Введение

Состояние в многоклеточных организмах

Мозаицизм, или генетический мозаицизм, – это состояние, при котором многоклеточный организм обладает более чем одной генетической линией в результате генетической мутации. Это означает, что различные генетические линии произошли из одной оплодотворенной яйцеклетки. Мозаицизм является одной из возможных причин химеризма, при котором один организм состоит из клеток с более чем одним отчетливым генотипом. Генетический мозаицизм может быть результатом различных механизмов, включая нерасхождение хромосом, анафазовую задержку и эндорепликацию. Анафазная отсталость – наиболее распространенный способ возникновения мозаицизма в предимплантационном эмбрионе. Соматический мозаицизм обычно не наследуется, поскольку обычно не затрагивает зародышевые клетки. Мюллер в 1930 году показал, что мозаицизм у дрозофилы всегда связан с хромосомными перестройками, а Шульц в 1936 году продемонстрировал, что во всех изученных случаях эти перестройки были связаны с гетерохроматическими инертными областями. Было предложено несколько гипотез о природе такого мозаицизма. Одна из гипотез предполагала, что мозаицизм возникает в результате разрыва и потери сегментов хромосом. Курт Стерн в 1935 году предположил, что структурные изменения в хромосомах происходят в результате соматического кроссинговера, приводящего к мутациям или небольшим хромосомным перестройкам в соматических клетках. Таким образом, инертная область вызывает увеличение частоты мутаций или небольших хромосомных перестроек в активных сегментах, прилегающих к инертным областям. В 1930-х годах Стерн продемонстрировал, что генетическая рекомбинация, нормальная для мейоза, может происходить и при митозе. В этом случае образуются соматические (телесные) мозаики. Эти организмы содержат два или более генетически различных типа тканей. Термин «соматический мозаицизм» был использован К.В. Коттерманом в 1956 году в его основополагающей работе по антигенной вариации. В 1944 году Белговский предположил, что мозаицизм не может объяснить некоторые проявления мозаицизма, вызванные хромосомными перестройками, затрагивающими гетерохроматические инертные области. Сопутствующее ослабление биохимической активности привело к тому, что он назвал это генетической химерой. Обычно причиной является мутация, произошедшая в ранней стволовой клетке, давшей начало всем или части гамет.

Соматический мозаицизм

Соматический мозаицизм (также известный как клональный мозаицизм) возникает, когда соматические клетки организма несут более одного генотипа. В наиболее распространенных случаях мозаицизма различные генотипы возникают из одной оплодотворенной яйцеклетки вследствие митотических ошибок на ранних или поздних стадиях деления. Соматические мутации, приводящие к мозаицизму, часто встречаются в начале и конце жизни человека.

Трисомия, моносомия и связанные с ними заболевания

Наиболее распространенная форма мозаицизма, выявляемая при пренатальной диагностике, включает трисомии. Хотя большинство форм трисомии обусловлены проблемами в мейозе и затрагивают все клетки организма, в некоторых случаях трисомия возникает лишь в определенной части клеток. Это может быть вызвано нерасхождением в раннем митозе, приводящим к потере хромосомы в некоторых трисомических клетках. Как правило, это приводит к менее выраженному фенотипу, чем у немозаичных пациентов с тем же заболеванием. В редких случаях интерсексуальные состояния могут быть вызваны мозаицизмом, когда некоторые клетки организма имеют хромосомный набор XX, а другие – XY (46, XX/XY). У плодовой мушки Drosophila melanogaster, где мушка с двумя X-хромосомами является самкой, а с одной X-хромосомой – стерильным самцом, потеря X-хромосомы на ранних стадиях эмбрионального развития может привести к половым мозаикам, или гинандроморфам. При ревертантном мозаицизме здоровая ткань, сформированная в результате митотической рекомбинации, может вытеснять исходные, окружающие мутантные клетки в тканях, таких как кровь и эпителий, которые часто регенерируют. Истинный мозаицизм не следует путать с феноменом инактивации X-хромосомы, когда все клетки организма имеют один и тот же генотип, но в разных клетках экспрессируется разная копия X-хромосомы. Последнее наблюдается у нормальных (XX) самок млекопитающих, хотя это не всегда проявляется в фенотипе (как у кошек-калико). Однако, вероятно, все многоклеточные организмы в определенной степени являются соматическими мозаиками.

