Кіріспе
Көпжасушалы организмдердегі жағдай Мозаицизм немесе генетикалық мозаицизм – көпжасушалы организмнің генетикалық мутация нәтижесінде бірнен көп генетикалық желіге ие болуы. Бұл бір тоқсандырылған жұмыртқадан бірнеше генетикалық желі пайда болғанын білдіреді. Мозаицизм – химеризмнің мүмкін болатын себептерінің бірі, онда бір организм бірнеше түрлі генотиптерден тұратын жасушалардан құралған. Генетикалық мозаицизм көптеген механизмдерден туындауы мүмкін, оның ішінде хромосомалардың айырылмауы, анафазалық кешігу және эндорепликация. Анафазалық кешігу – имплантацияға дейінгі эмбрионда мозаицизмнің пайда болуының ең көп кездесетін жолы. Соматикалық мозаицизм әдетте мұрагерлік емес, себебі ол көбінесе герм жасушаларына әсер етпейді. Мюллер 1930 жылы Drosophila-дағы мозаицизмнің хромосомалық реттелулермен байланысты екенін көрсетті, ал 1936 жылы Шульц зерттелген барлық жағдайларда осы реттелулердің гетерохроматикалық инерт аймақтармен байланысты екенін көрсетті, сондай-ақ мұндай мозаицизмнің сипаты туралы бірнеше гипотезалар ұсынылды. Бір гипотеза бойынша, мозаицизм хромосома сегменттерінің үзілуі мен жоғалуы нәтижесінде пайда болады. Курт Стерн 1935 жылы хромосомалардың құрылымдық өзгерістерінің соматикалық жасушалардағы мутациялар немесе шағын хромосомалық реттелулер нәтижесінде соматикалық кроссинг нәтижесінде пайда болғанын болжады. Осылайша, инерт аймақ инерт аймақтарға жақын орналасқан белсенді сегменттерде мутация жиілігінің артуына немесе шағын хромосомалық реттелулерге әкеледі. 1930 жылдары Стерн генетикалық рекомбинацияның мейоз кезінде қалыпты жүретінін, митоз кезінде де жүруі мүмкін екенін көрсетті. Ол кезде соматикалық (дене) мозаицизм пайда болады. Бұл организмдерде екі немесе одан көп генетикалық жағынан ерекшеленетін тіндердің түрлері болады. Соматикалық мозаицизм терминін CW Cotterman 1956 жылы антигендік өзгергіштік туралы мақаласында қолданды. 1944 жылы Белговский мозаицизмнің кейбір белгілі бір көріністерін гетерохроматикалық инерт аймақтарына қатысты хромосомалық реттелулермен түсіндіруге болмайтынын ұсынды. Биохимиялық белсенділіктің әлсіреуі оны генетикалық химера деп атауға әкелді. Бұл себебі әдетте гаметалардың барлығын немесе бір бөлігін құраған ерте сая жасушасында болған мутация.
Mosaicism or genetic mosaicism is a condition in which a multicellular organism possesses more than one genetic line as the result of genetic mutation. This means that various genetic lines resulted from a single fertilized egg. Mosaicism is one of several possible causes of chimerism, wherein a single organism is composed of cells with more than one distinct genotype. Genetic mosaicism can result from many different mechanisms including chromosome nondisjunction, anaphase lag, and endoreplication. Anaphase lagging is the most common way by which mosaicism arises in the preimplantation embryo. Somatic mosaicism is not generally inheritable as it does not generally affect germ cells. Muller in 1930 demonstrated that mosaicism in Drosophila is always associated with chromosomal rearrangements and Schultz in 1936 showed that in all cases studied these rearrangements were associated with heterochromatic inert regions, several hypotheses on the nature of such mosaicism were proposed. One hypothesis assumed that mosaicism appears as the result of a break and loss of chromosome segments. Curt Stern in 1935 assumed that the structural changes in the chromosomes took place as a result of somatic crossing, as a result of which mutations or small chromosomal rearrangements in somatic cells. Thus the inert region causes an increase in mutation frequency or small chromosomal rearrangements in active segments adjacent to inert regions. In the 1930s, Stern demonstrated that genetic recombination, normal in meiosis, can also take place in mitosis. When it does, it results in somatic (body) mosaics. These organisms contain two or more genetically distinct types of tissue. The term somatic mosaicism was used by CW Cotterman in 1956 in his seminal paper on antigenic variation. In 1944, Belgovskii proposed that mosaicism could not account for certain mosaic expressions caused by chromosomal rearrangements involving heterochromatic inert regions. The associated weakening of biochemical activity led to what he called a genetic chimera. The cause is usually a mutation that occurred in an early stem cell that gave rise to all or part of the gametes.
