Хромосомы типа «ламповых щеток»
Хромосомы типа «ламповых щёток» формируются в течение исключиттельно протяжённого по времени мейотического деления, которое может продолжаться до нескольких месяцев. В течение этого времени хромосомы пребывают в сильно декомпактизованном состоянии и могут наблюдаться под световым микроскопом. На более поздних стадиях мейоза хромосомы становятся компактными. Длина отдельных хромосом типа «ламповых щеток» у тритона Notophthalmus viridenscens варьирует от 400 до 800 мкм. Общая длина набора хромосом «ламповых щеток» составляет 5-6 мм. Хромосомы этого типа были открыты Вальтером Флеммингом (Walter Flemming) в 1878 году. Флемминг и его студент Wiebe в ходе исследований развития ооцитов у амфибий и рыб нашли .странные тонкие структуры. в окрашенных срезах ядер ооцитов аксолотля Siredon pisciformis (Ambystoma mexicanum), находящихся на ранних стадиях развития. Рисунок этих хромосом был опубликован в 1882 году. На нем были изображены ядра, содержащие толстые осевые тяжи, от которых отходили тонкие радиальные нити. У. Дюрие в 1941 году показал, что эта хромосома состоит из длинной нити, на которой располагаются гранулы- хромомеры размером 1-2 мкм. Хромомеры присутствуют парами. От хромомеров отходят петли В исследования Дж. Голла (J. Gall), опубликованных в 1954 году, было показано, что хромомеры, имеющие различные размеры, были регулярно опознаваемы в одних и тех же положениях в хромосоме от препарата к препарату. Именно хромомеры и нити между ними, как оказалось, содержат ДНК, и наиболее крупные хромомеры и выходящие из них петли имеют индивидуальность, т.е. свои размеры и морфологию. Такие хромомеры, как правило редки, и в хромосомах ламповых щеток представлены в основном рядовые петли. Наличие петель с сильно различающейся морфологией создает маркеры определенных участков хромосомы, благодаря чему как хромосома в целом, так и отдельный ее участок легко идентифицируются. Эти маркеры используют при построении карт хромосом этого типа. Каждая из хромосом - «ламповых щеток» состоит из двух хроматид. Это становится очевидным при механическом растяжении хромосомы с помощью микроманипулятора. Т.о., петля является межхромомерным промежутком хромосомы. Две петли, выходящие из одной и той же пары хромомеров, являются по сути двумя хроматидами. Это очень хорошо видно на растянутой хромосоме. Каждая петля имеет довольно сложное строение: она имеет нитевидную сердцевину - т.е. хроматиду, окруженную накопленными в районе продуктами активности. От начала до конца петли накопление продуктов происходит асимметрично. На одном конце их почти нет, на другом - максимальное количество. По характеру накопления материала петли могут сильно различаться. В 1956 году Дж. Голл предложил схему организации хроматиды в участках хромомеров и в петлях. Включение 3Н-уридина в участки петель впервые было показано Голлом и Кэлланом в 1962 году. Как правило предшественник равномерно метит всю петлю. Однако некоторые петли не метились, другие метились только в одной своей части. Найдено несколько типов распределения участков транскрипции в петле. .Классический тип - это когда матрикс располагается по длине всей петли. При этом ясно различаются толстый и тонкий конец петли, матрикс постепенно увеличивается в толщине от тонкого конца к толстому. Достигнув максимальной толщины, более не увеличивается. Производным этого типа организации является следующий: транскрипционная единица в петле расположена также полярно, однако в ее начале и конце расположены нетранскрибируемые участки. Если петли, включающие две или более транскрипционных единиц противоположной полярности, расположенных либо .голова к голове.(под головой понимается точка начала транскрипции), или .хвост к хвосту. (под хвостом понимается участок терминации транскрипции). По результатам гибридизации in situ различных последовательностей ДНК показало, что некоторые гены полностью занимают участки транскрипционной активности в петлях. Например, ДНК гистоновых генов локализуется в 8 петлях Triturus c. carnifex. В петлях транскрибируются сателлитные ДНК. Сателлитная ДНК, называемая у N. viridenscens сателлитом I, и состоящая из повторенных фрагментов длиной 222 п.н., гибридизуется с гигантской петлей, имеющей единственную транскрипционную единицу. Интересно, что гибридизация выявляется, если препарат предварительно не обрабатывали РНК-азой и ДНК на нём не денатурировали. Это свидетельствует о том, что данная сателлитная ДНК транскрибируется в хромосомах типа .ламповых щёток.. Сателлит TcS2 состоит из 330 п.н. Он транскрибируется во многих петлях в ооците. Транскрипты находят в цитоплазме ооцита.
