Внеядерная наследственность

1. Критерии цитоплазматической наследственности

2. Пластидная наследственность

3. Митохондриальная наследственность

4. Цитоплазматическая мужская стерильность у растений

5. Эндосимбионты

6. Материнский эффект

Главные носители наследственности у про- и эукариот — гены клеточного ядерного аппарата. Наследование этих генов подчинено менделевским закономерностям рас­щепления признаков родителей в потомстве. Наряду с этим существует внеядерная, или неменделевская, наслед­ственность, обусловленная молекулами нуклеиновых кис­лот (ДНК или реже РНК), реплицирующихся в цитоплаз­ме в виде автономных структур либо в составе органелл.

В клетках бактерий цитоплазматический генетический материал представлен сверхскрученными ковалентно-замкнутыми кольцевыми молекулами ДНК — плазмидами, реплицирующимися автономно, т.е. независимо от репликации бактериальной хромосомы. Строение и свой­ства плазмид были охарактеризованы в лекции «Генетика микроорганизмов». Там же на примере «частиц-убийц» («киллеров») у дрожжей S.cerevisiae рассматривался случай, когда цитоплазматические гены находятся в составе двухцепочечной РНК. В этой лекции будут приведены данные о внеядерных генетических элементах у других эукариот.

Критерии цитоплазматической наследственности. Используют следующие основные критерии, позволя­ющие отличить внеядерную наследственность от хромо­сомной:

1. Различия в результатах реципрокных скрещиваний. У высших растений и животных реципрокные скрещива­ния типа ♀A x ♂a и ♀a x ♂A дают одинаковое потом­ство по исследуемому признаку. За исключением случаев наследования сцепленных с полом маркеров, различия в реципрокных скрещиваниях указывают на то, что один из родительских организмов, как правило, материнский, оказывает большее влияние на проявление данного признака, чем другой.

2. Связь наследования определенных признаков с переносом в клетку цитоплазматической ДНК. У бактерий перенос плазмид с помощью конъюгации, трансформации либо трансдукции сопровождается появлением у реципи­ентов таких признаков, как донорная способность, устой­чивость к антибиотикам, продукция колицинов и многие другие, что доказывает их детерминированность плазмидными генами. Подобно этому, у эукариот компоненты цитоплазмы, например отдельные клеточные органеллы, можно искусственно вводить в клетки путем мик­роинъекций, инфекции либо имплантации. Так, выявлена связь определенных признаков с внеядерными генами у нейроспоры (признаки замедления роста и снижения уровня дыхания, обусловленные дефектностью митохонд­рий), у парамеции (детерминируемая митохондриями ус­тойчивость к лекарственным препаратам), у дрозофилы (детерминируемое присутствием эндосимбионтов соотно­шение полов) и др.

3. Хромосомные гены располагаются в определенных участках хромосомной ДНК и картируются, обнаруживая сцепленность с другими хромосомными генами. Невозможность выявить подобные сцепления генов может свидетельствовать об их внеядерной локализации.

4. Отсутствие типичного количественного менделевского расщепления признаков в потомстве, зависимого от расхождения гомологичных хромосом в мейозе, указывает на то, что они детерминируются внеядерными генами.

5. Замена ядер, возможная, например, у амебы, доказывает относительное участие ядра и цитоплаз­мы в проявлении какого-либо признака. Передача признака потомству, не сопровождающаяся переносом ядерных генов, свидетельствует о внеядерной наследственности.

Пластидная ДНК. Первые наблюдения о возможности неменделевского наследования у растений были сделаны на ночной краса­вице (Mirabilis jalapa) К.Корренсом (одним из переот­крывателей законов Менделя) и на львином зеве (Antirrhinum majus) Э.Бауэром еще в начале XX в. Изучение наследования признака пестролистности, выражающегося в широкой гамме оттенков цвета листьев от белого до темно-зеленого, выявило его полную зависимость от того, какое из растений было женским, т.е. опылялось и обра­зовывало семена. Цвет листьев определяется цитоплазматическими органеллами растений — пластидами, из кото­рых главные — хлоропласты, содержащие хлорофилл. Хлоропласты находятся только в клетках фотосинтезирующих органов растений (листьев, стебля), и их число варьирует от нескольких сотен (некоторые водоросли) до одного (некоторые хламидомонады). В клетке высших растений содержится около 300 хлоропластов. Во время мейоза хлоропласты проникают в цитоплазму яйцеклетки, а в клетках пыльцы большинства видов растений они прак­тически отсутствуют. Помимо мембранных структур, со­держащих все необходимые компоненты для транспорта электронов при фотосинтезе, рибосом и РНК, хлоропласты содержат кольцевую ДНК длиной около 40 мкм с М_r ≈ 10⁸. Имеются данные о полиплоидности хлоропластов, в 5-6 участках которых находят 10—60 копий кольцевых ДНК.

