Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Биология развития | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиВ.М. Глазер. Генетическая рекомбинация без гомологии: процессы, ведущие к перестройкам в геноме

В начало...

Запрограммированные перестройки генетического материала в онтогенезе. В. М. ГЛАЗЕР. Продолжение

РАЗВИТИЕ МАКРОНУКЛЕУСА У БРЮХОРЕСНИЧНЫХ ИНФУЗОРИЙ
Генетический аппарат ресничных инфузорий отличается ядерным диморфизмом. Он проявляется в наличии в клетке двух типов ядер: малого, оно же микронуклеус (Ми), и большого - макронуклеуса (Ма). Ми служит генеративным ядром, используемым для передачи наследственной информации в ряду поколений. В вегетативно растущих клетках гены Ми не транскрибируются. Зато активно транскрибируются гены Ма, выполняющего роль рабочего ядра и контролирующего процессы жизнедеятельности. Ма богаче ДНК (хроматином) по сравнению с Ми в сотни и даже тысячи раз. При бесполом размножении диплоидный Ми делится путем митоза, а Ма - с помощью прямого деления. Но это не может продолжаться бесконечно: постепенно Ма стареет, что приводит к ослаблению метаболической активности клетки. Необходимо обновление Ма. Поэтому время от времени у инфузорий происходит конъюгация - своеобразная форма полового процесса. Две клетки прикладываются друг к другу и плавают вместе 10-12 часов, а затем расходятся. За время конъюгации их Ма начали разрушаться, а Ми поделились путем мейоза на четыре гаплоидных ядра каждое. Ход последующих событий варьирует в деталях у разных видов инфузорий, но принципиальная схема общая: клетки партнеров обмениваются гаплоидными ядрами, по одному от каждой клетки, затем каждое сливается с местным (стационарным) гаплоидным ядром, то есть происходит оплодотворение. К этому моменту все лишние ядра дегенерируют, и в каждой клетке остается по одному диплоидному ядру - продукту оплодотворения. После расхождения партнеров ядро делится митотически на два. Одно из дочерних ядер останется Ми, другое превратится в Ма. Развитие Ма занимает несколько дней и сопровождается полной реорганизацией генома Ми-предшественника.
Чтобы облегчить понимание столь сложного процесса, сравним организацию Ми и Ма брюхоресничных инфузорий (Hypotrichida), представителями которых являются различные виды родов Oxytricha и Euplotes. ДНК хромосом Ми имеет большие размеры, характерные для эукариотических хромосом. Гены в них собраны в группы с длинными промежутками между ними, заполненными разнообразными уникальными и повторяющимися последовательностями ДНК. Важная особенность генов Ми заключается в том, что все они прерваны особыми элементами, называемым IES (internal eliminated sequences). Кодирующие участки генов, разделенные IES, называют MDS (macronuclear destined sequences). Каждая IES уникальна, то есть все они разные. Размеры изученных IES варьируют от 14 до 548 п.н. Судя по их частоте на единицу длины ДНК, геном Ми должен содержать более 50 тыс. IES. Наличие этих элементов является достаточным, хотя и не единственным объяснением отсутствия экспрессии Ми-генов.

Рис. 3. Дифференцировка Ма у брюхоресничных инфузорий: а - общая схема дифференцировки ядер из оплодотворенного ядра; б - схема превращения микроядерного гена в ген Ма. Объяснение рисунка см. в тексте


