Высокоупорядоченное расположение летальных генов на хромосомах

Если гипотеза о наличии внутри ядер генетически детерминированных, пространственно упорядоченных участков геномной ДНК является верной, то это влечет за собой важное следствие. В этом случае в процессе эволюционных преобразований геномов их участки, максимально защищенные от действия химических мутагенов, в результате транслокаций и других хромосомных перестроек могли быть заняты генами, функциональная целостность которых особенно важна для выживания клеток или организмов. Такими генами являются, прежде всего, жизненно важные (летальные) гены, инактивация которых под действием мутаций приводит к гибели клеток. Действительно, организмы, у которых критические гены максимально защищены от действия мутагенов, должны были бы обладать эволюционным преимуществом перед организмами, геном которых не обладает этими свойствами, и в первую очередь сохраняться естественным отбором. Если это так, то летальные гены маркируют в геноме современных организмов участки, максимально благоприятные для их целостности, т.е. наиболее защищенные от действия мутагенов, наиболее доступные для белков системы репарации и т.п. В этой связи можно предполагать, что линейное расположение жизненно важных генов вдоль ДНК отражает особенности пространственной организации ДНК в ядрах эукариот на высшем уровне.

Используя эти рассуждения в качестве рабочей гипотезы, мы исследовали расположение жизненно важных генов на всех 16 хромосомах дрожжей Saccharomyces cerevisiae, первичная структура которых в настоящее время полностью определена. Для этого объекта точно известно положение на хромосомах многих жизненно важных генов. В ходе исследований было установлено, что на всех хромосомах дрожжей имеются участки, в которых известные на момент исследования летальные гены (или их кластеры) расположены периодически (на равном расстоянии друг от друга). В качестве примера рассмотрим положение жизненно важных генов на одной из хромосом.

Хромосома 2 является одной из пяти наиболее крупных хромосом дрожжей, длина которой составляет ~813 т.п.о. Хромосома содержит 429 открытых рамок считывания (ОРС), среди которых ко времени проведения анализа 57 были определены как жизненно важные гены, 193 – как нелетальные, а указанные свойства остальных 179 ОРС в настоящее время неизвестны. Следовательно, количество известных нежизненно важных генов хромосомы 2 приблизительно в 3 раза превышает число известных жизненно важных, и это соотношение к настоящему времени соблюдается у всех хромосом дрожжей.

Летальные гены расположены на хромосоме неравномерно. Имеются места их скопления, особенно ярко выраженные в центральной части хромосомы, а также участки, в которых они встречаются не так часто (см. рис. I.64, в,1). Даже без предварительной обработки данных можно было видеть дискретность расположения летальных генов и их кластеров, в которые объединяли гены, если расстояние между ними было меньше 10 т.п.о. (подчеркнуты на рисунке). После представления каждой группы генов отдельного кластера в виде одной точки (с доверительными интервалами, расположенными между началами и концами кластеров) и введения в график нескольких свободных мест для гипотетических, пока неизвестных генов (или их кластеров) периодический характер распределения кластеров летальных генов на хромосоме 2 становится очевидным (см. рис. I.64, в,2). Видно, что места предпочтительного расположения летальных генов или их кластеров расположены на хромосоме 2 периодически. При этом период расположения генов или их кластеров (повторяющееся равное расстояние между следующими друг за другом генами) численно равен выраженному в парах оснований угловому коэффициенту линейной функции, которая описывает последовательность координат генов на графиках.

Таким образом, после минимальных преобразований исходных данных, потребовавших введения в общей сложности девяти гипотетических генов или их кластеров (места, в которых отсутствуют точки на графике), а также выделения 14 групп кластеров генов, последовательность координат летальных генов и их кластеров удовлетворительно описывается линейной функцией с угловым коэффициентом 18 807 (R² = 0,9992). Это указывает на периодический характер расположения летальных генов вдоль всей хромосомы 2 с периодом ~18,8 т.п.о.

