Введение к работе
Актуальность проблемы.
В основе эволюционного процесса лежит возникновение мутаций и их дальнейшая судьба, их роль в жизни популяции, вида. Оценка скорости мутационного процесса в природных популяциях представляет собой сложную и многофакторную задачу. Уровень существующей генетической изменчивости (концентрация) и частота возникновения de novo (мутабильность) могут быть определены при изучении разного типа мутаций: видимых, летальных, элек-трофоретических вариантов. Существующие различия по темпам мутирования между генами, между скоростями мутирования одних и тех же генов на разных генетических фонах и в зависимости от факторов среды еще более усложняет оценку потока генов, поставляемого мутационным процессом.
Особый интерес для понимания закономерностей спонтанного мутационного процесса представляют случаи повышенной мутабилыюсти, изучение которой велось разными авторами на дрозофиле в двух направлениях: 1) генетический анализ высокомутабильных локусов - как случаи специфической внутригенной мутабильности, так и взаимодействия в системе генотипа, где повышенная мутабильность в локусе определяется свойствами его самого, генами-мутаторами или внехромосомными агентами; 2) изучение случаев резкого повышения общей мутабильности в лабораторных линиях и искусственных популяциях, отводках из природных популяций и непосредственно в природных популяциях.
Постоянные, длительные во времени, с широким географическим охватом наблюдения за генофондом природных популяций Drosophila melanogaster позволяют проследить глобальные и локальные изменения генофондов и выявить факторы, вызывающие эти изменения. Проводимые отечественными генетиками исследования, дали новое развитие идеи о существовании мутационных периодов и колебаниях мутабильности во времени [Berg, 1966, 1982; Голубовский и др., 1974]. Свое дальнейшее развитие эти исследования получили после открытия и возросшего интереса к мобильным генетическим элементам. Высокомутабильные аллели, выделенные из природы [Голубовский, 1977; Голубовский, Захаров, 1983; Захаров, 1984], были отнесены к инсерционным мутациям [Golubovsky et al., 1977; Голубовский, Бе-
ляева, 1985]. Исследования по генетической нестабильности позволили установить несомненную связь этого явления с транспозициями мобильных генетических элементов. Однако, как правило, в подавляющем большинстве исследований изучались искусственно индуцированные мутации и проводился детальный анализ на молекулярном уровне отдельных нестабильных локусов. Описано лишь несколько отдельных случаев исследований мобильных генетических элементов в природных нестабильных хромосомах.
Значительная часть возникающих спонтанных мутаций, по-видимому, являются инсерционными. Следует подчеркнуть, что активация мобильных элементов индуцирует целый спектр генетических событий на генном, хромосомном, органичменном и популяционном уровнях: изменение характера экспрессии и регуляции генов, нестабильность генов, увеличение мутабильности, мультигенные повреждения, хромосомные перестройки [McClintock, 1956, 1978; Green, 1977, 1986; Bregliano, Kidwell, 1983; Engels, 1983, 1989; Герасимова и др., 1984; Golubovsky, Kaidanov, 1994]. В последнее время получены новые данные о роли мобильных элементов в горизонтальном переносе генов [Kidwell, 1993; Clark et al., 1994]. Исследования популяций Drosophila melanogaster показали, что существуют глобальные изменения во времени в составе некоторых мобильных элементов [Anxolabehere et al., 1985, 1989; Kidwell, 1992]. Вспышки мутаций, генетическая нестабильность, активация мобильных элементов могут играть важную роль в эволюционном процессе.
Особенности нашего подхода в рассмотрении явления нестабильности заключаются, во-первых, в изучении нестабильных мутаций; возникших и существующих в природных популяциях, во-вторых, в прослеживании изменения, происходящие с линиями на протяжении длительного времени (до 20 лет) их поддержания и наблюдения в лаборатории. Наличие клонов Х-хромосом с известными родословными позволяет описать не только статику, но и динамику этого процесса.
Цели и задачи исследования.
В работе поставлены следующие цели исследования:
1) Изучение динамики и выявление закономерностей формирования генетической изменчивости в природных популяциях Drosophila melanogaster в пространстве и во времени.
-
Изучение характера генетического полиморфизма и свойств мутаций, выделяемых из природных популяций в период вспышек мутаций.
-
Определение относительной роли нестабильных мутаций в формировании генофонда популяций.
Особенностью проводимых нами исследований является анализ феномена вспышек мутаций в природных популяциях Drosophila melanogaster, связанного с генетической нестабильностью. В соответствии с этим, в задачи работы входит:
-
Генетический мониторинг аллелофонда и динамики спонтанного мутационного процесса в природных популяциях. Изучение и анализ синхронных изменений концентрации мутаций и локус-специфической мутабильности в природных популяциях Drosophila melanogaster из смежных и географически удаленных регионов.
-
В период глобальной вспышки мутаций (начало в 1973 г.) мы выделили серии нестабильных аллелей гена singed, а в период локальной вспышки (начало в 1982 г.) - аллелей гена yellow. Это явилось базой для классификации нестабильных аллелей локусов Х-хромосомы - singed и yellow, выделенных из различных популяций в течение вспышек мутаций на основе двух главных параметров - оценки мутационных свойств и частот межаллельных переходов.
-
Получение комплекса генетических данных о правилах поведения выделенной из природы бимутантной системы sn^::Tn-clw в ряду поколений при длительном разведении линий в лаборатории.
4) Изучение влияния генетического окружения (хромосом, генов-
мутаторов, цитотипа) на мутационные свойства нестабильных аллелей.
5) Сравнительный анализ мутационных свойств нестабильных мутаций в
генеративных и в соматических клетках.
Научная новизна.
Особенностью проведенных исследований является комплексный подход и непрерывность изучения состава и динамики генофондов природных популяций Drosophila melanogaster. В наших работах были установлены следующие важные черты вспышек мутаций: (1) Вспышки мутаций могут быть как глобальными, так и локальными. При глобальной вспышке мутантные аллели
одних и тех же генов появляются одновременно в географически удаленных популяциях D. melanogaster. Этот феномен получил название "моды на мутации" [Голубовский и др., 1974]. (2) Наблюдалось повторное проявление моды на мутации, например, для гена yellow - первая вспышка 30-40-х годов носила глобальный характер, а "возвращение моды" в 80-е годы - локальный [Захаров, Голубовский, 1985, 1989; Захаров и др., 1995; Захаров, Скибицкий, 1995]. (3) Изучена динамика вспышек мутаций. Длительность вспышки - 7-11 лет. (4) Мутации, определяющие вспышку, в своем большинстве нестабильны и, на основании комплекса их генетических свойств, могут быть отнесены к разряду инсерционных мутаций [Golubovsky et al., 1977; Голубовский, Захаров, 1982; Захаров, Голубовский, 1984а; Yurchenko et al., 1984; Захаров, Юрченко, 1985, 1989].
Проведен детальный генетический анализ серии нестабильных аллелей генов singed, yellow, lozenge, который включал определение частот и направлений мутирования различных нестабильных аллелей и их мутантных производных в ряду поколений, изучение влияния генетических и эпигенетических факторов на мутационные свойства нестабильных аллелей в половых и соматических клетках, показана аллелеспецифичность нестабильности и комплексный характер контроля ее мутабильности [Захаров, 1984а; Захаров, Голубовский, 1984, 1985; Захаров, Юрченко, 1985; Голубовский и др., 1986, 1987; Захаров и др., 1995; Вайсман, Захаров, 1995а; Захаров, Скибицкий, 1995]. Впервые исследовался случай совместного мутирования двух генов (бимутантная нестабильная система sn49;:Tn-clw), выделенных из природной популяции [Голубовский, Захаров, 1979; Golubovsky, Zakharov, 1980а; Захаров, Юрченко, 1982, 1983, 1984; Yurchenko et al., 1984]; проведен генетический анализ гомологичной рекомбинации нестабильных аллелей гена singed в гомо- и гетероаллельных комбинациях, показано влияние структуры гомологичного локуса на частоту мутирования нестабильного аллеля [Юрченко и др., 1985 а, б; Юрченко, Захаров, 1990]; изучено взаимодействие нестабильных аллелей, связанных с различными мобильными элементами, в системе генотипа [Голубовский и др., 1986].
Причины, индуцирующие синхронную мутабильность в одном и том же
гене в удаленных популяциях, должны отвечать следующим требованиям: они
должны постоянно присутствовать в природных популяциях; они специфичны I
к определенным локусам-мишеням, индуцируя в них генетическую нестабильность; они меняют со временем интенсивность и направленность своего действия. Было показано, что нестабильное состояние присуще и аллелям генов, выделенных из природных популяций в которых вспышек мутаций не наблюдалось [Захаров и др., 1995].
\ Полный перечень установленных событий в экспериментах, связанных со вспышками мутаций, указывает на комплексный характер феномена генетической изменчивости и сложность факторов ее формирующих.
Апробация результатов.
Материалы диссертации были доложены, представлены тезисами докладов или стендовых сообщений: на 3-6-м Всесоюзных совещаниях по проблемам биологии и генетики дрозофилы - Харьков-1979, Минск-1985, Львов-1987 и Одесса-1989; на 1-3 школах-семинарах по генетике и селекции животных - Улан-Уде-1981, Новосибирск-1985 и Бийск-1989; на 45-м симпозиуме в Колд-Спринг Харборе "Подвижные генетические элементы", Колд-Спринг Харбор, США, 1981; на 4-м и 5-м съездах Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова - Кишинев-1981 и Москва-1987; На 5-м и 6-м Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" - Москва, 1983 и 1987; на 2-й и 4-й Всесоюзных конференциях "Экологическая генетика растений и животных", Кишинев - 1984 и 1991; на 3 Всесоюзном совещании "Фенетика популяций", Саратов, 1985; на 1-й и 2-й Всесоюзных конференциях по проблемам эволюции, Москва - 1985 и 1988; на Всесоюзном совещании "Экология популяций", Новосибирск, 1988; на 12-м Европейском конгрессе по исследованиям на дрозофиле, Майнц (ФРГ), 1991; на 1-й Всесоюзной конференции по генетике насекомых, Москва, 1991; на научной конференции "Оценка последствий радиационного воздействия ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне и антропогенного загрязнения окружающей среды на население Алтайского края", Барнаул, 1993; на 1-м съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров, Саратов, 1994.; на отчетных сессиях Института цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск, 1988, 1991 и .1994.
Объем н структура работы.
В качестве диссертации представляется совокупность из 44 опубликованных работ. Основные результаты и вытекающие из них выводы изложены в виде научного доклада.
Фактический материал получен автором самостоятельно и в коллективных исследованиях с соавторами опубликованных работ: М.Д. Голубовским, Н.Н. Юрченко, А. В. Иванниковым, Е.Э. Скибицким, О.А. Соколовой, Н.Я. Вайсман, М.А. Волошиной и другими, всем им автор выражает глубокую и искреннюю признательность.
Работа выполнена в лаборатории генетики популяций ИЦиГ СО РАН. Работа поддержана ГНТП "Приоритетные направления генетики".