Признак пестролистности связан с мутациями в хлоропластах, нарушающими синтез хлорофилла. Яйцеклетки и соматические клетки пестролистных растений содержат в цитоплазме обесцвеченные и нормальные хлоропласты с зеленым пигментом. Наследование пестролистности передаётся по материнской линии. Например, если яйцеклетка образовалась у полностью зелёного растения, независимо от источника пыльцы развивается зелёное потомство, у обесцвеченных частей растений – белые, у пестролистных – зелёные, белые, пестролистные.

Помимо пестролистности мутации в ДНК хлоропластов могут приводить к антибиотикоустойчивости. В 1954г. Р.Сэджер получила спонтанные мутанты хламидомонады, устойчивые к высоким концентрациям стрептомицина. 90% этих мутантов возникли в результате мутаций Sm-1 в ядерном гене, а 10% — в результате мутаций Sm-2. локализованных в цитоплазме.

Митохондриальная наследственность. Митохондрии имеются в подавляющем большинстве эукариотических клеток. Происходящие в них процессы аэробного дыхания и соответственно окислительного фосфорилирования приводят к запасанию энергии в форме АТФ. В составе митохондрий обнаружена ДНК, состоящая из ковалентно-замкнутых сверхскрученных колец дли­ной от 5 мкм у животных до 20-30 мкм у грибов и высших растений.

Митохондриальные гены кодируют в основном две группы признаков. К первой относятся признаки, связан­ные с работой дыхательных систем, ко второй — с устой­чивостью к антибиотикам и другим клеточным ядам. Помимо ДНК митохондрии содержат собственный белоксинтезирующий аппарат, включающий рибосомы, тРНК, аминоацил тРНК-синтетазы, отличающийся от соответ­ствующего аппарата, детерминируемого ядерными генами.

С мутациями в митохондриальной ДНК либо с утратой митохондрий связано образование мелких (кар­ликовых) колоний (фенотип «petite») в культуре S.cerevisiae. Штаммы карликовых мутантов растут очень медленно, формируя на агаре, содержащем недостаточное для нормального роста количество глюкозы, мелкие коло­нии. Они имеют дефектный дыхательный метаболизм вследствие недостатка цитохромов а и b, а также фер­мента цитохромоксидазы и не способны к образованию спор. Частота спонтанного возникновения карликовых мутантов составляет примерно 0,2 % в расчете на клетку за одну генерацию, что намного больше, чем обычные частоты спонтанного мутирования ядерных генов.

Помимо мутаций «карликовости», мутаций mit^- и др., нарушающих дыхание дрожжей, у этих организмов инду­цированы мутации в ДНК митохондрий, приводящие к устойчивости к хлорамфениколу, эритромицину и некото­рым другим антибиотикам. Подобные мутанты, связан­ные с повреждением митохондриальных генов, описаны также у нейроспоры, парамеций и в культивируемых in vitro клетках человека и мыши.

У некоторых организмов найдена цитоплазматическая ДНК, структурно ассоциированная с митохондриями, но отличающаяся от собственной ДНК этих органелл. Например, у патогенных жгутиковых (Trypanosoma, Leishmania) и свободноживущих простейших (Bodo) митохондрии ассоциируются с ДНК-содержащей структурой, называемой кинетопластом. В нём может находиться до 30 % всей ДНК клетки или даже больше, чем в самом ядре. Функции кинетопластов не ясны, однако их утрата на стадиях жизненного цикла некоторых видов жгути­ковых, проходящих в организме насекомого, летальна. Цитоплазматические ДНК, совсем не связанные с ми­тохондриями, обнаружены у многих эукариот: животных, дрозофилы, высших растений. В цитоплазме клеток позво­ночных найдены кольцевые, сверхспирализованные либо линейные ДНК, напоминающие плазмиды бактерий. Предполагают, что они имеют ядерное происхождение, но несут локусы ori — точки инициации репликации и по­этому способны к внехромосомному размножению и насле­дованию. Роль этих плазмидоподобных структур в организмах эукариот не ясна, однако у кукурузы с ними связывают феномен цитоплазматически наследуемой мужской стерильности.

