Определяющая роль гетерохроматина в фенотипическом проявлении инверсии In(1)sc⁸, разрывающей achaete-scute комплекс Drosophila melanogaster

Локус achaete-scute (achaete-scute complex, AS-C) занимает около 90 т. п. н. и содержит множественные энхансеры. Локальная экспрессия генов achaete и scute в пронейральных кластерах имагинальных дисков Drosophila melanogaster приводит к формированию детерминированного рисунка макрохет у взрослых мух. Большое многообразие легко анализируемых видимых фенотипов, прямая связь между отдельными регуляторными элементами и развитием конкретных щетинок сделали этот локус классическим модельным объектом генетики развития. Одним из самых известных AS-C является аллель sc8, возникший в результате инверсии In(1)sc8. Дистальная точка разрыва этой инверсии лежит между генами ac и sc, проксимальная – в прицентромерном гетерохроматине хромосомы Х, в блоке сателлита 1.688. Гетерохроматиновое положение точки разрыва поднимало вопрос о роли эффекта положения мозаичного типа в нарушении нормальной работы локуса у носителей инверсии, но были получены противоречивые результаты. Ранее мы обнаружили, что в одном из стоков линии, несущей In(1)sc8, спонтанно возникла вторичная инверсия In(1)19EHet, которая переносит большую часть гетерохроматина от гена ac в локус, соответствующий району 19E политенной Х-хромосомы. В настоящей статье мы показали, что инверсия In(1)19EHet приводит к полному восстановлению числа задних супраалярных и частичному – дорзо-центральных щетинок, наблюдаемых у мух исходной линии              In(1) sc8. Точно такое же восстановление паттерна щетинок мы увидели при введении в линию с инверсией In(1) sc8  модификатора эффекта положения – мутации Su(var)3-906. Введение же в линию с инверсией мутации по гену Rif1 – консервативного фактора, определяющего позднюю репликацию и недорепдикацию ДНК в клетках D. melanogaster, не приводит к восстановлению нормального паттерна щетинок. Наши данные указывают на то, что фенотип мух – носителей инверсии In(1)sc8, связанный с нарушением развития щетинок, определяется эффектом гетерохроматина на дистальную часть локуса и может использоваться для проверки влияния различных факторов на вызываемый гетерохроматином эффект положения гена. Еще одно фенотипическое проявление In(1) sc8 – снижение доли самцов в потомстве – оказалось независимым от соседства дистальной части AS-C с гетерохроматином. Этот фенотип также не восстанавливался на фоне мутации в гене Rif1. 

1. Belyaeva E.S., Boldyreva L.V., Volkova E.I., Nanayev R.A., Alekseyenko A.A., Zhimulev I.F. Effect of the Suppressor of Underreplication (SuUR) gene on position-effect variegation silencing in Drosophila melanogaster. Genetics. 2003;165(3):1209-1220. doi 10.1093/genetics/165.3.1209

2. Bukharina T.A., Furman D.P. The mechanisms determining bristle pattern in Drosophila melanogaster. Russ J Dev Biol. 2015;46(3): 99-110. doi 10.1134/S1062360415030029

3. Bukharina T.A., Golubyatnikov V.P., Furman D.P. The central regulatory circuit in the gene network controlling the morphogenesis of Drosophila mechanoreceptors: an in silico analysis. Vavilovskii Zhur nal Genet Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2023;27(7):746754. doi 10.18699/VJGB-23-87

4. Child G. Phenogenetic studies on scute-1 of Drosophila melanogaster. I. The associations between the bristles and the effects of genetic modifiers and temperature. Genetics. 1935;20(2):109-126. doi 10.1093/genetics/20.2.109

5. Demakova O.V., Pokholkova G.V., Kolesnikova T.D., Demakov S.A., Andreyeva E.N., Belyaeva E.S., Zhimulev I.F. The SU(VAR)3-9/ HP1 complex differentially regulates the compaction state and degree of underreplication of X chromosome pericentric heterochromatin in Drosophila melanogaster. Genetics. 2007;175(2):609-620. doi 10.1534/genetics.106.062133

6. Elgin S.C.R., Reuter G. Position-effect variegation, heterochromatin formation, and gene silencing in Drosophila. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013;5(8):a017780. doi 10.1101/cshperspect.a017780

7. Furman D.P., Bukharina T.V. The bristle pattern development in Drosophila melanogaster: the prepattern and achaete-scute genes. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2018; 22(8):1046-1054. doi 10.18699/VJ18.449

8. Furman D.P., Ratner V.A. Investigation of the genetic topography of the scute locus in Drosophila melanogaster. II. Thermal effect of mutation manifestation in homozygotes. Genetika = Genetics ( Moscow). 1977;13(4):667-680 (in Russian)

9. García-Bellido A. Genetic analysis of the achaete-scute system of Drosophila melanogaster. Genetics. 1979;91(3):491-520. doi 10.1093/genetics/91.3.491