Вся ДНК в Ма представлена короткими молекулами с размерами от нескольких сот п.н. до 15 т.п.н., не содержащими никаких IES. Каждая молекула содержит одну единицу транскрипции и соответствует одному гену. Она окаймлена теломерами в виде повторов нуклеотидов, например повторов 5'-С4А4 у Oxytricha, то есть каждый ген в Ма является отдельной хромосомой. Каждый ген-хромосома представлен множеством (до тысячи, у некоторых генов до десятков тысяч) копий. У Oxytricha nova геном Ма в целом содержит примерно 2,5 Ч 107 генов-хромосом.
Приведенное сопоставление геномов позволяет представить, какая коренная перестройка генетического материала происходит при развитии Ма из Ми (рис. 3, а). Она начинается сразу после конъюгации с множественных раундов репликации хромосом в исходном Ми без его деления. Это приводит к образованию так называемых политенных хромосом, состоящих из многих параллельно уложенных копий одной хромосомы. Политенизация хромосом увеличивает их размеры.
Во время политенизации происходит важное для реорганизации генома Ми удаление всех IES (рис. 3, б ). Оно осуществляется путем множественных событий рекомбинации по прямым повторам ДНК, имеющимся на концах каждого IES. У E. crassus IES несут концевые повторы от 2 до 4 п.н. и всегда содержат димер 5'-TA, у O. nova - от 2 до 19 п.н. и не содержат 5'-TA. Поскольку IES прерывают кодирующие участки генов (MDS), состыковка последних при вырезании IES (в виде колец) происходит с точностью до нуклеотида по той же схеме, что и аналогичная рекомбинация у бактерий. Помимо коротких IES ДНК Ми E. crassus содержит два родственных элемента размером около 5,3 т.п.н., называемых TEC1 и TEC2. Эти элементы принадлежат к подвижным генетическим элементам (см. [5]). TEC-элементы представлены в Ми примерно 30 тыс. копиями и все вырезаются в виде колец, скорее всего способом, сходным с удалением IES (здесь также фигурируют повторы 5'TA). Элиминация TEC происходит не менее чем за 10 часов до вырезания IES. Ми O. fallax также содержит подвижный элемент TBE1 с аналогичной судьбой.
После политенизации и удаления IES и подвижных элементов происходит разрезание политенных хромосом на фрагменты, соответствующие отдельным генам. Механизм фрагментации хромосом пока невыяснен. У равноресничных инфузорий, к которым принадлежит всем известная инфузория-туфелька, обнаружены особые участки, в которых происходят разрывы хромосом. Их называют CBS (chromosome breakage sequences). У брюхоресничных такие участки не обнаружены.
Фрагментация хромосом сопровождается массовым удалением и распадом всех других последовательностей ДНК, расположенных в межгенных промежутках. Окончательно исчезают остатки ядер и вырезанные раньше кольцевые ДНК. В целом удаленная часть генома составляет 90-95%. На концах вырезанных генов (а они уже представлены многими копиями в результате политенизации) синтезируются теломеры (это делает фермент теломераза), после чего они дополнительно умножаются примерно до тысячи копий путем 4-6 раундов репликации. На этом дифференцировка Ма завершается, и инфузория возвращается к обычной жизни.

ДИМИНУЦИЯ ХРОМАТИНА В ОНТОГЕНЕЗЕ НЕМАТОД
Так принято называть явление, открытое у нематод еще в 1887 году классиком клеточной биологии Т. Бовери. К настоящему времени оно обнаружено у 11 видов нематод, паразитирующих в кишечнике человека и других млекопитающих. Диминуция заключается в фрагментации хромосом и элиминации значительной части хроматина в предшественницах соматических клеток в ходе первых делений оплодотворенной яйцеклетки. Результатом этого процесса являются разная структура хромосом и разное содержание ДНК в соматических и генеративных клетках. Цитологическую картину диминуции хроматина можно рассмотреть на примере лошадиной аскариды Parascaris univalens, у которой в диплоидном ядре оплодотворенной яйцеклетки находятся всего две крупные гомологичные хромосомы (рис. 4). Первое деление дробления (на рисунке не показано) происходит путем обычного митоза, где хроматиды нормально распределяются по двум дочерним клеткам, обозначенным как Г1 и С1. При втором делении дробления (рис. 4, а) такой же нормальный митоз повторяется в клетке Г1, расположенной на брюшной стороне будущего зародыша. Он приводит к клеткам Г2 и С2. Другая судьба у клетки С1, в которой центральная часть хроматид распадается на большое число фрагментов. Разрывы, приводящие к образованию фрагментов, происходят в определенных участках, имеющих соответствующее название - CBR (cromosomal breakage regions). С помощью теломеразы на их концах синтезируются теломеры. Только эти фрагменты отходят в анафазе в два дочерних ядра, где становятся мелкими хромосомами, тогда как крупные концевые части хроматид остаются в экваториальной плоскости и тем самым впоследствии оказываются вне ядра, где в конечном счете элиминируются. В результате ядра двух дочерних клеток С1а и С1б содержат меньше хроматина по сравнению с клетками С2 и Г2. Это и есть диминуция хроматина. В ходе дальнейшего развития эмбриона диминуция повторяется еще три раза в клетках С2, С3 и С4, являющихся предшественницами соматических клеток (рис. 4, б ). Из избежавших диминуции клеток линии, обозначаемой на рисунке буквой Г в ходе дальнейшей дифференцировки образуются генеративные клетки.
Для осуществления диминуции важно, что хромосомы нематод являются полицентрическими, то есть имеют диффузные центромеры. В митозах, сопровождаемых диминуцией, нити веретена прикрепляются только к неэлиминируемым фрагментам хроматид, что объясняет последующие события. Напротив, в митотических клетках зародышевого пути непрерывный кинетохор распространяется на всю длину хроматиды.

Рис. 4. Диминуция хроматина у Parascaris univalens: а - цитологическая картина диминуции хроматина. На левой схеме изображены анафазы второго деления дробления на стадии двух клеток. Диминуция происходит в верхней клетке С1. В нижней клетке Г1 идет нормальный митоз. Справа представлена стадия четырех клеток после завершения второго деления дробления; б - схема дифференцировки клеток зародышевого пути и соматических клеток на ранних стадиях эмбрионального развития аскариды. Пресоматические клетки С1, С2, С3 и С4, подвергшиеся диминуции, изображены кружками, окруженными четырьмя точками. Остальные пояснения см. в тексте

У P. univalens  при диминуции удаляется около 85% хроматина. Основная часть удаляемого материала состоит из сателлитной ДНК. Сателлитная ДНК представляет собой многократно повторяющиеся короткие последовательности, обычно отождествляемые с гетерохроматином. Однако при диминуции удаляются и некоторые уникальные гены, например ген ALEP1, который кодирует определенный рибосомный белок. Этот белок синтезируется только в генеративных клетках и отсутствует в соматических. Здесь мы встречаемся с оригинальным механизмом выключения гена - его удалением из соматического генома. Таким образом, элиминируемый хроматин содержит не просто ненужную ДНК, но необходим для клеток зародышевого пути. Предполагается, что элиминация гена ALEP1 вызывает структурные различия между рибосомами зародышевых и соматических клеток, которые могут обусловливать дифференциальную трансляцию специфических мРНК в двух типах клеток.
Онтогенетическая элиминация хроматина обнаружена также у циклопа и некоторых насекомых: у галлицы Miastor metraloas, бабочек Fumea casta, Solenobia pineti, жуков Dytiscus marginalis, Columbetes fuscus и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные примеры запрограммированных геномных перестроек не исчерпывают списка явлений такого рода. Например, определенные изменения в содержании сателлитных и умеренно повторяющихся ДНК, происходящие во время эмбрионального развития, обнаружены в некоторых тканях морского ежа, цыпленка, мыши, человека. Запрограммированная амплификация генов рибосомных РНК и гистонов в ооцитах и других типах клеток описана у амфибий, насекомых и многих других животных. В основе амплификации могут лежать и рекомбинация, и дифференциальная репликация ДНК.
И конечно, представленная картина не может быть полной без самого яркого примера запрограммированных перестроек - формирования генов иммуноглобулинов у позвоночных, лежащего в основе их иммунитета. Этот вопрос уже рассмотрен в статье Г.И. Абелева [6]. Добавим только, что клетки полового пути и все соматические клетки, кроме В-лимфоцитов, не имеют этих генов, а содержат лишь их заготовки в виде многих копий разобщенных кодирующих сегментов, собранных в специальные кластеры. Гены иммуноглобулинов формируются только в клетках-предшественниках В-лимфоцитов путем рекомбинационной состыковки кодирующих сегментов хотя и определенного типа (V, D, J), но случайно выбранных из множества им подобных и подстановки собранного гена под специальный промотор. Самое главное заключается в том, что эти перестройки происходят в несколько последовательных этапов, и каждый этап приурочен к строго определенной стадии дифференцировки В-лимфоцитов. Аналогичные процессы наблюдаются и при дифференцировке Т-лимфоцитов.
А теперь выделим основные механизмы регуляции работы генов, ради которых происходят перестройки ДНК: 1) подстановка кодирующей рамки гена под промотор, 2) состыковка разобщенных частей гена, 3) удаление гена из генома, 4) увеличение количества копий гена (амплификация). Кроме того, в некоторых случаях перестройки делают геном более компактным и повышают эффективность его использования. Таким образом, можно констатировать существование в природе специализированных систем рекомбинации, участвующих в регуляции активности генов путем направленных перестроек генома.
Нельзя не выделить одно важное обстоятельство, красной нитью прошедшее через всю статью. Общеизвестно, что генетическая информация в морфологически и биохимически различающихся клетках многоклеточного организма, возникших из одной оплодотворенной клетки, одинакова [3]. И это в основном так. В основном, но не во всем, как видно из приведенных данных о различиях в генетическом материале между генеративными и соматическими клетками (или клетками, которые можно приравнять к одному из этих клеточных типов).

ЛИТЕРАТУРА
1. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 1. С. 23-31.
2. Гвоздев В.А. Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК // Там же. N 12. С. 11-18.
3. Корочкин Л.И. Как гены контролируют развитие клеток // Там же. N 1. С. 17-22.
4. Глазер В.М. Гомологичная генетическая рекомбинация // Там же. 1998. N 7. С. 13-21.
5. Глазер В.М. Генетическая рекомбинация без гомологии: процессы, ведущие к перестройкам в генетическом материале // Там же. N 7. С. 22-29.
6. Абелев Г.И. Основы иммунитета // Там же. 1996. N 5. С. 4-10.
* * *
Вадим Моисеевич Глазер, кандидат биологических наук, доцент кафедры генетики Московского государственного университета. Автор более 100 публикаций в области генетики микроорганизмов и молекулярной генетики и двух учебно-методических пособий.




Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования