Организация на хромозомите

Раздел, който изучава моделите на наследственост и изменчивост на ниво клетки и субклетъчни структури - хромозоми.

ДНК може да се свързва с различни протеини, образувайки структура, наречена хроматин. Хроматинът е разделен на две функционални състояния: еухроматин и хетерохроматин. Хетерохроматинът се разделя на конститутивен - съществуващ постоянно през целия клетъчен цикъл и факултативен, образуван в определени моменти от времето на определени места. Отличителните свойства на хетерохроматина включват: кондензирано състояние в интерфазата, транскрипционно неактивно състояние, късна репликация в S-фазата на клетъчния цикъл. Също така характеристиките на хетерохроматина включват недостатъчна репликация в политенови хромозоми в Drosophila. Еухроматинът е обогатен със следните модификации: H3 и H4 ацетилиране, H4K20, H4K9 и H3K27 метилиране. Хетерохроматинът се характеризира с H3K9 метилиране, но тази модификация се среща и в еухроматина, особено в ORF.

Цитологична структура на хетерохроматин

Образуване на хетерохроматин в Drosophila

Най-ранният етап в образуването на хетерохроматин (HC) се случва с участието на механизма на РНК интерференция, при който sRNAs (малки РНК) действат върху местата на бъдещия хетерохроматин чрез RITS комплекса (виж преглед на РНК интерференцията). Следващата стъпка е заместването на хистон H2A с хистон H2Av, което задейства ацетилирането на H4K12 и деацетилирането на H3K9 (вижте прегледа на хистоните). Деацетилираният H3K9 се метилира от ензима Su(var)3-9. HP1 (хетерохроматинов протеин 1) е прикрепен към така модифицирания хистон, което улеснява прикрепването на Suv4-20 хистон метилтрансфераза, която триметилира хистон H4K20. По този начин образуването на хетерохроматин протича съгласно следната схема заместване на H2A с H2Av--> действие на комплекса RITS --> ацетилиране на H4K12 --> деацетилиране и метилиране на H3K9 --> Me-H3K9 свързване на HP1 протеин --> метилиране на H4K20.

Образуване на хетерохроматин в дрожди

Sp има класически ефект на позицията на гена (вижте общия преглед на ефекта на позицията на гена) в рамките на центромера, теломера и локуса, определящ пола, което предполага наличието на хетерохроматин. Трябва да се отбележи, че хромозомите на дрождите, за разлика от политеновите хромозоми на Drosophila, не се виждат в светлинен микроскоп; следователно хетерохроматичните региони могат да бъдат открити само индиректно.

Образуването на хетерохроматин се предхожда от метилиране на H3K9, последвано от добавяне на HP1 (Swi6). Конвергентните промотори в центромерните ДНК повторения образуват dsRNA, която Dcr1 превръща в siRNA. siRNAs се свързват с RITS и атакуват транскриптите, образувани в промоторите, свързвайки се с тях чрез комплементарни взаимодействия. Комплексите RITS и RDRC се комбинират, за да увеличат ефекта на сигнала и да стабилизират процеса. Този зависим от RNAi процес е централен за установяването на H3K9 метилиране (механизъм I). Локусът, отговорен за определянето на пола, се определя от HDAC свързване чрез ДНК-свързващи протеини (механизъм II), засилвайки този процес, докато в теломерите Taz1-зависимият механизъм се редуцира от RNAi (механизъм III). След метилиране на H3K9, протеините Clr4 и Swi6 се свързват с хромозомата, поддържайки MeH3K9 епигенетично (механизъм IV).

Гени в хетерохроматина

Съкращения. H4K12 е името, дадено на специфична аминокиселина в хистонови протеини. В този случай това е лизин (К) на деветата позиция на хистон Н4.

ORF (отворени рамки за четене) -четяща рамка, част от ДНК, от която се чете РНК. Sp (Schizosaccharomyces pombe) - вид дрожди

Механизми на намаляване

  1. ]]>Swaminathan J., Baxter E., Corces V. (2005) Ролята на заместването на вариант на хистон H2Av и ацетилирането на хистон H4 при установяването на хетерохроматин на Drosophila. Genes & развитие 19:65-76. ]]>
  2. Verdel A, Jia S., Gerber S., Sugiyama T., Gygi S., Grewal S., Moazed D. (2004) RNAi-медиирано насочване на хетерохроматин от комплекса RITS. Наука, 30; 303 (5658): 672-6.
  3. ]]>HornP. J., Peterson C.L. (2006) Сглобяване на хетерохроматин: Нов обрат на стар модел. Хромозомни изследвания 14:83Y94 ]]>
  4. ]]> Fransz P., Hoopen R., Tessadori F. (2006) Състав и образуване на хетерохроматин в арабски > ]]>

Намаляване на хроматина

Малко история

Диминацията е открита за първи път от немския цитолог Теодор Бовери (1862 - 1915) през 1887 г. Той установи, че в ранното развитие на някои видове аскариди бъдещите тъканни (соматични) клетки губят част от хромозомния материал - хроматин. Решаващ принос за откриването и подробното изследване на намаляването на хроматина в протозоите е направен от D. Prescott. В началото на 70-те години на миналия век американски учен открива това явление в цилиарните реснички по време на узряването на вегетативни (т.е. изпълняващи соматични функции) ядра - макронуклеуси. В средата на 60-те години С. Берман се занимава с изследване на намаляването на хроматина в Cyclops. Германският изследовател обърна внимание на факта, че броят на хромозомите в трите вида циклопи, с които работи, е еднакъв както преди, така и след намаляването. Разбира се, поради това събитие, размерът на хромозомите намалява в зависимост от дела на загубената ДНК. Берман предложи молекулярнамодел на намаляване: излишната ДНК се отстранява от хромозомите по същия начин, както профагът се изключва от хромозомите на лизогенни бактерии, т.е. чрез примка и интрахроматидна рекомбинация за образуване на ДНК пръстени. Пръстените на Берман и открити по време на електронно микроскопско изследване на унищожените клетки на циклоп в стадия на намаляване. За съжаление, работата на Берман е прекъсната през 1984 г.

Парадоксът на генома на висшите еукариоти

В средата на 20 век, както и по времето на Чарлз Дарвин, всички училищни учебници по биология схематично изобразяват развитието на живота на Земята под формата на еволюционно дърво. В основата му бяха прости и, както смятаха, най-древните организми, а човек със сигурност беше разположен на върха. Следователно съществуваше напълно естествена гледна точка, според която Хомо сапиенс трябва да има най-голям брой гени, т.е. и количеството на ДНК. Но през 1952 г. американският биохимик А. Мирски и цитологът Х. Рийс доказаха, че няма пряка връзка между сложността на организацията на животинския вид и количеството генетичен материал, който притежава. Понастоящем пълните геноми (т.е. нуклеотидните последователности на ядрената ДНК) на няколко организма са дешифрирани, включително, разбира се, хора. Оказа се, че общо неговите гени, заедно с регулаторните области, едва ли надхвърлят 3-5% от целия геном. Днес всъщност не знаем нищо за предназначението на останалата част от ДНК и не разбираме нито нейната еволюционна роля, нито механизма на произход.

Намаляване при ресничките

Таксонавигация Superregnum: Eukaryota Regnum: Protista Phylum: Ciliophora

По време на узряването на Ма (макронуклеус) настъпва намаляване на хроматина, което се доказва от факта, че геномът на Ма на цилиарни ресничести, хипотрихиди от родовете Stylonychia, Euplotes и Oxytricha съдържа само 2-4%нуклеотидни последователности на Mi генома (микронуклеус) на генеративното ядро, аналог на зародишната линия (зародишната линия) на многоклетъчните организми. Следователно 96-98% от генома се губи по време на узряването на Ma. Процесът на намаляване е характерен за всички представители на родовете Tetrahymena, Paramecium (клас Oligohymenophorea), Stylonychia, Euplotes и Oxytricha (клас Spirotrichea). От всички реснички най-кардиналният процес на реорганизация на ядрения материал в онтогенезата може да се наблюдава при хипотрихидите. По време на съзряването Ma намалява два пъти. Първият път, когато се отстраняват цели хромозоми: 10-15 часа след разминаването на конюгантите в Stylonychia lemnae, около 140 хромозоми стават по-компактни, преместват се във вътрешната мембрана на лигавицата и след това се дегенерират. Останалите 35-36 хромозоми постепенно се политенизират и елиминирането на интрахромозомната ДНК започва ден по-късно. Това се случва по следния начин: дискове от политенови хромозоми, поотделно или в малки групи, са заобиколени от мембраноподобен материал, образувайки везикули. Цялата политенова хромозома се разпада на много независими везикули, в които отстранената ДНК се лизира: повечето от често повтарящите се последователности, спейсери (междугенни пропуски), мобилни елементи на генома, както и вътрешни елиминационни последователности (IEP) се елиминират. Всички изследвани досега гени, а те са повече от 20, съдържат VEP. Като цяло броят им в Mi е няколко десетки хиляди. ERPs имат къси повторения (2–19 bp) на техните хълбоци, които могат да участват в сплайсинг на Ma ДНК кодиращи последователности. Остават само генетично значими последователности, теломерната ДНК се присъединява към тях в двата края, след което мембраните на везикулите се разпадат и Ма се превръща в "торба с гени". В същото време продължаваДНК обработка. В резултат на два акта на намаляване, само 2% от ДНК последователностите, присъстващи в Mi, остават в зряла Ma.

Намаляване на кръглите червеи

Умаляване при циклопите

В допълнение към ascaris, CD се среща и при някои видове циклопи. Това се случва по време на 4-7 деления на разцепване (при различни видове). Хроматинът се елиминира от различни области на хромозомите: крайни хетеропикнотични фрагменти в Cyclops Divulus, C. furcifer или от интеркаларни фрагменти в C. strenuus. Елиминираният хроматин остава под формата на големи блокове или гранули в екваториалната част на вретената. В произведенията на A.P. Акифиев и А.К. Гришанин описва най-пълно CD процеса при C.kolensis. Намаляването при този вид настъпва по време на 4-то делене на разцепване в 6 клетки на ембриона от 8 и се характеризира с факта, че в края на значително удължена интерфаза малки фелген-позитивни гранули или капки се появяват в ядрата на тези шест клетки (около 600 във всяка клетка). Гранулите са с диаметър около 0,5-3,5 µm. С началото на профазата и следващите етапи на умалително делене, хроматиновите гранули се сливат и около тях се образува плътна, еднослойна мембрана без пори с дебелина около 50 nm. Лизисът на елиминируемата ДНК (eDNA) вероятно се случва в тези гранули. eDNA е циклична структура; следователно, ако мембраната има пори, тогава декомпактизиращият(ите) фактор(и) могат свободно да навлязат в гранулите с началото на телофазата. В този случай eDNA гранулите ще се превърнат в обикновени микроядра, които общо ще съдържат по-голямата част от генетичния материал на клетката. Уникалната мембрана на перлите осигурява надеждна изолация на материала, който ще се лизира и по този начин предотвратява хаоса в клетките след намаляване. Продължителността на интерфазата преди намаляване е значителносе увеличава, след което отново се скъсява. при C.kolensis се отстранява до 94% от генома на зародишните клетки. По време на намаляването броят на хромозомите остава непроменен, но размерът им рязко намалява (при C.kolensis от 11-20 до 2,6 µm и диаметърът от 1 до 0,5 µm).

В ареста

За съжаление, намаляването на хроматина досега е слабо проучено от методите на молекулярната биология. Ето защо пълното описание на всички негови етапи е трудно. Въпреки това, с достатъчна сигурност можем да говорим за следните събития,

1. „Приемане“ от клетката на програмата за намаляване на хроматина. Не е случайно, че в циклопите интервалите преди и след умалителното деление са осем до девет пъти по-кратки от предходния период.

2. Маркиране на ДНК последователности, които трябва да бъдат елиминирани, от една страна, и които трябва да бъдат запазени, от друга. Стотици и дори хиляди места, в които настъпва намаляване на хроматина в хромозомите, трябва да бъдат приведени в състояние на готовност за намаляване по едно и също време.

3. ДНК изрязване в маркирани зони.

4. Кръстосано свързване на неелиминируема ДНК в "мини-хромозоми".

5. Образуване на уникална по своята структура мембрана, образуваща гранула, в която като в тенекия е затворена елиминираната ДНК (за първи път процесът е описан от А. К. Гришанин).