О гено- и геномоцентричности фундаментальных биологических систем: микроорганизмы, растения, животные (обзор)

Доместицированные виды растений и животных составляют фундамент аграрной цивилизации. Примерно за 12 тыс. лет ее развития вклад человека и домашних видов животных в глобальную биомассу резко возрос (1). Очевидно, что от их благополучия зависит устойчивость аграрной цивилизации в меняющихся условиях окружающей среды. В этой связи с самого начала зарождения и распространения доместикации критическим становится развитие методов управления генетическими потоками одомашненных форм. Кроме того, следует учитывать, что из достаточно большого количества относительно подходящих видов в доместикацию вовлекалось очень ограниченное их число (2). Но для того, чтобы ими управлять, необходимо определиться с мишенями управления. Со времен внедерения методов молекулярной биологии в работу с сельскохозяйственными видами выделились несколько основных направлений: селекция с помощью маркеров (marker-assisted selection — MAS), предполагающая генотипирование генов, кодирующих белки, ассоциированные с желательными признаками; полногеномные карты ассоциаций сайтов локализации мононуклеотидных полиморфизмов (single nucleotide polymorphism — SNP) с хозяйственно ценными признаками (genome-wide association study — GWAS), проекция на фенотипическую пластичность сельскохозяйственных видов изменчивости эпигенетических модификаций, профилей генной экспрессии у представителей микроорганизмов, растений, животных. В этом процессе изменились представления о сложности организации геномов, разных скоростях 426

эволюции и чувствительности к факторам окружающей среды геномных элементов. Существенные различия между ними, наличие сложных регуляторных систем требуют целенаправленного изучения геномной гетерогенности для обоснованного выявления мишеней селекционной работы в целях ее оптимизации.

В обзоре на примере доместицированных видов эти вопросы рассмотрены с точки зрения фундаментальных принципов оранизации генома, функциональной активности генов и роли регуляторных геномных последовательностей.

Внутривидовое биоразнообразие доместицированных видов. Одной из особенностей доместицированных видов, в частности представителей млекопитающих, служит выраженное внутривидовое разнообразие, проявляющееся в большом числе хорошо идентифицируемых пород. Так называемая «золотая пятерка» доместицированных видов животных (козы, овцы, крупный рогатый скот, свиньи, лошади) суммарно представлена примерно 5000 пород, которые хорошо идентифицируемы (3). Отметим, что эта цифра близка к общему числу видов млекопитающих, существующих в настоящее время.

Млекопитающие на видовом уровне достаточно разнообразны: насчитывается более 6100 современных видов (4). Более того, млекопитающие за последние 100 млн лет адаптировались к особенностям почти всех сред обитания на Земле (5).

В классе млекопитающие выделяют два отряда, которые по численности видов богаче всех остальных. Это грызуны (2652 вида) и летучие мыши (1426 видов). Интересно, что количество видов летучих мышей почти совпадает с количеством учтенных FAO в 2016 году пород крупного рогатого скота (1220 пород, не считая те, которые уже исчезли). Причем у млекопитающих имеются виды-близнецы. Например, у обыкновенной полевки ( Mic-rotus arvalis ) и восточноевропейской полевки ( M. rossiaemeridionalis ) ареалы частично перекрываются, но репродуктивно они изолированы и существенно различаются по кариотипу (соответственно 2 n = 46 и 2 n = 54). При этом пород-близнецов не существует, несмотря на принадлежность к одному и тому же виду и наличию широко распространенных трансграничных пород, воспроизводящихся в различных экологических условиях (как виды-космополиты). Похожая ситуация наблюдается и у растений. Например, у риса в роду насчитывается 20 видов, а у одного вида — Oryza sativa L. ти-пируется не менее 8 тыс. сортов, в том числе с различными экотипами с высоким мононуклеотидным полиморфизмом (6).

Следует отметить, что из такого сравнения становится очевидным, что важной компонентой, отличающей доместицированные виды от близкородственных диких, является высокий уровень фенотипической изменчивости (7).

Полиморфизм белков. Выполненные нами ранее исследования полиморфизма электрофоретических вариантов белков у представителей доместицированных и близкородственных диких видов животных и растений свидетельствовали о том, что по этой характеристике можно сделать вывод только о тенденции к несколько повышенному полиморфизму (суммарно) у доместицированных видов по сравнению с близкородственными дикими. Зато они существенно различались по вкладу в полиморфизм различных функциональных групп белков — у доместицированных видов относительно повышен полиморфизм продуктов, обеспечивающих метаболизм экзогенных субстратов, у близкородственных диких видов — ферментов гликолиза, цикла Кребса, пентозофосфатного шунта. В первом случае, по-видимому, это может быть следствием отбора на широкую субстратную специфичность, связывающую разнообразные субстраты, поступающие из внешней среды, а во втором — отбора на оптимизацию внутриклеточного энергообеспечения при узком спектре экзогенных субстратов (8). Взаимосвязь между функциями продуктов различных генов обнаруживается и на уровне консервативности совместной экспрессии элементов генных сетей, что описано в разных царствах эукариот (9).

