14.3: «Стрибаючі гени» кукурудзи

Доповідь Барбари МакКлінток про те, що шматочки ДНК можуть стрибати навколо і інтегруватися в нові локуси в ДНК, був настільки драматичним і таємним, що багато хто думав, що це явище або одноразове, або не реальне! Тільки з подальшим відкриттям транспозонів у бактерій (і в інших еукаріотів) були стрибаючі гени МакКлінтока остаточно визнані такими, якими вони були! Коли ми описуємо її експерименти, майте на увазі, що дослідження МакКлінтока та інтуїції щодо регуляції генів та епігенетичного успадкування з'явилися задовго до того, як молекулярні технології дозволили довести і дати назви цим явищам. Щоб почати нашу казку про транспозонів, подивіться на ілюстрацію розмноження кукурудзи нижче.

Різні кольори насіння кукурудзи (ker nels) є результатом антоціанових пігментів, які диференційно виражаються клітинами алейронової тканини. Маклінток вивчав успадкування варіації кольору, який варіювався від безбарвного (білого або жовтого через відсутність антоціанів) до коричневого, фіолетового, плямистого або смугастого.

Мозаїка кольорів ядра яскраво показана кукурудзяними качанами на фотографії нижче.

Ясно, що колір ядра передається у спадок. Успадкування безбарвного і фіолетового кольору насіння дійсно слідувало менделівським правилам, але генетика мозаїцизму цього не зробила. Мозаїчні колірні візерунки після генетичних схрещувань не були узгодженими, маючи на увазі, що мутації, відповідальні за колір ядра, не були зумовлені мутаціями в статевих клітині. Швидше за все, гени, що контролюють синтез антоціанів, повинні зазнавати мутацій у соматичних клітині, які стали б (або вже були) тими, в яких вироблялися пігменти.

242 Що зацікавило МакКлінток про кукурудзу

А. відкриття генів мозаїцизму; нестабільний ген Ds

Макклінток шукав генетичне пояснення зміни кольору насіння в 1940-х і на початку 1950-х років. Структура ДНК була опублікована зовсім недавно. Клонування генів та секвенування ДНК були десятиліттями в майбутньому! Її єдині доступні технології базувалися на розумінні мендельського алельного асортименту в традиційних селекційних дослідженнях. Проте, оскільки колір насіння виражається в клітині, отриманих з ендосперму, вона знала, що успадкування фенотипу кольору ядра необхідно вивчати на триплоїдному генетичному фоні. Макклінток також був обізнаний про пропозиції, що різнокольоровий фенотип може спричинити, коли «нестабільна мутація», яка виробляла безбарвні ядра «повернулися» в деяких клітинях, але не в інших, щоб створити плямистий або смугастий фенотип. Просто те, що зробило для «нестабільної мутації», було, звичайно, невідомо. Макклінток в кінцевому підсумку визначив три гени, які беруть участь у забарвленні ядра насіння. Два гени, спочатку вивчені МакКлінтоком, контролювали наявність проти відсутності кольору ядра. Це гени C і Bz:

1. C' є домінуючим інгібітором алель, так званий тому, що якщо навіть одна копія була присутня, ядра були безбарвними (жовтими), незалежно від решти генетичного фону
2. Bz і bz є домінантними і рецесивними алелями гена Bz відповідно. За відсутності алелю C '(домінантний) наявність Bz алеля призведе до фіолетових ядер. Якби алель bz був присутній без алелів C' і Bz, ядра були б темно-коричневими.
3. Геном, необхідним для отримання строкатого кольору ядра, був ген Ds (Dissociator). Без життєздатного гена Ds ядра були або кольоровими, або безбарвними залежно від можливих генотипів, продиктованих алелями C і Bz.

Іншими словами, це повинен бути ген Ds, який страждає «нестабільними мутаціями». Оскільки ефект гена Ds був випадковим і впливав лише на деякі клітини алейронового шару, підозрювали, що він є областю хромосомної нестабільності (схильної до пошкодження або розриву) в деяких клітинях, але не в інших. Давайте подивимося, що зробив МакКлінток, щоб з'ясувати, що відбувається в генетиці кольору кукурудзяного ядра.

Вже продемонструвавши кросінг-овер в кукурудзі (власне, ще одне чудове досягнення!) , МакКлінток зіставив гени C ', Bz і Ds до хромосоми 9. Потім вона вибірково спаровувала кукурудзу з генотипами, показаними в протоколі нижче.

