Балансирующая хромосома
Балансирующие хромосомы (или просто балансировщики ) — это тип генно-инженерной хромосомы , используемый в лабораторной биологии для поддержания рецессивных летальных (или стерильных) мутаций внутри живых организмов без вмешательства естественного отбора . Поскольку такие мутации жизнеспособны только у гетерозигот , они не могут стабильно поддерживаться в течение последующих поколений и поэтому постоянно приводят к образованию организмов дикого типа , что можно предотвратить, заменив гомологичную хромосому дикого типа балансером. В этом качестве балансировщики имеют решающее значение для генетических исследований модельных организмов, таких как Drosophila melanogaster , обыкновенная плодовая мушка, запасы которой не могут быть заархивированы (например, заморожены). Их также можно использовать в передовых генетических скринингах для выявления рецессивных летальных (или стерильных) мутаций. По этой причине балансировщики также используются на других модельных организмах, в первую очередь на нематодах Caenorhabditis elegans и мышах. [1]
Типичные балансирующие хромосомы созданы для того, чтобы (1) сами нести рецессивные летальные мутации, устраняя гомозиготы, не несущие желаемой мутации; (2) подавляют мейотическую рекомбинацию с их гомологами, что предотвращает создание de novo хромосом дикого типа; и (3) несут доминантные генетические маркеры , которые могут помочь идентифицировать редкие рекомбинанты и полезны для целей скрининга.
История
[ редактировать ]Балансирующие хромосомы были впервые использованы у плодовых мух Германом Мюллером , который первым применил радиацию для мутагенеза организма . [2]
При современном использовании балансирующих хромосом случайные мутации сначала индуцируются путем воздействия на живые организмы с нормальными хромосомами веществ, вызывающих ДНК повреждение ; у мух и нематод это обычно происходит при кормлении личинок этилметансульфонатом (ЭМС). Затем личинки с поврежденной ДНК (или взрослые особи, в которых они развиваются) проверяются на наличие мутаций. Когда наблюдается интересующий фенотип , линию, экспрессирующую мутацию, скрещивают с другой линией, содержащей балансирующие хромосомы, чтобы сохранить их происхождение. [3] В одном случае балансеры использовались для генетического скрининга популяции Caenorhabditis elegans . К этому моменту ученые уже осознали преимущества возможности генетического скрининга популяций организмов для генетического исследования. Не менее важно и то, что они поняли, что могут ограничить кроссинговер в этих популяциях, а также обеспечить им очень стабильный генетический состав. [4]
С тех пор использование балансирующих хромосом превратилось в хорошо известный и широко используемый метод генетического скрининга модельных организмов. Их даже используют для изучения роли упаковки гетерохроматина и ее влияния на гены. [5] а также исследования влияния теломер на подавление генов . [6]
Механизм
[ редактировать ]
В диплоидных организмах мутации без рецессивных летальных (или стерильных) фенотипов можно просто вывести до гомозиготности и стабильно и неопределенно поддерживать путем скрещивания гомозигот. Однако гомозиготы по рецессивным летальным мутациям по определению нежизнеспособны, поскольку присутствие рецессивного летального аллеля на обоих хромосомных гомологах приводит к гибели организма на ранних стадиях развития; организм, гомозиготный по рецессивной мутации, вызывающей бесплодие, дает по существу тот же результат (т.е. его генетический материал не может быть передан потомству, даже если сам стерильный индивидуум доживает до зрелости). Эта проблема вынуждает генетиков, желающих изучить рецессивные летальные/стерильные мутации, вместо этого поддерживать мутацию в гетерозиготных организмах (в которых хромосома, содержащая рецессивную летальную/стерильную мутацию, дополняется гомологом, который функционирует как дикий тип в том же локусе, позволяя организму выжить и размножаться более или менее нормально).
В результате скрещивания гетерозигот в дополнение к гетерозиготам и нежизнеспособным гомозиготам образуются организмы дикого типа. Чтобы сохранить чисто гетерозиготную линию, необходимо идентифицировать потомство дикого типа и предотвратить спаривание. Это может оказаться непомерно ресурсоемким, особенно если целью является долгосрочное поддержание рецессивной мутации.
