Хромосомные территории

Хромосомные территории в ядре фибробласта человека, выявляемые при помощи FISH с ДНК-пробами ко всем хромосомам.
Сверху: оптический срез ядра фибробласта, полученный при помощи конфокального микроскопа.
Снизу: схематическое изображение хромосомных территорий, полученное путём компьютерного распознавания образов.

Хромосо́мные террито́рии — отдельные и почти не перекрывающиеся области, которые занимают хромосомы в ядре во время интерфазы клеточного цикла[1]. Хромосомные территории имеют сферическую форму с диаметром от одного до нескольких микрометров[2]. Считается, что территориальная организация хромосом характерна для всех эукариот, хотя есть и исключения, например, дрожжи Saccharomyces cerevisiae[3]. Взаимное расположение хромосомных территорий сильно варьирует от клетки к клетке[4].

История концепции

Хромосомы доступны визуальному микроскопическому наблюдению только во время митотического или мейотического деления клеток. Неудивительно поэтому, что после открытия хромосом в XIX веке полагали, что они являются временными образованиями, возникающими в клетке только в момент клеточного деления, а в интерфазе рассыпающимися на отдельные фрагменты. Первым, кто в 1883 году высказал предположение о непрерывном существовании хромосом в течение всего клеточного цикла, был бельгийский эмбриолог Эдуард ван Бенеден. Эта идея была развита в работе австрийского цитолога Карла Рабля «Über Zellteilung» (нем. «О клеточном делении») (1885). Карл Рабль, наблюдая за процессом деления эпителиальных клеток земноводных Salamandra maculata и Proteus anguinis, обнаружил преемственность расположения хромосом в последовательных делениях. Он высказал гипотезу, что каждая хромосома как отдельная сущность сохраняется в интерфазном ядре, при этом занимает в ядре место, во многом задаваемое позицией в анафазе предшествующего митоза. Кроме этого, Карл Рабль описал характерную конфигурацию хромосом в интерфазном ядре, при которой центромеры хромосом крепятся к ядерной оболочке на одном полюсе ядра, а теломерные участки хромосом — на противоположном полюсе. Подобную организацию хромосом в ядре сейчас называют «конфигурацией Рабля»[3][5].

Термин «хромосомная территория» ввёл в научный обиход немецкий эмбриолог Теодор Бовери в работе 1909 года, посвящённой изучению хромосом в бластомерах у лошадиной аскариды Parascaris equorum. По теории непрерывности хромосом, сформулированной Т. Бовери, хромосомы в интерфазе не исчезают, а переходят в деконденсированное состояние, при этом занимая отдельное пространство и не перепутываясь с другими хромосомами[3][5].

Экспериментальное подтверждение существования хромосомных территорий было получено значительно позднее — в 80-х годах XX века. Первые косвенные свидетельства того, что хромосомы не являются равномерно распределёнными по ядру, были получены в 1982 году немецким исследователем Тoмасом Кремером[англ.]. Эксперименты Т. Кремера были основаны на повреждении клеточного ядра при помощи тонкого луча УФ-лазера. После такого локального воздействия лишь малая часть хромосом несла следы репарационных изменений. Прямое визуальное доказательство территориальной организации хромосом в ядре было получено Т. Кремером и другими исследователями в 1984-85 годах при помощи гибридизации in situ с радиоактивно-меченой ДНК отдельных хромосом[3][5].

Современные представления о расположении в ядре интерфазных хромосом основаны на данных экспериментов по флуоресцентной гибридизации in situ (англ. fluorescent in situ hybridization, FISH), в которых в качестве зондов используются тем или иным образом меченные короткие фрагменты индивидуальных метафазных хромосом[1].

Описание

Жёстких правил, которым подчиняется расположение хромосом в интерфазном ядре, нет, однако показано, что гомологичные хромосомы обычно располагаются далеко друг от друга. Кроме того, в ядрах лейкоцитов хромосомы, богатые генами, занимают центр ядра, а бедные генами хромосомы залегают по периферии ядра, ближе к ядерной оболочке. Однако в плоских ядрах фибробластов эта тенденция выражена не так ясно: в ядрах фибробластов все большие хромосомы, как правило, располагаются ближе к ядерной периферии. Химерные хромосомы, которые представляют собой результат транслокации между хромосомами из разных слоёв ядра, занимают промежуточную позицию. Позиция каждой конкретной хромосомы в ядре обозначается путём указания среднего расстояния между центром ядра и центром хромосомной территории, выраженного в процентах радиуса ядра[6].