Следует отметить, что в некоторых случаях у таксономически удаленных групп наблюдается сходство генетических систем, вовлекаемых в одомашнивание. Например, у разных видов растений при изменении состояния семян в период покоя наблюдается модулирование ключевых звеньев метаболического пути синтеза абсцизовой кислоты (10).

Можно ожидать, что перераспределение полиморфизма от ферментов внутриклеточного энергообеспечения к метаболизирующим экзогенные субстраты обусловлено адаптацией (естественным отбором) к широкому разнообразию экологических условий воспроизводства в доместицирован-ных популяциях. То, что экологические факторы вносят определяющий вклад в процессы адаптации к условиям окружающей среды, отражено в исследованиях полиморфизма электрофоретических вариантов белков в работах E. Nevo (11, 12), выполненных, в частности, на широко известной модели «каньона эволюции». Интересно отметить, что у растений некоторые стресс-чувствительные гены совпадают или тесно связаны с ключевыми генами разития растения (13).

Из этого следует, что, во-первых, предшественники доместициро-ванных видов должны характеризоваться повышенной изменчивостью именно тех генов, продукты которых вносят существенный вклад в изменчивость фенотипических признаков, представляющих собой мишень естественного и искусственного отборов, и во-вторых, учитывая полигенную природу фенотипических характеристик, одни и те же фенотипические эффекты могут быть достигнуты посредством фиксации мутационных событий по разным генам (14).

Гетерогенность скорости эволюции разных генов в геноме. Накапливаются данные о том, что гены отличаются друг от друга по потенциальной предрасположенности к изменчивости, начиная от присутствующих в наиболее «простых» геномах, как у фагов, и включая некоторые гены млекопитающих, например гены, кодирующие цепи иммуноглобулинов. Так, оказалось, что, несмотря на высокую частоту горизонтального обмена генетическим материалом между фагами, склонные к таким перестройкам фаги встречаются относительно редко. По-видимому, только 11 % всех фагов приобрели пять или более генов в прошлом, и только 10 % отдали пять или более генов (15). Так называемые «бродячие» гены встречаются еще реже: 42 гена, по-видимому, были перенесены дважды, семь генов трижды, и только три — четыре раза. То есть выживание фагов при горизонтальном переносе тесно связано с вовлечением в него определенных генов и геномных элементов.

Эксперимент, выполненный на дрожжах, показал, что удаление гена, мутации по которому летальны (ген myo1 , миозин I), может приводить к изменениям генных сетей и компенсировать негативные последствия его повреждения, благодаря чему появляются новые жизнеспособные клоны (16).

Этот вывод был проиллюстрирован прямым манипулированием бактериальными генетическими сетями, в которых изменения мишеней 428

главных регуляторов экспрессии (факторов транскрипции) в 598 разных клонах кишечной палочки Escherichia coli , различавшихся индуцированными мутациями в промоторах разных генов, не приводили к существенным функциональным отклонениям в росте. Эти результаты отражают пластичность сети индивидуальных функций генов и демонстрируют, что для сохранения описанной системы конкретные гены не важны (17).

В нескольких теоретических и экспериментальных исследованиях была предпринята попытка определить минимальный набор генов, которые необходимы и достаточны для поддержания функционирующей клетки в идеальных условиях, то есть при наличии неограниченного количества всех необходимых питательных веществ и при отсутствии каких-либо неблагоприятных факторов, включая конкуренцию (18). Сравнение бактериальных геномов позволило авторам получить данные о том, что из 250 генов в исходном минимальном наборе только приблизительно 80 представлены ортологами во всех формах жизни. Но даже при нокауте по 15 % таких генов организмы оказались жизнеспособными. То есть, как полагают авторы, большинство этих генов играют важную функциональную роль, но в ходе эволюции они могут подвергаться вытеснению, а для выполнения той же функции привлекаются неродственные или отдаленно родственные белки.

Примерно к такому же заключению пришли исследователи ряда конвергентных характеристик, в частности у живородящих позвоночных. Авторы делают вывод о том, что избыточность функции генов позволила живорождению многократно эволюционировать посредством привлечения различных генов из геномных «наборов инструментов», которые строго ограничены набором генов у предков каждой эволюционной линии (19).

Функциональная избыточность генов, акцентируемая авторами (19), поднимает вопрос не столько об избыточности функций, сколько об эволюции генных семейств, функциональных доменов и модульной организации генной экспрессии (20).

Геноцентричность и геномоцентричность. Накопление данных по изучению различных уровней организации биополимеров привело в 2012 году к формированию международного общества по исследованиям биологических кодов (Code Biology, . Важность этого направления подробно описывается в работах J. Heng с соавт. (21). В своих работах J. Heng подчеркивает, что реализация генетической информации в процессе формообразования и видообразования в большинстве случаев не может происходить посредством эволюции отдельных генов — частей целого и осуществляется только за счет их системной организации в целый геном с другими правилами и механизмами кодировки. Такое деление J. Heng назвал геноцентричным и геномоцентричным подходами к представлениям об эволюционных процессах и оценках взаимоотношений между генами и геномом (22). Геномоцентричный подход автор обозначил как кариотипический код, подчеркнув, что видообразование (макроэволюция) часто связано с кариотипической изменчивостью (21). Конечно, отмечается, что в ряде случаев в результате спонтанного появления существенных кариотипических различий не возникает репродуктивная изоляция, однако предполагается, что ее отсутствие может быть обусловлено более тонкими модификациями хромосомного аппарата, чем собственно изменения хромосом.

