Введение

Класс переносимых элементов, вызывающих гибридный дисгенез у эукариотов.
Химический элемент P.
P-элементы — это переносимые элементы, которые были обнаружены у дрозофилы как причина генетических признаков, называемых гибридным дисгенезом. Транспозон отвечает за P-признак P-элемента и встречается только у диких мух. Они также встречаются у многих других эукариотов. Название было впервые предложено эволюционным биологом Маргарет Кидвелл, которая вместе с Джеймсом Кидвеллом и Джоном Сведом изучала гибридный дисгенез у дрозофилы. Они обозначали штаммы как P (отцовский) и M (материнский), если они способствовали развитию гибридного дисгенеза в этой репродуктивной роли. P-элемент кодирует фермент, известный как P-транспозаза. В отличие от лабораторных самок, самки дикого типа, предположительно, также экспрессируют ингибитор функции P-транспозазы, производимый тем же самым элементом. Этот ингибитор снижает повреждение генома, вызванное перемещением P-элементов, обеспечивая получение плодовитого потомства. Подтверждением этого служат скрещивания лабораторных самок (у которых отсутствует ингибитор P-транспозазы) с самцами дикого типа (у которых есть P-элементы). В отсутствие ингибитора P-элементы могут распространяться по всему геному, нарушая работу многих генов и часто оказываясь летальными для потомства или вызывая его стерильность. P-элементы обычно используются в качестве мутагенных агентов в генетических экспериментах с дрозофилой. Одним из преимуществ этого подхода является простота локализации вызванных мутаций. При гибридном дисгенезе один штамм дрозофилы скрещивается с другим штаммом дрозофилы, производя гибридное потомство и вызывая хромосомные повреждения, известные как дисгенные. Гибридный дисгенез требует вклада обоих родителей. Например, в системе P-M, где штамм P вносит вклад по отцовской линии, а штамм M — по материнской, может возникнуть дисгенез. Обратное скрещивание, с самцом цитотипа M и самкой P, дает нормальное потомство, поскольку происходит скрещивание типа P x P или M x M. P-хромосомы самцов могут вызывать дисгенез при скрещивании с самками M.

Характеристики

P-элемент является транспозоном класса II и перемещается посредством ДНК-опосредованного механизма "вырезания и вставки". Последовательность распознавания состоит из четырех экзонов, разделенных тремя интронами. Полный сплайсинг интронов приводит к образованию фермента транспозазы, а альтернативный частичный сплайсинг интронов 1 и 2, оставляющий только интрон 3 в транскрипте мРНК, кодирует репрессор P-элемента. Полный, автономный P-элемент кодирует фермент транспозазу, который распознает 31-парные терминальные инвертированные повторы на обоих концах P-элемента и катализирует вырезание и повторное встраивание P-элемента. Полный элемент имеет длину 2907 пар оснований; неавтономные P-элементы содержат внутреннюю делецию различной длины, которая блокирует продукцию транспозазы, однако такие элементы все еще могут быть мобилизованы, если функциональная транспозаза кодируется в другом месте генома. Встраивание P-элемента и последующее его вырезание неизбежно оставляет после себя 8-парные прямые повторы в месте вырезания; таким образом, наличие таких повторов свидетельствует о предшествующей активности P-элемента. Все P-элементы имеют каноническую структуру, содержащую 31-парные терминальные инвертированные повторы и 11-парные внутренние инвертированные повторы, расположенные в домене THAP транспозазы. Самые короткие и самые длинные P-элементы являются неавтономными элементами. Самые длинные P-элементы кодируют транспозазу, необходимую для транспозиции. Та же последовательность, которая кодирует транспозазу, также кодирует супрессор транспозиции, который накапливается в цитоплазме в процессе развития клеток. Таким образом, при скрещивании самца P или M с самкой P, цитоплазма самки содержит супрессор, который связывается с любыми P-элементами и предотвращает их транспозицию.

Гибридная дисгенеза

Гибридный дисгенез относится к высокой частоте мутаций в клетках зародышевой линии штаммов дрозофилы, возникающей в результате скрещивания самцов с автономными P-элементами (P-штамм / P-цитотип) и самок, не содержащих P-элементы (M-штамм / M-цитотип). Синдром гибридного дисгенеза характеризуется температурно-зависимой стерильностью, повышенной частотой мутаций, а также увеличением хромосомных перестроек и рекомбинации. Фенотип гибридного дисгенеза обусловлен транспозицией P-элементов в клетках зародышевой линии потомства, полученного от самцов штамма P и самок штамма M. Транспозиция происходит только в клетках зародышевой линии, поскольку событие сплайсинга, необходимое для синтеза мРНК транспозазы, не происходит в соматических клетках. Гибридный дисгенез проявляется при скрещивании самцов штамма P с самками штамма M, но не при скрещивании самок штамма P (самок с автономными P-элементами) с самцами штамма M. Яйца самок штамма P содержат большое количество репрессорного белка, который подавляет транскрипцию гена транспозазы. Яйца самок штамма M, не содержащие репрессорный белок, позволяют осуществляться транспозицию P-элементов из спермы самцов. У самок штамма P репрессоры находятся в цитоплазме. Следовательно, когда самцы штамма P оплодотворяют самок штамма M (цитоплазма которых не содержит репрессора), самец вносит свой геном с P-элементом, но не мужскую цитоплазму, что приводит к потомству штамма P.

Использование в молекулярной биологии

P-элемент получил широкое применение в исследованиях дрозофилы в качестве мутагена. Система мутагенеза обычно использует автономный, но немобильный элемент и мобильный неавтономный элемент. Мух последующих поколений затем можно подвергнуть скринингу по фенотипу или ПЦР. Естественно встречающиеся P-элементы содержат кодирующую последовательность для фермента транспозазы и последовательности распознавания для её действия. Транспозаза регулирует и катализирует вырезание P-элемента из ДНК хозяина, разрезая в двух точках распознавания, а затем случайную повторную вставку. Именно случайная вставка может нарушить функцию существующих генов или внести дополнительный ген, который можно использовать для генетических исследований. Чтобы использовать P-элемент как полезный и контролируемый генетический инструмент, две его части необходимо разделить, чтобы предотвратить неконтролируемую транспозицию. Стандартные генетические инструменты – это ДНК, кодирующая транспозазу, но лишенная последовательностей распознавания транспозазы, что исключает её вставку, и "P-плазмида". P-плазмиды всегда содержат репортерный ген дрозофилы, часто маркер красного цвета глаз (продукт гена *white*), и последовательности распознавания транспозазы. Они могут содержать интересующий ген, ген-маркер для селекции в *E. coli*, как правило, ген устойчивости к антибиотикам, начало репликации или другие плазмидные "хозяйственные" последовательности.

Преобразование мухи

Клонируйте элемент P в плазмиду, трансформируйте и культивируйте ее в бактериях. Удалите P-транспозазу и замените ее на интересующий вас ген. Микроинъецируйте ДНК, кодирующую транспозазу, и плазмиду с репортерным геном, интересующим геном и последовательностями распознавания транспозазы, в задний конец эмбриона на ранней стадии (до клеточной стадии). Происходит случайная транспозиция, вставляющая интересующий ген и репортерный ген. После вставки интересующего гена он становится неподвижным, поскольку не может производить собственную P-транспозазу. Выращивайте мух и скрещивайте их для устранения генетической мозаичности между клетками организма. (Трансформируются лишь некоторые клетки организма. Надеемся, что некоторые из этих трансформированных клеток попадут в зародышевую линию. Трансформированная гамета даст начало организму, клетки которого генетически однородны). Ищите мух, экспрессирующих репортерный ген. Они несут вставленный интересующий ген, который можно исследовать для определения фенотипа, обусловленного этим геном. Вставленный ген может нарушить функцию одного из генов хозяина. Необходимо получить несколько линий мух для сравнения и убедиться, что не произошло выключения дополнительных генов.

Захват усилителя

Угон энхансера от другого гена позволяет анализировать функцию этого энхансера. Особенно, если репортерный ген кодирует флуоресцентный белок, это можно использовать для картирования экспрессии мутировавшего гена во всем организме, что является очень мощным инструментом. Это полезный метод для изучения паттернов экспрессии генов во времени и пространстве.

Другие виды использования

Эти методы называют обратной генетикой. Обратная генетика — это подход к определению функции гена путём анализа фенотипических последствий конкретных последовательностей генов, полученных с помощью секвенирования ДНК.

Инверсная ПЦР

Изолировать геном мухи. Провести частичное переваривание (с использованием фермента [фермент 1], который, как известно, НЕ расщепляет репортерный ген), получая фрагменты в несколько килобаз, некоторые из которых содержат вставку и прилегающие к ней участки ДНК. Самолигировать полученные фрагменты (при низкой концентрации ДНК для обеспечения самолигирования), что даст набор циркулярных фрагментов ДНК, некоторые из которых содержат вставку и прилегающие к ней участки ДНК. Разрезать плазмиды в определенной точке репортерного гена (с помощью фермента [фермент 2], который, как известно, очень редко расщепляет геномную ДНК, но расщепляет репортерный ген). Используя праймеры к участкам репортерного гена, ДНК можно амплифицировать для секвенирования. Процесс разрезания, самолигирования и повторного разрезания позволяет амплифицировать фланкирующие области ДНК, не зная их последовательности. Место лигирования можно определить, идентифицировав сайт разрезания фермента [фермент 1].

Спасение плазмиды

Изолировать геном мухи. Провести частичное расщепление (с использованием фермента [фермент 1], известного своей способностью разрезать в области границы между репортерным геном и геном-репортером E. coli, а также плазмидными последовательностями), что позволит получить фрагменты размером в несколько килобаз, некоторые из которых будут содержать репортер E. coli, плазмидные последовательности и фланкирующую ДНК. Провести самолигирование полученных фрагментов (при низкой концентрации ДНК для обеспечения самолигирования), получив набор циркулярных фрагментов ДНК, среди которых будут фрагменты, содержащие репортер E. coli, плазмидные последовательности и фланкирующую ДНК. Ввести плазмиды в клетки E. coli (например, методом электропорации). Отобрать плазмиды, содержащие ген селективного маркера E. coli. Экспрессия этого гена будет наблюдаться только в тех плазмидах, которые успешно встроились и содержат плазмидные последовательности, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки ("домашние" гены плазмиды). Полученный ген можно клонировать для дальнейшего анализа.