Гоносомальный мозаицизм

Гоносомальный мозаицизм – это тип соматического мозаицизма, возникающий на очень ранних стадиях развития организма и, следовательно, присутствующий как в зародышевых, так и в соматических клетках. Соматический мозаицизм, как правило, не наследуется, поскольку обычно не затрагивает зародышевые клетки. Однако при гоносомальном мозаицизме организм способен передавать генетическое изменение, в том числе и своему потомству, так как измененный аллель присутствует как в соматических, так и в зародышевых клетках.

Митотическая рекомбинация

Один из основных механизмов, способных привести к образованию мозаичной ткани, – митотическая рекомбинация или соматический кроссовер. Впервые он был обнаружен Куртом Стерном у дрозофилы в 1936 году. Объем мозаичной ткани зависит от того, на какой стадии древа клеточных делений происходит обмен. Фенотипический признак, называемый "двойное пятно", наблюдаемый у дрозофилы, является результатом митотической рекомбинации. Однако это также зависит от аллельного состава генов, подвергающихся рекомбинации. Двойное пятно возникает только в том случае, если гетерозиготные гены сцеплены в отталкивающей фазе, то есть находятся в транс-конфигурации. Рекомбинация должна происходить между центромерами соседних генов. Это приводит к появлению желтых участков на фоне дикого типа у дрозофилы. Другой пример митотической рекомбинации – синдром Блума, который возникает из-за мутации в гене *blm*. В результате получаемый белок BLM является дефектным. Дефект в RecQ, геликазе, облегчает нарушение раскручивания ДНК во время репликации, что связано с возникновением этого заболевания.

Использование в экспериментальной биологии

Генетическая мозаика — особенно мощный инструмент при работе с широко изучаемой плодовой мухой, где специально отобранные штаммы часто теряют X- или Y-хромосому в одном из первых делений эмбриональных клеток. Эти мозаики затем можно использовать для анализа, например, брачного поведения. В последнее время использование трансгена, встроенного в геном дрозофилы, значительно повысило гибкость системы. Флип-рекомбиназа (или FLP) — это ген из широко изучаемых дрожжей *Saccharomyces cerevisiae*, который распознает сайты «целевой рекомбиназы флип» (FRT) — короткие последовательности ДНК — и индуцирует рекомбинацию между ними. Сайты FRT были трансгенно вставлены вблизи центромер каждого плеча хромосомы *D. melanogaster*. Экспрессию гена FLP можно индуцировать селективно, обычно с использованием промотора теплового шока или системы GAL4/UAS. Полученные клоны можно идентифицировать как отрицательно, так и положительно. В отрицательно меченых клонах муха является траншетерозиготной по гену, кодирующему видимый маркер (обычно зеленый флуоресцентный белок), и аллелю изучаемого гена (оба расположены на хромосомах, несущих сайты FRT). После индукции экспрессии FLP клетки, подвергшиеся рекомбинации, дадут потомство, гомозиготное либо по маркеру, либо по изучаемому аллелю. Следовательно, клетки, не несущие маркер (выглядящие темными), можно идентифицировать как клетки с мутацией. Использование отрицательно меченых клонов иногда неудобно, особенно при создании очень маленьких участков клеток, где темное пятно на светлом фоне труднее увидеть, чем светлое пятно на темном фоне. Создание положительно меченых клонов возможно с использованием так называемой системы MARCM («мозаичный анализ с подавляемым клеточным маркером»), разработанной Ликуном Лоу, профессором Стэнфордского университета, и его аспирантом Цумином Ли, который сейчас возглавляет группу в Janelia Farm Research Campus. Эта система основана на системе GAL4/UAS, которая используется для экспрессии GFP в определенных клетках. Однако глобально экспрессируемый ген *GAL80* используется для подавления действия GAL4, предотвращая экспрессию GFP. Вместо использования GFP для маркировки хромосомы дикого типа, как описано выше, эту функцию выполняет GAL80, так что при его удалении в результате митотической рекомбинации GAL4 может функционировать, и GFP включается. В результате клетки, представляющие интерес, ярко выделяются на темном фоне.