В то же время множественность механизмов репродуктивной изоляции, распространенная асимметрия фертильности у гибридного потомства (правило Холдейна) и ее разные возможные механизмы свидетельствуют о том, что разделение на геноцентризм и геномоценризм и прдставление об изменчивости генов как микроэволюции, а геномов — как макроволюции, по-видимому, мало продуктивны, как и любые попытки превратить в биологии совокупность наблюдаемых частных проявлений в общее правило. Это обусловлено еще и тем, что до сих пор смысловое содержание некоторых биологических терминов несет выраженную неопределенность. Например, под биоразнообразием может пониматься как формообразование, например, породо- и сортообразование, так и видообразование. Диапазон биоразнообразия породо- и сортообразования у ведущих доместици-рованных видов существенно превышает размах видовой фенотипической изменчивости, особенно у видов-близнецов даже при пересекающихся ареалах, однако биоразнообразие в первом случае относят к микроволюции, во втором — к макроэволюции. Причем в последнем случае виды-близнецы при неотличимых фенотипах и перекрывании ареалов могут существенно различаться по кариотипу, в качесвте примера выше мы уже упоминали обыкновенную полевку (Microtus arvalis) и восточноевропейскую полевку (M. rossiaemeridionalis).

Как ни странно, типичные для современной биологии широкие обобщения представляют собой определенный риск и для решения важных практических проблем, таких, например, как теоретические основы канцерогенеза. Например, достаточно давно проводится сопоставление между геномной нестабильностью, которая, как предполагается, сопровождает макроэволюцию, и событиями, связанными с опухолевой прогрессией (23-25). Еще в 1968 году C.L. Markert (26) (он первым разделил аллельные варианты белков по электрическому заряду и создал таким образом биохимическую генетику) впервые сформулировал положение о том, что опухолевая клетка принципиально отличается от физиологической нормы «ненормальным сочетанием нормальных компонент» и подчеркивал, что неоплазия по своей сути является болезнью клеточной дифференцировки (26). С его точки зрения неоплазия — нарушение генных систем, собирающих конкретные диф-ференцировочные программы генной экспрессии в единый ансамбль, меняющийся от одной стадии к другой в процессах клеточной дифференцировки, а не изменчивость вообще.

Известно, что имеются варианты опухолей с общим гистогенезом, в частности варианты колоректального рака, отличающиеся друг от друга по разным характеристикам геномной нестабильности: по повышенной мута-бильности микросателлитов, хромосомной нестабильности, метилированию GpC островков (27, 28). Заметим, что на этом уровне геномного анализа невозможно выделить надежный показатель геномной нестабильности для прогноза скорости опухолевой прогрессии еще и потому, что она ведет себя как количественный полигенный признак, то есть так же, как механизмы репродуктивной изоляции.

Следует отметить, что даже при спонтанной неопластической эволюции эмбриональных фибробластов лабораторных линий мышей можно наблюдать присутствие генотипической компоненты в этом процессе, то есть вовлеченности конкретных контролирующих его генов, что приводит к различиям по кариотипической изменчивости клеток в зависимости от принадлежности к разным лабораторным линиям мышей (29).

Также имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что такие гены, как широко известный p53, участвующий в контроле количества повреждений ДНК, мутации в котором часто связаны с опухолевым ростом, но не с видообразованием, в некоторых областях своей первичной последовательности существенно выделяются эволюционной консервативностью, но в то же время повышенной изменчивостью в опухолевых клетках (30, 31). Из этого следует, что генерация геномной изменчивости может вносить критический вклад в опухолевую прогрессию, но не иметь никакого отношения к макроэволюции.

В общем, приходится возвращаться к классикам и основателям синтетической теории эволюции, таким как С.С. Четвериков (32), который, по сути, утверждал, что все гены (весь геном) принимают участие в формировании фенотипа, только вклад каждого гена может варьироваться от приближающегося к нулю до критического в зависимости от генотипической среды и факторов естественного отбора.

Поскольку основа макроэволюции — репродуктивная изоляция ведет себя точно так же, как любой полигенный количественный признак, противопоставление геноцентризма и геномоцентризма теряет свою обоснованность, и становится очевидным, что биоразнообразие геномов (кариотипов) непосредственно зависит от конкретных генов, мутации по которым вовлечены в репродуктиную изоляцию, и, соответственно, от особенностей ее признаков. В связи с тем, что, как отмечалось выше, все фенотипические признаки полигенны по своей основе, включая системы, контролирующие геномную нестабильность, для решения вопроса о разработках методов контроля генетических потоков у сельскохозяйственных видов растений и животных необходимо выяснить, какие основные геномные элементы вовлекаются в формообразование, то есть во внутривидовую изменчивость, определяемую как микроэволюция.

