Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рис. 14.10. У самок Drosophila melanogaster имеются два механизма обеспечения расхождения гомологов

^{Верхний ряд изображений повторяет канонический процесс, как он показан на рис. 14.9. Нижний ряд описывает мейотический процесс у самок Drosophila, у которых необычная диплотена. При каноническом мейозе диплотена (иногда называемая «диплотена— диакинез») определяется как последняя стадия в профазе, на которой гомологи отталкиваются друг от друга и удерживаются вместе лишь хиазмами. Однако у самок Drosophila в конце профазы отталкиваются (или разделяются) лишь эухроматиновые плечи хромосом; гетерохроматиновые районы остаются тесно спаренными даже позже конца профазы (разрушения ядерной оболочки) и вплоть до прометафазы (Dernburg et al., 1996). Как обсуждается в тексте, это спаривание гетерохроматина и необходимо, и достаточно для обеспечения надежной сегрегации в отсутствие кроссинговера (Hawley et al., 1993; Karpen et al., 1996)}

Если для центромерного спаривания не требуется гомология последовательностей, почему тогда расхождение гомеологичных хромосом у дрожжей является неслучайным? Кемп и сотрудники (Kemp et al., 2004) предполагают, что «Именно обмен и следующий за обменом синапсис помещают гомологичные центромеры рядом и блокируют случайное спаривание центромер». Согласно этой модели, центромеры могли бы первоначально спариваться полностью независимым от последовательности образом. По мере того как плечи гомологичных хромосом претерпевают обмены, их центромеры «выдергиваются» из потенциально негомологичных ассоциаций и принуждаются к гомологичным спариваниям. Центромеры, оставляемые таким зависимым от обменов ресортингом как «синглеты», могут затем свободно реассоциироваться с другими неспаренными центромерами, приводя в конечном счете к сприванию центромер тех хромосом, которые по тем или иным причинам не обменивались. В то время как Кемп и сотрудники приводят в качестве аналогии прогрессивное формирование пар из более привлекательных танцоров на школьной танцевальной вечеринке, что, по умолчанию, заставляет менее привлекательных становиться партнерами по танцам, более формальный взгляд на этот процесс был описан Род ой Грелль (Rhoda Grell) десятилетия тому назад. Она предположила, что коль скоро обменные спаривания произошли, имеющиеся в наличии хромосомы были бы свободны для реассоциации (Grell, 1976). Действительно, недавние исследования показали, что во время мейоза все дрожжевые центромеры негомологично ассоциированы и подвергаются процессу ресортинга, соединяющего в пары гомологичные центромеры после рекомбинации (Tsubouchi and Roeder, 2005).

В совокупности эти исследования свидетельствуют о том, что независимое от последовательности узнавание центромерных районов играет важную роль в создании хромосомных ассоциаций в раннем мейозе. В то время как эти связи могут часто соединять негомологичные хромосомы, негомологичные ассоциации могут корректироваться физическими связями между гомологичными хромосомами, создаваемыми при обменах. Механизм, посредством которого такие обмены, происходящие на больших расстояниях от самих центромер, могут облегчать такую центромерную пересортировку, остается неясным. Однако соблазнительно по крайней мере высказать предположение, что «соединение» хиазм (физического выражения события обмена) с центромерами могло бы быть одной из функций синаптонемного комплекса (SC). В соответствии с такой моделью, SC служил бы для сообщения двум гомологичным центромерам о том, что хиазма действительно сформирована, индуцируя таким образом ее совместную ориентацию задолго до разрушения ядерной оболочки.

4.4. Ассоциированный с гетерохроматином локус Ph1 у кукурузы и его роль в опосредовании гомологичного versus негомологичного спаривания

У пшеницы правильное спаривание гомологичных хромосом и предотвращение гомеологичных спариваний опосредуются локусом Phi (Griffiths et al., 2006). В отсутствие гена Phi спаривание и обмен между гомеологичными хромосомами становятся частыми (Luo et al., 1996) и уменьшается надежность как мейотического, так и митотического спаривания. Значение неправильного спаривания центромер в терминах более беспорядочного спаривания и обменов между плечами гомеологичных хромосом остается спорным (Dvorak and Lukaszewski, 2000). Однако ясно, что эффекты делетирования Phi могут быть супрессированы добавлением к геному гетерохроматиновых сверхчисленных В-хромосом (Bennett et al., 1974). Недавно локус Phi был локализован в интервале величиной 2,5 млн. п.о., в котором содержится субтеломерный гетерохроматин, вставленный в кластер генов, родственных cdc2, что произошло после полиплоидизации, характерной для эволюции современных пшениц (Griffiths et al., 2006). Хотя в совокупности эти исследования локуса Phi позволяют предположить эпигенетическое регулирование выбора партнера в мейозе пшеницы, роль (или роли) гетерохроматина в опосредовании предотвращения гомеологичного спаривания и, таким образом, в стимулировании гомологичных спариваний остается несколько неясной.

