Связь между синаптонемным комплексом и кроссинговером.
Экспериментальные факты, свидетельствующие о такой связи, многочисленны. Так, например, в мейозе самцов Drosophila melanogaster и у многих других видов двукрылых не происходит кроссинговер и отсутствует синаптонемный комплекс.
Другой пример связи между синаптонемным комплексом и кроссинговером дает анализ этих процессов в половых хромосомах мышей. Синапсис половых хромосом в мейотической профазе ограничен у мышей теломерными районами половых хромосом - длина участка синапсиса составляет 72% длины Y-хромосомы и 22% X-хромосомы (Goetz et al.,1984). Показано, что в районе синапсиса половых хромосом постоянно происходит кроссинговер, и это приводит к тому, что гены, локализованные в теломерных районах, наследуются по аутосомному типу. Интересно, что частота кроссинговера между псевдоаутосомными генами у самцов в среднем в 7 раз больше, чем у самок.
В экспериментах, выполненных на лилии, было показано, что подавление синтеза зиготенной ДНК одновременно блокирует образование синаптонемных комплексов и кроссинговер (Roth, Ito; 1967). Маквайер (Maquire, 1966), показала, что частота мостов и фрагментов у гетерозиготных по парацентрической инверсии растений кукурузы совпадает с частотой гомологичного синапсиса в пределах инверсии. Сходная корреляция была обнаружена при изучении синапсиса и кроссинговера у кузнечика Camnula pellucida (Nur,1968).
В работе Ашли и Рассел была обнаружена связь между частотой гомологичного синапсиса в транслоцированных и интерстициальных участках и частотами кроссинговера (Ashley, Russel,1982). У одного из видов одиночной саранчи - Stethophima grossum - показана высокая теломерная локализация хиазм у самцов. Флетчер, используя метод трехмерной реконструкции пахитенных ядер, исследовала процесс синапсиса у этих насекомых (Fletcher,1977). Оказалось, что полноценный синаптонемный комплекс по 9-ти длинным бивалентам образуется только в теломерных районах и это соответствует теломерной локализации хиазм на этих бивалентах. Три коротких бивалента формируют полномерный СК, и именно у них отсутствует строгая локализация хиазм относительно теломеры.
|
|
|
На тесную связь между СК-зависимым синапсисом гомологов и кроссинговером указывает также анализ эффектов мейотических мутаций. Практически все мей-мутации, нарушающие синапсис гомологичных хромосом в профазе мейоза, приводят к подавлению кроссинговера (Голубовская, 1975; Baker et al., 1976).
Образование синаптонемного комплекса в профазе мейоза может происходить и в отсутствие мейотического кроссинговера. Например, у дрозофилы известны мейотические мутации, которые приводят к практически полному подавлению кроссинговера на фоне нормального синапсиса гомологичных хромосом (Carpenter,1979). К аналогичному выводу приводит и анализ связи между синапсисом в районе парацентрической инверсиии и кроссинговером у оленьей мыши (Hale, 1986). В ранней пахитене у всех гетерозиготных мышей происходит синапсис в районе инверсии, однако кроссинговер происходит лишь в 34% клеток.
|
|
|
Известны виды, у которых в мейозе формируется нормальный синаптонемный комплекс, а кроссинговер не происходит (Gassner,1969). У самок тутового шелкопряда в профазе мейоза образуется синаптонемный комплекс, в то же время кроссинговер не идет (Wettstein et al., 1984).
Кроссинговер в отсутствие синаптонемного комплекса.
Замечательно, что у некоторых видов кроссинговер может происходить и в отсутствие синаптонемного комплекса. Зиклер (Zickler, 1973) показал, что у двух видов сумчатых грибов в профазе мейоза не образуется синаптонемный комплекс. Генетическими методами показано, что у одного из этих видов - Schizosaccharomyces pombe в мейозе происходит кроссинговер. Отсутствие синаптонемного комплекса, при сохранении кроссинговера, показано также для плесени Aspergillus nidulans (Egel-Mitani et al,1982).
Другим примером кроссинговера в отсутствие синаптонемного комплекса может служить кроссинговер в мейозе самцов Drosophila ananasae (Gethman, 1988). Известно, что у большинства Diptera кроссинговер в мейозе у самцов не происходит, не образуется также и синаптонемный комплекс. Однако у самцов D. ananasae есть спонтанный мейотический кроссинговер, частота которого контролируется серией супрессоров и усилителей кроссинговера.
|
|
|
Таким образом, связь между процессами синапсиса, зависимого от синаптонемного комплекса, и кроссинговера далеко не однозначна. Между тем, со времен первого описания синаптонемного комплекса эта связь понимается большинством исследователей как причинно-следственная связь - кроссинговер считается следствием синапсиса гомологов, зависимого от синаптонемного комплекса. До сих пор, однако, нет прямых доказательств того, что кроссинговер является результатом, следствием синапсиса, зависимого от синаптонемного комплекса, а не наоборот. Это позволяет сформулировать альтернативную гипотезу о природе связей между синапсисом гомологичных хромосом, зависимого от синаптонемного комплекса, и кроссинговером.
Рекомбинационный узелок.
Синаптонемный комплекс обеспечивает структурную основу, необходимую для рекомбинационных событий, но сам он, вероятно, непосредственно в этих событиях не участвует. Как полагают, важную роль в этих событиях играют рекомбинационные узелки, которые представляют собой очень крупные белковые комплексы с диаметром около 90 нм (для сравнения, крупная молекула глобулярного белка массой 400000 дальтон имеет диаметр порядка 10 нм).
|
|
|
Рекомбинационные узелки «сидят» на некоторых расстояниях друг от друга на «лестнице» синаптонемного комплекса, между двумя гомологичными хроматидами. Предполагается, что это место расположения крупных мультиферментных «рекомбинационных аппаратов», которые подтягивают друг к другу локальные участки ДНК материнской и отцовской хроматид через область синаптонемного комплекса шириной 100 нм.
О такой функции рекомбинационных узелков свидетельствуют некоторые косвенные данные:
1. Общее число узелков примерно равно общему числу хиазм, наблюдаемых позже в профазе.
2. Узелки распределены вдоль синаптонемного комплекса таким же образом, как и перекресты, например, подобно перекрестам, узелки отсутствуют в тех областях, где синаптонемный комплекс соединяет отрезки гетерохроматина. Кроме того, генетические и цитологические исследования показывают, что произошедший кроссинговер препятствует осуществлению другого кроссинговера в близлежащем участке хромосомы. Точно так же и узелки, как правило, не располагаются очень близко друг к другу.
3. Некоторые мутации у дрозофилы приводят к аномальному распределению перекрестов по длине хромосом и резко пониженной частоте рекомбинаций, при этом у мух оказывается меньше рекомбинационных узелков, и их размещение вдоль хромосомы изменено так же, как и распределение перекрестов. Такая корреляция служит веским доводом в пользу того, что каждый кроссинговер определяется локализацией одного узелка.
4. Как полагают, при генетической рекомбинации в области каждого кроссинговера происходит синтез некоторого количества ДНК. Метод радиоавтографии в сочетании с электронной микроскопией позволяет показать, что радиоактивные предшественники включаются в пахитенную ДНК главным образом в области рекомбинационных узелков или поблизости от них.
Поскольку рекомбинационных узелков бывает примерно столько же, сколько происходит перекрестов, можно думать, что эти узелки очень эффективно вызывают рекомбинацию между хроматидами двух гомологичных хромосом. К сожалению, о структуре рекомбинационных узелков и механизме их действия пока мало что известно.
Впервые рекомбинационные узелки как цитологические структуры, имеющие отношение к мейотическому кроссинговеру, были описаны Карпентер в 1975 г. (Carpenter, 1975). Анализируя ультратонкие срезы ооцитов дрозофилы, Карпентер обнаружила небольшие электронно-плотные структуры сферической формы, диаметром примерно 100 нм. Карпентер назвала эти структуры рекомбинационными узелками, поскольку их поведение, как оказалось, совпадает с поведением кроссоверных обменов.
Карпентер нашла, что среднее число рекомбинационных узелков на ооцит составляет около 5, это соответствует числу обменов в мейозе - 5-6. Большая часть узелков располагается в дистальных районах аутосом и связана с синаптонемными комплексами эухроматиновой морфологии. Рекомбинационные узелки никогда не обнаруживаются в хромоцентре. Хромосомные плечи, как правило, имеют один рекомбинационный узелок, биваленты с двумя узелками встречаются редко. Одиночные узелки локализованы, как правило, в середине плеча, в то время как двойные - по краям. Таким образом, число и распределение РУ в профазе мейоза ооцитов дрозофилы соответствует числу и распределению кроссоверных обменов. Это совпадение позволило Карпентер утверждать, что обнаруженные ею структуры являются цитологическими маркерами кроссинговера в мейотической профазе.