Гетерогенность скорости эволюции разных геномным элементов: кодирующих белки и некодирующих последовательностей ДНК. Накопление данных по пангеномике у разных видов (множественное внутривидовое полногеномное секвенирование) позволило обнаружить, что в геноме можно выделить эволюционно консервативные гены, которые, как правило, ассоциированы с фенотипическими признаками, характерными для ранга крупных филогенетических таксонов (33-35). Например, у американской норки эволюционно консервативны гены, на основании которых ее можно отнести к водным и полуводным млекопитающим (36). То есть имеется ряд генов, у которых эволюционная консервативность выше, чем у других генов.

Исследования кариотипической эволюции плацентарных позволили выделить в геноме два типа участков: с повышенной скоростью преобразований хромосом (Evolutionary Breakpoint Regions — EBRs) и эволюционно консервативные (Homologous Synteny Blocks — HSBs). Районы EBR обогащены генами, продукты которых участвуют в сенсорном восприятии и в регуляции транскрипции (37, 38). В отличие от EBR в HSB обнаруживается повышенная плотность генов, продукты которых участвуют в формировании анатомических характеристик и развитии центральной нервной системы. В то же время у EBR по сравнению с HSB эти участки варьируются по повышенной плотности различных типов повторов (37, 38).

Следует отметить, что подразделенность геномов на EBR и HSB, выявленная авторами, не исключает в определенных случаях эволюционной консервативности синтении факторов регуляции транскрипиции, несмотря на встройки в такие блоки мобильных генетических элементов (39, 40).

У плацентарных млекопитающих описана неоднородность скорости эволюции последовательностей ДНК, кодирующих белки с различной функцией, соответствующие когда-то распространенному делению на гены «домашнего хозяйства» и гены «роскоши». Оказалось, что наиболее консервативные гены участвуют в посттранскрипционной регуляции генной экспрессии, в эмбриональном развитии, а также входят во все четыре кластера генов HOX (homeodomain-containing DNA-binding proteins). Эволюционирующие с наибольшей скоростью гены формируют взаимодействия животного с окружающей средой, включая врожденные и адаптивные иммунные реакции, развитие кожи, ответы на запах и вкус (38). По данным этих авторов, белок-кодирующие гены с наиболее выраженной ограниченностью в изменчивости участвуют в биологических процессах, функционально одинаковых у разных видов, тогда как быстро эволюционирующие вовлечены в процессы, различающиеся между видами. Наглядным примером могут быть данные о белках, участвующих в антибактериальном гуморальном ответе, отличающие приматов от других плацентарных (41) или аллельные градиенты по разным локусам у овец и коз при локальной адаптации к экстремальным условиям окружающей среды, причем для разных видов критическими являются разные экологические факторы (42). Описан целый ряд генов, тесно связанных с процессами доместикации и, так или иначе, с клеточными популяциями нервного гребня у основных сельскохозяйственных видов (43). В этой работе подчеркивается, что не так уж и велика геномная дифференциация домашних и предковых видов у основных сельскохозяйственных растений и животных, авторы выделяют гены и геномные области такой дифференциации как «геномные островки одомашнивания».

В то же время среди эволюционно ограниченных нуклеотидных последовательностей примерно 80 % находятся не в экзонах, а в некодирующих последовательностях (38). Оказалось также, что такой показатель, как импринтинг у млекопитающих, имеет видоспецифичные особенности, лежащие в основе аллель-специфичной экспрессии генов, в основном связанных с функциями мозга и поведением, что влияет на развитие нервной системы (44).

Регуляторная роль некодирующих последовательностей ДНК. Некодирующая ДНК широко вовлечена в регуляцию транскрипции (41, 45-49). Интересно отметить, что у одомашненного риса ( Oryza sativa L.) по сравнению с диким снижена экспрессия длинных некодирующих РНК (lncRNA), что сопровождалось изменением экспрессии генов энергетического метаболизма и увеличением содержания крахмала и массы зерна (48). То есть если у домашних форм по сравнению с близкородственными видами, как это было показано ранее, снижен полиморфизм генов, кодирующих ферменты энергообеспечения клеток (8), то у доместицированного риса еще и снижена их транскрипция.

Обнаружено, что нуклеотидные последовательности — мишени связывания с факторами регуляции транскрипции (TF) у плацентарных млекопитающих, активные во многих типах клеток, особенно в нервных и скелетно-мышечных, наиболее ограничены в изменчивости, а в клетках крови, эпителия и плаценты — наименее ограничены. Регуляторные элементы, активные в нервных, сердечных и эмбриональных клетках, демонстрировали более высокую степень ограничения в изменчивости у приматов, чем у других млекопитающих (41). По заключению авторов, полученные данные свидетельствуют о важной роли недавней эволюции элементов регуляторных сетей в макроэволюционных событиях (41).

