«Эволюция числа ядрышкообразующих районов хромосом у животных»

Студента второго курса факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова

Снегирёва Александра Викторовича

на тему:

«Эволюция числа ядрышкообразующих районов хромосом у животных»

Научный руководитель:

д.б.н. Зацепина О.В.

Введение

Проблематика. Данная посвящена очень важным компонентам клеточного ядра, без существования которых невозможен весь процесс синтеза белка в эукариотической клетке, - ядрышкам (см. рис. 1). Ядрышки во множестве производят рибосомы – клеточные «машины» синтеза белка. Как известно, ядрышки образуются вокруг кластеров рибосомных генов (рДНК), кодирующих основные классы рРНК (18 S, 5.8 S и 28S), которые получили название ядрышковых организаторов или ядрышкообразующих районов хромосом (ЯОР). Поэтому всестороннее изучение ядрышек является одним из ведущих факторов развития современной биологии. Довольно много работ связано со свойствами рибосомных генов, с функционально-морфологическими и биохимическими аспектами их работы, с влиянием деятельности ядрышка на жизнь клетки в целом и т.д., но крайне мало работ, в которых проводится анализ изменения числа ЯОР у различных организмов разных таксономических групп. Так, из лично мне известных работ по этой теме – это обзор Лонга и Давида «Repeated genes in eukaryotes» двадцатипятилетней давности [1], где представлены сводная таблица по числу и локализации рДНК и генов 5 S РНК у ~ 30 различных видов живых организмов. Однако после этого обзора новых работ об эволюции числа ЯОР у животных не было опубликовано ни в отечественной, ни в зарубежной литературе. И это понятно: количество ЯОР сильно варьирует не только у разных организмов, но и в клетках одного организма, поэтому трудно находить соответствия между их числом и свойствами определенных клеток и организмов в целом. Тем более необходимо учитывать эволюционные моменты, например родственные отношения между группами организмов разных видов, отделов, классов и т.д., степень сходства их рибосомных генов. Предполагается, что межклеточные, межиндивидуальные и межвидовые различия по числу и локализации ЯОР имеют важный биологический смысл. Но до сих пор не удалось найти причины данного явления и решение этой проблемы. В данном обзоре тоже нет ответов на эти вопросы, хотя делаются предположения о путях дальнейших исследований в данной области, сделаны попытки поиска корреляций между числом ЯОР и важным биологическими параметрами видов, такими как продолжительность беременности, размеры организма и др. Здесь в основном рассмотрены межклассовые (у позвоночных животных) и межвидовые (на примере отряда Грызуны) различия в числе ЯОР, но затронута и тема внутривидовых различий в числе ЯОР (на примере лабораторных мышей).

Структура ядрышка. Для дальнейшего обсуждения проблемы необходимо знать и понимать некоторые общие моменты, связанные с изучаемыми объектами. Рассмотрим кратко структуру, свойства и функции компонентов ядрышек [2]. В ядрышке выделяют три основные зоны: фибриллярный центр (ФЦ, в нём находится неактивные гены рРНК ядрышка), плотный фибриллярный компонент (ПФК, содержит транскрибируемую рДНК и созревающую рРНК) и гранулярный компонент (ГК, где располагаются готовые субъединицы рибосом). Совокупностью ФЦ ядрышка фактически соответствует ЯОР метафазных хромосом. ЯОР располагаются во вторичных перетяжках хромосом, на которых в телофазе происходит новообразование ядрышек интерфазного ядра. При новообразовании ядрышки могут сливаться друг с другом, поэтому количество ядрышек обычно меньше, чем число ЯОР. Получившиеся таким образом ядрышки имеют весь объём генетической информации соединившихся ядрышек. ЯОР не является точечным локусом хромосомы, а является множественным по своей структуре, содержит несколько одинаковых генных участков, каждый из которых отвечает за образование ядрышка (например, при разрыве хромосомы в области ЯОР каждая из частей способна образовывать ядрышки). Число активных генов рРНК постоянно на геном, оно не меняется в зависимости от уровня транскрипции этих генов, при репликации ДНК происходит и удвоение числа генов рРНК. Однако, существуют случаи, когда гены рРНК подвергаются избыточной репликации для обеспечения продукции большего количества рибосом (если необходимо быстро и сильно увеличить синтез белка), в результате образуются экстрахромосомные рРНК, не связанные с ЯОР – происходит амплификация генов рРНК (например, в ооцитах земноводных и других животных).