Разработанная нами методика анализа летальных генов, кратко рассмотренная на примере хромосомы 2, была использована для исследования остальных хромосом S. cerevisiae. Оказалось, что на каждой из исследованных хромосом можно выделить участки с периодическим расположением летальных генов. По характеру распределения жизненно важных генов исследованные хромосомы разделяются на две группы. В одной из них (хромосомы 1, 2, 5–7, 9, 11, 12 и 16) летальные гены (и их кластеры) образуют непрерывную последовательность и распределены равномерно по всей длине хромосом. При этом у семи из девяти хромосом этой группы периоды расположения генов очень близки и лежат в пределах 22,0–25,8 т.п.о.

Ко второй группе относятся хромосомы, на которых летальные гены образуют несколько участков с разной периодичностью. Для относящихся к этой группе хромосом 2, 10 и 14 характерны два участка периодически расположенных летальных генов. При этом участки хромосомы 3, обладающие очень близкими периодами, локализованы симметрично относительно центра хромосомы, в окрестностях которого летальные гены пока не обнаружены. Равные по своим размерам хромосомы 10 и 14 обладают похожим строением в отношении анализируемого признака: за участком с меньшей периодичностью следует область хромосомы, на которой расстояние между летальными генами или их кластерами больше.

На хромосомах 4, 8 и 13 можно выделить по три области с периодически расположенными летальными генами, структура которых очень похожа. В этом случае области с меньшими периодами фланкируют участки хромосом, на которых расстояния между периодически расположенными летальными генами больше. Интересно, что на хромосоме 8 близкие по периодичности концевые участки (периоды 22,3 и 23,7 т.п.о.) расположены симметрично относительно центральной области хромосомы, для которой характерен приблизительно вдвое больший период чередования жизненно важных генов (40,9 т.п.о.). Не исключено, что по мере открытия новых летальных генов в центральной части этой хромосомы все три участка сольются в единую область, периодичность расположения летальных генов в которой будет близка таковой в отмеченных концевых участках (22–23 т.п.о.).

Для крупной хромосомы 15 характерно наличие пяти участков с периодически расположенными летальными генами. И на этот раз периоды участков 1, 3 и 5 очень близки (20,5; 23,0 и 23,9 т.п.о. соответственно). В то же время расстояния между периодически расположенными жизненно важными генами этой хромосомы на участке 2 приблизительно вдвое больше (46,2 т.п.о.).

Несмотря на то что точные числовые значения периодов в расположении летальных генов различаются как между хромосомами, так и между конкретными участками индивидуальных хромосом дрожжей, складывается впечатление об универсальном характере расположения анализируемых летальных генов. Действительно, среди 29 обнаруженных участков с периодическим расположением летальных генов на 16 исследованных хромосомах у 17 из них значения периодов лежат в пределах 19,7–25,8 т.п.о., а из оставшихся 12, по крайней мере, три значения могут рассматриваться как кратные им, т.е. они подтверждают ту же структурную закономерность. Обнаруженная периодичность в расположении жизненно важных генов хромосом дрожжей может указывать на наличие в интерфазных ядрах дрожжей периодически повторяющихся пространственных структур хроматина высокого порядка, что может создавать особые биохимические условия для находящихся в них генов, например иметь отношение к защите жизненно важных генов от мутаций, как физически, так и обеспечивая эффективное функционирование ферментов системы репарации.

Периодичность расположения жизненно важных генов на хромосомах дрожжей как возможное отражение пространственной структуры хроматина. Существование информационных макромолекул, особенно таких гигантских, как молекулы ДНК, полностью зависит от их упорядоченной пространственной структуры. Последовательные циклы компактизации и декомпактизации хроматина сопровождают каждое деление эукариотических клеток и являются одним из самых универсальных и распространенных генетических процессов в живой природе. Точность и эффективность этого процесса очень высоки. Если исходная пространственная структура хроматина в интерфазных ядрах еще во многом остается непонятной, то структура метафазных хромосом, выявляемая на цитогенетическом уровне, является консервативным видоспецифическим признаком. Последние модели строения метафазных хромосом указывают на наличие у них центрального остова, включающего в себя тандемно повторяющиеся MAR/SAR-последовательности, и упорядоченных боковых петель хроматина. Трудно представить себе, чтобы имеющиеся связи между участками хроматина, сближенными в метафазных хромосомах, полностью утрачивались при его декомпактизации в интерфазе клеточного цикла, поскольку это должно было бы затруднять и замедлять его циклически повторяющуюся сборку в начале каждого митоза. Одним из указаний на сохранение таких связей является наличие в интерфазных ядрах особых хромосомных зон, занимаемых индивидуальными декомпактизованными хромосомами, которые не перемешиваются друг с другом.