Происхождение TF тесно связано с мобильными генетическими элементами — транспозонами (TE) (49-52). TE могут влиять на экспрессию генов разными путями: либо непосредственно на транскрипцию, либо по-сттранскрипционно через их кодируемые продукты, которые включают как белки, так и некодирующие РНК (нкРНК) (53). Механизмы, с помощью которых TE влияют на генно-регуляторные сети хозяина, включают добавление TF, промоторов и энхансеров; изменение организации трехмерного хроматина; выработку регуляторных нкРНК; коопцию/экзаптацию полученных из TE последовательностей, кодирующих новые белки, которые влияют на транскрипцию; подавление экспрессии у хозяина вследствие повышенного метилирования интегрированных транспозонов как у растений, так и у животных (54-56).

Интересно отметить, что растения и животные существенно отличаются друг от друга присутствием в геномах разных типов транспозонов. Так, ТЕ геномов растений на 80 % представлены эндогенными ретровирусами (ERV), а в геномах животных ERV составляют только 8 % (49). Тем не менее обнаружено, что у овец последовательности, полученные из ERV, присутствовали приблизительно в 75 % белок-кодирующих генов и в 81 % генов длинных некодирующих РНК (lncRNA). У коз последовательности, полученные из ERV, обнаружены в 74 % белок-кодирующих генов и в 75 % генов lncRNA (57). По данным этих авторов, в своем большинстве такие фрагменты преставляют собой отпечатками древних вирусных инфекций, но в ряде случаев встречаются и активные ERV, что свидетельствует о продолжении эволюции.

В целом, у человека около 11 % ограниченных по скорости эволюции нуклеотидных оснований находятся в мобильных элементах, при этом они обогащены микросателлитными повторами и ДНК-транспозонами и обеднены короткими диспергированными ядерными элементами (SINE), длинными концевыми повторами (LTR) и сателлитными повторами (41). По данным этих авторов, большинство (87 %) сайтов связывания транскрипционных факторов, специфичных для приматов, несут участки ТЕ в отличие от большинства неспецифичных для приматов сайтов (30 %). Повышенная плотность сайтов связывания CTCF (высококонсервативный TF, участвует в формировании петель и организации трехмерной структуре генома) выявлена в TE, специфичных только для приматов, рядом с генами, участвующими в контроле зрения, репродукции, иммунитета, в развитии нижних конечностей и формировании социального поведения.

Следует отметить, что матрикс-ассоциированные районы генома (MAR), влияющие на его трехмерную организацию и регуляцию генной экспрессии, часто оказываются высококонсервативными у таких разных видов, как человек и мышь (58). Причем существенный вклад в формирование этих последовательностей, как и в распространение CTCF, вносят ТЕ (58-62). ТЕ служат источниками и предшественниками многих других геномных элементов, вовлеченных в регуляторные сети и у растений, и у животных, таких как целый ряд некодирующих РНК, в частности микроРНК (54, 63, 64).

В целом принципы влияния ТЕ на профили генной экспрессии у растений и животных имеют очевидное сходство и, видимо, поэтому между ними наблюдаются определенные пересечения (65, 66).

Таким образом, скорость эволюции генов, кодирующих белки, и регуляторных нуклеотидных последовательностей непосредственно зависит от их вовлеченности в общие и таксон-специфичные, видоспецифичные биологические процессы. Чем выше такая специфичность, тем выше и эволюционно моложе приобретение регуляторных вариантов, типичных для фенотипической изменчивости, связанной, как правило, с давлением факторов окружающей среды. Особую роль в процессах адаптации к меняющимся внешним условиям играют мобильные генетические элементы, обеспечивающие пластичность регуляторных сетей геномов (62, 64, 67, 68).

Вовлечение транспозонов в процессы доместикации. Изучение TE в 248 геномах плацентарных млекопитающих показало, что млекопитающие похожи друг на друга по общему содержанию TE и разнообразию, но существенно различаются по недавно приобретенными TE. Как правило, млекопитающие накапливают только несколько типов TE, при этом доминирует один тип TE (52). Наблюдается сходная локализация различных типов ТЕ в специфических участках геномов, различающихся по плотности генов, кодирующих белки, и транскрипционной активности (69). Это приводит к распостраненности встроек друг в друга, рекомбинациям между ними и образованию «гнезд» ТЕ в определенных геномных участках (70, 71). Описаны два варианта встроек ТЕ в геном хозяина — пассивный (в открытый активно транскрибируемый хроматин) и адресный (перед сайтом инициации транскрипции для РНК-полимеразы II) (72).

Обнаружено некоторое повышение содержания ДНК ТЕ у плотоядных млекопитающих по сравнению с травоядными. Предполагается, что распространенность ретротранспозонов может быть следствием межвидовых взаимодействий и общих вирусных инфекций, например между человеком и животными, входящими в среду его обитания (73-75). Из этого следует, что в условиях действия доминирующего фактора окружающей среды и необходимости новых вариантов генной экспрессии для выживания из окружающего резервуара факторов-регуляторов захватывается наиболее доступный, а далее включается очищающая селекция, подобная реализуемой при клональной экспансии (пример — лимофциты, инфицированные вирусом бычьего лейкоза у крупного рогатого скота) (76, 77).

