1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Радиационная биология. Радиоэкология
  4. T. 63, № 3, 2023

Радиационная биология. Радиоэкология, 2023, T. 63, № 3, стр. 229-239

Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 9. Общие закономерности и локус-специфические особенности радиомутабильности сцепленных с полом и аутосомных генов

И. Д. Александров 1, *, М. В. Александрова 1, К. П. Афанасьева 1, **, А. Н. Русакович 1, Н. Е. Харченко 1

1 Объединенный институт ядерных исследований
Дубна, Россия

* E-mail: a38don@jinr.ru
** E-mail: afanasyeva@jinr.ru

Поступила в редакцию 27.12.2022
После доработки 03.04.2023
Принята к публикации 05.04.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты широкомасштабных радиационных, генетических, цитогенетических и молекулярно-генетических исследований по изучению природы и частоты наследуемых мутаций двух сцепленных с полом и трех аутосомных генов Drosophila melanogaster после воздействия γ-излучения 60Co и моноэнергетических реакторных нейтронов с Еср = 0.85 МэВ. Установлены общие для пяти изученных генов и двух видов радиации закономерности в индукции пяти разных типов рецессивно наследуемых мутаций, которые можно объединить в два основных класса – класс хромосомных мутаций, так или иначе затрагивающих изучаемый ген (изменения, ведущие к стерильности мутантов F1, мультилокусные делеции, инверсионные или транслокационные разрывы хромосомы в районе локализации гена), и класс “точковых” мутаций гена со сложным спектром изменений ДНК, выявляемых ПЦР и секвенированием. В данном сообщении детально рассмотрены результаты классического генетического и цитогенетического анализа названных классов мутаций и проведена оценка частоты их индукции γ-излучением или нейтронами в расчете на локус на единицу дозы (1 Гр). Важным и неожиданным результатом проведенной оценки оказался тот факт, что частота “точковых” мутаций оказалась инвариантной (в среднем 1.15 Е-06/локус/Гр) для изученных генов и видов радиации в отличие от хромосомных мутаций, где наблюдается выраженная локус-специфичность для отдельных типов мутаций. При этом нейтроны в два и более раза эффективнее γ-излучения в индукции этого класса мутаций. Существенно, что средняя частота индукции “точковых” мутаций коррелирует со средней длиной кДНК этих же генов (1.62 тыс. пар нуклеотидов), но не с их средним размером (6.07 т.п.н.), показывая, что мишенью для “точковых” мутаций является, очевидно, не вся ДНК гена, а лишь информационная часть его экзонов. Обсуждается зависимость частоты хромосомных мутаций того или иного типа от положения гена на хромосоме и в трехмерном пространстве генома.

Ключевые слова: нейтроны, γ-излучение, “точковые” и хромосомные мутации гена, зрелые спермии, дрозофила

В серии ранее опубликованных работ [1–16] нами были представлены результаты комплексного генетического, цитогенетического и молекулярного (ПЦР, секвенирование) анализа наследуемых рецессивных локус-специфических мутаций, индуцированных разными дозами (5–60 Гр) γ-излучения 60Со и моноэнергетическими реакторными нейтронами с Еср = 0.85 МэВ (2.5–20 Гр) в зрелых спермиях самцов дикой лабораторной линии D32 Drosophila melanogaster. Главной целью радиационно-генетических экспериментов, начатых под руководством Н.В. Тимофеева-Ресовского в Институте медицинской радиологии АМН СССР (г. Обнинск) во второй половине 60-х годов прошлого столетия, являлось выяснение вопроса о том, индуцируют ли ионизирующие излучения в генеративных клетках высших организмов наряду с хромосомными и независимые “точковые” мутации гена (H. Muller’s [17] ”true intragenic mutations”, или K. Luning’s [18] “apparent gene mutations” или F. de Serres’s [19] “gene/point mutations”). Ретроспективный анализ имевшихся на то время данных по обсуждаемому вопросу показал их противоречивость.

В самом деле, с одной стороны, представление о свойстве ионизирующих излучений индуцировать наряду с разрывами/соединениями хромосом (хромосомные аберрации) и “точковые” мутации гена сформировалось в 30–50-х годах прошлого столетия при биофизическом анализе частоты индукции рецессивно наследуемых сцепленных с полом летальных и локус-специфических видимых мутаций у Drosophila melanogaster и мыши. При этом детальный анализ генетической природы таких мутаций, как правило, не проводился. Особенности их индукции (линейная зависимость частоты мутаций от дозы, отсутствие эффекта фракционирования, мощности дозы и зависимости от плотности ионизации в экспериментах с нейтронами) отличали их от закономерностей образования аберраций хромосом и были ожидаемы в рамках теории “мишени” [20] и “принципа попадания” [21].

С другой стороны, имеющиеся в литературе независимые цитогенетические данные свидетельствовали о том, что значительная часть индуцированных рентгеновским излучением рецессивных сцепленных с полом летальных мутаций у Drosophila melanogaster представлена хромосомными изменениями разного типа, частота которых росла с дозой линейно [22]. Дополнительно, частота мелких (minute) хромосомных делеций, невидимых цитологически, но определяемых генетически, также линейно увеличивалась с ростом дозы [23]. К тому же нейтроны, как оказалось позже, более эффективны, чем рентгеновские лучи в индукции сцепленных с полом рецессивных летальных мутаций у Drosophila melanogaster [3, 24]. Поэтому вполне обоснованным было заключение S. Wolff [25] о том, что “многие радиационно-индуцированные истинные (true) генные мутации, которые были изучены, в реальности могут являться результатом разрыва и воссоединения хромосомы”. Следовательно, были все основания полагать, что лишь некоторая, и пока неясная, часть рецессивно наследуемых мутаций могла быть истинно “точковыми” мутациями гена, для определения которой требовались новые эксперименты, и в первую очередь, по анализу природы и частоты мутаций конкретного гена после действия разных доз излучений с низкой и высокой ЛПЭ. При этом, учитывая данные литературы о наличии заметных различий в радиомутабильности отдельных генов [26], представлялось важным провести исследования по анализу мутаций одновременно нескольких генов в одних условиях радиационно-генетического эксперимента, что открывало бы перспективу для понимания общих закономерностей и локус-специфических особенностей при индукции наследуемых “точковых” мутаций гена.

МЕТОДОЛОГИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методологической основой проведенных нами радиационно-генетических экспериментов являлся сравнительный анализ (“анализ в параллельных рядах” по Г.М. Франку [27]), как наиболее плодотворный для выявления общего и особенного в реакциях биосистем на облучение. Следуя этой методологии, был проведен комплексный генетический и цитогенетический анализ природы γ- и нейтрон-индуцированных мутаций пяти разных генов с фенотипическим проявлением (рис. 1) для изучения вопроса, индуцируют ли γ-кванты и нейтроны “точковые” мутации гена. Два из них локализованы в теломерном (yellow: цитология 1А5; генетика 0.0) и несколько более проксимальном (white: цитология 3В6-С1.2 и генетика 1.5) районах Х-хромосомы, а три – в аутосоме 2: гены black (цитология 34D1; генетика 49.0) и vestigial (цитология 49E1; генетика 67.0) локализованы почти в середине хромосом 2L и 2R соответственно, а ген cinnabar (цитология 43Е16; генетика 57.0) – в прицентромерном районе хромосомы 2R (данные по FlyBase). Наряду с разным положением этих генов на хромосомах и, очевидно, в трехмерном пространстве генома облучаемых зрелых спермиев, они отличаются и размерами, которые варьируют от 2.27 (cinnabar) до 14.75 (vestigial) т.п.н. При этом, однако, размеры кодирующей части (CDS) их экзомов близко совпадают, равняясь в среднем 1.62 т.п.н. Перечисленные особенности положения и различия в размерах эти генов-мишеней позволяют в перспективе оценить роль этих варьирующих генетических параметров в детерминации характера и частоты регистрируемых мутаций.

Рис. 1.

Локализация двух сцепленных с полом (yellow, white) и трех аутосомных (black, cinnabar, vestigial) генов на политенных хромосомах соответственно Х и 2 Drosophila melanogaster, радиационно-индуцированные локус-специфические мутации которых изучены. Схематично показана молекулярная структура генов (экзоны – темные блоки, интроны – ломаные линии), а также указаны размеры всего гена и его кодирующей ДНК в т.п.н.

Fig. 1. Localization of two sex-linked (yellow, white) and three autosomal (black, cinnabar, vestigial) genes on the polytene chromosomes X and 2, respectively, of Drosophila melanogaster, whose radiation-induced locus-specific mutations have been studied. The molecular structure of the genes is shown schematically (exons are dark blocks, introns are broken lines), and the sizes of the entire gene and its coding DNA (CDS) in kb are indicated.

Не останавливаясь на подробном описании проведенных в строго стандартных условиях радиационно-генетических экспериментов, в деталях, описанных ранее [1, 2, 16], здесь следует отметить наиболее важные и принципиальные этапы и методы изучения природы радиационно-индуцированных мутаций каждого гена, которые вели к идентификации “точковых” мутаций среди других локус-специфических изменений. Этими этапами и методами являлись:

1) получение мутантов F1 путем скрещивания в течение суток облученного самца с пятью самками генотипа Ins (1) sc8 +dl-49, y31d scS1 sc8 wa; b1 cn1 vg1 (линия KL) и проведение генетического (гибридизация, тест на аллелизм, межаллельная комплементация, межгенная рекомбинация) и цитогенетического (на политенных хромосомах) анализа каждого мутанта с целью идентификации “точковых” мутаций гена среди его других возможных изменений;

2) проведение ПЦР-анализа предположительно “точковых” мутаций с целью установления внутригенных изменений, выявляемых этим методом;

3) секвенирование по Сенгеру ДНК “точковых” мутаций с разными изменениями, выявляемыми ПЦР (рис. 2). В данном сообщении будут рассмотрены и обсуждены главные результаты изучения природы мутаций пяти генов после действия γ-излучения и нейтронов, полученные на первом этапе их анализа. Обобщенные результаты молекулярного анализа, полученные на втором и третьем этапах проведенных исследований, будут рассмотрены в следующих наших сообщениях.

Рис. 2.

Обобщенный спектр рецессивных локус-специфических мутаций для пяти генов (yellow, white, black, cinnabar, vestigial) и двух видов радиации (γ-излучение, нейтроны), возникающих в облученных зрелых спермиях самцов Drosophila melanogaster, изученных генетическими, цитогенетическими и молекулярными (ПЦР, секвенирование) методами. * Инсерции/делеции 1–3 п.н.; ** – делеция какой-либо последовательности ДНК гена со вставкой другой последовательности; *** – замещение всего или части облученного отцовского гена интактным материнским.

Fig. 2. A generalized spectrum of recessive locus-specific mutations for five genes (yellow, white, black, cinnabar, vestigial) and two types of radiation (γ-rays, neutrons) arised in irradiated mature spermatozoa of Drosophila melanogaster males and analyzed by genetic, cytogenetic and molecular (PCR, sequencing) methods. *Insertions/deletions of 1–3 bp; ** – deletion of any DNA sequence of the gene with the rate of another sequence; *** – replacement of all or part of the irradiated paternal gene with an intact maternal one.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

По результатам классического генетического и цитогенетического анализа были идентифицированы мутанты с генетическими изменениями разного типа, которые оказались общими для изученных пяти генов и двух видов радиации. Среди них наблюдались ненаследуемые генетические изменения, вызывающие доминантную стерильность мутантов F1, и рецессивно наследуемые изменения. Среди последних цитогенетически идентифицированы три типа изменений: мультилокусные делеции с потерей изучаемого гена; инверсии или транслокации с одним из разрывов в области изучаемого гена; и мутанты с цитологически нормальной структурой хромосомы в области изучаемого гена (рис. 2). Следовательно, по характеру выявленных генетических изменений локус-специфические мутанты, индуцированные излучениями с низкой и высокой ЛПЭ, можно разделить на два главных класса: 1) мутанты, у которых изменения гена тесно ассоциированы с хромосомными аберрациями (gene/structural mutations), и 2) мутанты с “точковыми” изменениями внутри гена (gene/point mutations).

Установленная и описанная нами ранее линейная зависимость частоты аберрационных и “точковых” мутаций изучаемых генов от дозы γ-излучения и нейтронов [3, 8, 10, 12, 13] позволяет оценить частоту индукции этих мутаций на локус на единицу дозы (1 Гр). С этой целью количество мутаций, выявленных после всех изученных доз γ-излучения (5, 10, 20 и 40, в сумме 75 Гр), мы разделили на общее количество проанализированных потомков F1 (дикие аллели генов) и на суммарную дозу облучения (75 Гр). Аналогичные расчеты были проведены для нейтронов (2.5, 5, 10 и 20, в сумме 37.5 Гр) и полученные результаты для обоих видов радиации представлены в табл. 1. Их анализ позволяет сравнительно оценить не только радиомутабильность разных изученных генов по отдельным типам генетических изменений, но и эффективность нейтронов в индукции этих изменений.

Таблица 1.

Количество и частота γ- и нейтрон-индуцированных рецессивных мутаций разного типа у пяти генов Drosophila melanogaster Table 1. Number and frequency of γ- and neutron-induced recessive mutations of various types in five Drosophila melanogaster genes

Мутации Гены
yellow white black cinnabar vestigial Все гены в целом
Виды радиации
γ-кванты нейтроны γ-кванты нейтроны γ-кванты нейтроны γ-кванты нейтроны γ-кванты нейтроны γ-кванты нейтроны
Число изученных +-аллелей F1 201 989 135 227 201 989 135 227 383 986 261 184 383 986 261 184 383 986 261 184 1 555 936 1 054 006
Все мутации F1 (23)* 1.52** (12) 2.37 (56) 3.70 (33) 6.51 (55) 1.91 (46) 4.70 (70) 2.43 (48) 4.90 (104) 3.61 (73) 7.45 (308) 2.64 (212) 5.36
Хромосомные мутации
Стерильные мутации F1 (5) 0.33 (2) 0.39 (10) 0.66 (14) 2.76 (18) 0.63 (17) 1.74 (29) 1.01 (18) 1.84 (54) 1.88 (46) 4.70 (116) 0.99 (97) 2.45.7
Мультилокус-ные делеции (0) (1) 0.20 (12) 0.79 (5) 0.99 (5) 0.17 (10) 1.02 (13) 0.45 (16) 1.63 (12) 0.42 (4) 0.41 (42) 0.36 (36) 0.91
Инверсии (3) 0.20 (3) 0.59 (2) 0.13 (7) 1.38 (3) 0.10 (3) 0.31 (1) 0.03 (2) 0.20 (12) 0.42 (8) 0.82 (21) 0.18 (23) 0.58
Транслокации (0) (3) 0.59 (2) 0.13 (2) 0.39 (0) (0) (0) (0) (4) 0.14 (2) 0.20 (6) 0.05 (8) 0.20
Все хромосомные мутации (8) 0.53 (9) 1.77 (26) 1.72 (28) 5.52 (26) 0.90 (30) 3.06 (43) 1.49 (36) 3.68 (82) 2.85 (60) 6.13 (185) 1.59 (164) 4.15
Простые и комплексные “точковые” мутации гена
Все “точковые” мутации (15) 0.99 (3) 0.59 (30) 1.98 (5) 0.99 (29) 1.01 (16) 1.63 (27) 0.94 (12) 1.23 (22) 0.76 (13) 1.33 (123) 1.05 (49) 1.24

Примечание. Суммарное число γ-облученных (5–40 Гр) самцов – 3393, а нейтрон-облученных (2.5–20 Гр) самцов – 2713; * – в скобках показано число выявленных мутантов F1; ** – абсолютная частота мутаций (E-06/локус/Гр).

Хромосомные мутации гена

Стерильные мутанты F1. Как и в других работах [28], наблюдаемая нами доминантная стерильность на первом этапе гибридизационного анализа de novo мутаций (т.е. скрещивание мутанта F1 с имаго из линии-балансера) означает неспособность таких мутантов дать потомство, и генетическая природа этого феномена остается неясной до сих пор. Однако полученные нами данные позволяют полагать, что в основе стерильности лежат индуцированные изменения не внутри гена, а на хромосомном уровне, поскольку 1) доминантная стерильность, как и рецессивная летальность, не свойственны мутациям изучаемых генов [1]; 2) в индукции стерильности, как и в случае наблюдаемых нами аберраций хромосом (мультилокусные делеции, инверсии, транслокации), нейтроны заметно более эффективны (в 2.5 раза в среднем для пяти генов), чем γ-излучение (табл. 1). Наше предположение о связи стерильности с индуцированными радиацией аберрациями хромосом подтверждают результаты молекулярного анализа (ПЦР), показывающие, что индуцированные рентгеновским излучением большие хромосомные делеции в районе гена vermilion определяют стерильность F1 мутантов vermilion Drosophila melanogaster [29]. К этому следует также добавить, что согласно данным литературы, стерильность потомков от облученных родителей могут определять нереципрокные транслокации [2], а в случае межвидовых гибридов у Drosophila стерильность может иметь полигенную основу [30].

