окраска стебля кукурузы свидетельствует об активной работе генов, участвующих в синтезе пигмента антоциана. В результате «парамутации» стебель может стать из пурпурного зеленым без изменения генотипа, то есть последовательности нуклеотидов в ДНК. (Фото с сайта www.sciencedaily.com)

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.

Фенотипическое проявление парамутации аллеля Pl1-Rhoades. Слева — пурпурные пыльники (ген в «активном» состоянии, Pl-Rh), справа — светлые пыльники (ген в «пассивном» состоянии, Pl`). Фото с сайта epmb.berkeley.edu
Фенотипическое проявление парамутации аллеля Pl1-Rhoades. Слева — пурпурные пыльники (ген в «активном» состоянии, Pl-Rh), справа — светлые пыльники (ген в «пассивном» состоянии, Pl'). Фото с сайта epmb.berkeley.edu

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


Комментарии (7)



Последние новости: ГенетикаБотаникаАлександр Марков

23.05
В Китае найдены древнейшие многоклеточные водоросли
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
16.05
Уровень полученного образования отчасти зависит от генов
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки
10.05
ГМО будут совершенствоваться при помощи искусственной эволюции
4.05
Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова
25.04
Расшифрованы генетические основы быстрых эволюционных изменений размера клюва у дарвиновых вьюрков
20.04
Расшифровка древней ДНК рассказала о происхождении южноамериканских индейцев
18.04
Ученые выяснили, почему бактериофагам трудно бороться с иммунной системой бактерий
12.04
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия