Організація хромосом

Розділ, в якому досліджуються закономірності спадковості та мінливості на рівні клітини та субклітинних структур - хромосом.

ДНК здатна зв'язуватися з різними білками, утворюючи структуру хроматином. Хроматин поділяється на два функціональні стани: еухроматин та гетерохроматин. Гетерохроматин поділяється на конститутивний - існуючий постійно протягом усього клітинного циклу і факультативний, що у певні моменти часу у певних місцях. До властивостей гетерохроматину відносять: конденсований стан в інтерфазі, транскрипційно неактивний стан, пізня реплікація в S-фазі клітинного циклу. Також до особливостей гетерохроматину можна віднести недореплікацію в політенних хромосомах у дрозофіли. Еухроматин збагачений наступними модифікаціями: ацетилювання H3 та H4, метилювання H4K20, H4K9 та H3K27. Для гетерохроматину характерне метилювання H3K9, але ця модифікація зустрічається також і в еухроматині, особливо ORF.

Цитологічну будову гетерохроматину

Формування гетерохроматину у Дрозофілі

Найбільш ранній етап формування гетерохроматину (ГХ) відбувається за участю механізму інтерференції РНК, при якому sRNA (small RNAs) впливають на місця майбутнього гетерохроматину за допомогою комплексу RITS (див. огляд РНК інтерференція). На наступній стадії відбувається заміна гістону H2A гістоном H2Av, що запускає процеси ацетилювання H4K12 та деацетилювання H3K9 (див. огляд Гістони). Деацетильований Н3K9 метилюється ферментом Su(var)3-9. До модифікованого таким чином гістону приєднується HP1 (heterochromatin protein 1), що сприяє приєднанню гістон метилтрансферази Suv4-20, триметилирующей гістон H4K20. Таким чином утворення гетерохроматину проходить за наступною схемою заміна H2A на H2Av-> дія RITS-комплексу-> ацетилювання H4K12 --> деацетилювання та метелювання H3K9 --> зв'язування Me-H3K9 білка HP1 --> метилювання H4K20.

Формування гетерохроматину у дріжджів

У Sp спостерігається класичний ефект положення гена (див. огляд Ефект положення гена) у межах центромір, теломер і локусу відповідального за визначення статі, що говорить про наявність гетерохроматину. Слід зазначити, що хромосоми дріжджів, на відміну політенних хромосом дрозофіли, не видно світловий мікроскоп, тому виявити гетерохроматиновые ділянки можна лише непрямим шляхом.

Утворенню гетерохроматину передує метилювання H3K9 з наступним приєднанням HP1 (Swi6). Конвергентні промотори в межах повторів центромірної ДНК утворюють dsRNA, які Dcr1 перетворює на siRNA. siRNA зв'язуються з RITS і атакують транскрипти, що утворюються в промоторах, зв'язуючись з ними через компліментарні взаємодії. RITS та RDRC комплекси об'єднуються, збільшуючи дію сигналу та стабілізуючи процес. Такий RNAi залежний основний процес у встановленні метилювання H3K9 (механізм I). Локус відповідальний за визначення статі визначається HDAC зв'язування через білки, що зв'язують ДНК (механізм II), посилюючи цей процес, тоді як в теломерах Taz1-залежний мханізм зменшується RNAi (механізм III). Після метилювання H3K9 білки Clr4 та Swi6 зв'язуються з хромосомою, підтримуючи MeH3K9 епігенетично (механізм IV).

Гени в гетерохроматині

Скорочення. H4K12 - так позначається певна амінокислота в гістонових білках. В даному випадку це лізин (K) у дев'ятому положенні гістону H4.