К настоящему времени активно накапливаются данные в международном проекте Functional Annotation of Animal Genomes (FAANG, Функциональная аннотация геномов животных; , в процессе выполнения которого в том числе рассматривается связь между изменчивостью различных геномных элементов и ее влиянием на фенотипическую изменчивость. Исследуются тканеспецифичные особенности изменчивости эпигенетических характеристик, например в тканях домашней овцы, других сельскохозяйственных видов (47, 78).

Благодаря развитию методов полногеномного секвенирования и генотипирования мононуклеотидных полиморфизмов (genome-wide association studies, GWAS) появилась возможность проецирования изменчивости поли-генных фенотипических признаков на первичную последовательность нуклеотидов генома. Как и ожидалось, оказалось, что изменчивость хозяйственно ценных признаков связана с аллельным разнообразием большого числа генов.

При исследовании экспрессии генов у ручных и агрессивных крыс (лабораторная модель одомашнивания), домашних и диких животных, нейропатологий гипоталамуса у человека у разных видов обнаружена сходная дифференциация профилей генной экспрессии, ассоциированная с поведенческими реакциями (79).

Выполненные исследования по сравнительной эпигеномике человека, собаки и мыши позволили показали, что изменчивость одних и тех же фенотипических признаков может быть ассоциирована с активным в отношении транскрипции состоянием эпигенома с сочетанием эволюционно консервативных и видоспецифичных характеристик. Так, у человека легочные функции имели больше ассоциаций по SNP с показателями активной транскрипции районов генов, связанных с иммунной системой, чем у собак и мышей. В головном мозге собак и мышей SNP-проекции бессонницы и неврологических особенностей на активно транскрибируемые районы оказались более сходными между собой, чем с проекцией у человека. Имеется ряд других подобных примеров (80). То есть межвидовая консервативность экспрессии генов, ассоциированная с проекцией SNP на эпигеном, может критически зависеть от сложности анализируемого фенотипического признака и вклада в его изменчивость разных физиологических систем. Понятно, что вклад разных физиологических систем в зонах рискованного животноводства на границах ареала (например, при неблагоприятной температуре, высокогорной гипоксии), будут отличаться от того же в центре ареала.

Для того чтобы увеличить информативность поисков геномных элементов, полиморфизм которых вносит наибольший вклад в изменчивость контролируемых количественных признаков, в некоторых работах, в частности в сообщении I. Kirov (87), отдельно рассматривают последовательности, связанные с экспрессией генов (eQTLs), с РНК-сплайсингом, эпигенетическими модификацями и контролем концентрации метаболитов (mQTLs). Наиболее информативными и консервативными у разных пород и видов оказались mQTLs, затем по информативности — eQTLs, причем наиболее информативными (по вкладу в изменчивость анализируемых фенотипических признаков) были данные по РНК-сплайсингу и наиболее «молодым» аллельным вариантам выявленных геномных элементов, с которыми были связаны различия не только между видами млекопитающих, но и между породами внутри вида, в частности между молочными и мясными породами крупного рогатого скота.

То есть при анлизе связей между проявлением хозяйственно ценных фенотипических характеристик и локусами количественных признаков, как и в случае с белок-кодирующими последовательностями и некодирующими регуляторными участками ДНК, наибольшая изменчивость наблюдается по эволюционно наиболее молодым аллельным вариантам, связанным с регуляцией генной экспрессии.

Все эти данные указывают на то, что одной из основных задач при разработке эффективных методов управления генетическими потоками в работе по сохранению, селекционному улучшению и получению новых форм сельскохозяйственных видов рсастений и животных становится выявление регуляторных элементов, критичных для желательной фенотипической изменчивости объектов.

Примеры участия ТЕ в желательном изменении хозяйственно ценных фенотипических показателей. Выполнены широкие геномные исследования вовлеченности ТЕ в фенотипическую изменчивость, в развитие некоторых заболеваний у человека (82). У сельскохозяйственных видов к настоящему времени также уже накоплено достаточно большое количество данных, свидетельствующих о том, что как у растений, так и у животных целый ряд хозяйственно ценных фенотипических характеристик изменяется в желательном для селекции направлении в связи с инсерциями ТЕ в определенные гены (83). У растений такие вставки обнаружены в генах, продукты которых участвуют в формировании хозяйственно ценных признаков, устойчивости к биотическим и абиотическим неблагоприятным факторам окружающей среды (84-86). В этой связи развиваются работы, в которых предпринимаются попытки получения, в частности, новых форм растений, используя мутагенез, связанный с ТЕ (87).

У животных такие исследования выполнялись, в основном, на крупном и мелком рогатом скоте, лошадях, курах, описаны вставки ТЕ в гены, участвующие в работе таких системных регуляторов, как рецептор соматотропного гормона у крупного рогатого скота, бета-субъединица фолликулостимулирующего гормона у свиней, ряд других генов (88).