Пам'ятайте, що на цій ілюстрації розглядаються генотипи триплоїдних клітин! Ви можете звернутися до фенотипічних ефектів алельних фонів трьох генів, коли ми слідуємо за хрестом МакКлінтока. Її хрест гомозиготного рецесиву з гомозиготним домінуючим рослиною повинен дзвонити в дзвін! Давайте більш уважно розглянемо цей хрест.

Очікувані триплоїдні генотипи від хреста показані нижче.

Клітини алейрону, отримані в результаті цього хреста, повинні бути безбарвними (жовтими) через наявність домінуючого алелю C '. Однак, хоча на гібридному качані дійсно було багато безбарвних ядер, було також багато мозаїчних ядер з темними плямами/прожилками на безбарвному тлі. Інтерпретація подій Макклінтоком проілюстрована нижче

За словами МакКлінтока, якщо деякі клітини алейронового шару в деяких ядрах зазнали хромосомного розриву в локусі Ds (дисоціатор) (позначається подвійним слешем,//), алель C 'інактивується. Без функціонального алелю C 'оперативним генотипом в уражених клітині є CCbZBz. Потім ці клітини повертаються до створення пігменту брів за вказівкою алелю bz. Коли ці клітини діляться, вони створюють скупчення коричневих клітин, оточених клітинами з непорушеною хромосомою і, таким чином, активним алелем C ', створюючи появу пігментних плям або смуг в ядрі, на іншому безбарвному тлі в навколишніх клітині.

243 Строкаті ядра кукурудзи є результатом «втрати» гена Ds

Б. відкриття мобільних генів: система Ac/Ds

Тільки що описані експерименти були відтворювані з використанням єдиного племінного поголів'я кукурудзи. Але коли Макклінток спробував повторити експерименти, схрещуючи гомозиготних домінантних самців з гомозиготними рецесивними самками з іншого племінного поголів'я, все ядра качанів потомства були безбарвними, ніби ген Ds не викликав жодних хромосомних пошкоджень.

Здавалося, що ген Ds, внесений самцем, не може функціонувати (тобто «зламати») у самок цього нового племінного поголів'я. Макклінток висловив гіпотезу, що самка в початковому кросі, мабуть, сприяла фактору, який міг би якось активувати ген Ds для розриву, і що цей фактор, ще один ген, був відсутній або неактивний у самок нового племінного поголів'я. Макклінток назвав новий фактор активатором, або геном Ac. Виходячи з залежності Ds від локусу Ac, МакКлінток визнав, що ці «гени» були частиною як 2-елементної системи Ac/Ds, що впливають на мозаїку в ядрах кукурудзи.

Потім вона продемонструвала, що AC-залежна Ds «поломка» була в деяких випадках також пов'язана з інактивацією нормального гена Bz, що призводить до втрати ядер фіолетового кольору. Саме в цей момент МакКлінток дійшов висновку, що далеко не просто «розбиваючи» хромосому в крихкому локусі Ds, ген Ds фактично перейшов до (або в) ген Bz, порушуючи його функцію. Знову ж таки, цього не могло статися за відсутності активного гена Ac. МакКлінток виявив перший транспозон, заробивши 1983 Нобелівську премію з фізіології або медицини! З появою рекомбінантних ДНК-технологій ми тепер знаємо, що:

1. Елемент Ds - це транспозон, який відсутній ген для транспозази ферменту, необхідного для транспозиції.
2. Елемент Ac має цей ген і здатний до самостійної транспозиції.
3. Ac забезпечує транспозазу, необхідну для мобілізації себе та елемента Ds
4. Послідовність подібності елементів Ds і Ac підтримує їх спільну історію.

Основними особливостями системи кукурудзи Ac/Ds є:

1. Ac становить 4563 б.п.
2. Ds є усіченою версією Ac.
3. Є одинадцять перевернутих повторів bp на будь-якому кінці елемента Ac і Ds.
4. Є вісім bp прямі повтори (НЕ перевернуті повтори) з «цільової ДНК» на місці вставки будь-якого транспозону.

Шукайте ці особливості, коли ми описуємо прокаріотичні та еукаріотичні транспозони.

244 Відкриття мобільних елементів та системи Ac-Ds

245 Система Ac-Ds сьогодні