ORF (Open Reading Frames) -рамка зчитування, ділянка ДНК з якого зчитується РНК. Sp (Schizosaccharomyces pombe) - вид дріжджів

Механізми димінуції

  1. ]]>Swaminathan J., Baxter E., Corces V. (2005) The role of histone H2Av variante replacement and histone H4 acetylation в establishment of Drosophila heterochromatin. Genes & розвиток 19:65-76. ]]>
  2. Verdel A, Jia S., Gerber S., Sugiyama T., Gygi S., Grewal S., Moazed D. (2004). Science, 30; 303 (5658): 672-6.
  3. ]]>HornP. J. Peterson C.L. (2006) Heterochromatin assembly: New twist on old model. Chromosome Research 14:83Y94 ]]>
  4. ]]>Fransz P. ,Hoopen R.,Tessadori F. (2006) Складання та формування heterochromatin in Arab > ]]>

Димінуція хроматину

Трохи історії

У перші явища димінуції було відкрито німецьким цитологом Теодором Бовері (1862 – 1915) у 1887 році. Він виявив, що в ранньому розвитку деяких видів аскарид майбутні тканинні (соматичні) клітини втрачають частину хромосомного матеріалу — хроматину. Вирішальний внесок у відкриття та детальне вивчення димінуції хроматину у найпростіших вніс Д.Прескотт. На початку 70-х років минулого століття американський вчений виявив цей феномен у брюхоресничних інфузорій при дозріванні вегетативних (тобто виконують соматичні функції) ядер - макронуклеусів. У 1960-х років вивченням диминуции хроматину у циклопів займалася С.Берман. Німецька дослідниця звернула увагу на те, що кількість хромосом у тих трьох видів циклопів, з якими вона працювала, була однакова як до димінуції, так і після неї. Звісно, ​​з допомогою цієї події розміри хромосом зменшувалися залежно від частки втраченої ДНК. Берман запропонувала молекулярнумодель диминуции: надлишкова ДНК виводиться із хромосом подібно до того, як профаг виключається з хромосом лізогенних бактерій, тобто. шляхом випетлювання та внутрішньохроматидної рекомбінації з утворенням кілець з ДНК. Кільця Берман виявила при електронно-мікроскопічному дослідженні зруйнованих клітин циклопів у стадії димінуції. На жаль, роботи Берман перервалися 1984 р.

Парадокс геному вищих еукаріотів

У середині XX століття, так само як і за часів Ч. Дарвіна у всіх шкільних підручниках з біології схематично зображувався розвиток життя на Землі у вигляді еволюційного дерева. У його основі перебували прості і, як думали, найдавніші організми, але в вершині неодмінно розташовувався людина. Тому була цілком природною думка, за якою у Homo sapiens має бути найбільше генів, тобто. та кількість ДНК. Однак у 1952 році американські біохімік А.Мірський та цитолог Х.Ріс довели, що немає прямої залежності між складністю організації виду тварин та кількістю генетичного матеріалу, яким він володіє. В даний час розшифровані повні геноми (тобто нуклеотидні послідовності ядерної ДНК) кількох організмів, у тому числі, очевидно, і людини. Виявилося, що у сумі його гени разом із регуляторними ділянками навряд чи перевищують 3-5% всього геному. Про призначення решти ДНК сьогодні ми фактично нічого не знаємо і не розуміємо її еволюційної ролі, ні механізму походження.

Димінуція у інфузорії

Taxonavigation Superregnum: Eukaryota Regnum: Protista Phylum: Ciliophora

При дозріванні Ма (макронуклеуса) відбувається димінуція хроматину, про це свідчить той факт, що геном Ма брюхоресничних інфузорій гіпотрихід пологів Stylonychia, Euplotes та Oxytricha містять лише 2-4%нуклеотидних послідовностей геному Мі (мікронуклеус) генеративного ядра, аналога зародкової лінії (germ line) багатоклітинних. Отже 96-98% геному втрачаються при дозріванні Ма. Процес диминуции характерний всім представників пологів Tetrahymena, Paramecium (клас Oligohymenophorea), Stylonychia, Euplotes і Oxytricha (клас Spirotrichea). З усіх інфузорій найбільш кардинальний процес реорганізації ядерного матеріалу в онтогенезі можна спостерігати у гіпотріхід. При дозріванні Ма димінуція відбувається двічі. Вперше видаляються цілі хромосоми: через 10-15 годин після розходження коньюгантів у Stylonychia lemnae приблизно 140 хромосом стають компактнішими, переміщаються до внутрішньої мембрани оболонки язра і потім дегенерують. 35-36 хромосом, що залишилися, поступово політенізуються, і ще через добу починається внутрішньохромосомна елімінація ДНК. Відбувається вона так: диски політенних хромосом поодинці або невеликими групами оточуються мембраноподібним матеріалом, утворюючи бульбашки. Вся політенна хромосома розпадається на безліч незалежних бульбашок, в яких лізується ДНК, що видаляється: елімінується більша частина високоповторених послідовностей, спейсери (міжгенні проміжки), мобільні елементи геному, а також внутрішні еліміновані послідовності (ВЕП). Усі вивчені досі гени, які більше 20, містять ВЕП. Загалом їх кількість у Мі становить кілька десятків тисяч. ВЕП мають на флангах короткі повтори (2-19 пн), за участю яких, можливо, і відбувається сплайсинг кодуючих послідовностей ДНК Ма. Залишаються тільки генетично значущі послідовності, до них з обох кінців приєднується тіломерна ДНК, потім оболонки бульбашок розпадаються і Ма перетворюється на "мішок з генами". Водночас відбуваєтьсяпроцесинг ДНК. В результаті двох актів димінуції тільки 2% послідовностей ДНК, що є в Мі, залишається в зрілому Ма.