Оказалось также, что ТЕ широко вовлечены в изменчивость окраса у животных, особенно у домашних, что обусловлено частым вовлечением этой фенотипической характеристики в искусственный отбор (88). На основании анализа ряда примеров исследователи приходят к выводу, что у животных существенно чаще ТЕ, влияющие на окрас, представлены эндогенными ретровирусами (ERV), несмотря на их наименьшую представленность и транспозиционную активность по сравнению с другими типами ТЕ, такими как длинные диспергированные ядерные элементы (LINE), короткие (неавтономные) диспергированные ядерные элементы (SINE). Предполагается, что в основе влияния TE на окраску животных лежат три основных механизма: (i) эффекты сплайсинга, приводящие к усечению белков за счет введения преждевременных стоп-кодонов, пропуска экзонов, появления новых сайтов сплайсинга; (ii) регуляторное воздействие на экспрессию генов посредством использования TE в качестве новых промоторов и энхансеров или вследствие изменения существующих регуляторных элементов при встраивании TE; (iii) структурные перестройки посредством дупликации генов окраски, в частности за счет неаллельной гомологичной рекомбинации. Авторы отмечают (88), что на окраску животных влияют различные гены, большинство из которых можно разделить на связанные (i) с дифференцировкой и миграцией меланоцитов, (ii) с развитием пигментных меланосом, (iii) с переключением синтеза на другой тип пигмента, (iv) с внутриклеточным синтезом пигмента, (v) с межклеточным транспортом пигмента.

Особую важность для выявления генов и геномных элементов, критически влияющих на желательное проявление хозяйственно ценных признаков, приобретает накопление данных о пангеномике основных сельскохозяйственных видов. Пангеном — это совокупность последовательностей ДНК особей одного вида, которая подразделяется на ДНК последовательности, общие для вида (основной геном) и индивидуальные для всех особей вида (вариабельный геном). Анализ пангенома выявляет генетические вариации у домашних животных (овцы, крупный рогатый скот, свиньи, куры) и позволяет оценить их ассоциации с фенотипической изменчивостью (89). Создан международный консорциум по пангеномике крупного рогатого скота (90), благодаря пангеномным исследованиям у крупного рогатого скота обнаружена вовлеченность ТЕ в адаптацию к экологическим условиям (91, 92). В результате пангеномных исследований описаны структурные варианты у овец, тесно связанные с хозяйственно ценными характеристиками, обнаружена вовлеченность в некоторые из них ТЕ (93). У свиней пангеномные исследования выявили тесную связь ряда идентифицированных генов с адаптацией (94). Например, обнаружены новые гены лейкоцитарного антигена свиней, потенциально участвующие в иммунных реакциях на инфицирование вирусом продуктивного респираторного синдрома (PRRSV). Обнаружено, что несколько потенциально адаптивных вставок TE кооптированы в гены, ответственные за реакцию на гипоксию, развитие скелета, регуляцию сердечных сокращений и развитие нейрональных клеток (94).

В целом, современные пангеномные исследования существенно увеличивают число геномных мишеней, контроль и модификация которых может кардинально повысить скорость селекционной работы в желательном направлении (95).

Механизмы, защищающие геном хозяина от дестабилизирующего дейсвтия ТЕ. Тот факт, что накапливается все больше данных о критическом влиянии ТЕ и их производных на изменчивость фенотипических признаков (в том числе при доместикации), приводит к необходимости разрабатывать методы контроля и воздействия на изменчивость этих геномных компонент. В настоящее время уже описаны сложные механизмы подавления экспрессии и транспозиций ТЕ, а также их взаимодействий с геномом хозяина, в частности в участках интеграции (96, 97). Обнаружены системы семейств факторов регуляции транскрипции ТЕ, понижающих негативный потенциал транспозонов в отношении дестабилизации генома хозяина.

В этой связи в последние годы ведутся активные исследования по созданию протоколов для геномного редактирования некоторых ТЕ. Сложность задачи обусловлена двумя главными обстоятельствами — высокой ко-пийностью TE в геномах и полиморфизмом некоторых копий. Разработаны специальные процедуры подбора направляющей РНК при использовании CRISPR системы для генного редактирования, создается банк соответствующих направляющих РНК, изучается влияние модификаций ТЕ на экспрессию генов, кодирующих белки (98, 99). На клеточных линиях удалось наглядно показать, как удаление ТЕ непосредственно меняет экспрессию целевого гена и некоторых других связанных с ним генов (100).

Еще одним важным направлением поиска механизмов для модификации регуляторных сетей генной экспрессии становится контроль и разработка методов управления такими системными регуляторами функциональной активности транспозонов, как PIWI (P-element induced wimpy tes-tis)/piRNA (101, 102) и семейство генов — факторов регуляции транскрипции, кодирующих белки «цинковые пальцы», содержащие домен KRAB (Kruppel-associated box), которые являются респрессорами транскрипции ТЕ и влияют на промоторы некоторых генов (103).

Предпринимаются попытки использовать редактирование генов некоторых из ингибиторов экспрессии ТЕ. Например, при изучении кластеров генов KRAB-Zfp у мышей обнаружена тесная эволюционная связь членов внутри кластера и схожее предпочтение использования цинкового домена (ZnF). Оказалось, что линкерные последовательности между ZnF консервативны и в то же время обладают отчетливой кластерной специфичностью. Основываясь на этих уникальных характеристиках кластеров KRAB-Zfp , Y. Zhang с соавт. (104) разработали специфичные для линкеров направляющие РНК (sgRNA), чтобы с помощью генного редактирования отменить функции целевого кластера, что в конечном итоге приводило к подавлению его экспрессии (104).