Как показал генетический анализ наследуемых мутаций, многие из них имели наряду с локус-специфическим фенотипом и рецессивную летальность, не характерную для мутаций этих генов. Это позволяло полагать, что сложный локус-специфический фенотип обусловлен гораздо более сложными генетическими изменениями, чем “точковые” мутации гена. Действительно, как показал цитогенетический анализ, значительная часть таких мутаций оказалась обусловленной мультилокусными делециями, а меньшая часть – инверсионным или транслокационным разрывом в районе изучаемого гена. Такие мутации с рецессивной летальностью поддерживаются в нашей генетической коллекции в гетерозиготном состоянии с хромосомами-балансерами [31] для их сохранения и молекулярного анализа.

Мультилокусные делеции. Проявляющие себя как рецессивно наследуемые летальные мутации, эти делеции представляют собой физическую потерю изучаемого гена и смежных с ним генов с летальным действием на разных стадиях развития от яйца до имаго. При цитогенетическом анализе политенных хромосом дрозофилы эти делеции выглядят как потери от 1 до более 20 дисков (50–1000 т.п.н.) [32]. Интересно отметить, что среди 23 F1 мутаций yellow, индуцированных γ-излучением, не было обнаружено мультилокусных делеций, а среди 55 мутаций black – только пять делеций. Наибольшая частота таких делеций наблюдалась среди мутаций гена white, тогда как среди cinnabar и vestigial она в 2 раза ниже. После действия нейтронов наибольшая частота мультилокусных делеций обнаружена среди мутаций гена cinnabar, а наименьшая – среди yellow. Локус-специфические особенности действия нейтронов прослеживаются и у трех остальных генов. Так, частота делеций среди мутаций vestigial после действия γ-излучения и нейтронов практически одинакова, в то время как нейтроны повышают частоту делеций в 1.2, 3.6 и 6.0 раз по сравнению с γ-излучением среди мутаций white, cinnabar и black соответственно (табл. 1, рис. 3).

Рис. 3.

Сравнительная частота γ- и нейтрон-индукцированных локус-специфических мутаций разного типа на ед. дозы (1 Гр) у пяти изученных генов Drosophila melanogaster: а) стерильные мутанты F1; б) мультилокусные делеции; в) инверсии + транслокации; г) “точковые” мутации.

Fig. 3. Comparative frequency of γ- and neutron-induced mutations on the bases per locus per 1 Gy for five genes studied: a) sterile mutants F1; b) multilocus deletions; c) inversions + translocations; d) “point” mutations.

Локус-специфические инверсии. Как показал цитогенетический анализ, определенная часть рецессивно летальных локус-специфических мутаций представляла собой инверсии с локализацией одного из хромосомных разрывов в районе изучаемого гена, тогда как вторые точки аберрационного разрыва были не случайно распределены по аутосоме 2 [33, 34], указывая тем самым на петлевую организацию хроматина в трехмерном пространстве генома зрелых спермиев Drosophila melanogaster. Дальнейшие молекулярно-цитогенетические исследования по гибридизации in situ с клонами генов white и vestigial показали, что аберрационный разрыв может локализоваться внутри или вне гена с потерей в ряде случаев всего или части гена [35, 36]. Обращает на себя внимание определенная локус-специфичность в индукции инверсий γ-излучением, на что указывают наиболее низкая и наиболее высокая их частота среди мутантов cinnabar и vestigial соответственно. При этом нейтроны в 6.6 и 1.8 раза повышают частоту таких аберрационных мутаций генов cinnabar и vestigial соответственно (табл. 1). Частота индукции инверсий среди мутантов yellow, white и black после действия γ-излучения близка и составляет в среднем 0.15 Е-06/локус/Гр, тогда как частота таких мутантов после действия нейтронов локус-специфично возрастает в 2.9, 10.6 и 3.1 раза соответственно.

Локус-специфические транслокации. После действия γ-излучения транслокации в изученной выборке мутантов yellow, black и cinnabar не были обнаружены, а у мутантов white и vestigial такие обмены наблюдались одинаково редко со средней частотой 0.135 Е-06/локус/Гр. Нейтроны заметно повышают частоту транслокаций среди сцепленных с полом мутаций yellow и white и лишь незначительно в спектре мутаций гена vestigial. Транслокационные разрывы в локусах генов black и cinnabar после действия обоих видов радиации не обнаружены (табл. 1, рис. 3).

Таким образом, все рассмотренные выше локус-специфические мутации являются хромосомными аберрациями того или иного типа, формируя класс структурных (хромосомных) мутаций гена. Их относительная частота среди всех мутаций гена достаточно высока и составляет в среднем для пяти изученных генов 60 и 77% после действия γ-излучения и нейтронов соответственно. Поскольку класс структурных мутаций формирует заметную часть общего спектра локус-специфических мутаций каждого из пяти изученных генов, закономерно ожидать, что данный класс мутаций будет возникать при действии ионизирующих излучений на любой кодирующий ген в зрелых спермиях животного организма.