Соматикалық мозаикалық
Соматикалық мозаика (сондай-ақ клоналды мозаика деп те аталады) – организмнің соматикалық жасушалары бірнеше генотипке ие болғанда туындайды. Көпте жайлы мозаикаларда әртүрлі генотиптер бір ғана ұрықтандырылған жұмыртқа жасушасынан митоздық қателердің нәтижесінде, алғашқы немесе кейінгі бөлінулер кезінде пайда болады. Соматикалық мутациялар мозаикаға алып келетін адам өмірінің бастапқы және соңғы кезеңдерінде кең таралған.
Трисомиялар, моносомиялар және ұқсас жағдайлар
Мозаиканың ең көп кездесетін түрі – трисомия. Трисомияның көптеген түрлері мейоздың бұзылуына байланысты және организмнің барлық жасушаларына әсер етеді, бірақ кейбір жағдайларда трисомия тек жасушалардың бір бөлігінде ғана пайда болады. Бұл ерте митоз кезіндегі хромосомалардың бөлшектелуінен (nondisjunction) туындауы мүмкін, нәтижесінде кейбір трисомиялық жасушалардан хромосома жоғалады. Әдетте, мұндай жағдайларда аурудың сол аурумен ауыратын, бірақ мозаикалық емес пациенттерге қарағанда жеңілірек белгілері байқалады. Сирек жағдайларда интерсекс жағдайлары мозаикалық болуы мүмкін, яғни организмдегі кейбір жасушаларда XX, ал басқаларында XY хромосомалары болады (46, XX/XY). Жемеш шыбынында (Drosophila melanogaster), екі X хромосомасы бар шыбын – аналық, ал бір X хромосомасы бар шыбын – сүексіз еркек болады. Эмбриональды дамудың басында X хромосомасының жоғалтылуы жыныстық мозаикалар немесе гинандроморфтардың пайда болуына әкелуі мүмкін. Кері мозаикада митоздық рекомбинация нәтижесінде пайда болған сау тіндер, қан мен эпителий сияқты жиі жаңаруға қабілетті тіндерде бастапқы, айналасындағы мутант жасушалардан басымдық алады. Шын мозаикалықты X-хромосоманың инактивациясымен шатастырмау керек, онда организмнің барлық жасушалары бірдей генотипке ие, бірақ әртүрлі жасушаларда X-хромосоманың әртүрлі көшірмесі экспрессияланады. Соңғысы қалыпты (XX) аналық сүтқоректілерде кездеседі, бірақ ол әрқашан фенотип бойынша көрінбейді (мысалы, үш түсті мысықтарда). Дегенмен, барлық көпжасушалы организмдер белгілі бір дәрежеде соматикалық мозаикалық болуы мүмкін.
Гоносомалық мозаикалық
Гоносомалық мозаицизм – организмнің дамуының өте ерте кезеңінде пайда болатын соматикалық мозаицизмнің бір түрі, сондықтан ол гермдік және соматикалық жасушалардың екеуінде де кездеседі. Соматикалық мозаицизм, әдетте, мұраға берілмейді, себебі ол көбінесе гермдік жасушаларға әсер етпейді. Гоносомалық мозаицизм жағдайында организмдер генетикалық өзгерісті, соның ішінде болашақ ұрпаққа да беру мүмкіндігіне ие, өйткені өзгерген аллель соматикалық және гермдік жасушалардың екеуінде де болады.
Митоздық рекомбинация
Мозаикалық тінді құрудың негізгі механизмдерінің бірі – митоздық рекомбинация немесе соматикалық кроссовер. Оны алғаш рет 1936 жылы Керт Стерн Drosophila-да анықтаған. Мозаикалық тіндің мөлшері жасуша бөліну ағашының қай деңгейінде алмасу жүргеніне байланысты. Drosophila-да байқалатын "қос дақ" деп аталатын фенотиптік белгі – митоздық рекомбинацияның нәтижесі. Дегенмен, бұл рекомбинацияға түскен гендердің аллельдік жағдайына да байланысты. Қос дақ тек гетерозиготалы гендер репульсияда, яғни транс-конфигурацияда байланысқан кезде ғана пайда болады. Рекомбинация жанындағы гендердің центромералары арасында жүруі керек. Бұл Drosophila-да жабайы типті фонда сары дақтардың пайда болуына себеп болады. Митоздық рекомбинацияның тағы бір мысалы – Блум синдромы, ол blm геніндегі мутация нәтижесінде пайда болады. Соның салдарынан BLM белгісі бұзылады. RecQ геликазасының бұзылуы репликация кезінде ДНК-ның дұрыс ажыраспауына әкеледі, демек бұл аурудың пайда болуымен байланысты.
