Добавочные хромосомы имеют полноценные теломеры, которые в мейозе прикрепляются к ядерной оболочке

Более чем у тысячи организмов из разных таксонов — грибов, растений и животных, помимо основных хромосом (аутосом) и половых хромосом, имеются небольшие дополнительные хромосомы, которые принято называть добавочными или просто В-хромосомами, в отличие от остальных (А-хромосом). Эти загадочные генетические элементы долгое время считались «эгоистичными» паразитами или даже «геномным мусором». Результаты, полученные учеными из трех институтов РАН, указывают на то, что В-хромосомы могут иметь некие полезные функции. Во всяком случае, существуют механизмы, предотвращающие их потерю во время мейотического деления.

Обычные A-хромосомы содержат основную наследственную информацию и передаются потомству по стандартным законам наследования, но B-хромосомы ведут себя иначе. Они способны обходить правила благодаря явлению, называемому мейотическим драйвом. Это механизм, который дает им преимущество: B-хромосомы попадают в половые клетки (яйцеклетки или сперматозоиды), участвующие в оплодотворении, чаще, чем можно было бы ожидать по законам наследования.

Как именно это происходит, до конца не ясно. В одних случаях B-хромосомы преимущественно оказываются в будущей яйцеклетке, а не в клетках, которые впоследствии дегенерируют (полярные тельца). В других случаях могут устраняться сперматозоиды, не содержащие B-хромосом. Несмотря на разнообразие таких механизмов, результат всегда один: B-хромосомы с повышенной вероятностью попадают в половые клетки, из которых развивается следующее поколение. При этом, как правило, во время мейотического деления они гетерохроматичны, транскрипционно неактивны, и остаются одиночными, не имеющими гомологичных партнеров (такие хромосомы называются унивалентами). Важно отметить, что у млекопитающих добавочные хромосомы обычно расположены рядом с половыми хромосомами и вместе с ними формируют так называемое половое тельце — особый хроматиновый домен с «заглушенной» транскрипцией на периферии мейотических ядер.

Долгое время оставался открытым вопрос: как эти «необязательные» хромосомы умудряются не потеряться в процессе клеточного деления, особенно во время мейоза, когда концы стандартных хромосом защищены специальным белковым комплексом и прикреплены к ядерной оболочке для правильного расхождения? Предполагалось, что добавочные хромосомы должны иметь функциональные теломеры.

Теломеры — нуклеопротеидные комплексы на концах хромосом — играют ключевую роль в мейозе. У позвоночных теломерная ДНК представлена тандемными повторами (TTAGGG)n. В соматических клетках и клетках полового ряда теломеры защищены шелтериновым комплексом, который у млекопитающих включает шесть основных белков: TRF1 и TRF2 (связывают двуцепочечную ДНК), POT1 (связывает одноцепочечный 3'-выступ), а также «мосты» между ними — TIN2, TPP1 и RAP1, выполняющие структурные и регуляторные функции.

В мейозе теломеры претерпевают реорганизацию: они прикрепляются к ядерной оболочке и формируют характерную конфигурацию «букета», группируясь на одном из полюсов ядра, что необходимо для гомологичного спаривания и рекомбинации. Прикрепление теломер к ядерной мембране опосредовано комплексом LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton), состоящим из белков SUN1 во внутренней и KASH5 во внешней мембранах, которые связывают хромосомы с цитоскелетом в цитоплазме клетки (рисунок 1). Дополнительную стабилизацию обеспечивают белки ядерной ламины (например, Lamin B1), расположенные с внутренней стороны ядерной оболочки, и регуляторная циклинзависимая киназа CDK2.

 Взаимодействие мейотической хромосомы с ядерной оболочкой. ЯО — ядерная оболочка, СК — синаптонемный комплекс, TTM — линкерный комплекс TERB1-TERB2-MAJIN, обеспечивающий связь между шелтериновым комплексом и белками ЯО. Рисунки предоставлены С.Н. Матвеевским   

Однако оставалось неясным: обладают ли теломеры B-хромосом аналогичным набором белков и способны ли они прикрепляться к ядерной оболочке? Ответ на этот вопрос дало исследование, выполненное сотрудниками лаборатории цитогенетики Института общей генетики им. Н.И. Вавилова, Зоологического института и Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, статью которых опубликовал ведущий журнал в области цитогенетики – Chromosome Research.

В качестве объекта исследования была выбрана узкочерепная полевка Lasiopodomys gregalis — у особей этого вида число B-хромосом варьирует от одной до пяти, что делает их удобной моделью для изучения эволюции добавочных хромосом. Ученые проанализировали сперматоциты пяти самцов полевок, обитающих в Забайкалье и Туве.

