ГЕНЕТИКА, 2013, том 49, № 1, с. 16-29
УДК 576.3
ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ ЭУКАРИОТ: ОТ РАБОТ Н.К. КОЛЬЦОВА ДО НАШИХ ДНЕЙ
© 2013 г. Н. Б. Рубцов
Институт цитологии и генетики Сибирского Отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090
e-mail: rubt@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 20.08.2012 г.
Рассмотрены идеи и представления Н.К. Кольцова об организации хромосом эукариот, включающие концепцию гигантской молекулы наследственности — генонемы и ее структурно-функциональной организации. Проведен анализ развития методических направлений в изучении хромосом — от исследования хромосомы как окрашиваемой клеточной структуры, визуализации индивидуальных хромосом в живой клетке до определения топологических доменов хромосом человека и мыши с использованием 3С и 5С технологий. Обсуждены перспективы исследований организации хромосомы с использованием современных цитологических, молекулярно-биологических и биоинформа-тических технологий.
DOI: 10.7868/S0016675813010104
Н.К. КОЛЬЦОВ: "ГЕНОНЕМА - МОЛЕКУЛА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ"
Интерес Н.К. Кольцова к организации хромосомы эукариот, по-видимому, возник с начала 1930-х годов. В то время он занимался изучением ооцитов тритона, курицы и голубя и обнаружил, что в процессе развития их индивидуальные хромосомы претерпевали значительные изменения. В 1927 г. на III Всероссийском съезде зоологов, анатомов и гистологов Н.К. Кольцов в своем докладе "Физико-химические основы морфологии" сформулировал революционный для биологии того времени принцип: omnis molecule ex molecule (каждая молекула от молекулы). Он высказал предположение, что необходимым условием жизни и воспроизводства клетки является наличие в ней носителей наследственной информации, а именно молекул наследственности.
Представления об организации ДНК, существовавшие в 30-е годы, не давали никаких оснований для рассмотрения ДНК в качестве основной "молекулы наследственности". В то время считали, что молекулы ДНК имеют небольшой размер и просты по составу. Н.К. Кольцов писал "...хроматин ни в коем случае не может быть отнесен к генотипу хромосомы, не может быть признан составной частью генов. Это прежде всего твердая защитная корка хромосомы, обособляющая на известных стадиях генонему от кариоплазмы и закрепляющая определенную форму хромосомы, удобную для передвижений при кариокинезе" [1]. В своих поисках путей копирования и воспроизведения наследственной информации он пришел к гипотезе о "кристаллизации" веществ вдоль молекулы наследственности — генонемы. "Она [ге-
нонема] несет в себе готовые образцы всех специфических для вида и индивидуума сложных белков и соединений, которые когда-то были выработаны в длинном процессе видовой эволюции и химический синтез которых каждый раз заново без готового образца представляется невероятным".
Основная идея Кольцова о существовании в клетках гигантских полимерных молекул, в которых записана генетическая информация, полностью подтвердилась. Отличными от его предположений оказались принципы записи и реализации генетической информации. Гигантской молекулой, несущей генетическую информацию, оказалась нуклеиновая кислота, которой Кольцов отводил роль "твердой защитной корки хромосомы", место "кристаллизации" веществ на существующих образцах заняли транскрипция и трансляция.
Рассматривая проблему организации хромосомы и репродукции молекул наследственности, Н.К. Кольцов в своем докладе, сделанном им еще в 1924 г., отмечал: "Если мы признаем, что самой существенной частью хромосомы являются длинные белковые молекулы, состоящие из нескольких десятков или сотен атомных групп радикалов, то моргановское представление о хромосоме как о линейном ряде генов получит ясную конкретную основу. Радикалы хромосомной молекулы — гены — занимают в ней совершенно определенное место, и малейшие химические изменения в этих радикалах, например отрыв тех или иных атомов и замена их другими "..." должны являться источником новых мутаций".
Это было сказано задолго до определения реального носителя генетической информации, расшифровки генетического кода и выяснения
механизмов возникновения мутаций. Развивая свои идеи, Кольцов в 1938 г. писал: "...в основе хромосомы лежит длинная цепная молекула или мицелла, состоящая из одинаковых длинных молекул, боковые ветви которых — белковые радикалы — являются генами". И сегодня интересно взглянуть на "схемы структуры хромосомной молекулы", предложенные Кольцовым (рис. 1,а, б) [2, 3]. По его представлениям, белковые радикалы геноне-мы (гены) — это образцы для построения новых белков. Окончательно сложившуюся гипотезу о молекулярном строении и матричной репродукции хромосом эукариот Н.К. Кольцов изложил в резюме доклада, подготовленного им для VII Международного генетического конгресса (Эдинбург, 23—30 августа 1939 г.). Несмотря на то, что поездку советских ученых на этот конгресс руководство СССР запретило, резюме его доклада было опубликовано спустя два года в 15-м номере журнала "Drosophila Information Service" (с текстом резюме можно познакомиться в работе [4]).