Цитоплазматическая мужская стерильность у растений. Один из ярких примеров внеядерной наследственности, определяемой дефектностью пыльцы, описан у самоопы­ляющихся и перекрестноопыляющихся растений. Дефект­ность пыльцы полностью исключает возможность самоопыоления, так как растения становятся однодомными (жен­скими).

М.Роадс (1933) обнаружил, что признак мужской стерильности у кукурузы — перекрестноопыляющегося растения — наследуется по материнской линии, через ци­топлазму яйцеклетки. Ядерные гены не ответственны за этот признак. Растение с мужской стерильностью при опылении пыльцой от нормального растения образует потомство только со стерильной пыльцой. В серии повтор­ных скрещиваний с использованием в качестве материн­ских родителей растения с мужской стерильностью, а в качестве мужских — линии растений с нормальной пыльцой, но маркированных по генам, входящим в каждую из 10 пар хромосом кукурузы, Роадс сумел заменить все хромосомы исходной линии с мужской стерильностью на хромосомы нормальной по фертильности линии. При этом многие растения, полученные в результате замены хро­мосомных наборов, сохраняли признак мужской стериль­ности. Эти опыты послужили важным доказательством того, что мужская стерильность контролируется цитоплазмой. Хотя описанный признак назван цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС), его проявление зависит также от ядерных генов. Такой вывод был сделан при исследовании небольшого количества растений, получен­ных в потомстве от указанных скрещиваний, имевших лишь частично сниженную или даже нормальную фертилъность. Возникновение таких растений связано с тем, что наследование признака ЦМС у кукурузы контролируется специфичными ядерными генами-супрессорами, называе­мыми также генами-восстановителями. Эти доминантные гены в сочетании с цитоплазмой линий растений с ЦМС -обеспечивают восстановление фертильности растений.

Гены-восстановители не приводят к необратимому повреждению или удалению факторов ЦМС из цитоплазамы, а лишь подавляют их действие, поэтому замещение этих генов путем скрещивания на их аллели-невосстановители вновь приводит к стерильности.

Наряду с генами-восстановителями известны ядерные гены-закрепители, обусловливающие полное проявление цитоплазматических факторов стерильности пыльцы.

Явление ЦМС широко применяется при производстве гибридных семян кукурузы, дающих значительно боль­ший урожай, чем негибридные. Использование растений с ЦМС позволяет обойтись без трудоемкого, экономи­чески невыгодного обрывания метелок, предотвращающе­го возможность самоопыления растений.

Эндосимбионты. Некоторые виды цитоплазматической наследственности связаны с присутствием в цитоплазме эукариот эндосимбионтов — бактерий или вирусов. Эндосимбионтами называют организмы, живущие в клетках другого орга­низма независимо от того, выгодно это последнему или нет. Генетически эндосимбиоз хорошо исследован на при­мере каппа-частиц инфузории туфельки (Paramecium aerelia).

Т.Соннеборн с соавторами (1938) обнаружили, что некоторые особи парамеции выделяют вещество, убиваю­щее других, чувствительных особей парамеций, и что это свойство наследуется как цитоплазматический признак. Оказалось, что парамеции-убийцы (киллеры) несут в цитоплазме каппа-частицы — бактерии вида Caedobacter taeniospiralis. Эти бактерии выделяют токсическое ве­щество парамеции, которое не действует на самих хозяев — парамеций-киллеров, а убивает только чувствительные клетки. Способностью к выработке парамецина обладают не все каппа-частицы, а лишь те, в которых обнаружива­ются преломляющие свет спиралевидные белковые тельца, называемые «яркими». Появление «ярких» телец связано с вирусоподобными частицами, присут­ствующими в каппа-частицах. Эти вирусные частицы со­держат ковалентно-замкнутую кольцевую ДНК длиной около 14 мкм.

