ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 7, с. 873-886
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.1:575.8:576.316.7
ТЕРМИНАЛЬНЫЕ РАЙОНЫ ХРОМОСОМ МЛЕКОПИТАЮЩИХ: ПЛАСТИЧНОСТЬ И РОЛЬ В ЭВОЛЮЦИИ
© 2007 г. Н. С. Жданова1, Н. Б. Рубцов1' 2, Ю. М. Минина1
1 Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090;
факс: (383) 333-12-78; e-mail: icg-adm@bionet.nsc.ru.
2 Новосибирский государственный университет, кафедра цитологии и генетики, Новосибирск 630090
Поступила в редакцию 06.06.2006 г.
В обзоре приведены данные о составе, организации и функциональном значении терминальных районов хромосом млекопитающих, включающих теломеры и прилежащие к ним субтеломерные районы. Благодаря особой структуре, особенностям репликации ДНК, а также характерной локализации в соматических и мейотических клетках эти районы являются горячими точками многих событий, связанных с функционированием геномов млекопитающих. Особое внимание обращает на себя такое их свойство, как нестабильность. В связи с этим в обзоре приведены данные, позволяющие считать, что нестабильность хромосомных районов, содержащих теломерную ДНК, является одним из факторов эволюции хромосом. Рассмотрена связь размеров и структуры теломерных районов с "репликативным старением" и иммортализацией клеток. Подробно обсуждены классические и альтернативные механизмы контроля размеров теломеры, значение изменения размеров тело-мерных районов в онтогенезе, при онкотрансформации и в ходе эволюции. Рассматриваются вопросы, связанные с дестабилизацией теломер и ролью этого процесса в формировании хромосомных перестроек и эволюции хромосом. Отдельно обсуждается происхождение теломерных повторов в интерстициальных сайтах хромосом, в том числе в районах эволюционных слияний - распадов. Обсуждается также возможная роль рибосомных повторов и механизмов, сходных с ALT (альтернативные механизмы удлинения теломер) в реорганизации теломер в некоторых таксонах.
Известно, что наиболее часто реорганизация кариотипов млекопитающих осуществляется за счет хромосомных перестроек в центромерных и терминальных районах хромосом. Для многих таксонов кариотипическая эволюция практически полностью обусловлена разрывами и слияниями хромосом в этих районах.
Анализ последовательностей районов эволюционных хромосомных перестроек в геномах восьми видов млекопитающих, принадлежащих пяти отрядам, показал, что около 20% таких районов вовлекались в реорганизацию хромосом неоднократно [1]. Наличие "горячих точек" было обнаружено также в группе близкородственных видов [2]. Характерной особенностью районов неоднократных разрывов-воссоединений является их обогащенность повторенными последовательностями и/или сегментными дупликациями. Так, сегментные дупликации были обнаружены в большинстве районов разрывов-воссоединений, имевших место в эволюции хромосом приматов. Они же фланкируют инвертированные хромосомные сегменты. Эти же сайты являются сайтами нестабильности в митотических хромосомах и хромосомах раковых клеток. Наиболее часто эти сайты локализованы в перицентромерных и терминальных районах хромосом [1]. Особенностью этих районов хромосом является то, что они со-
стоят или обогащены повторами разного рода. В настоящем обзоре будут представлены данные о роли специального рода повторенных последовательностей (теломерных) в эволюции хромосом млекопитающих.
У млекопитающих большинство теломерных последовательностей локализовано в терминальных районах хромосом, состоящих непосредственно из теломер и прилегающих к ним субте-ломерных районов. Основной функцией теломер является сохранение целостности хромосомы. Функция субтеломерных районов неизвестна, однако замечено, что они формируют "буферную" зону между собственно теломерой, состоящей из тандемно ориентированных теломерных повторов, и основным телом хромосомы, содержащим транскрипционно активные последовательности. Уменьшение размера теломер ниже критического или нарушение их структуры, как правило, приводит к репликативному старению клеток и остановке клеточного деления. В случае преодоления этого кризиса наблюдается трансформация клеток, в том числе злокачественная, которая сопровождается нестабильностью теломер и генома в целом, образованием хромосомных перестроек. Сходные процессы в мейозе могут быть, по-видимому, источником кариотипической дивергенции видов, особенно в случае робертсонов-
ских слияний. Как правило, длина теломер является величиной, характерной для вида. У млекопитающих она колеблется от 5 до нескольких десятков тпн. Однако в некоторых случаях, как, например, инбридинга или опухолевой трансформации, размер теломер может либо увеличиваться буквально на порядок, либо резко уменьшаться. Показано, что в ряде трансформированных клеточных линий увеличение размера теломер не связано с активностью теломеразы, а обусловлено альтернативными механизмами удлинения теломер (ALT), основанными на рекомбинации ДНК. Похожие механизмы лежали, очевидно, в основе формирования субтеломерных районов хромосом, что привело к насыщению их разного рода повторами, в том числе деградированными тело-мерными повторами и сегментными дупликациями. Такая структура субтеломерных районов способствует обменам между негомологичными хромосомами в мейозе, когда терминальные районы хромосом кластерируются на ядерной мембране. Показано, что кроме концов хромосом теломер-ные (теломероподобные) повторы локализованы в интерстициальных сайтах. Есть основания считать, что такие сайты также нестабильны. Приведенные данные позволяют поставить вопрос о роли нестабильности сайтов, содержащих тело-мерные (теломероподобные) последовательности, в эволюции хромосом млекопитающих.
