Введение к работе
Актуальность проблем. Генетика началась с классической работы Менделя и получила мощное развитие в исследованиях школы Моргана. Было продемонстрировано, что наследование можно описывать как процесс передачи из поколения в поколение дискретных наследственных факторов - генов. То, какие именно комбинации генов будут переданы потомству, зависит от сегрегации хромосом в мейозе и мейотического кроссинговера. Два этих процесса лежат в основе формальных законов наследования, найденных Менделем и Морганом. Это тот фундамент, на котором строится здание современной генетики. Однако, как это ни парадоксально, нам удивительно кало известно об этих процессах.
Мы сосредоточили свои усилия на исследовании генетической рекомбинации. Несмотря на то, что рекомбинация изучается почти ао лет, в этой области есть целый ряд нерешенных проблем, имеющих принципиальнее значение для понимания сущности рекомбинационного процесса, генетического картирования, а такяе для выяснения эволюционной роли рекомбинации.
Известно, что кроссоверные обмены распределены вдоль мейотического бивалента неравномерно. В связи с этим возникает следующий вопрос: насколько распределения обменов вдоль бивалентов уникальны? Существуют ли (хотя бы для некоторых классов хромосом) эволюционно консервативные паттерны распределений кроссоввршх обменов? .
Как известно, расстояния на генетических картах определяются числом и распределением кроссоверных обменов вдоль хромосом. Число и распределение обменов, в свою очередь, зависят от интерференции хиазм. Поэтому важно иметь максимально полную информацию об интерференционной структуре бивалента. Под последней мы понимаем величину и знак интерференции в разных районах бивалента.
Показано, что многие природные популяции растений и животных полиморфны по хромосомным перестройкам (Ferguson-Smith, 19735 Giraud et al., 1979; Kiknadse, 1987), которые оказывают влияние на число и распределение кроссоверных
обменов (Greenbaum, Reed, 1984; Горлов, 1990; Gorlov et al., 1991). РекомОинационные эффекты хромосомных перестроек, в свою очередь, могут приводить к изменениям в сегрегации гоиологов в мейозе, увеличивать вероятность появления генетически несбалансированных гамет (Adler et al., 1989). Поэтому весьма актуален поиск общих закономерностей, проявляющихся в изменении кроссинговера под действием хромосомных перестроек.
Особенно важной проблемой рекомбинологии является проблема эволюционной роли процесса тарекомбинирования генов. Действительно, выяснение конкретных механизмов рекомбинацнонного процесса приобретает смысл лишь при условии, что мы знаем ответ на главный вопрос: зачем нукна рекомбинация? Крупнейшие эволюционисты (см., например: Ыэйнард Смит, 1981; Bem3tein et al., 1985) считают проблему поиска биологического значения рекомбинации одной из наиболее актуальных задач современной эволюционной теории.
Цели и задачи исследования. Общая цель данного исследования состояла в детальном, всестороннем анализе феноменологии рекомбинации. Для достижения этой цели были поставлены следуицие задачи:
1. Выяснить, насколько жестко определяется частота
рекомбинации в данном районе бивалента его генетическим
содержанием.
2. Определить, есть ли какая-либо зависимость меаду
характером распределения хиазм вдоль бивалента и средним
числом хиазы на бивалент; оценить эту зависимость у
филогенетически далеких видов.
-
Исследовать факторы, влияющие на число и распределение хиазм. Оценить роль этих факторов в контроле числа и распределения хиазм.
-
Провести детальный анализ интерференционной структуры бивалента. Выяснить, как зависит интерференция от физического расстояния между обменами и от локализации обменов в биваленте.
-
Используя цитогенетические методы, выяснить, существует ли хроматидная интерференция у мышей.
6. Изучить влияние разнообразных хромосомных перестроек
на число и распределение хиазм и попытаться найти общие закономерности в рекомбинационных эффектах хромосомных перестроек.
7. В качестве прикладной задачи проанализировать
возможность использования распределений хиазм для
генетического и цитологического картирования.
8. Критически проанализировать существующие гипотезы об
эволювдошюй роли рекомбинации. Разработать математическую
модель, позволякщую оценивать селективные преимущества
рекомбинации в разных условиях.
Научная новизна. В результате данного исследования впервые продемонстрировано, что главным фактором, определяющим частоту кроссинговера в конкретном районе, является не его генетическое содержание, а локализация относительно центромеры и теломеры в пределах хромосомного плеча (Gorlov et al., 1991). Показано существование эволюционно консервативных паттернов хиазменных распределений. Это позволило по-новому осмыслить гипотезу коадаптированных генных комплексов.
С использованием оригинального подхода впервые проведен детальный анализ интерференционной структуры мейотических бивалентов. Это позволило обнаружить ряд неожиданных свойств хиазменной интерференции, таких как сложная нелинейная зависимость силы интерференции от физического расстояния между обменами, полярность интерференции, район-специфичные интерференционные взаимодействия через центромеру (Горлов и др., 1993а). Показано, что интерференционная структура, мейотических бивалентов эволюционно консервативна.