Основа пространственной упорядоченности ДНК в составе хроматина заложена в ее первичной структуре. Как известно, монотонно следующие друг за другом четыре азотистых основания ДНК образуют правильную двойную спираль, шаг которой в случае B-формы ДНК составляет 10,5 нуклеотидов на виток двойной спирали. Именно такая монотонная организация молекулы ДНК в конечном итоге дает возможность формироваться на ней, как на матрице и прямом участнике процесса, периодически повторяющихся нуклеосом. На этом первом уровне пространственной организации хроматина так называемые коровые частицы нуклеосом (тетрамер гистонов H3/H4, фланкированный димерами гистонов H2A/H2B, с закрученным вокруг них участком ДНК длиной в 146 п.о.) разделены участками линкерной ДНК длиной ~50 п.о. Особенности пространственной структуры хроматина на более высоких уровнях (соленоид и петельно-доменный уровни компактизации хроматина) до конца не ясны и по-прежнему остаются предметом дискуссий. Имеющиеся экспериментальные данные указывают на существование периодически повторяющихся пространственных структур и на высших уровнях упаковки интерфазного хроматина.

Ограниченная инкубация нативного хроматина животных и растений с нуклеазами позволяет обнаруживать с помощью электрофореза в импульсном электрическом поле образование дискретных фрагментов ДНК двух классов: крупных, длиной ~300 т.п.о. и более коротких – ~50 т.п.о. Использование топоизомеразы для расщепления ДНК в основаниях петель, ассоциированных с ядерным матриксом, приводит к накоплению фрагментов ДНК приблизительно того же размера. Наконец, деградация ДНК на ранних стадиях апоптоза начинается с образования аналогичных по размерам фрагментов геномной ДНК. К сожалению, соответствующие данные относительно пространственной организации хроматина дрожжей мне неизвестны. Помимо выше отмеченных факторов материальной основной формирования периодически организованных пространственных структур хроматина могут быть и повторяющиеся последовательности нуклеотидов, в большом количестве встречающиеся в геноме высших эукариот.

Обнаруженное в ходе нашего исследования периодическое распределение летальных генов вдоль всех 16 хромосом дрожжей по-своему указывает на наличие возможной связи между пространственной структурой их хроматина и функциональной значимостью генетического материала, включенного в соответствующие последовательности. Как уже отмечалось выше, значения большинства периодов между летальными генами и/или их кластерами лежат в пределах 20–26 т.п.о., что представляет собой величину того же порядка, что и размеры фрагментов ДНК, образующихся при ограниченном нуклеазном гидролизе нативного хроматина. На мой взгляд, жизненно важные гены дрожжей маркируют места хромосом, наиболее безопасные для их существования. Поскольку наибольшую опасность для клетки представляют мутации, инактивирующие их летальные гены, места их расположения могут быть в большей степени защищены от действия химических мутагенов, с которыми организм в избытке сталкивается в процессе своей жизнедеятельности. Такую защиту для последовательностей нуклеотидов могли бы обеспечивать, например внутренние части хроматиновых глобул. Действительно, уже сам факт наличия у нативного хроматина упорядоченно расположенных участков ДНК, в большей или меньшей степени защищенных от действия нуклеаз (что и дает возможность образования характерных дискретных фрагментов ДНК), однозначно указывает на существование в хроматине последовательностей нуклеотидов, по-разному защищенных от действия мутагенов. В соответствии с вышеизложенным мы предполагаем наличие вдоль хромосом дрожжей периодически повторяющихся мест с большей или меньшей защищенностью от действия мутагенов. В зависимости от тонкой пространственной структуры хроматина в этих участках уровни защищенности последовательностей нуклеотидов от мутагенов могут варьировать от участка к участку и приводить к генетической детерминированности скоростей спонтанного мутагенеза в конкретных генетических локусах.

Возможное биологическое значение обнаруженной периодичности расположения летальных генов на хромосомах дрожжей. Хроматин всех эукариот построен в общих чертах одинаково, поэтому обнаруженные у дрожжей особенности его строения и вытекающие из этого следствия хотелось бы рассмотреть применительно и к геному высших эукариот. В этой связи необходимо обратить внимание на четыре момента развиваемой концепции, которые могут иметь общебиологическое значение.

1. Значительно большее разнообразие последовательностей нуклеотидов различных типов, присутствующих в геноме высших эукариот, по сравнению с геномом дрожжей, создает условия для формирования более разнообразных и богатых в функциональном отношении пространственных структур хроматина в интерфазных ядрах. Наличие же таких структур, в свою очередь, предполагает существование у высших эукариот и более тонкого контроля скоростей спонтанного мутагенеза в конкретных генетических локусах по обсуждаемому механизму. Такая разная генетическая детерминированность темпов мутационных изменений генетических локусов у биологических видов могла бы контролировать направление их возможных эволюционных преобразований и историческое развитие таксонов.

2. Наличие в интерфазных ядрах эукариот участков ДНК, максимально защищенных от действия мутагенов, предполагает существование в них и генетических локусов с минимальным уровнем защиты. Из этого следует, что делеции или вставки в окрестностях защищенных локусов могут сдвигать генетические локусы в менее благоприятное, с точки зрения защиты, положение на хромосоме. Для менее защищенных локусов могут возникать обратные ситуации. Следовательно, делеции или вставки, а также природный геномный полиморфизм (в частности обнаруживаемый по длинам рестрикционных фрагментов ДНК) могут быть причиной (и новым механизмом) возникновения локального мутаторного фенотипа в соматических клетках высших организмов. Известно, что мутаторный фенотип часто предшествует малигнизации клеток и сопровождает рост опухолей. Если предполагаемый нами механизм функционирует, то возникновение делеции или вставки по соседству с критическим локусом (протоонкогеном или антионкогеном), контролирующим развитие заболевания, должно переводить мутантный организм в группу риска с повышенной вероятностью изменения этого локуса под действием мутаций. Другим примером могла бы быть лейденская мутация в факторе V системы свертывания крови, ассоциированная с развитием тромбозов, которая чрезвычайно широко распространена в европейской популяции и не встречается у ориенталов. Это и другие подобные явления можно объяснить неблагоприятным пространственным расположением соответствующего генетического локуса в интерфазном ядре у индивидуумов европейской популяции, принадлежащих к группе риска, которое делает локус легко доступным для химических мутагенов или препятствует функционированию ферментов системы репарации.

3. Исходя из всего вышеизложенного, можно полагать, что "избыточные" последовательности генома эукариот обеспечивают необходимую пространственную структуру хроматина в интерфазных ядрах, создавая оптимальные условия для генов с точки зрения их экспрессии и защиты от мутационных изменений, что является жизненно важным фактором существования эукариот.

4. Интроны в генах эукариот могут обеспечивать специфическое пространственное расположение экзонов в интерфазных ядрах, оптимальное с точки зрения их защиты от мутаций и эффективности экспрессии генов. Например, делеционное удаление интронов из гена может приводить к тому, что его 5'-концевая регуляторная часть в процессе упаковки ДНК в хроматин попадет внутрь хроматиновой глобулы и станет недоступной РНК-полимеразам, факторам транскрипции и другим регуляторным белкам. В такой ситуации наиболее важными для гена становятся длины его интронов, а не их первичная структура.