Кіріспе

Эукариоттарда гибридтік дисгенезге себеп болатын транспозицияланатын элементтер класы – химиялық элемент P. P элементтері – гибридтік дисгенез деп аталатын генетикалық белгілердің себепшісі ретінде дрозофилада табылган транспозицияланатын элементтер. Транспозон P элементінің P белгісін тудырады және ол тек жабайы түрдегі шыбындарда ғана кездеседі. Олар көптеген басқа эукариоттарда да кездеседі. Бұл атауды алғаш рет эволюциялық биолог Маргарет Кидвелл ұсынды, ол Джеймс Кидвелл мен Джон Сведпен бірге дрозофиладағы гибридтік дисгенезді зерттеді. Олар репродуктивтік рөлде гибридтік дисгенезге үлес қосса, штаммдарды аталық P және аналық M деп атады. P элементі P транспозаза деп аталатын ферментті кодтайды. Зертханада өсірілген аналықтардан айырмашылығы, жабайы типтегі аналықтар да дәл сол элементпен өндірілетін P транспозаза функциясының ингибиторын экспресс ете алады деп есептеледі. Бұл ингибитор P элементтерінің қозғалысынан туындаған геномның бұзылуын азайтады, нәтижесінде құнарлы ұрпақ пайда болады. Бұл туралы дәлел – лабораториялық аналықтарды (оларда P транспозаза ингибиторы жоқ) жабайы типтегі аталықтармен (оларда P элементтері бар) будандастырудан алынған. Ингибитор болмаған жағдайда P элементтері геном бойынша көбейіп, көптеген гендерді бұзады және көбінесе ұрпаққа өлім немесе сүйексіздік әкеледі. P элементтері дрозофиламен генетикалық эксперименттерде мутагендік агенттер ретінде жиі қолданылады. Бұл тәсілдің бір артықшылығы – мутацияларды оңай табуға болады. Гибридтік дисгенез кезінде дрозофиланың бір штаммы екінші штаммымен жұптасып, гибридтік ұрпақ тудырады және хромосомалық зақымдануға себеп болады. Гибридтік дисгенез үшін екі ата-ананың да қатысуы қажет. Мысалы, P M жүйесінде, P штаммы аталық жағынан, ал M штаммы аналық жағынан үлес қосса, дисгенез пайда болуы мүмкін. Кері будандастыру, M цитотипі бар әке және P цитотипі бар анасы бар жағдайда, қалыпты ұрпақ береді, өйткені бұл P x P немесе M x M будандастыруымен өтеді. P аталық хромосомалары M аналық хромосомаларымен будандастырылғанда дисгенезге себеп болуы мүмкін.

Сипаттамалары

P элементі II кластағы транспозон болып табылады және ДНҚ-ға негізделген "кесіп-жабыстыру" механизмі арқылы жылғалыстайды. Тану тізбегі үш интронмен бөлінген төрт экзоннан тұрады. Интронның толық бірігуі транспозаза ферментін жасайды, ал 1 және 2 интронның баламалы жартылай бірігуі, тек 3 интрон мРНҚ транскриптісінде қалады, P элементінің репрессорын кодтайды. Толық, автономды P элементі транспозаза ферментін кодтайды, ол P элементінің екі басындағы 31 жұп негіздік терминалды инвертті қайталауларды таниды және P элементінің экзициясы мен қайтадан енуін катализдейді. Толық элементтің ұзындығы 2907 жұп негіздік; автономды емес P элементтері транспозаза өндірісін тоқтататын әртүрлі ұзындықтағы ішкі жойылған бөліктерге ие, бірақ геномның басқа бөлігінде функционалды транспозаза кодталған болса, мұндай элементтер де жұмылдырылуы мүмкін. P элементін енгізу және одан кейінгі экзиция экзиция орнында міндетті түрде 8 жұп негіздік тікелей қайталауларды қалдырады; сондықтан мұндай қайталаулардың болуы бұрынғы P элементінің активтілігін көрсетеді. Барлық P элементтері 31 жұп негіздік терминалды инвертті қайталаулар мен транспозазаның THAP доменінде орналасқан 11 жұп негіздік ішкі инвертті қайталауларды қамтитын канондық құрылымға ие. Ең қысқа және ең ұзын P элементтері автономды емес элементтер болып табылады. Ең ұзын P элементтері транспозицияға қажетті транспозазаны кодтайды. Транспозазаны кодтайтын дәл сол тізбек, жасушалардың даму кезінде цитоплазмада жиналатын транспозицияны тежеушіні де кодтайды. Осылайша, P немесе M еркек және P әйелдің будандасуында әйел цитоплазмасында P элементтеріне байланып, олардың транспозициясын болдырмайтын тежеуші болады.