“Точковые” мутации гена

Все цитологически нормальные и рецессивно наследуемые по Менделю локус-специфические мутации можно рассматривать как истинно “точковые” генные мутации. Следует, однако, отметить, что значительная часть среди них наряду с локус-специфическим фенотипом проявляла рецессивную летальность, не свойственную этим генам. Такие мутации были нежизнеспособны в гомозиготном состоянии (комплексные “точковые” мутации). Предположение о наличии у них независимо индуцированных рецессивных летальных мутаций других генов в той же хромосоме подтвердил рекомбинационный анализ. Согласно его результатам, 26 из 49 (53.1%) и 12 из 27 (44.4%) γ-индуцированных “точковых” мутаций cinnabar [10] и black [16] являлись комплексными, у которых рецессивные летальные мутации находились на разных расстояниях от изучаемого гена и были отделены от него межгенной рекомбинацией. Высокая частота комплексных мутаций наблюдалась и после действия нейтронов – пять из 14 (35.7%) в случае гена cinnabar (в печати) и 10 из 20 (50%) среди мутаций black [16]. Эти результаты свидетельствуют о том, что действие ионизирующих излучений с разной ЛПЭ на уровне генома носит кластерный характер, как на это уже указывали наши данные по молекулярно-цитогенетическому (гибридизация in situ) и ПЦР-анализу структурных мутаций гена vestigial, показывающие наличие аберрационного разрыва вне гена и молекулярных изменений внутри гена [5].

Как показывают данные табл. 1 и рис. 3, частота индукции γ-излучением “точковых” мутаций white в 2.1 раза выше (1.98 Е-06/локус/Гр), чем наблюдаемая для четырех остальных генов (средняя частота 0.92 Е-06/локус/Гр). Заметно иная, выраженная хромосомная специфичность наблюдается в индукции “точковых” мутаций нейтронами. Так, если для двух сцепленных с полом генов частота таких мутаций низка и составляет в среднем 0.79 Е-06/локус/Гр, то для трех аутосомных генов она почти в 2 раза выше (в среднем 1.39 Е-06/локус/Гр), как результат генной конверсии в этих генах [37].

Интересно отметить, что средняя для пяти генов и двух видов радиации частота видимых локус-специфических “точковых” мутаций (1.15 Е-06/локус/Гр) коррелирует со средней величиной кДНК (1.62 т.п.н., рис. 1) у этих генов, но не с их средним размером (6.07 т.п.н.), показывая, что “точковые” мутации локализуются в кодирующих участках их экзома.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные выше данные являются результатом первого этапа исследований по изучению природы и частоты рецессивно наследуемых мутаций, сцепленных с полом, и аутосомных генов после действия ионизирующих излучений с разной ЛПЭ на зрелые спермии Drosophila melanogaster. Использованный на этом этапе комплекс генетических и цитогенетических методов впервые позволил охарактеризовать весь спектр генетических изменений, лежащих в основе мутаций отдельных генов после действия разных видов радиации. Установлены главные и общие для разных генов и видов радиации закономерности радиомутабильности:

1. Спектр регистрируемых радиационно-индуцированных локус-специфических изменений формируют два главных класса мутаций: а) хромосомные мутации, ассоциированные с теми или иными структурными изменениями хромосомы в области изучаемого гена и б) “точковые” мутации с изменениями ДНК внутри гена.

2. Класс хромосомных мутаций включает генетические изменения трех качественно разных типов: а) крупные структурные изменения хромосом пока точно не идентифицированного типа, ведущие к стерильности мутантов F1; б) мультилокусные делеции разной величины, ведущие к физической потере гена и в) инверсии или транслокации с аберрационным разрывом внутри или вне изучаемого гена.

3. Частота индукции “точковых” мутаций для изученных генов и двух видов радиации незначительно варьирует и составляет в среднем 1.15 Е-06/локус/Гр.

В отличие от инвариантности частоты “точковых” мутаций в разных условиях радиационно-генетического эксперимента частота индукции отдельных типов хромосомных мутаций заметно варьирует от гена к гену. В частности, в экспериментах с γ-излучением локус yellow, локализованный в теломерном районе Х-хромосомы, наименее радиомутабилен по таким тест-эффектам, как стерильность, мультилокусные делеции и транслокации, но не по тесту инверсии, тогда как локус cinnabar, локализованный в прицентромерном районе хромосомы 2R, исключительно редко вовлекается в инверсионные или транслокационные обмены. Сцепленный с полом локус white отличается довольно высокой частотой мультилокусных делеций, но относительно низкой частотой ассоциации с инверсионным или транслокационным разрывом в отличие от аутосомного локуса vestigial, локализованного в середине хромосомы 2R, для которого эта частота вдвое выше (табл. 1, рис. 3). По сравнению с γ-излучением нейтроны почти в 2 раза повышают частоту мутаций стерильности и инверсий для всех локусов, существенно не меняя частоту других хромосомных мутаций.

Полученные нами экспериментально строго обоснованные данные о свойстве редко- и плотно-ионизирующей радиации с определенной частотой индуцировать “точковые” мутации гена имеют не только фундаментальное, но и большое практическое значение. Действительно, накапливающиеся данные по эпидемиологии и генетике наследственных болезней и аномалий развития свидетельствуют о том, что “точковые” мутации соответствующих генов обусловливают почти половину рецессивных и наследуемых по Менделю генетических заболеваний, персистирующих в современных популяциях человека [38–42]. Учитывая хорошо известную высокую мутагенную эффективность ионизирующих излучений, с которыми в наши дни человек сталкивается на Земле и в Космосе, вполне можно ожидать, в свете полученных нами данных, увеличение частоты “точковых” мутаций и соответствующих наследуемых генетических болезней.