Димінуція у аскарид

Димінуція у циклопів

Крім аскарид ДХ відбуватиметься і в деяких видів циклопів. Вона відбувається під час 4-7 поділу дроблення (у різних видів). Хроматин елімінується з різних ділянок хромосом: термінальних гетеропікнотичних фрагментів у Сyclops Divulus, C.furcifer, або з інтеркалярних - C.strenuus. Елімінований хроматин залишається у вигляді великих блоків або гранул в екваторіальній частині веретен поділу. У роботах А.П. Акіф'єва та А.К. Гришаніна найповніше описаний процес ДХ у C.kolensis. Димінуція у цього виду відбувається під час 4-го поділу дроблення в 6 клітинах зародка з 8 і характеризується тим, що в кінці значно подовженої інтерфази в ядрах цих шести клітин поява дрібні фельгенпозитивні гранули або краплі (близько 600 в кожній клітці). Гранули мають діаметр близько 0,5-3,5 мкм. У міру настання профази та наступних стадій димінуційного поділу хроматинові гранули зливаються, навколо них формується щільна одношарова, позбавлена ​​пір мембрана товщиною близько 50 нм. Ліза елімінованої ДНК (еДНК) відбувається, ймовірно, усередині цих гранул. еДНК є циклічними структурами, тому якби мембрана мала пори, то всередину гранул з початком телофази міг би вільно надходити фактор(и) декомпактизації. У такому разі гранули з еДНК перетворилися б на звичайні мікроядра, які в сумі містили б більшу частину генетичного матеріалу клітини. Унікальна мембрана гранул забезпечує надійну ізоляцію матеріалу, що підлягає лізису, і таким чином запобігає виникненню хаосу в постдімінуційних клітинах. Тривалість інтерфази перед димінуцією значнозбільшується, після знову коротшає. у C.kolensis видаляється до 94% геному зародкових клітин. У ході димінуції число хромосом залишається незмінним, проте їх розміри різко зменшуються (C.kolensis c 11-20 до 2,6 мкм, а діаметр - з 1 до 0,5 мкм).

В ув'язненні

На жаль, димінуція хроматину поки що слабо вивчена методами молекулярної біології. Ось чому повний опис усіх її етапів утруднений. Проте з достатньою впевненістю можна говорити про наступні події,

1. "Прийняття" клітиною програми димінуції хроматину. Не випадково у циклопів проміжки до і після диминуционного поділу у вісім-дев'ять разів коротше, ніж попередній період.

2. Маркування послідовностей ДНК, які мають бути еліміновані, з одного боку, та які підлягають збереженню – з іншого. Сотні і навіть тисячі ділянок, в яких відбувається димінуція хроматину в хромосомах, повинні бути приведені до готовності до димінуції одночасно.

3. Розрізання ДНК у маркованих ділянках.

4. Зшивання неелімінованої ДНК у «міні-хромосоми».

5. Утворення унікальної за своєю структурою мембрани, що формує гранулу, в яку, як у консервну банку, укладена ДНК, що елімінується (вперше процес описаний А. К. Гришаніним).