5. Гетерохроматин и мейотический драйв

Существуют многочисленные случаи, когда гетерохроматиновые районы играют роль в опосредовании процесса, называемого мейотическим драйвом. Термин «мейотический драйв» обозначает способность одного гомолога увеличивать вероятность его передачи за счет своего партнера, так что в гетерозиготе А/а гаметы, несущие А, производятся или используются чаще, чем гаметы, несущие а. Мы сосредоточимся прежде всего на тех случаях, где гетерохроматиновые элементы вызывают утрату или деструкцию их гомологов. Хотя мы детально описываем лишь систему CD у D. melanogaster и утерю хромосом у Sciara и Nasonia, существуют и другие системы связанного с гетерохроматином мейотического драйва, такие как гетерохроматинизация и последующая утеря хромосомы, ограниченной зародышевой линией, у зяблика, и накоплением В-хромосом у кукурузы.

5.1. Нарушитель сегрегации (Segregation Distorter) у самцов Drosophila

Одним из наиболее впечатляющих примеров роли гетерохроматина в опосредовании мейотического драйва является гаплотип у D. melanogaster; изолированный из природной популяции и названный Segregation Distorter [нарушитель сегрегации], или просто SD (Sandler and Hiraizumi, 1959). Вторая хромосома плодовой мушки, несущая гаплотип SD, обладает способностью элиминировать свой гомолог дикого типа (обозначаемый SD+) в процессе созревания спермы и делает это, предотвращая правильную конденсацию этого гомолога. Только сперма, несущая - SD, завершает созревание, становится зрелыми сперматидами и, следовательно, передается потомству.

Хромосома с SD несет несколько дискретных генетических элементов, существенных для ее функции. Первым из них является сам эухроматиновый мутант 5Z), вызывающий дисфункцию сперматид, действуя на отдельный гетерохроматиновый элемент-мишень, расположенный на гомологе и называемый Rsp (Ganetzky, 1977). Сам Rsp включает повторяющийся элемент, локализованный в перицентромерном гетерохроматине второй хромосомы (Wu et al., 1988). Чувствительность гомологичной хромосомы SD+ к нарушению конденсации зависит от числа копий повтора Rsp. Имеется также ряд других элементов, обычно локализованных в хромосомах, несущих SD и укрепляющих способность SD вызывать нарушение расхождения.

Сама мутация SD является результатом небольшой тандемной дупликации, включающей ген RanGAP. Эта перестройка производит мутантный белок RanGAP, усеченный на 234 аминокислоты на карбоксильном конце и вызывающий дефект в ядерном транспорте (Kusano et al., 2003). Почему такой дефект может приводить к тому, что не происходит конденсация хроматина хромосом, несущих локус Rsp, остается неясным (но см. обсуждение возможных механизмов: Kusano et al., 2003).

5.2. Утеря отцовской хромосомы у Sciara и картирование реагирующего элемента

Мухи-сциариды претерпевают сложные процессы элиминации отцовской хромосомы и в соме, и в зародышевом пути. Все эмбрионы возникают из зигот генотипа АтАрХтХрХр, что означает, что они получили один набор аутосом и одну Х-хромосому от своих матерей и один набор аутосом и две копии Х-хромосом от своих отцов. Соматические клетки тех эмбрионов, которые должны стать самками, утрачивают одну из двух полученных от отца Х-хромосом, а соматические клетки эмбрионов, которые должны развиваться как самцы, утрачивают две полученные от отца Х-хромосомы. Критический прорыв в действительный механизм элиминации Х-хромосомы, включающий неполное разделение сестринских хроматид, был сделан Сен Фаллем и Салливаном (Saint Phalle and Sullivan, 1996).

Утрата отцовской Х-хромосомы происходит и в клетках, составляющих зародышевый путь. На более поздних стадиях развития зародышевой линии единственная хромосома Хр отбрасывается у обоих полов. Вслед за утратой этой отцовской Х-хромосомы весь отцовский хромосомный набор оказывается деконденсированным, как показывает его более светлая окраска. Это различие в конденсации поддерживается у обоих полов до позднего первого личиночного возраста, иначе говоря до начала гениальных митотических делений.