Хромосомные территории разделяются особым пространством — интерхроматиновым доменом (англ. interchromatin domain, ICD), который служит для перемещения РНК и регуляторных белков. В нём же располагаются ядерные спеклы (англ. speckles) и PML-тельца, накапливающие факторы сплайсинга и белок PML соответственно[7].

Хромосомные территории имеют «губчатую» структуру, благодаря которой внутрь них могут проходить регуляторные белки, а рибонуклеопротеиновые частицы путём простой диффузии перемещаться из мест синтеза в интерхроматиновый домен[7].

Согласно наиболее обоснованной модели, базовой структурной единицей хромосомных территорий являются домены размером 1 млн п. н. Они представляют собой розетки из 10 и более петель ДНК и соответствуют кластерам репликонов. Хотя первоначально было показано, что активные гены залегают на поверхности хромосомных территорий, дальнейшее изучение показало, что подобной корреляции не существует. Однако в некоторых случаях она прослеживается, например, в случае локуса HoxB мыши[7].

Функциональное значение выпетливания генов за границы хромосомной территории в данный момент не ясно. Гены, в которых идёт активная транскрипция и которые находятся за пределами хромосомных территорий, часто находятся рядом с PML-тельцами. PML-тельца, помимо PML-белков, могут содержать и другие транскрипционные факторы, поэтому перемещение генов ближе к PML-тельцам может способствовать активации транскрипции. Возможно также, что выход активно экспрессирующихся генов за пределы хромосомных территорий есть простое следствие декомпактизации соответствующего хромосомного домена[8].

В ходе ответа на повреждения ДНК (англ. DNA damage response, DDR) происходит перемещение хромосомных территорий. Так, повреждения в ДНК кожных фибробластов при обработке цисплатином приводят к перемещению хромосомных территорий 12-й и 15-й хромосом к центру ядра, а хромосомные территории хромосом 17 и 19, напротив, перемещаются из центра ядра к его периферии[9].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Разин, Быстрицкий, 2013, с. 38.
  2. ↑ Meaburn K. J., Misteli T. Cell biology: chromosome territories. (англ.) // Nature. — 2007. — Vol. 445, no. 7126. — P. 379—781. — doi:10.1038/445379a. — PMID 17251970. [исправить]
  3. ↑ 1 2 3 4 Cremer T., Cremer M. Chromosome territories. (англ.) // Cold Spring Harbor perspectives in biology. — 2010. — Vol. 2, no. 3. — P. 003889. — doi:10.1101/cshperspect.a003889. — PMID 20300217. [исправить]
  4. ↑ Walter J., Schermelleh L., Cremer M., Tashiro S., Cremer T. Chromosome order in HeLa cells changes during mitosis and early G1, but is stably maintained during subsequent interphase stages. (англ.) // The Journal Of Cell Biology. — 2003. — 3 March (vol. 160, no. 5). — P. 685—697. — doi:10.1083/jcb.200211103. — PMID 12604593. [исправить]
  5. ↑ 1 2 3 Коряков Д. Е., Жимулев И. Ф. . Хромосомы. Структура и функции. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. — 258 с. — ISBN 978-5-7692-1045-7.
  6. ↑ Разин, Быстрицкий, 2013, с. 38—39.
  7. ↑ 1 2 3 Разин, Быстрицкий, 2013, с. 39.
  8. ↑ Разин, Быстрицкий, 2013, с. 41.
  9. ↑ Fatakia S. N., Kulashreshtha M., Mehta I. S., Rao B. J. Chromosome territory relocation paradigm during DNA damage response: some insights from molecular biology to physics. (англ.) // Nucleus (Austin, Tex.). — 2017. — P. 0. — doi:10.1080/19491034.2017.1313938. — PMID 28640660. [исправить]

Литература