Замена балансирующей хромосомы на гомолог дикого типа хромосомы, несущей рецессивную мутацию, различными способами предотвращает возникновение организмов дикого типа. Во-первых, балансировщик несет свою собственную независимую рецессивную летальную мутацию, которая делает организм нежизнеспособным, если унаследованы две копии балансера (т. е. нет копии желаемой мутации). Однако рекомбинация между балансером и гомологом, содержащим мутантный аллель, также может привести к созданию de novo хромосомы дикого типа. Чтобы подавить рекомбинацию, балансеры обычно содержат множественные вложенные хромосомные инверсии , так что синапсис между гомологичными хромосомами нарушается. [7] Если кроссинговер и происходит, то он часто бывает несбалансированным: каждая образующаяся хроматида лишена одних генов и несет две копии других. Этот процесс также может привести к образованию дицентрических или ацентрических хромосом (хромосом с двумя центромерами или без центромер), которые по своей природе нестабильны и обычно в конечном итоге распадаются, мутируют или теряются во время последующего митоза. Все эти исходы, скорее всего, будут летальными.
Наконец, мух с балансирующими хромосомами легко идентифицировать по мутациям генетических маркеров. Например, кудрявые крылья или щетинистые волосы. Эти фенотипы позволяют исследователям легко распознавать мух, несущих балансир. [8] В маловероятном случае жизнеспособной рекомбинации маркер может быть утерян, что предупредит исследователей об этом событии.
Важно отметить, что подавление рекомбинации с помощью вложенных инверсий происходит только в инвертированных интервалах, в то время как другие области (обычно перицентромерные и субтеломерные области) могут свободно рекомбинировать. Аналогичным образом, если желаемая мутация находится в том же локусе, что и рецессивная летальная мутация балансера (т.е. находится в сильном неравновесии по сцеплению с ней), рекомбинация, приводящая к образованию хромосомы дикого типа, очень маловероятна, независимо от инверсий, подавляющих рекомбинацию.
Помимо простого поддержания изолированной рецессивной летальной (или стерильной) мутации, балансирующие хромосомы также полезны в прямом генетическом скрининге для выявления таких мутаций. В таких скринингах случайно мутагенизированные организмы, несущие балансир, скрещиваются друг с другом. Потомство, несущее балансир, идентифицированный по доминантному маркеру, можно скрещивать с однопометниками. Любое такое скрещивание, в результате которого не образуются маркерно-отрицательные животные, вероятно, является результатом рецессивной летальной мутации в небалансирующей хромосоме. Конечно, таким способом можно отсканировать только геномный интервал, охватываемый инверсиями в балансировщике, при этом рецессивные летальные мутации в других интервалах и на других хромосомах теряются.
Соглашение об именах у дрозофилы
[ редактировать ]Балансирующие хромосомы названы по названию хромосомы, для стабилизации которой они служат, а также по фенотипическому или генетическому маркеру, который несет балансир. [9] Наименование балансирующих хромосом у D. melanogaster стандартизировано следующим образом: первая буква названия хромосомы обозначает номер хромосомы, которую она стабилизирует. F обозначает первую хромосому, S — вторую и T — третью. Малая четвертая хромосома не подвергается рекомбинации и поэтому не требует балансировки. Затем за этой буквой следует буква M, обозначающая «многократно перевернутый». За буквой M следует число , позволяющее различать балансировщики одной и той же хромосомы. Кроме того, генетический маркер или маркеры в балансировщике указаны после имени и разделены запятой. Обычно мутации с легко наблюдаемыми доминантными фенотипическими признаками, которые часто являются гомозиготными и летальными, используются для обеспечения гетерозиготности всего потомства. Например, широко используемый балансировщик TM3, Sb стабилизирует третью хромосому и несет мутантный ген Sb («щетина») в качестве доминантного маркера. Все мухи, содержащие балансир TM3, Sb, будут иметь укороченные или небритые волосы на задней части брюшка, которые легко увидеть при рассмотрении в микроскоп. 3 отличает этот балансировщик от других балансировщиков третьей хромосомы, таких как TM1 и TM2 .
Линию называют «двойной сбалансированной», если она гетерозиготна по двум разным балансирующим хромосомам (например, TM6, Tb/TM3, Ser ) на одной хромосоме и гомозиготно-летальному гетерозиготному видимому мутанту на другой, дикой природе. -типа хромосомы (например, D/TM3, Ser ). Большинство балансирующих хромосом также несут рецессивный аллель, такой как мутация «черного дерева», которая проявляется только у этих пород с двумя балансирующими хромосомами. Такие поголовья часто используются в качестве источников легко отслеживаемых признаков при скрещивании двух разных линий, чтобы можно было выбрать правильное потомство от каждого скрещивания. Запасы дрозофилы с двойным балансом как по второй, так и по третьей хромосоме широко доступны в хранилищах мух.
Часто используемые балансирующие хромосомы у дрозофилы
[ редактировать ]| хромосома | Имя балансировщика | Общие маркеры | Хромосомная перестройка (цитология) [10] [11] |
|---|---|---|---|
| Х | FM6 | Бары (Б) | (20Б - 20Б) | 15Е - 20А | 15Д - 11Ф4 | (4Е - 4Е) | 3С - 4Д7 | 11Ф2 - 4Ф | 3С - 1Б3 | 20Д1 - 1Рт |
| Х | FM7a | Бары (Б) | 20Ф - 20А | 15Д - 20А | 15Д - 11Ф4 | 4Е1 - 11F2 | 4Д7 - 1Б3 | 1рт |
| 2 | CyO | Кёрли (Сай) | 33Ф5 - 30Ф | 50Д1 - 58А4 | 42А2 - 34А1 | 22Д2 - 30Е | 50С10 - 42А3 | 58Б1 - 2Рт |
| 2 | СМ6а | Кёрли (Сай) | 60Б - 58Б1 | 42А3 - 50С10 | 30Э - 22Д | 34А1 - 42А2 | 58А4 - 50Д1 | 30Ф - 33Ф5 | 22Д1 - 22Б1 | 60С - 2РТ |
| 3 | ТМ2 | Ультрабиторакс (Ubx) | 96Б - 93Б | 89Д - 74 | 61С - 74 | 89Е - 93Б | 96А - 3Рт |
| 3 | ТМ3 | Щетина (Sb) и Зубчатая (Ser) | 85Э - 79Э | 100С - 100Ф2 | 92Д1 - 85Е | 65Е - 71С | 94Д - 93А | 76С - 71С | 94F - 100C | 79Э - 76С | 93А - 92Е1 | 100Ф3 - 3Рт |
| 3 | ТМ6Б | Табби (Тб) и Плечевая кость (Ху) | 87Б2 - 86С8 | 84Ф2 - 86С7 | 84Б2 - 84Ф2 | 84Б2 - 75С | 94А - 100Ф2 | 92Д1 - 87Б4 | 61А2 - 63Б8 | 72Е1 - 63Б11 | 72Е2 - 75С | 94А - 92Е1 | 100Ф3 - 3Рт |
Важный научный вклад с использованием балансирующих хромосом
[ редактировать ]Балансирующие хромосомы дают генетикам надежный метод генетического скрининга организмов на наличие конкретной мутации и последовательного поддержания этой мутации в последующих поколениях. Новый метод с использованием балансирующих хромосом рассматривается в статье «Аутосомный метод Flp-Dfs для создания мозаики зародышевой линии у Drosophila Melanogaster» , которая впервые показала, что можно выявить рецессивную мутацию, которая проявляет фенотип только в гомозиготном состоянии. . Используя старые методы балансировки хромосом, генетический скрининг позволял отбирать только гетерозиготные доминантные мутации. В этом эксперименте используется клональный скрининг для выявления гомозиготных особей и поддержания их постоянной линии. [12] Они добились этого, используя ген рекомбиназы FLP , выделенный из дрожжей, который вызывает большие хромосомные инверсии . Методом проб и ошибок они обнаружили, что хромосомы можно рекомбинировать так, что каждая из них будет иметь рецессивную мутацию, в то время как другая половина будет содержать половину балансирующей хромосомы с физическим маркером и летальной рецессивной хромосомой. Другой гомолог в выживших линиях не содержал летального рецессива. Рисунок 1 в статье иллюстрирует экран. Этот новый метод позволил провести рецессивный скрининг 95% генома дрозофилы . Это также значительно улучшило урожайность при мутациях зародышевой линии. [12]
Другая опубликованная статья, в которой использовалось использование балансирующих хромосом, - «Ингибирование интерференции РНК и модуляция экспрессии мобильных элементов путем гибели клеток у дрозофилы» . Эта статья демонстрирует силу балансирующих хромосом и то, чего можно достичь с помощью генетически стабильных линий. Была создана линия, демонстрирующая низкие уровни клеточной гибели и названная EGFPir hs-hid. Когда были проанализированы уровни RNAi , авторы обнаружили интересные результаты в клетках, подвергающихся низкому уровню гибели клеток, и в окружающих клетках ткани. Они обнаружили, что эти клетки отключают механизм РНКи, поддерживая РНК в двухцепочечном состоянии; т.е. если РНК остается в двухцепочечном состоянии, то механизм молчания генов RNAi эффективно отключается.