В этой связи закономерен вопрос: какие изменения ДНК лежат в основе “точковых” мутаций гена, индуцированных в генеративных клетках животных радиацией с разной ЛПЭ? Полученные нами данные по этому вопросу будут представлены и обсуждены в следующих сообщениях.

Список литературы

  1. Alexandrov I.D. Quality and frequency patterns of γ- and neutron-induced visible mutations in Drosophila spermatozoa // Mutat. Resh. 1984. V. 127. P. 123–127. https://doi.org/10.1016/0027-5107(84)90013-7

  2. Александров И.Д. Сравнительные механизмы радиационного микро- и макромутагенеза высших эукариот и общая теория мутаций // Радиационный мутагенез и его роль в эволюции и селекции / Под ред. В.А. Шевченко. М.: Наука, 1987. С. 18–42. [Aleksandrov I.D. Sravnitel’nye mehanizmy radiacionnogo mikro- i makromutageneza vysshih jeukariot i obshhaja teorija mutacij. Radiacionnyj mutagenez i ego rol' v jevoljucii i selekcii / Рod red. V.A. Shevchenko. M.: Nauka, 1987. P. 18–42. (In Russ.)]

  3. Александров И.Д., Александрова М.В., Лапидус И.Л., Кораблинова С.В. ОГЭ нейтронов деления при индукции рецессивных мутаций разного типа у Drosophila melanogaster // Радиац. биология. Радиоэкология, 2001. Т. 41. № 3. С. 245–258. [Aleksandrov I.D., Aleksandrova M.V., Lapidus I.L, Korablinova S.V. OGJe nejtronov delenija pri indukcii recessivnyh mutacij raznogo tipa u Drosophila melanogaster // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2001. V. 41. № 3. P. 245–258. (In Russ.)]

  4. Александрова М.В., Александров И.Д., Кораблинова С.В., Левкович Н.В. Молекулярная генетика радиационно-индуцированных хромосомных разрывов в области гена у Drosophila: “эффект положения” или мутации гена? // Радиац. биология. Радиоэкология. 2002. Т. 42. № 6. С. 588–594. [Aleksandrova M.V., Aleksandrov I.D., Korablinova S.V., Levkovich N.V. Molekuljarnaja genetika radiacionno-inducirovannyh hromosomnyh razryvov v oblasti gena u Drosophila: “jeffekt polozhenija” ili mutacii gena? // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija 2002. V. 42. № 6. P. 588–594. (In Russ.)]

  5. Aleksandrova M.V., Aleksandrov I.D., Korablinova S.V., Levkovich N.V. Molecular genetics of radiation-induced chromosome exchanges in Drosophila: “position effect” or gene mutations? // Int. conf. “Genetic consequences of emergency radiation situations”. Moscow, 2002. P. 21–27.

  6. Александров И.Д., Афанасьева К.П., Александрова М.В., Лапидус И.Л. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 1. Ген vestigial: Mолекулярная характеристика “точковых” мутаций // Радиац. биология. Радиоэкология. 2012. Т. 52. № 3. С. 1–14. [Aleksandrov I.D., Afanas’eva K.P., Aleksandrova M.V., Lapidus I.L. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 1. Gen vestigial: Moleku-ljarnaja harakteristika “tochkovyh” mutacij // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2012. V. 52. № 3. P. 1–14. (In Russ.)]

  7. Афанасьева К.П., Александрова М.В., Александров И.Д., Кораблинова С.В. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 2. Ген vestigial: Mолекулярная характеристика аберрационных мутантов // Радиац. биология. Радиоэкология. 2012. Т. 52 № 4. С. 349–362. [Afanas’eva K.P., Aleksandrova M.V., Aleksandrov I.D., Korablinova S.V. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 2. Gen vestigial: Molekuljarnaja harakteristika aberracionnyh mutantov // Radiacionnaja biologija. Radio-jekologija. 2012. V. 52. № 4. P. 349–362. (In Russ.)]

  8. Александров И.Д., Намолован Л.Н., Александрова М.В. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 3. Ген black: Oбщая и молекулярная характеристика его радиомутабильности // Радиац. биология. Радиоэкология. 2012. Т. 52. № 5. С. 1–14. [Aleksandrov I.D., Namolovan L.N., Aleksandrova M.V. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 3. Gen black: Obshhaja i molekuljarnaja harakteristika ego radiomutabil’nosti // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2012. V. 52. V. 5. № 1–14. (In Russ.)]

  9. Давкова Л.Н., Александрова М.В., Александров И.Д. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 4. Ген black: Cеквенирование “точковых” мутантов и рекомбинационные механизмы их образования // Радиац. биология. Радиоэкология. 2013. Т. 53. № 4. С. 355–366. [Davkova L.N., Aleksandrova M.V., Aleksandrov I.D. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 4. Gen black: Sekvenirovanie “tochkovyh” mutantov i rekombinacionnye mehanizmy ih obrazovanija // Radiacionnaja biolo-gija. Radiojekologija. 2013. V. 53. № 4. P. 355–366. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S086980311304005X

  10. Давкова Л.Н., Александров И.Д., Александрова М.В. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 5. Ген cinnabar: Oбщая и молекулярная характеристика его радиомутабильности // Радиац. биология. Радиоэкология. 2014. Т. 54. № 1. С. 5–20. [Davkova L.N., Aleksandrov I.D., Aleksandrova M.V. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 5. Gen cinnabar: Obshhaja i molekuljarnaja harakteristika ego radiomutabil’nosti // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2014. V. 54. № 1. P. 5–20. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0869803114010044