Генетические исследования показали, что каппа-бактерии наследуются с цитоплазмой, но способны поддержи­ваться лишь в парамециях, несущих доминантную ядерную аллель К, необходимую для репродукции каппа-бактерий. При скрещивании парамеций-убийц (КК) с чувствитель­ными особями (kk) характер гетерозиготного потомства Кk зависит от того, успеют ли конъюгирующие клетки обме­няться цитоплазмой. В случае длительного скрещивания такой обмен происходит и все потомство с генотипом Кk и цитоплазмой родителя КК имеет фенотип «убийцы». При кратковременной конъюгации после скрещивания клетки расходятся каждая со своей цитоплазмой, поэто­му, имея общий генотип Кк, они различаются по фенотипу. Особи, получившие цитоплазму от родителя КК, являются «убийцами». Напротив, особи Кк, получившие цитоплазму от родителей kk, оказываются чувствитель­ными. При последующей аутогамии образуются гомозиготные клоны, фенотип которых зависит от присутствия гена К в ядре и каппа-бактерий в цитоплазме.

С эндосимбиозом связаны и некоторые признаки у дрозофил. Один из них, известный как «соотношение полов», или SR (от англ. sex ratio), заключается в том, что у ряда видов дрозофил в потомстве либо вовсе не обнаруживают­ся самцы, либо их количество значительно меньше ожи­даемых 50%. Имеются данные, показывающие, что этот признак передается по материнской линии и обусловлен присутствием в цитоплазме клеток дрозофилы симбионтов типа спироплазм, относящихся к роду спирохет Treponema, содержащих вирусы, но контролируется также некоторы­ми ядерными генами.

Другой признак дрозофилы, определяемый внеядерным генетическим компонентом,— необычно высокая чувст­вительность некоторых линий мух к СО₂, используемому для наркоза при генетических исследованиях. Этот приз­нак, наследующийся по материнской линии, обусловлен присутствием в цитоплазме вирусоподобной частицы σ. Чув­ствительные мухи парализуются и гибнут от концентра­ций СО₂, которые для нормальных мух имеют только усыпляющее действие.

Материнский эффект. Наряду с внеядерной наследственностью, обусловлен­ной цитоплазматическими генетическими элементами, су­ществует и другая форма ядерно-цитоплазматических от­ношений, связанная с присутствием в цитоплазме неге­нетических факторов (например, ферментов, белков-репрессоров), влияющих на экспрессию ядерных генов. Отме­чено, что различия между потомством реципрокных скре­щиваний не обязательно определяются внеядерными генетическими элементами, но могут быть связаны с так называемым «материнским эффектом», т.е. влиянием генотипа матери на характер развития потомства в F₁, передаваемым через цитоплазму яйцеклеток. Примером может служить наследование направления закручивания спирали раковины у прудовика (Limnea peregra), детерми­нируемое генотипом матери, но не генами развивающе­гося зародыша. Аллель S⁺ , кодирующая правозакрученные витки спирали, доминирует над аллелью S, кодирующей левозакрученные витки. Скрещивание типа ♀ S⁺S⁺ x ♂ SS дает в F₁ потомство S⁺S с правозакрученной спиралью. В F₂ вместо ожидаемого расщепле­ния 3:1 все потомство также имеет правозакрученную спираль, поскольку фенотип SS не выявляется. Таким образом, только материнский генотип (S⁺ S⁺ ) обнару­живается и в F₁, и в F₂. Однако в реципрокных скре­щиваниях ♀ SS x ♂ S⁺S⁺ в F₁ все потомство будет «левозакрученным», несмотря на генотип S⁺S, а в F₂ — «правозакрученным». Последующий инбридинг между потомст­вом F₂ из первого или второго скрещиваний приводит к образованию «правозакрученных» улиток, за исключением скрещиваний, в которых материнские особи имели гено­тип SS: в этом случае все потомство было «левозакрученным». Дальнейшее исследование этого феномена пока­зало, что направление спирали улиток зависит от ориента­ции веретена, образуемого в метафазе I деления дробле­ния. Материнские гены детерминируют ориентацию вере­тена (верхушкой вправо или влево), которая, в свою очередь, влияет на последующее деление клетки и в резуль­тате на исправление закрученности спирали у взрослой особи. Таким образом, этот признак у потомства не­посредственно контролируется матерью и не связан с функционированием генов яйца, спермия или зиготы.

Вопросы

1.Какие имеются доказательства цитоплазматической наследственности?

2. Каковы особенности пластидной ДНК?

3. Какие черты сходства митохондрий и хлоропластов позволяют думать об их эндосимбиотическом происхождении?

4. Какие нарушения происходят при мутациях митохондрий?

5. С чем связана ЦМС?

6. Какую функцию выполняют эндосимбионты?

7. Что такое «материнский эффект»?

ЛЕКЦИЯ 9