Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эффект положения мозаичного типа, возникающий вследствие перемещения транспозона в геноме Drosophila melanogaster

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Баласов, Максим Лоуренсович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕНА У Drosophila melanogaster (обзор литературы)

1.1 Эффект положения стабильного типа.

1.2 Эффект положения мозаичного типа (ЭПМ).

1.2.1 Генетическая инактивация при ЭПМ.

1.2.2 Компактизация и структура хроматина при ЭПМ.

1.2.3 Время установления мозаичной инактивации в онтогенезе.

1.3 Модификаторы ЭПМ.

1.3.1 Генетические модификаторы ЭПМ.

1.3.2 Супрессоры ЭПМ.

1.3.3 Энхансеры ЭПМ.

1.3.4 Гены Pc-G.

1.3.5 Модели ЭПМ.

1.4 Теломерный эффект положения (ТЭП) у D. melanogaster.

1.4.1 Модификаторы ТЭП.

1.5 ДНК-элементы препятствующие распространению гетерохроматиновой инактивации.

1.5.1 ДНК-элементы способные инициировать ЭПМ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Эффект положения мозаичного типа, возникающий вследствие перемещения транспозона в геноме Drosophila melanogaster"

Актуальность Многочисленные исследования показали, что транскрипция контролируется взаимодействием позитивных и негативных регуляторных факторов со специфическими элементами ДНК. Однако эукариотический геном организован в сложную и гетерогенную структуру, называемую хроматином, который значительно влияет на уровень экспрессии расположенных в нем генов. Широко известны такие феномены как инактивация Х-хромосомы млекопитающих, «молчание» генов типов спаривания у дрожжей, выключение гомеозисных генов в развитии, эффект положения мозаичного типа, теломерный эффект положения.

Эффект положения мозаичного типа (ЭПМ) у Drosophila возникает при перемещении эухроматинового гена в прицентромерный гетерохроматин, что приводит к инактивации гена в части клеток. Такая инактивация обусловлена распространением гетерохроматинового состояния на эухроматиновый участок. В настоящее время охарактеризовано около 10 генов, влияющих на инактивирующие свойства гетерохроматина. Часть из них кодирует структурные белки, гомологи которых обнаружены у дрожжей и млекопитающих. На культурах клеток млекопитающих показано, что эти белки взаимодействуют помимо гетерохроматина с транскрипционными ко-активаторами, чья функция состоит в формировании структуры хроматина, благоприятной для транскрипции (Nielsen et al., 1999; Murzina et al., 1999). С другой стороны, несмотря на 70-летнюю историю изучения эффекта положения, практически ничего не известно о элементах ДНК, способных вызывать гетерохроматиновую инактивацию. При получении и анализе хромосомных перестроек с эффектом положения оказалось, что не все эу-гетерохроматиновые перестройки вызывают эффект положения, а обратные хромосомные перестройки, которые восстанавливают нормальную экспрессию гена, часто сохраняют крупные блоки гетерохроматина вблизи точки разрыва. Это позволило исследователям выдвинуть предположение о существовании специфических участков в гетерохроматине, способных вызывать эффект положения. Их поиску с помощью перемещения в геноме транспозона, содержащего репортерный ген white, посвящена данная работа.

Цель работы Целью данной работы был поиск специфических участков ДНК в геноме Drosophila melanogaster, способных вызывать гетерохроматиновую инактивацию. В связи с этим были поставлены следующие конкретные задачи:

• Индуцировать перемещение транспозона AR4-24[white, rosy] с помощью эндогенного источника транспозазы Р-элемента в геноме Drosophila melanogaster.

• Получить линии с мозаичной экспрессией гена white.

• Исследовать влияние известных модификаторов эффекта положения на экспрессию трансгена в полученных линиях.

• Определить сайты встроек транспозона в трансгенных линиях, демонстрирующих эффект положения мозаичного типа.

• Клонировать и охарактеризовать прилежащие к трансгену последовательности геномной ДНК из этих линий.

Научная новизна Впервые получена встройка транспозона, содержащего ген white, в эухроматин с эффектом положения мозаичного типа. Показано изменение экспрессии трансгена w+ под действием модификаторов эффекта положения. Получены доказательства того, что именно фланкирующие трансген последовательности ДНК вызывают эффект положения мозаичного 6 типа гена white. Часть из этих последовательностей клонирована и охарактеризована.

Практическая ценность Полученные линии и клоны ДНК открывают возможность для изучения молекулярных механизмов взаимодействия структурных белков гетерохроматина с нативными элементами ДНК, вызывающими эффект положения.

Апробация работы Основные результаты этой работы были представлены в докладе на Второй международной конференции по гетерохроматину Drosophila 1995г (Гонолулу, США) и на отчетной сессии Института Цитологии и Генетики СО РАН (1999). Объем работы Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания матариалов и методов, результатов, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 92 страницах, содержит 13 рисунков и 5 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Генетика", Баласов, Максим Лоуренсович

Выводы

1. Получена встройка репортерного гена в эухроматин, которая демонстрирует эффект положения мозаичного типа.

2. Показано, что при перемещении трансгена в другие районы хромосом он переносит с собой примыкающую геномную ДНК.

3. Продемонстрировано, что потеря фланкирующих трансген последовательностей ДНК приводит к исчезновению эффекта положения мозаичного типа, таким образом выявлены последовательности, способные автономно индуцировать эффект положения мозаичного типа.

4. Определена первичная структура фрагмента последовательности ДНК, отвечающей за индукцию эффекта положения мозаичного типа. Установлено, что этот фрагмент содержит повторенные последовательности, представленные преимущественно в гетерохроматине.

81

5. Показано, что эффект положения трансгена white исчезает в присутствии генетического модификатора эффекта положения мозаичного типа Su(var)3-7, незначительно ослабевает под действием Su(var)3-9 и Su(var)2-5 и не меняется в присутствии Sn(var)3-6.

6. Получены встройки трансгена в теломерный район 2R хромосомы, которые проявляют черты эффекта положения мозаичного типа, теломерного эффекта положения и негативной регуляции, вызванной белками Pc-G.

7. Показано, что увеличение дозы гена структурного гетерохроматинового бел ока НР1 ослабляет позиционный эффект гена white в теломерном районе 2R хромосомы.

8. Предложена новая модель эффекта положения мозаичного типа, основанная на представлении о статистическом распределении структурных гетерохроматиновых белков вокруг центров инициирующих компактизацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многочисленные исследования прицентромерного гетерохроматина у ОговокИа melenogaster показали, что его компактное транскрипционно неактивное состояние обусловлено взаимодействием специфических структурных белков с последовательностями ДНК, составляющими гетерохроматин. Если гетерохроматиновые белки в настоящее время активно изучают, то относительно последовательностей ДНК существует больше догадок, чем экспериментальных фактов. В первой части данной работы впервые удалось выявить именно те фрагменты ДНК, которые способны подавлять транскрипцию репортерного гена в зависимости от дозы генов структурных гетерохроматиновых белков. Эти последовательности способны эффективно индуцировать ЭПМ даже за пределами ПГ.

Теломерный гетерохроматин обладает сходными с ПГ цитологическими характеристиками (эктопические контакты, поздняя репликация) и содержит некоторые общие последовательности ДНК, однако его белковые компоненты практически не исследованы. Единственный белок, присутствующий как в ПГ, так и теломерном гетерохроматине это - белок НР1. Во второй части данной работы показано, что НР1 увеличивает экспрессию репортерного гена встроившегося вблизи теломеры 211 хромосомы. Это может означать, что 1) теломерный гетерохроматин принципиально отличается от ПГ по своим свойствам, или 2) в районе встройки расположен ген, чья экспрессия в норме регулируется белком НР1.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Баласов, Максим Лоуренсович, Новосибирск

1. Беляева Е.С., Алексеенко A.A., Мошкин Ю.М., Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Генетический фактор, супрессирующий недорепликацию ДНК в политенных хромосомах Drosophila melanogaster // Генетика. 1998. Т.34. С.762-770.

2. Дубинин Н.П., Сидоров Б.Н. Зависимость действия гена от его положения в системе // Биол. журнал. 1934. Т.З. С.307-330.

3. Дубинин Н.П., Сидоров Б.Н. Эффект положения гена hairy II Биол. журнал. 1935. Т.1. С.543-564.

4. Дубинин Н.П., Соколов H.H., Тиняков Г.Г. Цитогенетический анализ эффекта положения // Биол. журнал. 1935. Т.4. С.707-720.

5. Жимулев И.Ф. Гетерохроматин и эффект положения гена // Новосибирск: Наука. 1993. С.490.

6. Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Д. Молекулярное клонирование // М.: Мир, 1984. С.480.

7. Нуждин Н.И. Кратные отношения частот мозаичности // Докл. АН СССР. 1946. Т.53. С.841-843.

8. Нуждин Н.И. Мозаичность и ее проявления // Изв. АН СССР. Отд. биол. наук. 1946. Т.7. С. 175-208.

9. Ю.Паншин И.Б. Новые доказательства справедливости гипотезы эффекта положения // Докл. АН СССР. 1935. Т.4(9). С. 79-82.

10. П.Паншин И.Б. Цитогенетическая природа эффекта положения генов white (mottled) и cubitus interuptus // Биол. журнал. 1938. Т.7. С.837-868.

11. Плохинский Н.А. Биометрия // М.: Изд-во Моск. У-та. 1970. С.367.

12. Прокофьева-Бельговская А. А. Гетерохроматические районы хромосом // М: Наука. 1986.

13. Сахаров В.В. Признак mottled у Drosophila melanogaster как случай эффекта положения // Докл. АН СССР. 1935. Т.4(9). С.83-86.

14. Balasov M.L. and Makunin I.V. Model of continuous and discontinuous chromatin compaction, resulting from position effect variegation // Biol.Zent.bl. 1996. V.115. P.16-23.

15. Belyaeva E.S. and Zhimulev I.F. Cytogenetic and molecular aspect of position effect variegation in Drosophila. III Continuous and discontinuous compactions as a result of PEV // Chromosoma. 1991. V.100. P.453-466.

16. Belyaeva E.S. and Zhimulev I.F. Heterochromatin of Drosophila II Genetica. 1991. V.27. P.375-378.

17. Benson M. and Pirrotta V. The Drosophila zeste gene protein binds cooperatively to sites in many gene regulatory regions: implications for transvection and gene regulation // EMBO J. 1988. V.7. P.3907-3915.

18. Bhadra U., Bhadra M.P., Birchler J.A. Interaction among dosage-dependent Yraw.v-acting modifiers of gene expression and position-effect variegation in Drosophila II Genetics. 1998. V.150. P.251-263.

19. Bi X., Braunstein M., Shei G-J., Broach J.R., The yeast HML I silencer defines a heterochromatin domain boundary by directional establishment of silencing//Proc.Natl. Acad. Sci.USA. 1999. V.21. P.l 1934-11939.

20. Boivin A. and Dura J-M. In vivo chromatin accessibility correlates with gene silencing in Drosophila II Genetics. 1998. V.150. P. 1539-1549.

21. Cleard F., Delattre M., Spierer P. Su(var)3-7, a Drosophila heterochromatin aassociated protein and companion of HP1 in the genomic silensing of position- effect variegation // EMBO J. 1997. Y.16. P.5280-5288.

22. Cockell M. and Gasser S.M. Nuclear compartmets and gene regulation // Curr. Opin. Genet. Dev. 1999. V.9. P. 199-205.

23. Cryderman D.E., Cuaycong M.H., Elgin S.C.R., Wallrath L.L. Characterization of sequences associated with position-effect variegation at pericentric sites in Drosophila heterochromatin // Chromosoma. 1998. V.107. P.277-285.

24. Dalby B., Pereira A.J., Goldstein L.S.B. An inverse PCR screen for the detection of P-element insertions in cloned genomic intervals in Drosophila melanogaster II Genetics. 1995. V.139. P.757-766.

25. De Rubertis F., Kadosh D., Henchoz S., Pauli D., Reuter G., Struhl K., Spierer P. The histone deacetylase RPD3 counteracts genomic silencing in Drosophila and yeast // Nature. 1996. V.384. P589-591.