  11. Александрова М.В., Александров И.Д. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 6. Ген cinnabar: Cеквенирование γ- и нейтрон-индуцированных “точковых” мутаций // Радиац. биология. Радиоэкология. 2018. Т. 58. № 1. С. 15–25. [Aleksandrova M.V., Aleksandrov I.D. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 6. Gen cinnabar: Sekvenirovanie γ- i nejtron-inducirovannyh “tochkovyh” mutacij // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2018. V. 58. № 1. P. 15–25. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0869803118010022

  12. Кравченко Е.В., Дубовик С.В., Александрова М.В., Александров И.Д. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 7. Ген yellow: Oбщая характеристика мутабильности и ПЦР-анализ “точковых” мутаций // Радиац. биология. Радиоэкология. 2018. Т. 58. № 4. C. 341–351. [Kravchenko E.V., Dubovik S.V., Aleksandrova M.V., Aleksandrov I.D. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 7. Gen yellow: Obshhaja harakteristika mutabil’nosti i PCR-analiz “tochkovyh” mutacij // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2018. V. 58. № 4. P. 341–351. (In Russ.)]. https://doi.org/10.1134/S0869803118040082

  13. Кравченко Е.В., Русакович А.Н., Эльноамани Ф. и др. Радиационная биология структурно разных генов Drosophila melanogaster. Сообщение 8. Ген white: Общая характеристика радиомутабильности и ПЦР-анализ “точковых” мутаций // Радиац. биология. Радиоэкология. 2019 Т. 59. № 5. С. 453–464. [Kravchenko E.V., Rusakovich A.N., Jel’noamani F. et al. Radiacionnaja biologija strukturno raznyh genov Drosophila melanogaster. Soobshhenie 8. Gen white: Ob-shhaja harakteristika radiomutabil’nosti i PCR-analiz “tochkovyh” mutacij // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2019. V. 59. № 5. P. 453–464. (In Russ.)]. https://doi.org/10.1134/S0869803119050060

  14. Alexandrov I.D., Alexandrova M.V. Ionizing radiation and SNA changes underlying inherited recessive mutations // Int. J. Cell Sci. Mol. Biol. 2021. V. 7. P. 1. https://doi.org/10.19080/IJCSMB.2021.06.555704

  15. Alexandrov I.D., Alexandrova M.V., Afanasyeva K.P. The nature of radiation-induced inherited recessive gene mutations in Drosophila melanogaster // Arch. Mol. Biol. Genet. 2021. V. 1. № 1. P. 12–19. https://doi.org/10.33696/genetics.1.003

  16. Alexandrov I.D., Alexandrova M.V. The dose-LET-, gene-dependent patterns of DNA changes underlying the point mutations in spermatozoa of Drosophila melanogaster // Mutat. Res. Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 2021. V. 823. P. 111755. https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2021.111755

  17. Muller H.J. The nature of the genetic effects produced by radiation // Radiat. Biol. 1954. V. 1. № 1. P. 351–473.

  18. Luning K.G. Studies on the origin of apparent gene mutations in Drosophila melanogaster // Acta Zoologica. 1952. V. 33. № 3. P. 13–15. https://doi.org/10.1111/j.1463-6395.1952.tb00364.x

  19. De Serres F.J. X-ray induced specific-locus mutation in ad-3 region of two-component heterokaryons of Neurospora: vii. Genetic lesions resulting in gene/point mutations at the ad-38 locus have different dose-response relationships // Mutat. Res. Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 1990. V. 232. № 2. P. 115–140. https://doi.org/10.1016/0027-5107(90)90118-n

  20. Ли Д.Е. Действие радиации на живые клетки. М.: Госатомиздат, 1963. 286 с. [Li D.E. Dejstvie radiacii na zhivye kletki. M.: Gosatomizdat, 1963. 286 p. (In Russ.)]

  21. Тимофеев-Ресовский Н.В., Иванов В.И., Корогодин В.И. Применение принципа попадания в радиобиологии. М.: Атомиздат, 1986. 226 с. [Timofeev-Resovskij N.V., Ivanov V.I., Korogodin V.I. Primenenie principa popadanija v radiobiologii. M.: Atomizdat, 1986. 226 p. (In Russ.)]

  22. Дубинин Н.П., Хвостова В.В., Мансурова В.В. Хромосомные аберрации, летальные мутации и их зависимость от дозы Х-лучей // Докл. AH СССР. 1941. Т. 31. № 4. С. 386–388. [Dubinin N.P., Hvostova V.V., Mansurova V.V. Hromosomnye aberracii, letal’nye mutacii i ih zavisimost' ot dozy H-luchej // Doklady Akademii Nauk SSSR. 1941. V. 31. № 4. P. 386–388. (In Russ.)]

  23. Бельговский М.Л. Зависимость частоты мелких перестроек хромосом у Drosophila melanogaster от дозы // Изв. АН СССР. Cерия биол. 1939. № 2. С. 159–170. [Bel’govskij M.L. Zavisimost’ chastoty melkih perestroek hromosom u Drosophila melanogaster ot doz // Izvestija AN SSSR. Serija biol. 1939. № 2. P. 159–170. (In Russ.)]

  24. Dauch F., Apitzsch U., Catsch A., Zimmer K.G. RBE schneller neutronen bei der Auslösung von Mutationen bei Drosophila melanogaster // Mutat. Res. Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 1966. V. 3. № 3. P. 185–193. https://doi.org/10.1016/0027-5107(66)90060-1

  25. Wolff S. Radiation Genetic // Ann. Rev. Genet. 1967. V. 1. № 1. P. 221–244. https://doi.org/10.1146/annurev.ge.01.120167.001253

  26. Гептнер М.А. Зависимость мутирования определенных генов от их положения в хромосоме // Биол. журн. 1938. Т. 7. № 5–6. С. 1121–1136. [Geptner M.A. Zavisimost’ mutirovanija opredelennyh genov ot ih polozhenija v hromosome // Biologicheskij zhurnal. 1938. V. 7. № 5–6. P. 1121–1136. (In Russ.)] https://doi.org/10.1134/S0869803119050060

  27. Франк Г.М. Заключительные замечания. Первичные и начальные процессы биологического действия радиации / Под ред. Г.М. Франкa. М.: АН СССР, 1963. С. 271–276. [Frank G.M. Zakljuchitel’nye zamechanija. Pervichnye i nachal’nye processy biologicheskogo dejstvija radiacii / Pod red. G.M. Frank. M.: AN SSSR, 1963. P. 271–276. (In Russ.)]