Политенные хромосомы
Политенные хромосомы были открыты Е. Бальбиани (E. Balbiani) в 1881 году в клетках слюнных желез, Мальпигиевых сосудов, кишечника, гиподермы и мышц личинок Chironomus plumosus. Они были описаны как длинные цилиндрические шнуры, которые многократно изгибаясь заполняют весь объем ядра. Шнуры эти были названы .перманентной спиремой., поскольку, по мнению автора, в каждом ядре был только один такой шнур и он напоминал слегка закрученную спиральную нить - спирему. Девять лет спустя, в 1890 году Е. Бальбиани открыл перманентную спирему в развивающемся зачатке макронуклеуса инфузории Loxophyllum meleagris. В 1933-1934 гг. три группы исследователей: Т. Пайнтер, Э.Хайц иХ. Бауэр, Р. Кинг и Х. Бимс, используя метод давленых препаратов, показали, что .спирема. не является сплошным одиночным шнуром, а состоит из отдельных элементов, число которых было близким к гаплоидному числу митотических хромосом. По мнению этих исследователей, каждый элемент .спиремы. является результатом плотного синапсиса гомологичных хромосом. О том, что спирема имеет непосредственное отношение к обычным митотическим хромосомам впервые предположил Ф. Рамбоусек (F. Rambousek) в 1912 году, затем Д. Костов в 1930, Н.К. Кольцов в 1934 и Х. Бауэр - в 1935. Важнейшие доказательства в пользу хромосомной природы спиремы получил Т. Пайнтер в середине 1930-x годов. Используя серию хромосомных перестроек с точками разрывов в известных районах хромосом он прокартировал 22 гена и продемонстрировал полное линейное сответствие между их расположением на генетической карте, а так же на цитологических картах митотических хромосом и спиремы. Гигантские размеры хромосом слюнных желез согласно гипотезе Н.К. Кольцова объяснялись их многонитчатостью. Термин .политенные хромосомы. был предложен П. Коллером (P. Koller) в 1935 году и был принят по рекомендации К. Дарлингтона (С. Darlington) в 1937 году.
Итак, политенные хромосомы имеют следующие характерные особенности:
1. Это интерфазные хромосомы, т.е. максимально декомпактизованные и находящиеся в состоянии, когда гены имеют максимальные возможности для экспрессии. Это активно функционирующие хромосомы.
2. Они имеют гигантские размеры, т.к. они состоят из тысяч гомологичных нитей - хроматид.
3. Эти хромосомы имеют характерный рисунок поперечной исчерченности - рисунок хромомеров.
4. Число хромосомных элементов в ядрах с политенными хромосомами чаще всего гаплоидное, т.к. гомологичные хромосомы каждой пары тесно конъюгируют друг с другом, в результате чего общее число хромосом уменьшается вдвое.