Авторы предположили, что этот ответ является эволюционной тенденцией к избыточному иммунному ответу против РНК-вирусов. Если одна клетка уже подвергается клеточной гибели, пытаясь остановить распространение вируса, то иммунный ответ RNAi оказывается неэффективным. Это вызывает еще один иммунный ответ, который пытается остановить вирус, который связывает двухцепочечную РНК и сохраняет ее двухцепочечной, чтобы она не могла транскрибироваться в вирусные белки. Точный механизм поддержания двухцепочечной РНК неизвестен. [13]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чжэн, Биньхай; Марийке Сейдж; Вэй-Вэнь Цай; Дебра М. Томпсон; Берил Ч. Тавсанлы; Инь-Чай Чеа; Аллан Брэдли (1998). «Разработка балансирующей хромосомы мыши». Природная генетика . 22 (4): 375–378. дои : 10.1038/11949 . ПМИД 10431243 .
- ^ Герман Мюллер изобрел балансирующую хромосому.
- ^ Льюис, Э.Б.; Ф. Бахер (1968). «Методы кормления этилметансульфонатом (ЭМС) самцов дрозофилы». Информационная служба дрозофилы . 43 : 193.
- ^ Герман, Роберт К.; Альбертсон, Донна Г.; Бреннер, Сидней (15 мая 1976 г.). «Хромосомные перестройки у Caenorhabditis Elegans» . Генетика . 83 (1): 91–105. дои : 10.1093/генетика/83.1.91 . ISSN 0016-6731 . ПМК 1213508 . ПМИД 1269921 . Проверено 11 мая 2015 г.
- ^ Буши, Дэниел; Джон Локк (1 ноября 2004 г.). «Мутации в Su(var)205 и Su(var)3-7 подавляют зависимое от P-элемента молчание у Drosophila melanogaster» . Генетика . 168 (3): 1395–1411. дои : 10.1534/genetics.104.026914 . ПМЦ 1448784 . ПМИД 15579693 .
- ^ Мейсон, Джеймс; Случайный Джошуа; Конев Александр (1 ноября 2004 г.). «Экран дефицита доминантных супрессоров теломерного молчания у дрозофилы» . Генетика . 3. 168 (3): 1353–1370. doi : 10.1534/genetics.104.030676 . ПМЦ 1448782 . ПМИД 15579690 .
- ^ Кайл, Бенджамин Т.; Кэтрин Э. Хентгес; Амандер Т. Кларк; Хисаси Накамура; Эндрю П. Сэлинджер; Бинь Лю; Нил Бокс; Дэвид В. Стоктон; Рэнди Л. Джонсон; Ричард Р. Берингер; Аллан Брэдли; Моника Дж. Джастис (4 сентября 2003 г.). «Функционально-генетический анализ 11-й хромосомы мыши». Природа . 425 (6953): 81–86. дои : 10.1038/nature01865 . ПМИД 12955145 .
- ^ Кассо, Дэвид; Фелипе-Андрес Рамирес-Вебер; Томас Б. Корнберг (март 2000 г.). «Балансирующие хромосомы, меченные GFP, Drosophila melanogaster» . Механизмы развития . 91 (1–2): 451–454. дои : 10.1016/S0925-4773(00)00248-3 . ПМИД 10704882 .
- ^ Толкание мух: теория и практика генетики дрозофилы Ральф Дж. Гринспен. Страница 13
- ^ Flybase.org
- ^ Мишель Маркштейн (2019) Работники дрозофилы, объединяйтесь! Лабораторное пособие по работе с дрозофилой.
- ^ Перейти обратно: а б Чжоу, ТБ; Н. Перримон (декабрь 1996 г.). «Аутосомный метод Flp-Dfs для создания мозаики зародышевой линии у Drosophila Melanogaster» . Генетика . 144 (4): 1673–1679. дои : 10.1093/генетика/144.4.1673 . ПМК 1207718 . ПМИД 8978054 .
- ^ Се, Вэйу; Лян Чэнчжи; Джеймс Бирчлер (1 августа 2011 г.). «Ингибирование интерференции РНК и модуляция экспрессии мобильных элементов путем гибели клеток у дрозофилы» . Генетика . 188 (4): 823–834. дои : 10.1534/genetics.111.128470 . ПМК 3176087 . ПМИД 21596898 . Проверено 22 ноября 2011 г.