На этом этапе и материнские, и отцовские хромосомы выглядят полностью конденсированными. Хотя наступающий мейоз у самок цитологически нормален, мейоз у самцов необычен в двух отношениях. Во-первых, элиминируется весь отцовский хромосомный набор и, во-вторых, полученная от матери Х-хромосома претерпевает направленное нерасхождение в мейозе И, и формируется спермий с одним набором аутосом и двумя Х-хромосомами.

Интересно, что с этими паттернами элиминации хромосом коррелирует ацетилирование гистонов H3 и Н4 (Goday and Ruiz, 2002). Сначала, в ходе раннего развития зародышевой линии, лишь половина хромосом, а именно отцовский набор, высокоацетилированы по H3 и Н4. Как отмечают Годей и Руиц (Goday and Ruiz, 2002), «продемонстрированная здесь дифференциальная метка хромосом зародышевого пути ацетилированием гистонов согласуется с ранними данными о существовании различий в окрашивании хроматина между обоими родительскими геномами в зародышевых клетках». Исключением из этого правила является отцовская Х-хромосома, которая будет элиминирована в ходе развития зародышевой линии: она не сильно ацетилирована. На более поздних стадиях, перед началом гениальных митотических делений, все хромосомы, и материнские, и отцовские, ацетилированы в высокой степени. Интереснее всего, что в мейозе у самцов, в ходе которого утрачивается весь отцовский набор, этот отцовский набор весь недоацетилирован по H3 и Н4 по сравнению с высокоацетилированным набором хромосом, происходящим от матери. Хотя отношение этих изменений в модификации гистонов к последующим элиминационным событиям в механистических терминах остается неясным, кажется вероятным, что такие различия маркируют хромосомы и для мейотической, и для митотической элиминации.

5.3. Утеря отцовских хромосом у Nasonia

У паразитической осы Nasonia vitripennis из неоплодотворенных (гаплоидных) яиц развиваются самцы, тогда как из оплодотворенных (диплоидных) яиц обычно развиваются самки (обзор см.: Beukeboom and Werren, 1993). Однако имеется сверхчисленная, или В-хромосома, известная как хромосома PSR, которая заставляет оплодотворенные яйца развиваться в самцов. Хромосома PSR выполняет эту работу по реверсии пола, вызывая сверхконденсацию и утерю всех отцовских хромосом (кроме себя самой?) в оплодотворенных яйцах (Werren et al., 1987). Хромосома PSR в основном представлена гетерохроматином и содержит тандемно повторяющиеся последовательности, не представленные в аутосомах. Попытки картировать эту хромосому с помощью делеций позволили получить нефункциональные хромосомы PSR, которые могут передаваться дочерним особям (Beukeboom and Werren, 1993). Однако в этих исследованиях не удалось идентифицировать в этой хромосоме специфический домен или класс повторов, который отвечал бы за ее способность включать деструкцию отцовского генома. Следует, однако, отметить обнаружение одного такого делеционного деривата, который ревертировал из нефункционального состояния в функциональное в пределах одной линии. Авторы (Beukeboom and Werren, 1993) предположили, что некоторый набор повторов на хромосоме PSR может функционировать как «сток» для продукта, в норме необходимого для правильного процессинга отцовских хромосом после оплодотворения. Действительное существование импринтированных «различий состояний» между отцовскими и материнскими наборами, на которые могла бы действовать хромосома PSR, позволяют предполагать исследования роли геномного импринтинга в детерминации пола у Nasonia (Dobson and Tanouye, 1998).

5.4. Вздутие 10 у кукурузы — роль последовательностей, соответствующих гетерохроматиновым «вздутиям», в облегчении расхождения хромосом в мейозе I

Еще один пример гетерохроматиновых элементов, ассоциированных с мейотическим драйвом, наблюдается у растений, содержащих хромосомы с гетерохроматиновыми вставками, известными как «вздутия» (knobs), или «псевдокинетохоры»; они благоприятствуют передаче хромосомы, несущей такое вздутие, в женском мейозе. Молекулярная организация вздутий охватывает два набора тандемных повторов, каждый из которых, по-видимому, представлен в виде длинной непрерывной последовательности (Dawe and Hiatt, 2004). Функционирование гетерохроматиновых вздутий как псевдокинетохоров зависит от варианта хромосомы 10, известного как аномальная хромосома 10 (Ab10). Когда Ab10 присутствует, вздутия формируют псевдокинетохоры, которые движутся к полюсам веретена мейоза I впереди эндогенных центромер, и скорость этого движения пропорциональна величине вздутия. Однако вздутия проявляют псевдокинетохорную активность только тогда, когда они находятся в cis-конфигурации с эндогенной центромерой; они также обнаруживают только латеральные ассоциации с микротрубочками в отличие от ассоциаций «в торец», демонстрируемых полностью функциональными эндогенными кинетохорами Таким образом, несмотря на терминологическую путаницу, вздутия не являются «неоцентромерами» (см. раздел 3.3), поскольку они не способны стимулировать нормальное расхождение сами по себе, не рекрутируют белки и не обнаруживают функций, связанных с эндогенными центромерами и кинетохорами.

В терминах мейотического драйва обмены в мейоцитах, гетерозиготные по данному вздутию, приводят к формированию кроссоверного продукта, несущего это вздутие только на одной из двух его хроматид (Rhoades and Dempsey, 1966). Псевдокинетохорное поведение этого вздутия направляет несущую вздутие хроматиду в один из четырех продуктов мейоза, известный как базальная мегаспора, который является одним из двух «внешних» ядер (из четырех мейотических продуктов) и который только один и имеется для оплодотворения (Rhoades and

Dempsey, 1966; Yu et al., 1997). Таким образом, причина мейотического драйва в этой системе — опосредованное гетерохроматином направленное расхождение в функциональную гамету одной хроматиды за счет ее сестры. Каким образом эпигенетические механизмы регулируют поведение вздутий и псевдокинетохорную активность, в настоящее время неизвестно.

6. Сайленсинг генов неспаренными ДНК в мейозе

Имеются многочисленные примеры случаев, в которых отсутствие мейотического спаривания приводит к эпигенетическому сайленсингу неспаренной ДНК. В случае Neurospora этот сайленсинг обычно ограничен неспаренными участками.

6.1. Мейотический сайленсинг неспаренной ДНК в мейозе у Neurospora

Необычный пример сайленсинга генов в ходе мейоза, который называют мейотическим сайленсингом, вызываемым неспаренной ДНК (MSUD, meiotic silencing by unpaired DNA), был описан у Neurospora crassa (обзор см. Hynes and Todd, 2003). Этот процесс позволяет неспаренной копии данного гена сайленсировать и себя, и любые другие спаренные копии этого гена (рис. 14.11). Этот процесс был выявлен с помощью характеристики гетерозиготных делеций в гене ascospore maturation 1 (asm-1). Однако, чтобы инициировать сайленсинг, неспаренная последовательность должна быть достаточного размера и обладать гомологией с продуктом (иРНК) этого гена (Lee et al., 2004). Такие последовательности, однако, не должны содержать соответствующий промоторный элемент для рассматриваемого гена. Сайленсинг ограничен геном, определяемым неспаренной последовательностью, и не распространяется на соседние, спаренные гены (Kutil et al., 2003). Мутации в гене sad-1, который кодирует белок, обладающий существенной гомологией с РНК-зависимыми РНК-полимеразами (RdRP), участвующими в путях RNA1, блокируют процесс MSUD (Shiu and Metzenberg, 2002), что позволяет предположить, что «для MSUD необходимы синтез двунитевой РНК и, вероятно, амплификация РНК» (Hynes and Todd, 2003). Хотя примеры MSUD наблюдались для генов, которые в норме экспрессируются в мейозе, MSUD не был выявлен для генов, экспрессирующихся только в вегетативных клетках, что является дополнительным доводом в пользу участия RNAi (Hynes and Todd, 2003). Дальнейшая поддержка этой идеи вытекает из наблюдений, согласно которым для MSUD необходим белок, подобный Argonaute и Dicer (Leeetal., 2003).

Рис. 14.11. Модели, показывающие, каким образом транскрипция неспаренной ДНК приводит к различным уровням сайленсинга в мейозе

^{В модели а предполагается, что одиночные транскрипционные комплексы в более крупных петлях обладают большей транскрипционной активностью, чем в более мелких, что обозначается числом красных концентрических кругов. Модель б предполагает, что более крупные петли могут содержать большее количество транскрипционных комплексов (красные шарики), чем более мелкие петли, (в) В обеих моделях не­ спаренная ДНК в больших петлях продуцировала бы более высокие концентрации siRNAs (показано величиной стрелок) и, таким образом, больший объем сайленсинга (адаптировано, с любезного разрешения, из Lee et al., 2004 [©Genetics Society of America])}