Морфология политенных хромосом. Политенные хромосомы изучают на давленных препаратах: слюнные железы личинок (чаще всего) или других органов фиксируют в кислых фиксаторах, красят в кислотном растворе орсеина или кармина и затем раздавливают между предметным и покровным стеклами. Хромосомы при этом расправляются. Выделяют два типа расположения хромосом в ядре: независимое друг от друга и связанное: с объединением прицентромерных районов всех хромосом в общий хромоцентр. Какой-либо эволюционной связи между видовой принадлежностью и наличием или отсутствием хромоцентра не обнаружено. Морфология политенных хромосом может широко варьировать в зависимости от степени синапсиса хроматид. Политенные хромосомы развиваются из хромосом диплоидных ядер за счет последовательных дупликаций каждого хромосомного элемента. Если коньюгация гомологичных хроматид максимальна, образуются .классические. политенные хромосомы, т.е. цилиндрические жгуты с отчетливым рисунком дисков, такие какие были описаны у Chironomus tentans или Drosophila melanogaster. Если степень коньюгации хроматид минимальна, образуется полиплоидное ядро с ретикулярной структурой. Это так называемая скрытая политения. В некоторых случаях коньюгация хроматид нарушается очень сильно. но только в некоторых хромосомах из всего набора. Эти хромосомы затем полностью утрачивают рисунок дисков, становятся диффузными, как .помпоны. Как классические, так и скрытые политенные хромосомы должны рассматриваться в единстве.
Существует огромная литература о возможностях переходов из одной формы политении в другую. Рассмотрим некоторые примеры:
1. В питающих клетках ооцитов взрослых мух-представителей большинства семейств отряда Diptera классические политенные хромосомы не образуются. Однако, у некоторых видов, например, у комаров рода Anopheles политенные хромосомы имеют наиболее четкий рисунок дисков именно в питающих клетках. У дрозофил классические политенные хромосомы в питающих клетках образуются только у мутантов, при этом четкость рисунка дисков увеличивается при понижении температуры и введении в геном дополнительного гетерохроматина (Y- хромосомы). Классические политенные хромосомы в питающих клетках ооцитов D. melanogaster формируются у мутантов otu (ovarian tumor) и fs(2)B. И совсем поразительные результаты были получены в результате генетических экспериментов на мясной мухе Calliphora erythrocephala. После 14 поколений тесного инбридинга с отбором на улучшение .качества. хромосом были получены две сублинии с чётким рисунком дисков. После скрещивания этих линий между собой классические политеннные хромосомы полностью исчезают, т.е. хроматиды полностью теряют конъюгационные способности.
2. Помпоноподобные Х-хромосомы у дрозофилы образуются в результате мутаций, т.е. при нормальной конъюгации хроматид формируется классическая политенная хромосома, а у мутантов - .помпон.. Многочисленные случаи переходов от классических хромосом к помпоноподобным известны у многих видов как результат различных физиологических нарушений, например, мутаций, инкубаций in vitro или in vivo, а также инфекций.
3. У родственных видов ногохвосток (отряд Collembola) обнаружено варьирование структуры политенных хромосом: у одного вида, Pseudachorutes palmiensis, все ядро заполнено помпоноподобными хромосомами, у которых конъюгация хроматид сохраняется лишь в области блоков прицентромерного гетерохроматина. У другого вида, Protachorutes, конъюгацию сохраняют хроматиды в прицентромерных и проксимальных частях хромосом, более удаленные участки хроматид расконъюгированы.
4. Особенно интересным является обнаружение зависимости конъюгации хроматид от температуры. С середины 1930-x годов известно, что более четкая картина дисков получается, если все процедуры (выращивание личинок для опыта, температура фиксатора и физраствора) проводятся при низких температурах. Еще более сильное влияние температуры на морфологию политенных хромосом было обнаружено в опытах с фасолью. У растений давно известны политенные хромосомы, образующиеся в различных типах клеток, однако это хромосомы без рисунка дисков (скрытая политения). Такой тип хромосом возникает, если выращивать растения при температуре 220C. Если изменить температурный режим (80C ночью и 120C - днем), политенные хромосомы приобретают четкий рисунок дисков. В общем морфология политенных хромосом у самок и самцов одинакова.
ЛЕКЦИЯ №2.