ПРОГРЕСС В ИЗУЧЕНИИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМОСОМЫ
С последних работ Н.К. Кольцова об организации хромосомы прошло более 70 лет интенсивных исследований молекулярных механизмов наследственности и структурно-функциональной организации хромосомы. Уже показано, что в основе хромосомы лежит двойная спираль молекулы ДНК, представляющая собой две комплементарные цепочки. Выяснен механизм копирования ДНК, которое происходит не путем "кристаллизации" веществ вдоль молекулы-генонемы, а за счет построения комплементарных цепей к разошедшимся цепям ДНК. Показано, что в ДНК записана не только наследственная информация, необходимая для построения белков, но и программа ее реализации: когда, как и в каких клетках будет считываться информация с различных участков ДНК. Выяснено множество механизмов и систем такого кодирования, используемых для управления работой генов. Это и метилирование ДНК [5], и модификации гистонов [6], и доменная организация хромосомы [7]. Определены элементы генома, играющие важную роль в управлении работы генов (энхансеры, инсуляторы и т.д.), являющиеся частью механизма регуляции экспрессии генов на хромосомном уровне [8]. Для целого ряда видов сегодня полностью секвенирован их геном [9], т.е. определен состав всех "молекул наследственности".
Тем не менее, рассматривая пространственную организацию хромосомы, приходится признать, что до последнего времени успехи ее изучения были в основном связаны либо с детальным анализом относительно небольших участков хромосомы (не более нескольких сотен тысяч пар оснований), либо с выяснением общих закономерно-
стей организации крупных хромосомных районов. Предложенные к настоящему времени модели структурно-функциональной организации хромосомы обычно учитывают лишь часть имеющихся в настоящее время данных и не могут претендовать на описание всех элементов хромосомы [10-12].
На разных стадиях клеточного цикла пространственная организация хромосом и их отдельных элементов значительно изменяется. В интерфазе они представляют собой очень нежные структуры с нечеткой периферией. В митозе хромосомы превращаются в обособленные элементы, способные сопротивляться внешним воздействиям и сохранять свою целостность и форму. Такие изменения оказываются необходимыми для расхождения хромосом в дочерние клетки. Проблема внутренней организации хромосом и ее изменения также привлекала внимание Н.К. Кольцова. Он писал про гигантскую полимерную "молекулу-генонему" следующее: "В основе каждой хромосомы на всех стадиях развития лежит генонема — тончайшая нить с утолщениями, элементарными хромомерами. Эта генонема вытянута во всю длину... в соматических клетках на стадии интеркинеза. Во время митоза ... генонемы в сильно укороченных хромосомах свернуты в спираль или клубок в каплехромоплазмы" [1] (рис. 2).
Стоит отметить, что еще много лет после работ Н.К. Кольцова не существовало методов, которые бы позволили увидеть обычную индивидуальную хромосому в интерфазном ядре. В качестве модельных объектов интерфазных хромосом в то время активно использовали политенные хромосомы [13]. В этих исследованиях было получено много интересных и значимых результатов, но очевидно, что ни политенные, ни пахи-тенные хромосомы, ни хромосомы типа ламповых щеток не могли служить моделью для выяснения принципов организации хромосомы в обычном интерфазном ядре.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ В ИЗУЧЕНИИ ОРГАНИЗАЦИИ ХРОМОСОМЫ
В изучении организации хромосом можно отметить несколько этапов, обусловленных появлением и развитием новых методов исследований.
Первый из них был посвящен, главным образом, поиску адекватных подходов и разработке соответствующих методик для проведения анализа морфологии хромосом. Значительный вклад в развитие цитогенетики на этом этапе внесли такие выдающиеся отечественные исследователи, как П.И. Живаго, А.Г. Андрес, М.С. Навашин.
Началом второго этапа заслуженно считается 1956 год — год опубликования работ, в которых впервые были представлены качественные мета-
3
%
о
Я
о
я
о, 1-1 ><
Я о
н г^
я о
я ч
=к о я о м о
<ч 2
о о
Я я
о О я ч
м ч
о
т
о
&
О
СН, СН2, СН3 Э С
Рис. 1. Схемы структуры "хромосомной молекулы", представленные в работах Н.К. Кольцова [1, 2]. а — схема структуры хромосомной молекулы. Представлен небольшой (вертикальный) отрезок генонемы и (горизонтально) два связанных с ним гена, из которых один ген мужской гормон (андростерон). К другому нижнему сложному гену прикреплена молекула тимонуклеиновой кислоты. Все размеры радикалов приведены с более или менее точным соблюдением показанного масштаба [2]. б — "Схема молекулярной структуры генонемы. Боковые радикалы — гены —связанные с отдельными звеньями дипептидной цепи аланинглицина (фибриоина шелка)" [3].
фазные хромосомы человека, правильно подсчитано их число и дано детальное описание их морфологии [14, 15]. Данный этап развития цитогенетики характеризуется интенсивными исследованиями морфологии митотических и мейотических хромосом млекопитающих, началом работ, посвященных изучению структурно-функцио
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.