10. Gatti M., Pimpinelli S. Functional elements in Drosophila melanogaster heterochromatin. Annu Rev Genet. 1992;26:239-275. doi 10.1146/annurev.ge.26.120192.001323

11. Golovnin A., Biryukova I., Romanova O., Silicheva M., Parshikov A., Savitskaya E., Pirrotta V., Georgiev P. An endogenous Su(Hw) insulator separates the yellow gene from the Achaete-scute gene complex in Drosophila. Development. 2003;130(14):3249-3258. doi 10.1242/dev.00543

12. Gómez-Skarmeta J.L., Rodríguez I., Martínez C., Culí J., Ferrés-Marcó D., Beamonte D., Modolell J. Cis-regulation of achaete and scute: shared enhancer-like elements drive their coexpression in proneural clusters of the imaginal discs. Genes Dev. 1995;9(15):1869-1882. doi 10.1101/gad.9.15.1869

13. Gómez-Skarmeta J.L., Campuzano S., Modolell J. Half a century of neural prepatterning: the story of a few bristles and many genes. Nat Rev Neurosci. 2003;4(7):587-598. doi 10.1038/nrn1142

14. Held L.I., Jr. Animal Anomalies: What Abnormal Anatomies Reveal about Normal Development. Cambridge: Cambridge University Press, 2021. doi 10.1017/9781108876612

15. Kolesnikova T.D., Kolodyazhnaya A.V., Pokholkova G.V., Schubert V., Dovgan V.V., Romanenko S.A., Prokopov D.Y., Zhimulev I.F. Effects of mutations in the Drosophila melanogaster Rif1 gene on the replication and underreplication of pericentromeric heterochromatin in salivary gland polytene chromosomes. Cells. 2020;9(6):1501. doi 10.3390/cells9061501

16. Kolesnikova T.D., Klenov M.S., Nokhova A.R., Lavrov S.A., Pokholkova G.V., Schubert V., Maltseva S.V., Cook K.R., Dixon M.J., Zhimulev I.F. A spontaneous inversion of the X chromosome heterochromatin provides a tool for studying the structure and activity of the nucleolus in Drosophila melanogaster. Cells. 2022;11(23):3872. doi 10.3390/cells11233872

17. Lindsley D., Zimm G. The genome of Drosophila melanogaster. San Diego, CA: Academic Press, 1992

18. Miller D.E., Cook K.R., Yeganeh Kazemi N., Smith C.B., Cockrell A.J., Hawley R.S., Bergman C.M. Rare recombination events generate sequence diversity among balancer chromosomes in Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci USA. 2016;113(10):E1352-E1361. doi 10.1073/pnas.1601232113

19. Modolell J., Campuzano S. The achaete-scute complex as an integrating device. Int J Dev Biol. 1998;42(3):275-282. doi 10.1387/IJDB.9654009

20. Munden A., Rong Z., Sun A., Gangula R., Mallal S., Nordman J.T. Rif1 inhibits replication fork progression and controls DNA copy number in Drosophila. eLife. 2018;7:e39140. doi 10.7554/eLife.39140

21. Negre B., Simpson P. Evolution of the achaete-scute complex in insects: convergent duplication of proneural genes. Trends Genet. 2009;25(4):147-152. doi 10.1016/j.tig.2009.02.001

22. Ratner V.A., Furman D.P. Investigation of the genetic topography of the scute locus in Drosophila melanogaster. VI. Possible role of chromosome rearrangements and the position effect. Genetika = Genetics (Moscow). 1978;14(9):1662-1664 (in Russian)

23. Rice C., Beekman D., Liu L., Erives A. The nature, extent, and consequences of genetic variation in the opa repeats of Notch in Drosophila. G3 (Bethesda). 2015;5(11):2405-2419. doi 10.1534/g3.115.021659

24. Richards L., Das S., Nordman J.T. Rif1-dependent control of replication timing. Genes (Basel). 2022;13(3):550. doi 10.3390/genes 13030550

25. Seller C.A., O’Farrell P.H. Rif1 prolongs the embryonic S phase at the Drosophila mid-blastula transition. PLoS Biol. 2018;16(5): e2005687. doi 10.1371/journal.pbio.2005687

26. Sidorov B.N. Study of step-allelomorphism in Drosophila melanogaster. Emergence of an allelomorph for scute producing simultaneously hairy wing characters (mutation scute-8). Zhurnal Ekspe rimental’noy Biologii = J Experim Biol. 1931;7(1):28-40 (in Rus sian)

27. Sreesankar E., Bharathi V., Mishra R.K., Mishra K. Drosophila Rif1 is an essential gene and controls late developmental events by direct interaction with PP1-87B. Sci Rep. 2015;5:10679. doi 10.1038/srep10679

28. Troost T., Schneider M., Klein T. A re-examination of the selection of the sensory organ precursor of the bristle sensilla of Drosophila melanogaster. PLoS Genet. 2015;11:e1004911. doi 10.1371/journal. pgen.1004911