Структура рДНК. Синтез рРНК. При синтезе рРНК сначала образуется молекула-предшественник 45S РНК, которая распадается на фрагменты (так называемый процессинг): 28S, 18S и 5,8S РНК (молекула 5S РНК, тоже участвующая в сборке рибосом, синтезируется независимо и локализация гена 5S рРНК не связана с ЯОР). С помощью электронного микроскопа удалось увидеть рибосомные гены «в работе»: на депротеинизованных и сильно распластанных препаратах ядрышек наблюдались структуры в виде «ёлочек» (рис. 2). На нити рДНК располагаются молекулы фермента РНК-полимеразы I, ответственные за синтез рРНК, от которых отходят нити-транскрипты из синтезируемых молекул РНК. При этом самые длинные транскрипты находятся на одной стороне «ёлочки» (соответствуют 45S РНК), а на противоположной стороне транскрипция только начинается. Такой участок ДНК с транскриптами называется транскрипционной единицей. Между транскрипционными единицами находятся зоны спейсеров, имеющие нуклеосомное строение и не участвующие в транскрипции. Такое чередование транскрипционных единиц со спейсерами и определяет множественность рибосомных генов.

Активация ЯОР. В неактивной форме ЯОР представлен в виде одного крупного фибриллярного центра, состоящего из рибосомных генов. В начале активации ядрышка происходит деконденсация рибосомных генов на периферии ФЦ, которые начинают транскрибироваться (синтезировать РНК). По мере усиления транскрипции единый ФЦ распадается на ряд более мелких ФЦ, связанных друг с другом декомпактизованными участками рДНК. При полной активации ядрышка все ФЦ деконденсируются и получается, что зоны ПФК содержат всю рДНК в активном состоянии. При инактивации ядрышка происходит обратный процесс конденсации рДНК. Такое инактивированное ядрышко структурно сходно с ЯОР в составе митотических хромосом. Процессы активации и инактивации играют весомую роль при определении числа и местоположения ЯОР.

Методы выявления ЯОР. Локализацию ЯОР можно довольно точно определить на митотических хромосомах с помощью окраски солями серебра, имеющих сродство к некоторым аргентофильным белкам ядрышка. Основными из них в митозе являются РНК-полимераза I и ее специфический транскрипционный фактор белок UBF. Этот метод получил название Ag-окраски или Ag-ЯОР окраски хромосом. Показано, что аргентофильными свойствами обладают только ЯОР, которые были активны в интерфазе, предшествующей митозу. Принято считать, что максимальное число Ag-ЯОР соответствует общему числу ЯОР в кариотипе, однако из этого правила есть многочисленные исключения. Более точным является определение числа ЯОР методом молекулярной гибридизации in situ. В первоначальном варианте для этого использовали метод радиоавтографии и меченную тритием рРНК, которая при взаимодействии с денатурированной ДНК в митотических хромосомах образует ДНК-рРНК-гибрид в тех местах, где последовательности ДНК комплементарны рРНК. В этих участках и происходит засвечивание фотографической эмульсии, т.е. появляются зерна восстановленного серебра. Однако в настоящее время для молекулярной гибридизации in situ используют нерадиографические методы и пробы рДНК, меченные маленькими молекулами (биотином или дигоксигенином), которые выявляются специфическими антителами, конъюгированными с флуорохромом. Этот вариант гибридизации in situ получил название флуоресцентной гибридизации (FISH). Сопоставление данных по окраске хромосом AgNO₃ и FISH-метода обнаружения рДНК показало, что Ag-окраска выявляет кластеры функционально-активных рРНК генов, тогда как FISH-метод выявляет все ЯОР, включая неактивные. Как увидим в дальнейшем, существование этих двух методов является одной из причин несовпадения результатов по количеству и локализации ЯОР.

Сборка рибосом. 60S рибосомная субъединица состоит из трёх фрагментов: 28S, 5,8S, 5S РНК. 40S рибосомная субъединица состоит из 18S РНК. Субъединицы покидают ядрышко и через ядерные поры попадают в цитоплазму. Из 40S и 60S в цитоплазме образуется полная работающая 80S рибосома: сначала 40S субъединица связывается с иРНК, а затем и с большой субъединицей (коэффициенты седиментации и механизм образования рибосом приведён для эукариотических клеток).

Рис. 1 Ультраструктура ядрышка

Рис.2 Рибосомные гены

Цели и задачи

Главная цель данной работы – сделать некоторые предположения и выводы о связи между числом ЯОР и общебиологическими различиями организмов, то есть проследить эволюцию ЯОР на конкретных примерах организмов. Поэтому мы выявили следующие основные задачи работы:

1. сравнение изменения числа ЯОР с изменением числа хромосом в диплоидном наборе по классам организмов;
2. сравнение изменения числа ЯОР в эволюционном ряду: от беспозвоночных до человека;
3. сравнение числа ЯОР в отдельно взятом отряде (Грызуны – в этом отряде наибольший разброс числа ЯОР);
4. сравнение данных по числу ЯОР у домашней мыши Mus musculus.

Материалы и методы

В ходе работы была использована интернет база данных PubMed (http://www.ncbi.nlm.nih.gov). Все результаты, полученные в этой работе, собраны из статей этой базы данных (см. список литературы). Также использована некоторая дополнительная литература и статьи, указанные в конце работы в списке литературы. В PubMed был произведен поиск по ключевым словам: nucleolus (-ar) organizing (-er) region и некоторым другим, связанным с ЯОР. При этом отбирались резюме статей, где указано число ЯОР в конкретных видах или родах в нормальных (без патологий) клетках взрослых животных. Как правило, число ЯОР производили в клетках костного мозга или лимфоцитах, активированных к пролиферации. Метафазные пластинки хромосом готовили по стандартной методике. Если в базе данных была ссылка на полную бесплатную версию, то рассматривалась вся статья. Также во многих статьях указывалась хромосомная локализация ЯОР, методы выявления ЯОР и число хромосом на диплоидный набор. Данные о числе хромосом у разных видов также вносили в таблицы.

Результаты и обсуждение

Полученные материалы (число ЯОР, локализация ЯОР, методы выявления ЯОР, число хромосом в кариотипе вида, а также систематическое положение многих организмов) были сведены в общую таблицу № 1. Дадим необходимые пояснения к этой таблице: № - порядковый номер организма, введён для удобства; название организма – в основном на латинском языке, иногда на английском, редко в скобках указывается русское название рода или организма; метод – метод, с помощью которого были получены результаты; число ЯО и № хром. – число пар хромосом с ЯОР или номера этих хромосом; число хром. - число хромосом на диплоидный набор; № статьи – номер, под которым следует искать источник информации в списке литературы. Виды в таблице поделены согласно таксономическим категориям: надкласс Рыбы, класс Земноводные, класс Пресмыкающиеся, класс Млекопитающие, Беспозвоночные животные. Класс Млекопитающие разделён на несколько отрядов.

Примечание. Отряды Парнокопытные (Artiodactyla) и Непарнокопытные (Perissodactyla) и отряд Мозоленогие (Tylopoda) для удобства объединены под названием Копытные животные.

Таблица № 1. Число ЯОР у видов таксономических групп.

На основании табличных данных можно сделать ряд наблюдений и выводов:

1. число хромосом с ЯО у рыб практически одинаково и равно одной паре хромосом (хотя разброс даже до 6 пар хромосом), такое количество ЯОР выявляется у 63% рассмотренных рыб. Как ни странно, но у рыб при увеличении числа хромосом в диплоидном наборе количество ЯОР почти не увеличивается, скорее можно было бы сказать, что оно уменьшается, например, рыбы рода Leporinus (2n = 54) имеют 1 п.х. (пару хромосом) с ЯО, тогда как рыбы рода Umbra (2n = 22) имеют 4 п.х. с ЯО, так что соответствие общего числа ЯОР числу хромосом не прослеживается;
2. число хромосом с ЯОР у земноводных колеблется между одной и двумя парами хромосом (у 75% - 1 п.х.), что-то определенное о корреляции между числом ЯОР и хромосом сказать трудно из-за малого количества материала по данной группе организмов;
3. единственный представитель рептилий в нашей подборке имеет одну пару хромосом с ЯОР;
4. далее рассмотрим число ЯОР в отдельных отрядах млекопитающих:

1) отряд Китообразные: 2 п.х. с ЯОР;

2) у крупного рогатого скота 5 п.х. с ЯОР, у более мелких копытных животных – 2 п.х. с ЯОР. Здесь, в общем, рассматриваемая тенденция к увеличению числа ЯОР с увеличением генотипа тоже не прослеживается (у крупных животных 2n = 48, 50, 54, 60, а число ЯОР остаётся постоянным), так у лошади с самым большим хромосомным набором всего 3 п.х. с ЯОР;

3) у крота – 1 п.х. с ЯОР;

4) у сумчатых животных в основном 1 п.х. с ЯОР (80%);

5) у рукокрылых – от 0 до 3 п.х. с ЯОР, хотя одна п.х. с ЯОР встречается в два раза чаще, чем другое число. Интересно, что у Carollia castanea методом FISH не выявлено ни одной хромосомы с ЯОР. Поскольку организмы не могут существовать без рДНК, транскрипция которой необходима для образования рибосом, очевидно, данные об отсутствии ЯОР у данного вида являются артефактом. Его появление можно объяснить сложностью выявления ЯОР у Carollia castanea.

6) у приматов – от 1 до 8 (9) п.х. с ЯОР, рассматриваемая тенденция прослеживается у высших приматов, у орангутана и шимпанзе число ЯОР больше, чем у человека;

7) у кролика 3 п.х. с ЯОР;

8) у собаки – от 4 до 8 п.х. с ЯОР, с чем связан такой разброс непонятно;

5. у беспозвоночных обычно одна п.х. с ЯОР (встречается у 70%), но их число порой доходит до пяти (Euglossa, у которой самый большой генотип).

Итак, мы рассмотрели зависимость числа ЯОР от числа хромосом в диплоидном наборе в разных таксономических группах. Почти с уверенностью можно сказать, что строгой корреляции между числом ЯОР и хромосом не наблюдается, а редкое её выполнение у некоторых групп организмов скорее связано со случайными факторами.

Теперь решим задачи, поставленные во втором пункте раздела «Цели и задачи»: сравним изменение ЯОР в эволюционном ряду организмов. На рис. 3 представлена схема, где показано среднее число ЯОР в крупных таксонах. Если смотреть в общих чертах, то при осложнении организации животных наблюдается увеличение числа ЯОР. Так, например, у млекопитающих их число заметно больше, чем нижестоящих групп в эволюционной лестнице, а у высокоорганизованных приматов их среднее число равно 5,4. Такое увеличение ЯОР возможно связано с резким увеличением метаболических процессов в клетках млекопитающих, в том числе синтезов белков на рибосомах, связанное также с переходом данной группы к теплокровности. Различия в отделах млекопитающих по числу ЯОР может быть результатом широкого распространения этих животных, различия их ареалов и форм обитания, активности их жизни, длительности беременности, частоты размножения, размеров тела, численности потомства. Так у крупных Копытных животных и приматов – самое большое среднее число ЯОР. В тоже время у не менее крупных представителей отряда Китообразных их среднее число равно 2,0. Те же животные имеют самых длинных период беременности, хотя у лошади этот период равен 11 месяцев, а число ЯОР тем не менее равно 3. У хищных животных, ведущих активных образ жизни и также, в общем, являющимися крупными животными, число ЯОР велико, а у неактивных насекомоядных и рукокрылых – крайне мало. У активно размножающихся животных (грызуны, кролики) число ЯОР занимает промежуточное значение, а у редко размножающихся – крайние. Грызуны и кролики ещё являются и мелкими животными, также как рукокрылые и насекомоядные. При этом значение 6,0 числа ЯОР у хищных не следует воспринимать всерьёз, так как оно получено как среднее арифметическое двух несовпадающих данных по числу ЯОР у одного организма – собаки, но известно, что, например, у кошки число ЯОР равно 2, так что средним числом ЯОР у хищных является что-то между числом ЯОР у приматов и грызунов. Промежуточное положение хищных по числу ЯОР подтверждает таблица № 2.

