Автореферат: Механизмы приобретения и потери генетической информации бактериальными геномами

Обычно прямые повторы стимулируют делеции, дупликации и транслокации, а инвертированные повторы -- инверсии [99, 89, 87]. В качестве прямых повторов, генерирующих делеции и другие перестройки, могут выступать IS-элементы (Рис.4). Недавно это получило очередное подтверждение на уровне целого генома B. pertussis [26]. IS-элементы присутствуют в каждой идентифицированной точке «стыковки» сегментов генома после рекомбинации. То же наблюдалось при анализе делеций B. mallei и структуры гомологичных (синтеничных) участков в геномах B. mallei и B. pseudomallei. Было установлено, что в точках стыковки участков синтении находятся IS-элементы, которые также фланкировали 2 синтеничных участка хромосомы 1 B. pseudomallei, присутствующие в хромосоме 2 B.mallei [73]. Делеция 102 т.н.п. локуса pgm Y.pestis происходит с высокой частотой (10-4 и выше) за счёт рекомбинации между двумя копиями фланкирующих элементов IS100 [43].

Рис. 4 - Геномные перестройки, стимулируемые IS-элементами. А. Внедрение IS-элемента в геном; Б. Распространение IS-элемента в геноме за счет транспозиции; В. Реципрокные транслокации; Г. Делеции и образование плазмид

Таким образом, вероятность, размер и локализация геномных перестроек зависят от распределения в геномах повторяющихся последовательностей (включая IS-элементы). Установлено, что не только локализация, но и само присутствие IS-элементов в геномах не случайно. Так, отмечена специфика в присутствии IS-элементов в геномах бордетелл. Элемент IS1663 обнаружен в геномах штаммов B. bronchiseptica комплекса IV и в штаммах B. pertussis, но отсутствует у других бордетелл. Элемент IS481 обнаружен у всех штаммов B. pertussis и у двух штаммов B. bronchiseptica, выделенных от лошадей, но не у других штаммов. Элемент IS1002 найден у всех штаммов B. pertussis и у штаммов B. parapertussis человеческого происхождения [38]. То же отмечается для других IS-элементов и других видов бактерий (Табл.2). При сравнении различных штаммов микоплазм было показано, что тип повторов их количество и локализация в геноме определяет вероятность и характер геномных перестроек данного генома (Табл.3,4) [86].

Таблица 3 - Повторы различных классов в геномах Mycoplasma

SSR- простые повторы; CR - близкие повторы; DR - прямые повторы; IR - инвертированные повторы.

D/I - отношение суммарных длин прямых и инвертированных повторов.

(Из: E. P. C Rocha. and A. Blanchard, 2002)

Перечисленные данные говорят о том, что вероятность геномных перестроек, включая транспозиции МГЭ, зависит от наличия в геноме: самих МГЭ, генерирующих перестройки, сайтов интеграции МГЭ, часто представленных повторами, и повторов, количество которых зависит от вида микроорганизма, размера и нуклеотидного состава генома.

Таким образом, распределение IS-элементов и повторов в геномах бактерий разных видов не одинаково, не беспорядочно и специфично. Так как повторы являются горячими точками рекомбинационных событий, то характер и частоты геномных перестроек должны определяться особенностями распределения повторов и быть видоспецифичными [15].

II.4. Образование повторов.

Как возникают повторы, каковы их основные свойства и что определяет их распределение по геномам?

Геномы бактерий содержат преимущественно короткие тандемные повторы, такие как семейство"variable number of tandem repeats» (VNTR) и семейство «short sequence repeats» (SSR). Они могут образовываться как в результате рекомбинации, так и ошибок репликации при редактировании (slipped strand mispairing) или репарации [см. 104]. Установлено, что близко расположенные прямые повторы (close direct repeats -- СDR) находятся в избытке по сравнению с повторами другимх типов во всех геномах. В наибольшей степени это характерно для одного из самых маленьких геномов M.genitalium. (Табл.4). Вцелом, динамика образования повторов в бактериальной ДНК выглядит следующим образом: короткие повторы служат праймерами для образования тандемных дупликаций (повторов), которые в свою очередь преобразуются в разбросанные (по геному) повторы [7] (Рис.5). Увеличение расстояния между повторами приводит к их стабилизации и достигается за счёт транспозиций (внедрения между повторами) и других геномных перестроек. Частота делеций частей повтора прямо пропорциональна размеру повторяющихся последовательностей и обратно пропорциональна длине спейсера, поэтому, чем длиннее повторы, тем больше должно быть расстояние между ними, чтобы обеспечить их стабильность [32, 61, 22, 78]. Перечисленные данные свидетельствуют о том, что размер, ориентация и взаимное расположение повторов определяет судьбу участков ДНК, находящихся между ними, или прилежащих к ним. Кроме того, перечисленные свойства повторов определяют вероятность внедрения в сайт, содержащий повторы, любых фрагментов ДНК, от IS-элементов до геномных островов.

Рис. 5 - Динамика тандемных повторов: экспансия и редукция

II.5. Молекулярные события, приводящие к геномным перестройкам.