Интересно, что еще до Карпентер аналогичные структуры наблюдал в профазе мейоза нейроспоры Гилиес. Он также назвал эти структуры узелками и показал, что они встречаются с частотой 1-2 на бивалент и что два узелка на одном плече всегда разделены - находятся на противоположных концах хромосомного плеча. Гилиес, однако, ограничился просто описанием узелков и ничего не говорил об их возможной функции.
После пионерской работы Карпентер были получены новые доказательства связи рекомбинационных узелков и кроссинговера. Было показано, что у самок дрозофил, гомозиготных по мей-мутациям (мей-218, мей-41 и мей-с282), число сферических рекомбинационных узелков в профазе мейоза уменьшается пропорционально уменьшению числа кроссоверных обменов. При цитологическом изучении гомозигот по мей-9 были получены результаты, указывающие на то, что рекомбинационные узелки являются скорее потенциальными сайтами мейотического кроссинговера, чем следствием уже прошедшего обмена. У гомозигот по мей-9 число рекомбинационныз узелков на ядро не уменьшается, хотя среднее число кроссоверных обменов значительно снижено и составляет 8% от нормы.
Анализ мейоза у насекомых Bithynialeachi и B. tentoculata также указывают на то, что наличие рекомбинационных узелков в профазе мейоза не является достаточным условием для мейотического кроссинговера (Debus,1978). Мейоз у этих видов ахиазматический, в то же время в профазе обнаруживается типичный синаптонемный комплекс и рекомбинационные узелки. Авторы считают, что функция рекомбинационных узелков может состоять не только в обеспечении кроссоверного обмена, но и в создании условий для правильной сегрегации гомологичных хромосом в первом мейотическом делении.
На важную роль рекомбинационных узелков в инициации синапсиса гомологов в ранней мейотической профазе указывают результаты цитологического изучения мейоза у растения Psilotumnudum (Anderson, Stack, 1988). У этого вида на стадии зиготены положение узелков совпадает с положением сайтов инициации синапсиса. Иногда рекомбинационные узелки связаны всего с одним латеральным элементом синаптонемного комплекса, но, как правило, с обоими.
Большая часть полученных результатов указывает на то, что рекомбинационные узелки являются медиаторами мейотического кроссинговера. Для многих видов показано хорошее соответствие между числом рекомбинационных узелков в профазе мейоза и числом кроссоверных обменов. Это следующие виды: мышь, тутовый шелкопряд, лук, нейроспора, курица, сумчатые грибы (Wettsteinet al.,1984). В то же время, в исследованиях на человеке, кукурузе, крысе и саранче обнаружен дефицит рекомбинационных узелков в ядрах пахитенных клеток, по сравнению с хиазмами. Возможно, это связано с тем, что узелки теряются в процессе приготовления мейотических препаратов. Возможно также, что узелки являются временными структурами, которые разрушаются в ходе мейоза.
Морфологически рекомбинационные узелки могут различаться не только у разных видов, но и у одного вида на разных стадиях профазы мейоза. Еще Карпентер отмечала, что размеры сферических узелков в оогенезе дрозофилы могут меняться от 50 до 170 нм. Позднее Карпентер описала два морфологически дискретных типа узелков - сферические и эллипсоидные (Carpenter,1984). Она показала, что эллипсоидные рекомбинационные узелки встречаются лишь на стадии ранней пахитены, в то время как сферические - на всех стадиях мейотической профазы с одинаковой частотой.
Расмуссен и Холм обнаружили в профазе мейоза у человека последовательное превращение плотных рекомбинационных узелков в более рыхлые хроматиновые узелки и хиазмы. В ранней зиготене узелки имеют небольшой размер - около 30 нм., они сферической формы и плотно связаны с синаптонемным комплексом. В пахитене число типичных рекомбинационных узелков уменьшается, узелки увеличиваются в размерах, становятся более электронно-плотными и превращаются в рекомбинационные утолщения – «bars». Аналогичные изменения морфологии узелков происходят также в сперматогенезе домовой мыши (Wettsteinet al.,1984).
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 248; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!