СТРУКТУРА, ФУНКЦИЯ
И СОСТАВ ТЕЛОМЕРНЫХ РАЙОНОВ
Хромосомы эукариот представляют собой ядерные структуры, содержащие гигантские линейные молекулы ДНК. Концы этих молекул организованы в специальные образования, так называемые "теломеры". Согласно современным представлениям, к теломерам прилегают субте-ломерные районы, которые отделяют их от основной части кодирующей ДНК. Несмотря на то, что по структурной организации субтеломерные районы отличаются от теломер, их происхождение, вероятно, связано с теломерной ДНК. В ряде случаев имеет смысл рассматривать их вместе как единый терминальный хромосомный домен [3].
Основной функцией теломер является сохранение целостности хромосомы как индивидуальной структуры и обеспечение ее полной репликации в генеративных и стволовых клетках [4-6]. Стабильность генома зависит от способности клетки поддерживать в определенных пределах длину теломерного района и отличать концы те-ломер от двунитевых разрывов ДНК [7]. Нарушение структурно-функциональной организации те-ломер, особенно "кэппинга" теломер, приводит к их дисфункции и как следствие - к хромосомным перестройкам. Такие нарушения выявлены при
репликативном старении клеток, онкотрансфор-мации и апоптозе [8, 9].
У млекопитающих теломеры представляют собой уникальные структуры, содержащие блок не-кодирующих повторов (ТТАГГГ)Я, получивших название теломерных, и белки, либо непосредственно связанные с теломерными повторами, такие как TRF1/TRF2 [10-11], либо ассоциированные с ними. Следует отметить, что к последним относятся некоторые факторы репарации одно- и двунитевых разрывов, гомологичной и негомологичной рекомбинации. Список этих белков можно найти в обзорах [12, 13].
Явление "репликативного старения" клеток, вызванного концевой недорепликацией ДНК, было предсказано в 1971 г. нашим соотечественником Оловниковым [14, 15] исходя из механизма репликации ДНК. Действительно оказалось, что при каждом делении соматические клетки человека теряют от 50 до 200 пн теломерного повтора [16], что делает невозможным их бесконечную пролиферацию [14-17]. В результате "концевой недорепликации" в 3'-нити молекулы ДНК в те-ломере образуется одноцепочечный конец, который, сворачиваясь специфическим образом и взаимодействуя с двунитевым районом теломеры, образует так называемую Т-петлю. Т-петля стабилизируется определенными белковыми факторами. Этот процесс, обеспечивающий защиту молекулы ДНК от экзонуклеаз, называется кэппин-гом [18, 19].
Начиная с 70-х годов прошлого века особенности репликации теломерной ДНК и факторы, влияющие на кэппинг теломер, были подвергнуты детальному изучению. Эта проблема интенсивно изучается до сих пор, поскольку именно сохранение нативной структуры одноцепочечного З'-конца является залогом кэппинга теломер и стабильности хромосомных концов. Эти проблемы были недавно рассмотрены в нескольких обзорных статьях [13, 20], что позволяет нам не останавливаться на них подробно в настоящем обзоре.
РАЗМЕР И СОСТАВ ТЕЛОМЕРНЫХ РАЙОНОВ
У млекопитающих теломерный повтор представляет собой гексамер 5'(ТТАГГГ)3'. До последнего времени теломеры рассматривались как удивительно консервативные структуры. Однако анализ данных о составе теломер у разных представителей животного и растительного мира показал относительность этого консерватизма. У некоторых видов было обнаружено формирование тело-мер транспозонами или другими повторенными последовательностями [3]. У изученных видов млекопитающих, в том числе у человека и диких
мышей Mus musculus и Mus spretus, размер тело-мер в основном варьирует от 5 до 25 тпн. Более длинные теломеры до 80 тпн описаны в хромосомах лабораторных линий мышей [21-23], а также у нескольких видов кроликов. Кроме того, гигантские теломерные районы, содержащие до 300 тпн (в среднем 213 тпн) теломерных повторов, были выявлены в коротких плечах акроцен-триков иберийской бурозубки. Остальные тело-меры у этого вида имели небольшой размер, в среднем 3.8 тпн [24], что меньше критической длины теломер человека, при которой начинается репликативное старение (около 5-8 тпн) [12, 25]. Однако как у вида-близнеца иберийской бурозубки - бурозубки обыкновенной, так и у других видов кроликов размер теломер был типичным для большинства видов млекопитающих [24, 26].
Наиболее подробно размер теломер изучен в клетках человека и мыши. Оказалось, что в клетках разных тканей, в разных хромосомах
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.