В исследованиях на транс-дигетерозиготах по перекрывающимся парацентрическим инверсиям показано, что хиазменная интерференция между обменами, локализованными в рядом расположенных инвертированных участках, отсутствует. На этой же модели впервые получены экспериментальные доказательства положительной хроматидной интерференции. Это позволяет оспаривать вошедшее в учебники утверждение, что хроматидной интерференции не существует (см., например: Смирнов, 1991).
Цитогенетический анализ большого числа разнообразных - 3 -
хромосомных перестроек продемонстрировал их сложное, часто непредсказуемое влияние на характер изменения частот кроссинговера (Горлов, 1990; Borodin et al., 1991; Gorlov et al., 1993).
Сформулирована гипотеза, по-новому объясняющая связь мевду синапсисом, кроссинтовером и интерференцией. В рамках этой гипотезы синаптонемный комплекс является не условием, а следствием мейотического кроссинговера. Основная функция синаптонемного комплекса состоит в создании прочных связей между гомологами, что обеспечивает стабилизацию кроссоверного обмена. Распространение синапсиса от сайтов кроссинговера блокирует кроссинговер в окрестности кроссоверного обмена и является физическим процессом, который лежит в основе генетической интерференции.
Предлокен оригинальный способ генетического и цитологического картирования на основе распределения хиазм вдоль мейотических бивалентов (Горлов и др., 1987).
Сформулирована гипотеза о гетерогенном происхождении рекомбинантов у человека (Горлов и др., 1993b). Согласно этой гипотезе, регистрируемые в генетическом анализе рекомбинанты возникают вследствие нескольких процессов, различающихся по времени реализации и механизмам. Это позволяет объяснить случаи нарушений принципов генетического картирования - например, несовпадение порядка генов на цитологической и генетической карте.
Предлагается новое объяснение эволюционной роли процесса перекомбинирования генов: рекомбинационный процесс обеспечивает возможность популяции с ограниченной численностью длительное время поддерживать жизнеспособность в условиях постоянно действующего мутационного давления (Горлов, 1991). Разработана аналитическая математическая модель, позволяющая количественно оценить влияние рекомбинации на численность и жизнеспособность популяции (Калинина, Горлов, 1993).
Теоретическая и практическая значимость. Значение полученных в настоящей работе результатов состоит в следующем:
1. Продемонстрированный в работе позиционный контроль - А -I
кроссинговера заставляет отвергнуть целый класс гипотез, которые объясняют различную частоту рекомбинации в разных районах хромосомы различиями в их генетическом содеркании (см. Король, 1990).
-
Найденные нами особенности интерференционных взаимодействий в пределах мейотического бивалента, включающие в себя нелинейную немонотонную зависимость между коэффициентом коинциденвди и физическим расстоянием между обменами, интерференцию через центромеру, полярность и район-специфичность интерференции, показывают, насколько сложным феноменом является интерференция.
-
Наличие хроматидной интерференции позволяет по-новому объяснить более высокий . уровень генетической интерференции, найденный у мышей по сравнению с другими видами (Parsons, 1958; Robinson, 1972).
4. Сложный характер хиазменной интерференции, а также
наличие хроматидной интерференции приводят к заключению, что
вряд ли окажется возможным построить универсальные
картирующие функции.
s. В генетической практике уже давно инверсии используются в качестве запирателей кроссинговера. Однако в настоящей работе показано, что в некоторых случаях инверсии могут служить индукторами кроссинговера в инвертированных участках. Это заставляет осторожно подходить к трактовке результатов работ с использованием мейотических бивалентов, содержащих инверсии.
-
Предложенный в настоящей работе способ цитологического и генетического картирования с использованием распределений хиазм может быть применен для разных видов, включая человека (Горлов и др., 1987; Горлов и др., 1993b).
-
Предложенная гипотеза эволюционного значения процесса перекомбинирования генов позволяет предсказывать направление изменения рекомбинации при усилении мутационного давления и при селекции на плодовитость (Gorlov et al., 1992).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на v съезде ВОГиС им. Н.М.Вавилова (Москва, 1987), VII и
VIII Международных конференциях по генетике мыши (Кембридж, 1988; Прага, 1990), II и ill Школах-семинарах по генетике и селекции животных (Новосибирск, 1985; Горноалтайск, 1989), Третьей конференции "Геном человека - 93" (Черноголовка, 1993)» семинарах Эдинбургского университета, Института цитологии и Генетики СО РАН.
Объем и структура работы . Диссертация изложена на 271 странице машинописного текста и состоит из пяти частей, заключения и выводов. Работа иллюстрирована ъо рисунками и 12 таблицами. Указатель цитированной литературы содержит 227 ссылок, в том числе 43 на русском языке.