Гибридтік дисгенез

Гибридтік дисгенез – автономды P элементтері бар еркектер мен P элементтері жоқ әйелдердің (M штаммы/M цитотипі) будандасуынан туындаған Drosophila штаммдарының герм жасушаларында мутация деңгейінің жоғарылауын білдіреді. Гибридтік дисгенез синдромы температураға тәуелді сүйексіздікпен, жоғары мутация жылдамдығымен және хромосомалық реттелу мен рекомбинацияның күшеюімен сипатталады. Гибридтік дисгенез фенотипіне P штаммының еркектерінен және M штаммының әйелдерінен туған ұрпақтың герм жасушаларында P элементтерінің транспозициясының әсері тиеді. Транспозиция тек герм жасушаларында ғана жүзеге асады, себебі транспозаза мРНК-ны жасауға қажетті тігілу оқиғасы соматикалық жасушаларда болмайды. Гибридтік дисгенез P штаммының еркектерін M штаммының әйелдерімен будандастырғанда байқалады, ал P штаммының әйелдерін (автономды P элементтері бар әйелдер) M штаммының еркектерімен будандастырғанда көрінбейді. P штаммының әйелдерінің жұмыртқаларында транспозаза генінің транскрипциясын тежеуге қабілетті репрессорлық ақуыздың жоғары концентрациясы болады. Репрессорлық ақуызды қамтымайтын M штаммының аналарының жұмыртқалары әкесінің сперматозоидтарынан P элементтерінің транспозициясына мүмкіндік береді. P штаммының әйелдерінде репрессорлар цитоплазмада орналасқан. Сондықтан, P штаммының еркектері M штаммының әйелдерін ұрықтандырғанда (цитоплазмасында репрессор жоқ), еркек геномын P элементімен бірге береді, бірақ ұрпаққа P штаммын жеткізмейтін еркек цитоплазмасын бермейді.

Молекулалық биологияда қолдану

P элементі мутаген ретінде Drosophila зерттеулерінде кеңінен қолданылады. Мутагенез жүйесі әдетте автономды, бірақ жылғалмайтын элементті және жылжымалы, автономды емес элементті пайдаланады. Келесі ұрпақтардың шыбықтары фенотип бойынша немесе ПТР арқылы тексеріледі. Табиғи P элементтері транспозаза ферментінің кодтау тізбесін және транспозазаның әрекет етуі үшін тану тізбектерін қамтиды. Транспозаза иесі ДНК-дан P элементінің шығарылуын реттейді және катализдейді, екі тану орнында кесіп, содан кейін кездейсоқ түрде қайта енгізеді. Дәл осы кездейсоқ енгізілу бар гендердің жұмысына бөгет қоюы немесе генетикалық зерттеулерде қолданылатын қосымша генді алып жүруі мүмкін. Оны пайдалы және бақыланатын генетикалық құрал ретінде пайдалану үшін P элементінің екі бөлігін бақыланбайтын транспозицияны болдырмау үшін бөліп алу қажет. Қолданылатын негізгі генетикалық құралдар – транспозазаны кодтаушы ДНК, онда транспозаза тану тізбектері болмайды, сондықтан ол енгізілмейді, және "P плазмиді". P плазмидтері әрқашан Drosophila репортерлік генін, көбінесе қызыл көз маркерін (ақ геннің өнімі) және транспозаза тану тізбектерін қамтиды. Оларда зерттелетін ген, E. coli-де таңдауға арналған ген, көбінесе антибиотикке төзімділік, репликацияның басталу орны немесе басқа да плазмидаға тән "үй шаруашылығы" тізбектері болуы мүмкін.