Эксперименталды биологияда қолдану
Генетикалық мозаикалар, әсіресе жиі зерттелетін жеміс шыбынында қолданылғанда, өте қуатты құрал болып табылады, онда арнайы таңдалған штаммдар алғашқы эмбрионалық жасушалардың бірінде Х немесе Y хромосомасын жиі жоғалтады. Бұл мозаикалар кейіннен ұсыну мінез-құлқы сияқты мәселелерді талдау үшін қолданылуы мүмкін. Жақында, Drosophila геномға енгізілген трансгеннің қолданылуы жүйені әлдеқайда икемді етті. Flip рекомбиназасы (немесе FLP) – бұл «flip recombinase target» (FRT) сайттарын танитын және олардың арасында рекомбинацияны тудыратын, кеңінен зерттелген Saccharomyces cerevisiae ашытқысынан алынған ген. FRT сайттары D. melanogaster хромосомаларының әрқайсысының центромеріне жақын трансгендік жолмен енгізілген. FLP генін таңдаулы түрде, әдетте жылулық шок промоторын немесе GAL4/UAS жүйесін пайдалану арқылы индукциялауға болады. Нәтижесінде пайда болған клондарды теріс немесе оң белгілеу арқылы анықтауға болады. Теріс белгіленген клондарда шыбын көрінетін маркерді (әдетте жасыл флуоресцентті ақуызды) кодтайтын ген үшін траншетерозиготалы және зерттелетін геннің аллелі болады (екеуі де FRT сайттарын қамтитын хромосомаларда). FLP экспрессиясын индукциялағаннан кейін рекомбинацияға ұшыраған жасушалар зерттеліп жатқан маркер немесе аллель үшін гомозиготалы ұрпақ береді. Сондықтан маркері жоқ (қара түсті) жасушаларды мутациялы деп анықтауға болады. Теріс белгіленген клондарды пайдалану кейде ыңғайсыз, әсіресе өте кішкентай жасушалардың тобын жасағанда, онда жарық фонға қарағанда қараңғы фондағы жарық дақты көру оңайырақ. Оң белгіленген клондарды жасау Стенфорд университетінің профессоры Ликун Луо және оның докторанты Цумин Ли әзірлеген MARCM («басуға болатын жасуша маркерімен мозаикалық талдау») жүйесін пайдалану арқылы мүмкін. Бұл жүйе белгілі бір жасушаларда GFP экспрессиясын жүзеге асыратын GAL4/UAS жүйесіне негізделген. Алайда, GFP экспрессиясына жол бермейтін GAL4 әрекетін басу үшін жалпы экспрессияланатын GAL80 гені қолданылады. Жоғарыда айтылғандай, GFP-ті жабайы типті хромосоманы белгілеу үшін пайдаланудың орнына GAL80 осы мақсатқа қызмет етеді, сондықтан митоздық рекомбинация арқылы алынғанда GAL4 жұмыс істеуге мүмкіндік алады және GFP қосылады. Бұл қызығушылық тудыратын жасушаларды қараңғы фонға қарсы жарықпен белгілейді.
More recently, the use of a transgene incorporated into the Drosophila genome has made the system far more flexible. The flip recombinase (or FLP) is a gene from the commonly studied yeast Saccharomyces cerevisiae that recognizes "flip recombinase target" (FRT) sites, which are short sequences of DNA, and induces recombination between them. FRT sites have been inserted transgenically near the centromere of each chromosome arm of D. melanogaster. The FLP gene can then be induced selectively, commonly using either the heat shock promoter or the GAL4/UAS system. The resulting clones can be identified either negatively or positively. In negatively marked clones, the fly is transheterozygous for a gene encoding a visible marker (commonly the green fluorescent protein) and an allele of a gene to be studied (both on chromosomes bearing FRT sites). After induction of FLP expression, cells that undergo recombination will have progeny homozygous for either the marker or the allele being studied. Therefore, the cells that do not carry the marker (which are dark) can be identified as carrying a mutation. Using negatively marked clones is sometimes inconvenient, especially when generating very small patches of cells, where seeing a dark spot on a bright background is more difficult than a bright spot on a dark background. Creating positively marked clones is possible using the so called MARCM ("mosaic analysis with a repressible cell marker" system, developed by Liqun Luo, a professor at Stanford University, and his postdoctoral student Tzumin Lee, who now leads a group at Janelia Farm Research Campus. This system builds on the GAL4/UAS system, which is used to express GFP in specific cells. However, a globally expressed GAL80 gene is used to repress the action of GAL4, preventing the expression of GFP. Instead of using GFP to mark the wild type chromosome as above, GAL80 serves this purpose, so that when it is removed by mitotic recombination, GAL4 is allowed to function, and GFP turns on. This results in the cells of interest being marked brightly in a dark background.