Для выявления белков, вовлеченных в мейоз, применяли иммуноцитохимические методы (специфическое окрашивание коммерческими антителами к определенным белкам). Также клетки окрашивали раствором нитрата серебра для визуализации аргирофильных белков, входящих в состав белковых скелетов мейотических хромосом — синаптонемных комплексов, формирующихся между гомологичными хромосомами. Точное местоположение специфических последовательностей ДНК определяли с помощью флуоресцентной гибридизации in situ (FISH). Окрашенные препараты исследовали с помощью световой и электронной микроскопии.

Исследователям удалось визуализировать на концах мейотических B-хромосом сразу несколько ключевых компонентов. Так, на их теломерах были обнаружены белки шелтерина — RAP1, POT1 и TIN2, локализация которых оказалась сходной с таковой на аутосомах и половых хромосомах. Хотя эффективность детекции различалась (POT1 выявлялся реже, чем RAP1 и TIN2), сам факт присутствия этих белков говорит о формировании полноценного шелтеринового комплекса.

Белки LINC-комплекса – SUN1 и KASH5 – также локализовались на теломерах B-хромосом. Их сигналы располагались дистальнее по отношению к концевым участкам синаптонемных комплексов, что соответствует их положению на ядерной мембране (см. схему). Белки ядерной ламины и регуляторные факторы — Lamin B1 и CDK2 — также были выявлены в теломерных районах B-хромосом, причем CDK2 колокализовалась с RAP1.

Результаты исследования представлены на схеме, изображающей хромосомы внутри ядерной оболочки (двумя параллельными линиями показаны внутренняя и наружная мембраны). На нижней панели — хромосомы из реальной микрофотографии сперматоцита, окрашенного антителами к белкам SYCP3 (серый цвет) и RAP1 (красный цвет). Буквами обозначены B-хромосомы, половые хромосомы X и Y (все в виде унивалентов), а также аутосома (А) в виде бивалента — пары гомологичных хромосом.

На верхней панели схематично показаны те же структуры. Красные точки на концах хромосом обозначают теломерные белковые комплексы (шелтериновый комплекс), а овальные структуры голубого и розового цветов в ядерной оболочке — комплекс LINC, включающий белки KASH5 и SUN1. Как и обычные хромосомы, мейотические B-хромосомы содержат комплексы шелтерина и LINC.

Таким образом, впервые продемонстрировано, что теломеры B-хромосом млекопитающих в мейозе несут полный набор белков, характерный для A-хромосом, включая шелтериновый комплекс, LINC, компоненты ядерной ламины и теломер-поддерживающие белки. Это означает, что B-хромосомы интегрированы в общий мейотический аппарат и используют стандартные механизмы защиты теломер и прикрепления к ядерной оболочке.

Консервативность организации теломер, вероятно, критична для поддержания структурной целостности B-хромосом, их точной передачи в ходе мейоза и, в целом, наследования. Таким образом, B-хромосомы — не пассивные или инертные элементы генома, а активные участники клеточных процессов, что, возможно, свидетельствует в пользу их эволюционно неслучайного происхождения и закрепления в геномах.

Первый автор статьи, к.б.н. Сергей Матвеевский, врио заведующего лабораторией цитогенетики ИОГен РАН, ответил на вопросы PCR.NEWS.

Есть ли закономерность в том, у каких живых организмов имеются В-хромосомы, а у каких нет?

Считается, что B-хромосомы встречаются примерно у 5% видов эукариот. Пока не удалось выявить какой-либо закономерности, которая объясняла бы, почему у одних организмов они есть, а у других отсутствуют. Более того, нередко B-хромосомы обнаруживаются у одного вида, но отсутствуют у его ближайшего родственника. Например, у полевки Lasiopodomys gregalis B-хромосомы встречаются, тогда как у близкородственного вида Lasiopodomys raddei их никогда не находили.

Какие предположения существуют относительно их роли?

Есть несколько гипотетических объяснений. Предполагают, что B-хромосомы могут нести функциональные гены, могут влиять на регуляцию генов хозяина и даже управлять эволюцией генома вплоть до вклада в фенотипическое разнообразие в определенных экологических и онтогенетических условиях.

Ваше исследование чем-то помогает понять их роль?

Наше исследование показывает, что даже необычные одиночные B-хромосомы не существуют в клетке сами по себе. Они организованы по тем же общим принципам, что и остальные хромосомы. Это подтверждает, что внутри ядра всё работает как единая, хорошо скоординированная система, обеспечивающая целостность и стабильность генома клеток. 

Самки утконосов компенсируют двойную дозу генов Х-хромосом не так, как плацентарные млекопитающие