Ұшқа айналу

P элементін плазмидке клондап, бактерияда өсіріңіз. P транспозазасын жойып, оны қызығушылық тудыратын генмен алмастырыңыз. Ерте сатыдағы (жасушалық емес) эмбрионның артқы жағына транспозазаны кодтайтын ДНК және репортер генін, қызығушылық тудыратын генді және транспозаза тану тізбектерін қамтитын плазмидті микроинъекция арқылы енгізіңіз. Кездейсоқ транспозиция жүреді, қызығушылық тудыратын ген мен репортер гені енгізіледі. Қызығушылық тудыратын ген енгізілгеннен кейін ол көшпейді, өйткені өзінің P транспозазасын өндіре алмайды. Шыбықтарды өсіріп, организм жасушалары арасындағы генетикалық айырмашылықты жою үшін будандастырыңыз. (Организмнің жасушаларының тек бір бөлігі ғана трансформацияланады. Осы трансформацияланған жасушалардың кейбіреуі герм жасушаларына еніп кеткеніне үміттенеміз. Трансформацияланған гаметадан жасушалары арасында айырмашылық жоқ организм пайда болады). Репортер генін экспрессиялайтын шыбықтарды іздеңіз. Олардың ішінде енгізілген қызығушылық тудыратын ген бар, сондықтан геннің фенотипін анықтауға болады. Енгізілген геннің әсерінен иесінің бір генінің функциясы бұзылуы мүмкін. Қосымша гендер жойылмағанын қамтамасыз ету үшін бірнеше шыбықтардың желісі қажет.

Көтергішпен тұтқындау

Басқа геннен күшейткішті (энхансерді) қолдану осы күшейткіштің (энхансердің) қызметін талдауға мүмкіндік береді. Әсіресе, егер репортерлік ген флуоресцентті ақуызды кодтаса, бұл организмдегі мутацияланған геннің экспрессиясын анықтауға көмектеседі және өте қуатты құрал болып табылады. Бұл гендік экспрессияның үлгілерін (уақыт және кеңістік бойынша) зерттеу үшін пайдалы құрал.

Басқа қолданылу

Бұл әдістер кері генетика деп аталады. Кері генетика – ДНҚ тізбектелу арқылы алынған нақты ген тізбектерінің фенотиптік әсерлерін талдау арқылы геннің қызметін анықтау тәсілі.

Кері ПТР

Шыбын геномын оқшаулау. Жеңіл қорытудан өткізу (репортерлік генді кеспейтін белгілі фермент [фермент 1] қолданылып), бірнеше килобазалық фрагменттер алу, олардың кейбіреулері инсерт және оның іргелес ДНК-сымен бірге. Қорытылдыны өздігінен байланыстыру (өздігінен байланысуды қамтамасыз ету үшін төмен ДНК концентрациясы), инсерт және оның іргелес ДНК-сы бар циркулярлы ДНК фрагменттерінің таңдауын беру. Плазмидтерді репортерлік геннің бір жерінде кесу (геномдық ДНК-да сирек кездесетін, бірақ репортерлік генде белгілі бір жерде кесетін фермент [фермент 2] арқылы). Репортерлік геннің бөліктеріне арналған праймерлерді пайдаланып, ДНК-ны тізбектеу үшін амплификациялау. Кесу, өздігінен байланыстыру және қайта кесу процесі ДНК тізбегін білмей, оның іргелес аймақтарын амплификациялауға мүмкіндік береді. [Фермент 1] кесу орнын анықтау арқылы лигация болған жерді анықтауға болады.

Плазмидтерді құтқару

Шыбын геномын оқшаулау. Жеңіл дигестке (репортер гені мен E. coli репортер гені және плазмидтік тізбектер арасындағы шекараны кесетін [фермент 1] ферментін қолдану арқылы) түсіру, бірнеше килобазалық фрагменттерді, соның ішінде E. coli репортері, плазмидтік тізбектер және оған іргелес ДНК-ны алу. Дигестті өзін-өзі байлауға (өзін-өзі байлауды қамтамасыз ету үшін төмен ДНК концентрациясы) жіберіп, циркулярлық ДНК фрагменттерінің таңдауын алу, олардың кейбіреулерінде E. coli репортері, плазмидтік тізбектер және оған іргелес ДНК болады. Плазмидтерді E. coli жасушаларына енгізу (мысалы, электропорация арқылы). E. coli таңдамалы маркер гені үшін плазмидтерді іріктеу. Плазмидтің "үй шаруашылығы" тізбектері бар плазмидтер ғана бұл генді экспрессиялайды. Генді одан әрі талдау үшін клондауға болады.