Таким образом, наиболее вероятная последовательность эволюционно важных событий в геномах представляется следующим образом. Сначала за счёт ошибок (проскальзывания) репликации возникают близко расположенные короткие тандемные повторы, которые могут дуплицироваться и за счёт геномных перестроек распространяются по геному. Уже эти повторы могут генерировать делеции. Повторы могут служить сайтами интеграции для IS-элементов. IS-элементы и другие МГЭ также являются горячими точками для рекомбинаций, приводящих к делециям (прямая ориентация) или другим геномным перестройкам: инсерциям и инверсиям (инвертированные повторы). Инвертированные повторы составляют основу специализированных сайтов интеграции в составе интегронов и генов тРНК, куда внедряются генные кассеты и геномные острова из других геномов. Все перечисленные генетические элементы распределены в геномах неслучайно и в той или иной степени видоспецифично. Соответственно неслучайными и видоспецифичными являются геномные перестройки, стимулируемые повторами и различными МГЭ. Таким образом, структура генома направляет его эволюционное развитие. К таким же выводам о роли структуры генома в его эволюции пришла Линн Хелена Капорале [см. 29, 30].

III. Полинуклеотидный (Пн) выбор

Представленные данные свидетельствуют о том, что характер геномных перестроек, т.е. потеря или приобретение генетического материала, транслокации или инверсии сегментов ДНК зависит от наличия, размера, ориентации, типа и локализации в геноме повторяющихся элементов ДНК. То есть, события генетической изменчивости неслучайны по типу, локализации в геноме и вероятности. Это означает, что программа изменений геномов определяется структурой самих геномов.

Гены, а во многих случаях сегменты ДНК, содержащие (или не содержащие) гены (МГЭ, геномные острова), интегрируют в геном в случае присутствия в нём адекватной области (сайта) интеграции. Следовательно, последовательность нуклеотидов ДНК-мишени является одним из компонентов материала некого внутреннего отбора для наследования или не наследования новой генетической информации. Это первый этап приобретения генетической информации, и он необходим как для включения в геном фрагмента ДНК, поступившего извне (горизонтальный перенос), так и для интеграции резидентного фрагмента ДНК в новый сайт внутри генома или в другой геном той же клетки.

Стабильность интегрированного сегмента ДНК в геноме определяется свойствами фланкирующих его нуклеотидных последовательностей. То есть, если фланкирующие последовательности не благоприятствуют эксцизии (например, отсутствуют протяжённые прямые повторы), то интегрированный фрагмент стабилен. При этом сегмент ДНК может быть стабильным (или нестабильным) совершенно независимо от присутствия в нём экспрессирующегося гена, влияющего на фенотип, и, соответственно, независимо от условий внешней среды в её классическом понимании. Это означает, что утрата генетического материала запрограммирована особенностями строения геномов, а не определена особенностями внешней среды, в которой находится носитель генома. Верно и другое: носитель генома находится в тех или иных условиях, потому что они соответствуют его возможностям, сформировавшимся после акта редукции.

Однако как уже было отмечено, фактор отбора работает и в этой системе, но он не связан со свойствами организма (бактериальной клетки), а связан со свойствами наследуемого сегмента ДНК, внешней средой для которого является нуклеотидная последовательность-мишень. Одним из первых эту мысль в общей форме сформулировал Ричард Докинс в книге «Эгоистический ген» [36, стр. 47], а позже другие авторы развили её применительно к мигрирующим генетическим элементам, и другим ДНК, не кодирующим селективных признаков (эгоистическая ДНК) [75, 40].

Нужно сказать, что ещё раньше идею о направленном характере изменений ДНК, изменений в рамках некой внутренней программы высказали наш соотечественник Л.С. Берг и Р. Гольдшмит. Берг ещё в 1922 году в труде «Номогенез, или эволюция на основе закономерностей» писал; «Замечательно, что организм обладает способностью активно приспосабливаться к среде, обнаруживая при этом как бы присутствие некоего внутреннего регулирующего принципа, а с другой стороны -- развитие идет, нередко вопреки внешним условиям, в определенном направлении в силу внутренних конституционных причин, связанных с химическим строением протоплазмы» [2, 1, с. 135]. Те же идеи высказывал Р.Гольдшмит; «...зародышевая плазма ...регулирует процесс развития в соответствии с постоянной программой.» [47]. Ещё более определённо высказывались Д.Н. Соболев и Ю.А. Филипченко. В книге «Начала исторической биогенетики, Киев, 1924» Соболев пишет: «...в понятие эволюции следует вкладывать определённое содержание, именно под этим именем нужно понимать развитие начал, заложенных в самом развивающемся существе, развёртывание определённого плана, предначертанного природой...» [цит. по 6]. О том же говорит Филипченко: «...при эволюции играли главную роль какие-то внутренние силы, заложенные в самих организмах,...в чём именно состояли эти силы, каково их происхождение...на этот счёт нам ничего не известно...» [6].

Таким образом, отечественные эволюционисты -- Берг, Гольдшмт, Филипченко, Соболев, Любищев [3], которые считали, что ведущим фактором эволюции является некая программа, заложенная в самом эволюционирующем организме, более, чем на пол-столетия опередили основоположников идеи эгоистической ДНК. Перечисленные отечественные учёные не могли знать ничего о содержании эволюционной программы, почти ничего не знаем об этом и мы, но данные геномики позволили нам представить себе, каковы молекулярные механизмы, используемые этой программой.

Одна из задач данной работы -- показать, что большинство актов внедрения в геном фрагментов генетического материала (из другого генома или из другого сайта этого же генома), независимо от наличия или отсутствия в привносимом материале фенотипически значимого гена (ов), происходит в строгой зависимости от реципиентной нуклеотидной последовательности. Выбор нового сегмента ДНК, подлежащего внедрению в геном или удалению из генома, под влиянием свойств ДНК-мишени принципиально отличается от классического естественного отбора тем, что объектом его действия является не фенотипический признак, а последовательность нуклеотидов.