26. Dombradi V. and Cohen P.T.W. Protein phosphorylation is involved in the regulation of chromatin condensation during interphase // FEBS. 1992. V.312. P.21-26.

27. Dorer D.R. and Henikoff S. Expansion of transgene repeats cause heterochromatin formation and gene silencing in Drosophila melanogaster I I Cell. 1994. V.77. P.993-1002.

28. Eissenberg J.C., Morris G.D, Reuter G., Hartnett T. The heterochromatin- associated protein HP1 is an essential protein in Drosophila with dosage- dependent effects on position effect variegation //Genetics V. 131. P.345-352.

29. Eissenberg T.C. and Hartnett T.A. heat shock-activated cDNA rescues the recessive lethality of mutations in the heterochromatin-associated protein HP1 of Drosophila melanogaster II Mol. Gen. Genet. 1993. V.240. P.333-338.

30. Elgin S.C.R. Heterochromatin and gene regulation in Drosophila II Curr.opin.Genet.Dev. 1996. V.6. P.193-202.

31. Fanti L., Dorer D.R., Berloco M., Henikoff S., Pimpinelli S. Heterochromatin protein 1 binds transgene arrays // Chromosoma 1998. V.107. P.286-292.

32. Farkas G., Gausz J., Galloni M., Reuter G., Gyurkovics H., Karch F. The Trithorax-like gene encodes the Drosophila GAGA factor I I Nature. 1994. V.371. P.806-808.

33. Festenstein R., Tolaini M., Corbella P., Mamalaki C., Parrington J., Fox M., Milion A., Jones M., Kioussis D. Locus control region function and heterochromatin-induced position effect variegation // Science. 1996. V.271. P.l 123-1125.

34. Georgiev P.G. Identification of mutations in three genes that interact with zesle in the control of white gene expression in Drosophila melanogaster / Genetics. 1994. V.138. P.733-739.

35. Gerasimova T.I., Gdula D.A., Gerasimov D.V., Simonova O., Corces V.G. A Drosophila protein that imparts directionality on a chromatin insulator is an enhancer of position-effect variegation // Cell. 1995. V.82. P.587-597.

36. Gubb D., Root J., Trenear J., Coulson D., Ashburner M. Topological constrains on transvection between white genes within the transposing element TE35B in Drosophila melanogaster II Genetics. 1997. V.146. P.919-937.

37. Hartmann-Goldstein I. On the relationship between heterochromatization and variegation in Drosophila with special reference to temperature sensitive periods // Genet.Res.Camb. 1967. V.10. P.143-159.

38. Hazelrigg T. and Peterson S. An unusual genomic position effect on Drosophila white gene expression: pairing dependence, interaction with zeste, and molecular analisis of revertants II Genetics. 1992. V.130. P.125-138.

39. Henchoz S., De Rubertis F., Pauli D., Spierer P. The dose of a putative ubiquitin-specific protease affects position-effect variegation in Drosophila melanogaster II Mol. Cell. Biol. 1996. V.16. P.5717-5725.

40. Henikoff S. and Dreesen T.D. Trans-inactivation of the Drosophila brown gene: evidence for transcriptional repression and somatic pairing dependence//Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1989. V.86. P.6704-6708.

41. Henikoff S. A pairing-looping model for position-effect variegation in Drosophila. In Genomes: Proceedings of the 21st Stadler genetics symposium // New York. Plenum Press. 1995. P.211-242.

42. Kauffmann B.P. Reversion from roughest to wild type in Drosophila melanogaster II Genetics. 1942. V.27. P.537-549.

43. Kirkpatrick R.B., Parveen Z., Martin P.F. Isolation of silencer-containing sequences causing a tissue-specific position effect on Alcohol Dehydrogenase expression in Dr. melanogaster //' Dev. Genet. 1994. V.15. P188-200.

44. Kornberg J.S. and Kauffman S. Variegated expression of the Sgs-4 locus in Drosophila melanogaster // Chromosoma. 1986. Y.94. P.205-216.

45. Kurenova E., Champion L., Biessmann H., Mason J.M. Directional gene silencing induced by a complex subtelomeric satellite from Drosophila II Chromosoma. 1998. V.107. P.311-320.

46. Lamond A. and Earnshaw W.C. Structure and function in the nucleus 11 Science. 1998. Y.280. P.547-553.

47. Larsson J., Zhang J., Rasmuson-Lestander A., Mutations in the Drosophila melanogaster gene encoding S-adenosylmethionine suppress position-effect variegation // Genetics. 1996. V.143. P.887-896.

48. Levis R., Hazelrigg T., Rubin G., Effect of genomic position on expression of transdused copies of the white gene of Drosophila II Science. 1985. V.229. P.558-561.

49. Lewis E.B. The phenomenon of position effect // Advaces in Genetics. 1950. V.3. P.73-115.

50. Lindsley D.L. and Zimm G.G. The genome of Drosophila melenogaster II San Diego. Academic Press. 1992.

51. Locke J., Kotarski M.A., Tartof K.D. Dosage-dependent modifiers of position effect variegation in Drosophila and mass action model that explains their effect // Genetics. 1988. V.120. P.181-198.

52. Lu B.Y., Ma J., Eissenberg J.C. Developmental regulation of heterochromatin-mediated gene silencing in Drosophila II Development. 1998. V.125.P.2223-2234.

53. Moore G.D., Sinclair D.A., Grigliatti T.A. Effect of histone gene multiplicity on position effect variegation in Drosophila II Genetics. 1981. V.97. P.75-76

54. Moottus R., Reeves R., Grigliatti T.A. Butyrate suppression of position-effect variegation in Drosophila melanogaster II Mol. Gen. Genet. 1980. V.178. P.465-469.

55. Murzina N., Verreault A., Laue E., Stillman B. Heterochromatin dynamics in mouse cell: interaction between chromatin assembly factor 1 and HP1 proteins // Mol.Cell. 1999. V.4. P.529-540.

56. Paro R. and Harte P.J. The role of Polycomb group and trithorax group chromatin complexes in the maintenance of determined cell states. In: Epigenetic mechanisms of gene regulation // Laboratory Press. Cold Spring Harbor. 1996. P.507-527.

57. Pirrotta V. and Rastelli L. white gene expression, repressive chromatin domains and homeotic gene regulation in Drosophila I I BioEssays. 1994. V.16. P.549-556.

58. Pokholkova G.V., Makunin I.V., Belyaeva E.S., Zhimulev I.F. Observation on the induction of the position effect variegation of euchromatic genes in Drosophila melanogaster I I Genetics. 1993. V.134. P.231-242.

59. Prokofjeva-Belgovskaya A.A. Heterochromatization as a change of chromosome cycle // J. Genet. 1947. V.48. P.80-90.

60. Qian S., Varjavand B., Pirrotta V. Molecular analysis of the zeste white interaction reveals a promoter- proximal element essential for distant enhancer- promoter communication // Genetics. 1992. V.131. P.79-90.

61. Raff J.W., Kellum R., Alberts B.M. The Drosophila GAGA transcription factor is associated with specific regions of heterochromatin throughout the cell cycle // EMBO J. 1994. V.13. P.5977-5983.

62. Reuter G., Giarre M., Forah J., Gausz J., Spierer A., Spierer P. Dependence of position effect variegation in Drosophila on dose of gene encoding an unusual zink-finger protein // Nature. 1990. V.344. P.219223.

63. Reuter G., Werner W., Hoffmann H.J. Mutants affecting position-effect heterochromatinization in Drosophila melanogaster II Chromosoma. 1982. V.85. P.539-551.

64. Reuter G., Wolff I., Friede B. Functional properties of the heterochromatic sequences inducing V'4 position- effect variegation in Drosophila melanogaster II Chromosoma. 1985. V.93. P.132-139.

65. Robertson H.M., Preston C.R., Phillis R.W., Jonson-Schitz D.M., Benz W.K., Engels W.R. A stable genomic sourse of P-element transposase in Drosophila melanogaster II Genetics. 1988. V.118. P.461-470.

66. Rushlow C.A., Bender W., Chovnick A. Studies on the mechanism of heterochromatic position effect at the rosy locus of Drosophila melanogaster II Genetics. 1984. V. 108. P.603-615.

67. Sabl J.F. and Henikoff S. Copy number and orientation determine the susceptibility of a gene to silencing by nearly heterochromatin in Drosophila melanogaster II Genetics. 1996. V.142. P.447-458.

68. Seum C., Spierer A., Pauli D., Szidonia J., Reuter G., Spierer P. Position-effect variegation in Drosophila depends on the dose of the gene encoding the E2F transcriptional activator and cell cycle regulator // Development. 1996. V.122. P.1949-1956.

69. Sheen F.M. and Levis R.M. Transposition of the LINE-like retrotransposon TART to Drosophila chromosome termini // Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 1994. V.91. P. 12510-12514.

70. Sigrist C.J.A. and Pirrotta V. Chromatin insulator element block the silensing of target gene by the Drosophila polycomb response element (PRE) but allow trans interactions between PREs on different chromosomes // Genetics. 1997. V.147. P.209-221.

71. Sinclair D.A., Clegg N.J., Antonchuk J., Milne T.A., Stankunas K., Ruse C., Grigliatti T.A., Kassis J. A., Broch H.W. Enhancer of Polycomb is a suppressor of position-effect variegation in Drosophila melanogaster II Genetics. 1998. V.148. P.211-220.

72. Spofford J.B. Position-effect variegation in Drosophila II In "The genetics and biology of Drosophila" (M. Ashburner, E. Novitski, eds).1976. V.1C. P.955-1018. London, New York, San Francisco: Academ Press.

73. Stankunas K., Berger J., Ruse C., Sinclair D.A.R., Randazzo F., Brock, H.W. The Enhancer of Polycomb gene of Drosophila encodes a chromatin protein conserved in yeast and mammals // Development. 1998. V.125. P.4055-4066.

74. Sturtevant A.H. The effect of unequal crossing over at the Bar locus in Drosophila II Genetics. 1928. V.13. P.481-489.

75. Sun F-L. and Elgin S.C.R. Putting boundaries on silence // Cell. 1999. V.99. P.459-462.

76. Tartof K.D., Hobbs C., Jones M. A structural basis for variegation position effects // Cell 1984. V.37. P.869-879.

77. Wallrath L.L. and Elgin S.C.R. Position effect variegation in Drosophila is associated with an altered chromatin structure // Genes. Dev. 1995. V.9. P.1263-1277.

78. Wallrath L.L. Unfolding the mysteries of heterochromatin // Curr. Opin. Genet. Dev. 1998. V.8. P.147-153

79. Walter M.F., Jang C., Kasravi B., Donath J., Mechler B.M., Mason J.M., Biessmann H. DNA organization and polymorphism of a wild-type Drosophila telomere region // Chromosoma. 199 V.104. P.229-241.

80. Weiler K.S. and Wakimoto B.T. Heterochromatin and gene expression in DrosophilaH Annu.Rev.Genetics. 1995. V.29. P.577-605.

81. Welshons W.J. and Welshons H.J. Suppression of the facet-strawberry position effect in Drosophila by lesions adjacent to Notch II Genetics. 1985. V.l 10. P.465-477.

82. Welshons W.J. and Welshons H.J. Enhancement and Suppression of an euchromatic position effect at Notch in Drosophila // Genetics. 1986. V.113. P.337-354.

83. Wilson C., Pearson R., Bellen H., O'Kane C., Grossniklaus U., Gehring W. P-element mediated enhancer detection: an efficient method for isolating and characterizing developmentally regulated genes in DrosophilaH Ganes. Dev. 1989. V.3. P.1301-1313.

84. Wu C.T., Howe M. A genetic analysis of the suppressor 2 of zeste complex ofDrosophilamelanogaster//Genetics. 1995. V.140. P.139-181.

85. Zhimulev I.F. Polytene chromosomes, heterochromatin and position effect variegation // Adv. Genet. 1998. V. 37. P.l-566.