Интересны данные о блокировании влияния встроек ТЕ на процессы сплайсинга, индуцируемого продуктом гена SAFB (scaffold attachment factor B). SAFB кодирует ДНК-связывающий белок, который обладает высокой специфичностью к элементам ДНК каркасной, или матричной, области прикрепления (S/MAR ДНК). Считается, что этот белок участвует в прикреплении основания хроматиновых петель к ядерному матриксу. Белки SAFB защищают целостность генома, предотвращая ретротранспозицию элементов LINE 1 и сохраняя при этом целостность сплайсинга посредством предотвращения экзонизации ранее интегрированных TE. Супрессивная активность SAFB распространяется на тканеспецифичные экзоны гигантских белок-кодирующих кассет, на вложенные гены и транспозоны ДНК Tigger. Более того, SAFB подавляет элементы LTR/ERV у видов, у которых они активны (105).

Можно ожидать, что генное и геномное редактирование генов, вовлеченных в защиту генома от избыточного действия ТЕ, позволит разработать новые методы получения биообъектов с желательным проявлением хозяйственно ценных признаков. В то же время опубликованные нами ранее обзоры высокой скорости эволюции ТЕ и их производных в регуляторных сетях свидетельствуют о сложности такой задачи (106, 107).

На основании анализа приведенных данных можно прийти к следующему заключению. Центральная проблема в разработках приемов управления генетическими ресурсами сельскохозяйственных видов заключается в необходимости выявить генетические основы изменчивости хозяйственно ценных признаков. Для видов, вовлеченных в доместикацию, характерно высокое внутривидовое разнообразие по размаху фенотипической изменчивости и числу идентифицируемых сортов и пород, которое заметно больше числа видов в крупных надвидовых таксонах. В основе сходства фенотипических признаков могут лежать различные генетические системы. Необходимо также учитывать изменчивость не только в нуклеотидных последовательностях, но и в копийности геномных элементов, что обнаруживается при пангеномных исследованиях у растений и животных (108, 109). Функциональная избыточность генов и генных сетей, обеспечивающая такую конвергентность и выявляемая как у микроорганизмов, так и у растений, животных, поднимает вопрос о природе такой избыточности. Это, в свою очередь, приводит в некоторых исследованиях к противопоставлению геноцентричных и геномоцентричных представлений об основах изменчивости. Первые рассматриваются как события микроэволюции, вторые — макроэволюции. По определению, сорта и породы относят к продуктам микроэволюции, у них потенциально отсутствует репродуктивная изоляция (у животных существуют межпородные помеси, у растений — межсортовые гибриды). Из этого следует, что гены и генные регуляторные сети, вовлекаемые в изменчивость на уровне сортов и пород, не должны задевать гены и геномные элементы, определяющие более высокие таксономические ранги. К наиболее вероятным элементам соответствующих генных сетей могут относиться гены, кодирующие белки, которые вовлечены в ответы на факторы окружающей среды (такие гены в большинстве случаев характеризуются повышенным полиморфизмом и изменчивостью экспрессии), а также эволюционно наиболее молодые регуляторные элементы некодирующей ДНК, связанные с влиянием на профили генной экспрессии. В качестве примера можно привести метилирование при импринтинге у растений и животных (44, 110). В пользу необходимости особого внимания к молодым, видоспецифичным ТЕ как участникам регуляторных сетей свидетельствуют данные о прямом их вовлечении в изменчивость хозяйственно ценных фенотипических показателей в желательном направлении и примеры получения ожидаемого результата при непосредственном редактировании транспозонов.

Следует подчеркнуть, что, несмотря на принадлежность транспозонов к повторяющимся последовательностям, потенциальная функциональная активность каждого из них определяется индивидуальными особенностями элементов генома хозяина вокруг локализации TE, в том числе присутствием мишеней, на которые воздействуют механизмы защиты хозяина от нежелательных проявлений элементов регуляторных сетей.

Таким образом, накопленные данные уже дают возможность изменить стратегию селекционной работы для ускоренного получения новых форм посредством адресного влияния на гены и элементы «геномных островков» контроля желательной изменчивости фенотипических признаков.

Для этих целей могут, в частности, использоваться системы генного и геномного редактирования. В то же время очевидно, что можно ожидать видовой и средовой специфичности таких «островков», и это существенно усложняет задачу. Важным аспектом накопленных данных становится понимание того, что сама гетерогенность по структурно-функциональным характеристикам геномных элементов свидетельствует о сложной, многоуровневой иерархии взаимодействий между ними. С такой точки зрения противопоставление генов и геномов теряет свою обусловленность, поскольку речь идет о сетевых взаимоотношениях на разных иерархических уровнях.

Авторы выражают искреннюю благодарность к.б.н. Ларисе Михайловне Федоровой за интерес, проявленный к работе, плодотворную дискуссию и полезные советы при подготовке статьи к опубликованию.