  28. Lefevre Jr.G. Sterility, chromosome breakage, X-ray induced mutation rates and detected mutation frequencies in Drosophila melanogaster // Genetics. 1967. V. 55. № 2. P. 263–276. https://doi.org/10.1093/genetics/55.2.263

  29. Eeken J.C., De Jong A.W., Loos M. et al. The nature of X-ray-induced mutations in mature sperm and spermatogonial cells of Drosophila melanogaster // Mutat. Res. Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 1994. V. 307. № 1. P. 201–212. https://doi.org/10.1016/0027-5107(94)90293-3

  30. Sawamura K., Karr T.L., Yamamoto M.-T. Genetics of hybrid inviability and sterility in Drosophila: dissection of introgression of D. simulans genes in D. melanogaster genome // Genetica. 2004. V. 120.253–260. https://doi.org/10.1023/b:gene.0000017646.11191.b0

  31. Alexandrov I.D., Zakharov I.A., Alexandrova M.V. The Moscow Regional Drosophila melanogaster Stock Centr // Drosophila Inform. Serv. 2004. V. 87. P. 1–22.

  32. Александрова М.В., Лапидус И.Л., Александров И.Д. Филимонов А.С. Радиационная цитогенетика мультилокусных делеций и принципы надхромомерной организации эухроматина эукариот // Радиац. биология. Радиоэкология. 1996. Т. 36. № 6. С. 805–813. [Alexandrova M.V., Lapidus I.L., Alexandrov I.D., Filimonov A.S. Radiacionnaja citogenetika mul’tilokusnyh delecij i principy nadhromomernoj organizacii jeuhromatina jeukariot // Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 1996. V. 36. № 6. P. 805–813. (In Russ.)]

  33. Alexandrov I., Alexandrova M.V., Korablinova S.V., Ko-rovina L.N. Spatial arrangement of the animal male germ cell genome: I. Nonrandom pattern of radiation-induced inversions involving the vestigial region in autosome 2 of Drosophila melanogaster // Adv. Mol. Biol. 2007. № 1. P. 23–39.

  34. Alexandrov I., Alexandrova M.V., Stepanenko V.A. et al. Spatial arrangement of the animal male germ cell genome: III. A new experimental evidence in support of the Megarosette-loop model of spatial organization of chromosomes in Drosophila sperm genome // Adv. Mol. Biol. 2008. № 1. P. 23–30.

  35. Александров И.Д., Александрова М.В. Молекулярная цитогенетика аберрационных разрывов при мутациях структурных генов // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. № 2. С. 484–487. [Alexandrov I.D., Ale-xandrova M.V. Molekuljarnaja citogenetika aberracionnyh razryvov pri mutacijah strukturnyh genov // Doklady Akad. Nauk SSSS. 1990. V. 315. № 2. P. 484–487. (In Russ.)]

  36. Александрова М.В., Лапидус И.Л., Зенкевич Н.С., Александров И.Д. Радиационные разрывы гена кластеризуются в интронах // Докл. PАН. 1997. Т. 354. № 2. С. 256–258. [Alexandrova M.V., Lapidus I.L., Zenkevich N.S., Alexandrov I.D. Radiacionnye razryvy gena klasterizujutsja v intronah // Doklady Akad. Nauk. 1997. V. 354. № 2. P. 256–258. (In Russ.)]

  37. Александров И.Д., Александрова М.В., Афанасьева К.П. Межхромосомная генная конверсия как регулярных механизм потери гетерозиготности (LOH) в ранней зиготе у Drosophila melanogaster // Доклады PAH. 2015. Т. 460. № 6. С. 1–3. [Alexandrov I.D., Alexandrova M.V., Afanas’eva K.P. Mezhhromosomnaja gennaja konversija kak reguljarnyh mehanizm poteri geterozigotnosti (LOH) v rannej zigote u Drosophila melanogaster // Doklady Akademii nauk. 2015. V. 460. № 6. P. 1–3. (In Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0869565215060249

  38. Mohrenweiserf H.W., Jones I.M. Review of the molecular characteristics of gene mutations of the germline and somatic cells of the human // Mutat. Res. Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 1990. V. 231. № 1. P. 87–108. https://doi.org/10.1016/0027-5107(90)90179-8

  39. Sankaranarayanan K. Ionizing radiation and genetic risks I. Epidemiological, population genetic, bioche-mical and molecular aspects of Mendelian diseases // Mutat. Res. Reviews in Genetic Toxicology. 1991. V. 258. № 1. P. 3–49. https://doi.org/10.1016/0165-1110(91)90027-s

  40. OMIM 2021, https: //www.omim.org

  41. Cardon L.R., Clayton O.G., Deloukas P. et al. Genome-wide association study of 14,000 cases of seven common diseases and 3,000 shared controls // Nature. 2007. V. 447. № 7145. P. 661–678. https://doi.org/10.1038/nature05911

  42. HGMD 2020, http://www.hgmd.cf.ac.uk/ac.index.php

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Радиационная биология. Радиоэкология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал