ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 1, с. 18-26
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.224595.773.4
НАРУШЕНИЯ РЕПЛИКАЦИИ ГЕТЕРОХРОМАТИНА В ПОЛИТЕННЫХ ХРОМОСОМАХ Drosophila melanogaster, ВЫЗВАННЫЕ ЭУ-ГЕТЕРОХРОМАТИНОВЫМИ ПЕРЕСТРОЙКАМИ
© 2007 г. В. А. Гвоздев, Ю. А. Абрамов, Г. Л. Коган, С. А. Лавров
Институт молекулярной генетики Российской академии наук, Москва 123182; факс: (495) 196-02-21; e-mail: gvozdev@img.ras.ru Поступила в редакцию 24.04.2006 г.
Исследования эффектов положения при хромосомных перестройках у Drosophila melanogaster показывают, что нарушения процессов репликации, обнаруживаемые в политенных хромосомах, коррелируют с наследуемой инактивацией генов в митотически делящихся клетках. Ранее описывались в основном эффекты эу-гетерохроматиновых перестроек на репликацию и инактивацию эухромати-новых районов, прилежащих к точке разрыва в гетерохроматине. В настоящей статье (на основе ранее опубликованных собственных данных) рассматривается влияние таких перестроек на гетеро-хроматин, которое проявляется как восстановление в политенных хромосомах тех блоков гетеро-хроматина, которые в норме отсутствуют - "недопредставлены", или недореплицированы. Обнаружено влияние эухроматина на гетерохроматин, препятствующее его недорепликации и обратное описанному в литературе явлению недорепликации эухроматина, распространяющемуся от гетерохроматина на эухроматин. Обсуждаются эффекты транс-действия блоков гетерохроматина на репликацию гетерохроматина, оказавшегося в эухроматиновом окружении. Характер нарушений репликации гетерохроматина в политенных хромосомах рассматривается как индикатор функциональной активности этих участков генома в митотически делящихся клетках.
Известно, что при политенизации хромосом в клетках слюнных желез дрозофилы происходит "недорепликация" гетерохроматиновых районов. В результате прицентромерные районы хромосом и области так называемого интеркалярного гетерохроматина "недопредставлены" в политенных хромосомах [1, 2]. Изучение особенностей репликации ДНК в политенных хромосомах представляет значительный интерес не только как повод для исследования явления "недорепликации" гетерохроматина в этих специализированных структурах, но и как методический подход для геномного анализа процессов эпигеномного сайленсинга и выявления взаимодействий между эухроматиновым и гетерохроматиновым ком-партментами генома эукариот. Было показано, что инактивация генов при эффекте положения, вызванном близлежащим гетерохроматином, наблюдаемая в диплоидных соматических клетках, тесно коррелирует как с запаздыванием репликации близлежащих эухроматиновых районов [3, 4], так и с их недорепликацией в политенных хромосомах [5, 6]. Таким образом, между эпигеномным сайленсингом эухроматиновых генов в соматических клетках и нарушениями репликации наблюдалась тесная корреляция. Более того, анализ районов недорепликации в политенных хромосомах по всему геному Drosophila melanogaster, проведенный в лаборатории И.Ф. Жимулева, обнаружил тесную связь между участками поздней ре-
пликации и недорепликации и областями тканеспецифичной транскрипции [7]. Оказалось, что "недореплицированные" в политенных хромосомах районы являются поздно реплицирующимися в культивируемых клетках дрозофилы. Кроме того, авторы обнаружили, что заметная часть этих районов соответствует транскрипционным территориям, экспрессирующимся в семенниках, но не в яичниках или эмбрионах. Таким образом, анализ репликации политенных хромосом обнаруживает корреляции между особенностями репликации специализированных участков хромосом и тканеспецифичной экспрессией этих районов в других тканях. Этот вывод касается районов интеркалярного гетерохроматина, рассеянных по длине хромосом [7, 8]. Однако вопрос о "недорепликации" гетерохроматина прежде всего касается прицентромерного гетерохроматина, обогащенного сателлитными ДНК, мобильными элементами и другими повторами. Причины и механизмы недорепликации этих районов остаются загадочными. Можно лишь предполагать, что эти участки, необходимые для процессов сегрегации хромосом, утрачиваются как бесполезные при эн-дорепликации. Известно также, что эти районы отвечают за явление мейотического драйва - преимущественной передачи потомству одной из гомологичных хромосом [9-11]. В то же время известны "гетерохроматиновые гены", как, например, ген light, локализованный в гетерохроматине
D. melanogaster, кодирующий MAP-киназу, активируемую митогенными факторами [12, 13]. Интересно, что соответствующий фрагмент генома защищен от недорепликации в политенных хромосомах и легко детектируется методом гибридизации in situ [13]. Этот пример еще раз иллюстрирует разнокачественность молекулярной природы ДНК конститутивного гетерохроматина дрозофилы, которая может коррелировать с избирательностью процесса недорепликации. Области недорепликации могут регулироваться существующими гипотетическими границами, которые должны были бы находиться в зонах перехода цен-тромерный гетерохроматин-эухроматин. Вопрос о том, как изменяется недорепликация гетерохроматина при нарушении этой гипотетической границы или, проще, при эу-гетерохроматиновых перестройках, практически не был изучен. Учитывая вышеприведенные ссылки на роль гетерохроматина в сегрегации хромосом и мейотическом драйве, обратим внимание на актуальность подобного типа исследований на политенных хромосомах. Что касается исследования гетерохроматина Х-хромо-сомы, то в его дистальной части находится локус ABO, определяющий правильность первых делений ядер после оплодотворения, однако механизмы этого воздействия остаются загадочными [14-16]. Нельзя исключить, что специфическая структура хроматина этого локуса, характер его репликации и экспрессии могут изменяться при эу-гетерохро-матиновых перестройках, нарушающих природную границу эухроматина и гетерохроматина.
ОСОБЕННОСТИ РЕПЛИКАЦИИ И "НЕДОРЕПЛИКАЦИИ" ГЕТЕРОХРОМАТИНА В СЛЮННЫХ ЖЕЛЕЗАХ
При образовании политенных хромосом в слюнных железах происходят 10 циклов эндоре-пликации генома без деления клетки. Амплифи-цируются главным образом эухроматиновые последовательности, тогда как количество некоторых гетерохроматиновых последовательностей, в частности сателлитной ДНК, практически не увеличивается. Это явление было описано как "недорепликация" (underreplication) или "недопредстав-ленность" гетерохроматина [17-19]. В политенных хромосомах обнаруживаются также многочисленные, так называемые слабые точки интерка-лярного хроматина, для которых показана недорепликация хроматина [20]. Недорепликация основной части гетерохроматина в слюнных железах дрозофилы обсуждается как остановка/обрыв репликации гетерохроматиновой ДНК в конце S-фазы дупликации ДНК [21]. Однако механизм недорепликации при политенизации остается невыясненным. Неясно, что собою представляют барьеры для репликации, какова природа
точек, в которых происходит остановка репликации, и определяется ли прекращение репликации определенными последовательностями ДНК или структурами более высокого порядка. Вопрос о механизме и регуляции недорепликации остается невыясненным. Определенным прорывом в этой области исследований является обнаружение в лаборатории И.Ф. Жимулева гена Su(UR) (suppressor of underreplication) [22], мутации в котором приводят к частичному подавлению недорепликации интеркалярного и некоторых районов прицен-тромерного гетерохроматина [22-26]. Увеличение дозы Su(UR) в трансгенных линиях мух, напротив, усиливает недорепликацию в политенных хромосомах. Приведенные выше факты о совпадении участков поздней репликации/недорепликации в слюнных железах и соматических клетках были получены с использованием мутации Su(UR) [7]. Ген Su(UR) был клонирован, кодируемый им белок содержит в N-концевой части АТФаза/хели-казный домен, обнаруживаемый в активаторах транскрипции SNF2/SW12 [24, 26, 27], и последовательность, гомологичную бромодомену [28]. Локализация белка совпадает с позднореплици-рующимися районами интеркалярного гетерохроматина [22, 23, 26, 28]. Ген Su(UR) является пока единственным примером хромосомного белка, специфически предотвращающего репликацию в районах поздней репликации в слюнных железах дрозофилы, но механизм его действия остается невыясненным.
НАРУШЕНИЯ ПОЛИТЕНИЗАЦИИ ЭУХРОМАТИНОВОГО РАЙОНА,
ВЫЗВАННЫЕ ЭУ-ГЕТЕРОХРОМАТИНОВЫМИ ПЕРЕСТРОЙКАМИ
Гетерохроматии индуцирует мозаичную инактивацию эухроматиновых генов, приближенных к нему в результате эу-гетерохроматиновых перестроек (эффект положения мозаичного типа). Явление инактивации генов эухроматина при эу-гетерохроматиновых перестройках изучается давно и ему посвящены многочисленные обзоры [2, 29-40]. При эффекте положения (ЭП) изменяется морфология прилежащих к точке разрыва эухроматиновых районов, наблюдается их "гетеро-хроматинизация" [1, 30, 41, 42], которая сопровождается появлением в составе эухроматина характерных для гетерохроматина белков [43] и изменением нуклеосомной структуры [34]. Показано, что ЭП эухроматиновых генов, перенесенных в гетеро-хроматин, в большинстве случаев сопровождается нарушением хроматиновой структуры этих районов, компактизацией, изменением репликации, недорепликацией эухроматиновых районов, приближенных к гетерохроматину, и в конечном итоге их гетерохроматинизацией [4, 6, 19, 44, 45].
Было показано, что инактивация генов при эффекте положения может распространяться на значительно большие расстояния от точки разрыва (до 600 тпн), чем недорепликация ДНК. Степень недорепликации эухроматина убывает по мере удаления от точки разрыва: на расстоянии 5 и 30 тпн от границы с гетерохроматином содержание ДНК уменьшалось в 13 и 8 раз соответственно, а на расстоянии 65 тпн уменьшения содержания ДНК уже не отмечено [5, 6]. Показано, что недорепликация ДНК в районе Х-хромосо-мы, подвергающемся инактивации, уменьшается параллельно снижению инактивации, вызванной присутствием дополнительной Y-хромосомы или наследованием перестройки от матери.
Обнаружено большое количество эухромати-новых генов, кодирующих хромосомные белки и действующих как энхансеры или супрессоры ЭП [31, 32, 46-48]. Значитель
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.