Обычно наблюдаются два типа перестроек, которые поистине уникальны для всех инфузорий, которые только были исследованы: внутренние делеции ДНК и фрагментация хромосом (рис. 7.5). Примеры этого у других эукариот могут быть представлены локализованной рекомбинацией локуса VDJ в лимфоцитах млекопитающих (глава 21). В зависимости от вида инфузории из каждого вновь формирующегося генома в результате этих событий элиминируются от 10 до 95 % генома зародышевой линии Элиминируются фактически все повторяющиеся последовательности, включая перемещаемые элементы, что частично объясняет наблюдаемую высокую плотность генов в макронуклеусах. Число сайтов перестроек также варьирует у разных видов, от примерно 6 000 у Tetrahymena до, вероятно, 100 000 у брюхоресничных инфузорий. Распределение по всему геному этих высоко регулируемых и воспроизводимых событий дает возможность исследовать, каким образом клетки идентифицируют конкретные сегменты ДНК и направляют свое действие на них. Изучение перестроек ДНК у инфузорий уже позволило вскрыть уникальные особенности эпигенетических механизмов, в частности относящихся к зависящим от гомологии процессам. Нижеследующее описание событий, связанных с перестройками ДНК, должно дать достаточную основу для последующего обсуждения связанной с этим эпигенетической регуляции.
Рис. 7.5. Перестройки ДНК у инфузорий
В ходе развития нового макронуклеуса происходят широкомасштабные фрагментация хромосом и элиминация ДНК. (Вверху) Перестройки ДНК, происходящие у Paramecium, включают как точные делеции IESs, ограниченных нуклеотидами ТА (цветные прямоугольники, находящиеся в кодирующих (стрелка) и некодирующих районах), так и неточные делециии (оранжевые прямоугольники), дающие в результате либо делецию ДНК. либо фрагментацию (G4T3). (Внизу) У Tetrahymena неточная деления IESs (цветные прямоугольники) происходит примерно в 6000 локусов, а фрагментация хромосом детерминируется консервативной последовательностью длиной 15 пн — CBS (звездочка)
6.1. Внутренняя делеция ДНК: события, связанные с точными (внутригенные IESs) и неточными (межгенные повторы) делециями
Точные делеции
Точные делеции — это такие делеции, которые происходят в одних и тех же позициях нуклеотидной последовательности во всех копиях макронуклеарных хромосом. Внутренние элиминируемые последовательности (IESs) — это короткие, однокопийные сегменты ДНК, которые удаляются главным образом из кодирующих последовательностей, но обнаруживаются и в межгенных или интронных районах хромосом зародышевой линии (рис. 7.5). Точно вырезаемые IESs ограничены короткими прямыми повторами, которые, как правило, различаются по последовательности у разных видов. Заметный класс так называемых “ТА”-IESs, обнаруживаемых у Paramecium и некоторых спиротрих, таких как Euplotes crassus, идентифицируется как обладающий инвариабельными повторами 5’-ТА-3’ на их границах, одна копия которых остается в макронуклеарном локусе после эксцизии (Betermier, 2004). Немногочисленные нуклеотидные позиции, внутренние по отношению к динуклеотидам ТА, не являются случайными и образуют вырожденный консенсус, напоминающий концы транспозонов Тс1/ mariner. Таким образом, эти IESs эволюционно могут быть производными древних инсерций таких мобильных элементов (Klobutcher and Herrick, 1997). Тем не менее, концы многих IESs плохо соответствуют этой консенсусной последовательности, тогда как многие хорошие соответствия можно обнаружить в макронуклеарных последовательностях, которые не вырезаются, что указывает на то, что этот консенсус не содержит достаточной информации для того чтобы специфицировать вырезание приблизительно 60 000 IESs на гаплоидный геном P. tetraurelia. Возникает вопрос, каким же образом они распознаются.
Удивительное варьирование точного вырезания наблюдается у стихотрих (подгруппа спиротрих), у которых удаление IES происходит одновременно с «упорядочиванием» («unscrambling») генов (Prescott, 1999). В микронуклеарной версии «перетасованных» генов последовательности, предназначенные для оставления в макронуклеусе (MDSs, т.е. ДНК-«экзоны») не только разделяются IESs, но и «перетасованы» относительно линейного порядка, обнаруживаемого в реорганизованной макронуклеарной последовательности. В зародышевой линии две MDS, которые окажутся соединенными, чтобы образовать экспрессируемый ген, могут быть локализованы далеко друг от друга, иногда даже в несцепленных локусах (Landweber et al., 2000), и могут даже находиться в инвертированной ориентации относительно друг друга. Точность упорядочивания, по-видимому, направляется относительно длинными (в среднем 11 пн) гомологичными повторами, общими для родственных MDS-концов, которые не родственны по последовательности повторам на концах других MDS Хотя эти длинные повторы наверняка вносят вклад в точное упорядочивание, остается неясным, достаточно ли их; это привело к предположению, что здесь возможно участие предсуществующей матрицы (Prescott et al., 2003).