Молекулярные механизмы генетической изоляции

Мы знаем много разных видов с одинаковым числом хромосом, знаем и внутривидовые формы с разным числом таковых. Свести генетическую изоляцию к колебанию хромосомных чисел не представляется возможным.

В нашей лаборатории уже много лет ведутся работы по поиску какого-нибудь молекулярного критерия вида. Однако все методы, в которых использовалась ДНК, были или недостаточно чувствительными, или чрезмерно трудоемкими. Для целей систематики рекомендовать их было нельзя.

Помощь пришла к нам, когда были открыты рестриктазы — ферменты, расщепляющие нити ДНК по строго определенным участкам нуклеотидной последовательности. Один из таких ферментов — рестриктаза EcoRI (впервые выделенная из бактерии Escherichia coli штамма R). Она расщепляет ДНК на участках ГААТТЦ между гуанином (Г) и аденином (А). После обработки раствора ДНК этой рестриктазой получается смесь фрагментов разной длины, которую разделяют электрофорезом в агарозном или полиакриламидном геле и прокрашивают специальным флуоресцентным красителем. В результате в пленке геля образуется набор полос — своеобразный спектр фрагментов разной длины, которые далее можно идентифицировать, если в том есть необходимость, или сравнивать спектры разных видов.

С помощью такого рестриктазного анализа получено много данных по сходству и различиям отдельных генов, сателлитных и митохондриальных ДНК, ДНК вирусов и бактерий. Однако довольно затруднительно использовать этот метод для выяснения родства организмов по ядерной ДНК. Связано это с тем, что большая часть геномной ДНК животных, растений и грибов представляет собой уникальные нуклеотидные последовательности. Так как места рестрикции в них распределяются нерегулярно, в продуктах расщепления образуется смесь фрагментов, которые четко отделить друг от друга электрофорезом невозможно.

Спектры рестриктазных фрагментов ДНК двух видов диких горных баранов и нескольких пород домашних овец. Фрагменты получены расщеплением повторяющихся последовательностей ДНК ферментом Msp I (а) и ферментом Hinf I (б). Видно, что таксонопринты и диких, и домашних животных одинаковы. 1 —муфлон, 2 — архар, 3 — казахская тонкорунная порода, 4 — каракульская, 5 — линкольнская (ее изображения не удалось отыскать), 6 — эдильбаевская, 7 — гиссарская. N — контрольные фрагменты, местоположение которых на электрофореграмме указано стрелками, а величина каждого выражена числом пар нуклеотидов.

Кроме уникальных последовательностей, в ДНК имеются и многократно повторяющиеся, или просто повторы. Они различаются длиной, расположением в геноме и количеством копий (их бывает от нескольких десятков до миллиона). Именно множественность копий повторяющихся последовательностей делает разделение рестриктазных фрагментов ядерной ДНК успешным. Заметим, функция большинства повторов неизвестна, более того, существует предположение, что они не играют никакой роли. В нашей лаборатории высказывалась гипотеза об их регуляторной функции, которую можно уподобить артиклям, окончаниям и предлогам в письменном тексте.

Первые два автора (Медников и Шубина) разработали метод, позволяющий использовать рестриктазный анализ ядерной ДНК. После предварительного удаления уникальных последовательностей повторы подвергались ферментативному расщеплению и разделению электрофорезом. Этим методом была исследована ДНК тихоокеанских лососей (кеты, горбуши, чавычи, нерки, кижуча и симы) в расчете отыскать показатель, который позволил бы отличить одно нерестовое стадо рыб от другого (т.е. заходящих на нерест в разные реки). Но результат оказался противоположным: набор рестриктазных фрагментов повторяющихся последовательностей ДНК для каждого вида рыб был специфичным и не зависел от пола, возраста и принадлежности к нерестовому стаду. Напрашивался вывод, что найден абсолютный критерий вида — мечта каждого систематика.

В принципе любой вид дальневосточных лососей, вместо длинного морфологического описания, можно охарактеризовать спектром рестриктазных фрагментов. Для кеты он выглядит как Msp1 — 100, 250, 400, 550, 650, 800; Pst1 — 100, 250, 400, 550, 650, 800, 1700; Alu1 — 100, 250, 400, 550, 650, 800 (аббревиатурой обозначены названия рестриктаз, числами — количество пар нуклеотидов, т.е. длина фрагментов). Примечательно, что этот спектр был одинаковым у кеты и из рек Приморья, и из Анадыря. У горбуши он другой: Msp1 — 200, 420, 640; Pst1 1250, 1300, 1700, 2350, 2650; Alu1 — 250, 350, 520, 630, 680.