Файл: Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования.pdf

вирусов, которые могут встраиваться в молекулы ДНК человека и длительно присутствовать в таком скрытом литическом состоянии.
Мобильные элементы найдены у всех исследованных в этом отношении видов, при этом разные таксономические группы характеризуются специфическими классами мобильных элементов. У эукариот они составляют весьма значимый компонент генома. Около 40% генома мышей и более 45% генома человека занято подобными последовательностями. Таким образом, общая площадь, занимаемая в геноме человека мобильными элементами, значительно превосходит суммарную площадь генов. У прокариот и у низших эукариот передвижение мобильных элементов осуществляется, главным образом, за счет непосредственного встраивания или транспозиции ДНК мобильного элемента в хромосомную
ДНК, то есть эти элементы относятся к классу
транспозонов
. В зависимости от типа мобильного элемента механизмы транспозиции могут быть различными.
Подавляющее большинство мобильных элементов млекопитающих и в том числе человека поддерживаются в геноме посредством ретропозиции
РНК, то есть являются
ретропозонами
. Ретропозиция включает в себя обратную транскрипцию РНК с образованием кДНК и ее транспозицию в хромосомеую ДНК. Большая часть ретропозонов представлена либо длинными (LINE), либо короткими (SINE) диспергированными повторами. У человека наиболее многочисленным элементом типа SINE является
Alu-
повтор
, представленный в геноме более чем миллионом копий. Примерно десятую часть составляют
LTR-элементы
, сходные с ретровирусами последовательности, имеющие длинные терминальные повторы, обеспечивающие им возможность встраивания в ДНК. Происхождение большинства умеренных диспергированных повторов, широко представленных в геноме позвоночных и человека, непосредственно связано с ретропозицией обратно-транскрибированных РНК.

В 80-е годы прошлого века в работах М. Д. Голубовского с соавторами было показано, что перемещение мобильных элементов является основной причиной возникновения спонтанных мутаций в природных популяциях дрозофилы. У человека это не так, хотя описаны мутации у пациентов с определенными наследственными заболеваниями, обусловленные внедрением в ген мобильных элементов. Так, например, у некоторых больных синдромом Апера идентифицирована инсерция Alu-повтора в 9 экзоне гена рецептора 2 фибробластных факторов роста (FGFR2). В некоторых случаях у больных миодистрофией Дюшенна удается проследить присутствие Alu-элемента в точке разрыва, образованного делецией в гене
DMD. Напомним, что при этом заболевании протяженные внутригенные делеции обнаруживаются у более чем 60% больных. Показано, что один из концов делеций, локализованных в 43 интроне гена DMD, расположен внутри мобильного элемента, принадлежащего семейству ретротранспозонов. Однако подчеркнем еще раз, что в отличие от дрозофилы у человека перемещение мобильных элементов не является основной причиной спонтанного возникновения мутаций.
Обнаружение в геноме человека и других видов живых существ большого количества последовательностей, способных менять свою локализацию, явилось основой для развития нового направления в генетике, получившего название
мобильная генетика
. Существование мобильных элементов впервые было предсказано в 50-х годах прошлого века Барбарой
МакКлинток, которая наблюдала в одной из генетических линий кукурузы возникновение нестабильных мутаций в области локализации точки разрыва одной из хромосом. При перемещении точки разрыва соответственно менялся спектр мутаций, которые всегда оказывались расположены вблизи от данного цитогенетического нарушения. Эти экспериментальные наблюдения позволили Барбаре МакКлинток высказать предположение о существовании особого класса генетических элементов, способных внедряться в разные локусы и влиять на темпы мутирования генов. Сначала

эта гипотеза не нашла поддержки среди научной общественности, но в дальнейшем она была непосредственно подтверждена на молекулярном уровне. Большой вклад в развитие мобильной генетики внесли работы отечественных исследователей Р. Б. Хесина, Г. П. Георгиева, В. А. Гвоздева,
М. Д. Голубовского.
В соответствии с классическими представлениями все элементы генома имеют постоянную локализацию. Оказалось, что это положение справедливо только в отношении так называемых структурных элементов, прежде всего, генов. Стабильное расположение генов на хромосомах позволяет строить цитогенетические карты, то есть располагать гены относительно цитологически видимых маркеров хромосом. Но наряду с такими обязательными или, как говорят,
облигатными
элементами генома в молекулах ДНК человека имеется большое число
факультативных
элементов, присутствие которых не является строго обязательным, а их отсутствие не приводит к каким-то заболеваниям. Роль таких факультативных элементов особенно важна в эволюционных процессах.
Изменения числа и топографии факультативных элементов М. Д.
Голубовский предложил называть
вариациями
в отличие от мутаций генов.
Вариации происходят в геноме закономерно и с высокой частотой.
Факультативные элементы первыми воспринимают происходящие в окружающей среде изменения, причем даже такие, которые не обладают мутагенным эффектом. Под влиянием возникших вариаций могут происходить направленные массовые наследственные изменения или мутации, которые проявляются в виде вспышек мутабильности. Это явление впервые описано в работах ленинградских генетиков Р. Л. Берг, выполненных на природных популяциях дрозофилы, а затем в работах Л. З.
Кайданова, проведенных на инбредных линиях дрозофилы, длительно селектировавшихся по неадаптивному признаку.
Таким образом, факультативные элементы представляют своеобразную оперативную память генома, и их роль особенно важна в эволюции.

Наряду с генами и повторяющимися последовательностями в геноме человека присутствует много уникальных последовательностей, не связанных с кодирующими функциями. Среди них можно выделить класс
псевдогенов
, таких последовательностей, которые хотя и близки по своему нуклеотидному составу к определенным генам, но отличаются от них присутствием множества мутаций, не позволяющих им транскрибироваться или транслироваться.
Характер расположения генов по хромосомам и внутри хромосом очень неравномерен. В некоторых областях генома наблюдается высокая плотность генов, в то время как в других – генов вообще не обнаруживают.
Как правило, гены эукариот разделены так называемыми
спейсерными
промежутками, в которых наряду с повторами локализованы и уникальные последовательности, не являющиеся генами. Назначение большинства уникальных некодирующих последовательностей остается неясным. Также непонятна роль интронов – протяженных некодирующих участков генов, которые переписываются в молекулы преРНК на начальном этапе экспрессии генов, а затем вырезаются из этих молекул в процессе образования мРНК.
В связи с обнаружением в геноме человека большого количества
«избыточных» последовательностей, не связанных непосредственно с кодирующими, регуляторными, структурными или иными функциями, в 80-е годы прошлого века было высказано предположение о том, что они являются эгоистическими или даже паразитическими. В процессе эволюции эти последовательности каким-то образом внедрились в геном высших и сосуществуют вместе с ним, не выполняя никаких функций. Такие геномные паразиты! Нам это предположение кажется вероятным только в отношении очень ограниченного числа последовательностей. Не исключено, что в настоящий момент мы еще не понимаем назначение и функции
«эгоистических» ДНК
, и в последующем их роль станет более очевидной.

Наряду с существованием в геноме человека большого количества
«избыточных» ДНК, имеется огромное количество примеров чрезвычайно компактной упаковки информации в областях локализации генов. Во-первых, внутри интронных областей одних генов могут располагаться другие гены, прочитывающиеся в противоположном направлении. Примером является ген гемофилии А – F8C, кодирующий фактор VIII свертывания крови. В 22-ом интроне этого гена были обнаружены 2 других гена A и B, которые прочитываются в противоположном направлении. Продукты этих генов никак не связаны с фактором VIII свертывания крови. Однако для одного из этих генов (А) был идентифицирован гомолог, расположенный в противоположной ориентации в непосредственной близости от 5’-конца гена
F8C.
Наличие двух так близко расположенных протяженных комплементарных последовательностей способствует структурным перестройкам в этой области генома и, в частности, инверсиям, то есть перевороту на 180 0
области
ДНК, расположенной между двумя гомологичными копиями гена А. В результате этих инверсий происходит полная инактивация гена F8C. Такие инверсии обнаруживаются у 45% больных с тяжелыми формами гемофилии А.
Во-вторых, наряду с общим регулятором работы гена – промотором, в его интронных областях могут присутствовать дополнительные промоторы, каждый из которых способен запускать синтез преРНК с разных начальных точек. Это явление называется
альтернативной транскрипцией
При этом с одного и того же гена могут образовываться белки разной длины, имеющие между собой сходство по конечным участкам, но различающиеся по начальным последовательностям. Удивительным примером регуляции на уровне транскрипции является ген миодистрофии Дюшенна (DMD). По крайней мере 8 независимых промоторов осуществляют альтернативную транскрипцию гена DMD вразных тканях и на разных стадиях эмбрионального развития. Продуктом гена DMD в сердечной и скелетных мышцах является стерждневидный белок дистрофин, участвующий в

поддержании целостности мембраны мышечного волокна и в формировании нейромышечного синапса. Его экспрессия осуществляется с основного мышечного промотора, располагающегося в 5’-нетранслируемой области гена. В кортикальном отделе мозге и в клетках Пуркинье экспрессия гена
DMD с образованием полноразмерных мозговых изоформ дистрофина осуществляется с двух альтернативных промоторов, расположенных в первом интроне гена. Полноразмерные изоформы дистрофина мышечного и мозгового типов имеют небольшие отличия в N-концевых областях. Начиная с середины гена, и ближе к его концу расположены 5 других промоторов, обеспечивающие экспрессию гена DMD в других тканях с образованием укороченных изоформ, так называемых аподистрофинов, не имеющих N- концевых участков дистрофина, но гомологичных его С-концевым областям.
Рассмотрим, к каким клиническим последствиям может приводить такая сложная организация работы гена? Мы уже писали о том, что основным типом мутаций при миодистрофии Дюшенна являются протяженные внутригенные делеции. В частности, были описаны пациенты с тяжелой дилатационной кардиомиопатией без проявлений скелетной мышечной слабости, у которых оказалась делетирована область локализации промотора мышечного типа гена DMD. У таких больных мышечный дистрофин полностью отсутствует. Однако в скелетных мышцах компенсаторно начинают работать промоторы мозгового типа, и образуются мозговые изоформы дистрофина, способные восполнить недостаточность мышечного дистрофина. При этом по неизвестным пока причинам подобной компенсации в сердечной мышце не происходит, и полноразмерные изоформы дистрофина в сердце больных полностью отсутствуют. Эта недостаточность и лежит в основе этиологии данной формы дилатационной кардиомиопатии. Не исключено, что делеции в гене DMD, разрушающие альтернативные промоторы, также могут приводить к другим наследственным сцепленным с полом заболеваниям, не сопровождающимся мышечной дистрофией.

И, наконец, одним из вариантов компактности упаковки информации в кодирующих областях генов является
альтернативный сплайсинг
. Это широко распространенное явление заключается в разном вырезании интронов из одной и той же молекулы преРНК. В результате образуются разные мРНК, отличающиеся друг от друга по набору экзонов. Этот процесс носит ярко выраженный тканеспецифический характер. То есть в разных тканях один и тот же ген может по-разному прочитываться, в результате образуются тканеспецифические изоформы белков, хотя и имеющие между собой определенную гомологию, но значительно различающиеся, как по своей структуре, так и по исполняемым функциям. В частности, высоко консервативные последовательности шести последних экзонов гена DMD альтернативно сплайсируются. В результате образуются структурно различающиеся изоформы дистрофина, осуществляющие различные функции. С учетом альтернативной транскрипции и сплайсинга количество продуктов, образующихся с одного только гена DMD достигает нескольких десятков. В настоящее время активно изучаются функции многочисленных изоформ дистрофина, обильно экспрессирующихся в различных специализированных тканях и способных взаимодействовать со множеством белков и не только мышечного или нейронального происхождения. Таким образом, в одном и том же гене может содержаться информация о структуре нескольких, а иногда даже нескольких десятков различных белков.
Не так как хромосомный геном устроен геном митохондрий. Мы уже упоминали о том, что около 5% ДНК человека находится в митохондриях - органеллах, ответственных за энергоснабжение клетки.
Митохондриальная
ДНК почти целиком состоит из генов и регуляторных элементов. В ней содержится гены транспортных и рибосомальной РНК, а также гены, кодирующие различные субъединицы пяти комплексов окислстельного фосфорилирования. Мутации в генах митохондриальной ДНК также приводят к наследственным заболеваниям, о которых мы будем говорить в дальнейшем. В митохондриальной ДНК нет повторяющихся и уникальных

некодирующих последовательностей, так обильно представленных в хромосомной ДНК человека. Кроме того, гены митохондрий не содержат интронов. Подобным образом устроен геном бактерий. И это сходство позволяет предполагать бактериальное происхождение митохондрий.
Конечно, митохондрии не существуют сейчас в виде отдельных организмов, и их ДНК полностью относится к элементам генома человека.
К подобным же элементам, играющим определенную роль в функционировании генома человека, относят чужеродные и экстрахромосомные ДНК – линейные и кольцевые плазмиды, а также ДНК вирусных и бактериальных цитосимбионтов. Конечно это факультативные элементы, и их присутствие в клетках человека не является строго обязательным.
Итак, два парадокса характерны для структуры генома эукариот: существование огромного количества «избыточных» некодирующих последовательностей ДНК, функции которых нам не всегда понятны, и чрезвычайно компактная упаковка информации в местах локализации генов.
Подчеркнем еще раз, что структура генома также является видовым признаком. Различные индивидуумы, народы и расы не отличаются по набору и локализации не только генов, но и других элементов генома, таких как повторы, спейсерные промежутки, регуляторные последовательности, псевдогены. Да и множества мобильных элементов генома обладают высокой видовой специфичностью. Таким образом, наследственность в широком смысле этого слова определяется структурой генома различных видов организмов. В основе внутривидовой изменчивости лежат вариации, мутации и рекомбинации генов. Эволюционная межвидовая изменчивость сопровождается структурными изменениями, происходящими на геномном уровне. Эти положения имеют важнейшее значение, в частности, для понимания молекулярной природы наследственной патологии человека.

В последние десятилетия произошел огромный прогресс в изучении
эпигенетической изменчивости
, под которой понимают разнообразные наследуемые, хотя, возможно, и обратимые изменения экспрессии генов, не связанные с нарушением структуры генетического материала. Сейчас очевидно, что эпигенетические факторы играют значительную роль в онтогенетической дифференцировке, и нарушение этой системы ассоциировано со многими патологическими состояниями. В каждом эпигенетическом событии необходимо выделять три составляющих: (1) сигнал, который действует на ген-переключатель, (2) восприятие сигнала рецепторной областью гена с последующим выбором одного из альтернативных режимов функционирования и (3) поддержание выбранного состояния в ряду клеточных поколений с помощью генетических или внешних факторов, таких как температура, плотность популяции, наличие симбионтов и др.
Регуляция работы многих генов осуществляется путем ДНК-белковых взаимодействий. Это относится, в частности, к контролю экспрессии генов транскрипционными факторами, обратной регуляции работы гена его продуктом или продуктами других генов при достижении ими определенных концентраций. Если под влиянием каких-то внешних воздействий произойдут изменения в подобных белках-регуляторах, их последствия будут выражаться в виде нарушения экспрессии определенных генов.
Мы уже упоминали о ключевой роли в детерминации развития градиентов белков и мРНК в цитоплазме ооцитов. Механическое повреждение морфогенетических градиентов может привести к нарушению экспрессии сотен генов. Если, в частности, подобные нарушения коснутся первичных половых клеток плода беременной женщины, то их последствия могут проявиться у внуков. То есть, эпигенетические механизмы могут привести к такой ситуации, когда условия протекания беременности у бабушки будут ответственны за возникновение наследственных нарушений у внучатого потомства.

Эпигенетические изменения могут наследоваться не только на клеточном уровне, но и на уровне целого организма. Примером могут служить, в частности, результаты, полученные в опытах П. Г. Светлова
(1965) по наследованию изменений в экспрессивности мутантных генов при однократном температурном воздействии на материнскую ооплазму. Под влиянием различных форм стресса происходят массовые перемещения мобильных элементов, следствием которых могут быть изменения в экспрессии генов, причем эти изменения часто носят наследственный характер.
На экспрессию генов влияет характер гетерохроматинизации хромосом, который зависит не только от эндогенных, но и от экзогенных факторов. Это феномен впервые был изучен А. А. Прокофьевой-
Бельговской, которая в материалах своей докторской диссертации убедительно показала, что «развитие признака в организме не определяется только наличием на участке хромосомы определенного гена, а контролируется еще состоянием данного участка, обнаруживаемого на микроскопическом уровне, то есть находится ли этот участок хромосомы в интерфазе в деконденсированном состоянии или он конденсирован».
Активность многих белков определяется их посттрансляционными модификациями – фосфорилированием, ацетилированием, метилированием.
В частности, подобные модификации, касающиеся гистоновых белков или белков, участвующих в регуляции работы генов, могут существенно влиять на их транскрипцию. Важную роль в регуляции экспрессии генов играют пространственные взаимоотношения между генами и соответствующими регуляторными комплексами. Все эти особенности работы генов определяют хорошо известное генетикам явление, получившее название «
эффект
положения
» - то есть разный характер фенотипического проявления гена в зависимости от его локализации в специфических районах генома. Список явлений, которые могут быть объяснены с позиций эпигенетической изменчивости, может быть продолжен.