Таблица №2. Сравнение жизненных параметров и числа ЯО у отделов млекопитающих.

Здесь Б – продолжительность беременности, Р – размер животного, А – активность и подвижность, ИР – интенсивность размножения, ПЖ – продолжительность жизни, ЯО – среднее число пар хромосом с ядрышковым организатором.

Сопоставляя табличные данные можно выделить три группы организмов:

1. с высокой интенсивностью размножения и активностью: грызуны, зайцеобразные.

2. с продолжительным периодом беременности и с крупными размерами: копытные, приматы, китообразные, а также хищные – переходная форма между 1. и 2.

3. все остальные, с малыми активностью, относительно коротким периодом беременности и небольшими размерами.

При этом, как видно из таблицы, у животных 3-ей группы число ЯОР колеблется от 1 до 1,5, то есть мало; у животных 1-ой группы оно стремится к 2,5-3; у животных 2.-группы оно больше 3,8. Исключение составляют китообразные, у которых два ЯОР, но, например, у свиньи, кошки, некоторых приматов их тоже два, что только подтверждает правило о том, что сравнение средних значений порой приводит к неполному рассмотрению и пониманию картины. И, тем не менее, это дало вполне наглядный результат без применения каких-либо сложных математических формул. Как результат, мы получили не строгую, но наглядную и ясную модель, где ряд параметров организма приводится в соответствие с числом ЯОР. Конечно, можно было бы рассмотреть ещё некоторые параметры, но это бы только усложнило восприятие информации. Здесь мы не станем вдаваться в подробности насчёт изменения числа ЯОР у более низших позвоночных, так как эта тема очень сложна, а информационная база недостаточна, чтобы делать какие-либо выводы. Возможно, тут играют роль те же параметры, но несколько изменённые (например, вместо периода беременности – период созревания яйца), что и у млекопитающих.

Рис. 3 Схематичное изображение таксономических групп и среднего значения числа ЯОР в каждой группе.

Теперь перейдём к разбору отдела Грызуны с наиболее вариабельным числом ЯОР. С чем же связана такая изменчивость? В первую очередь стоит покритиковать методы выявления ЯОР: даже вроде бы аккуратный FISH-метод может дать у разных исследователей разные результаты. Во-первых, у методов существует ряд модификаций, что может быть причиной расхождений между данными, полученными разными авторами. Особенно много модификаций у метода серебрения, что делает этот и без того неточный метод (о неточности см. во введении) ещё и очень вариабельным, что в полной мере проявляется при анализе числа ЯОР у Грызунов. Очень сложно сравнивать такие данные, но вероятно в этом виновны не только методы. Число ЯОР изменяется от 0 до 11 (см. таблицы № 3 и № 4). При этом стоит учесть, что в статьях иногда описывают все хромосомы, на которых ЯОР выявляется в серии опытов, а разные опыты могут показать ЯОР на разных хромосомах, а среднее число ЯОР указать забывают. Так, 11 хромосом у мыши – результат такой забывчивости (конечно, их не 11, а значительно меньше). Во-вторых, Ag-метод пользуется несравненно большим спросом из-за своей простоты, быстроты и дешевизны, и мы должны довольствоваться большей частью сомнительными результатами. В-третьих, действительно, в разных клетках одного организма может выявляться разное число ЯОР, но и данный феномен скорее есть методическая ошибка (все клетки организма тотипотентны и содержат всю полноту генетической информации, в том числе всю рДНК). Наиболее стабильны данные по числу ЯОР у крысы Rattus norvegicus – все сходятся во мнении, что у неё 3 п.х. с ЯОР. Также 3 п.х. с ЯОР имеют виды рода Mus (кроме Mus musculus, об этом позже) и кактусовый хомячок (FISH), полёвки имеют 1 п.х. с ЯОР, сони и лемминги – 2 п.х. с ЯОР. Расхождения в числе ЯОР обнаружены у двух видов хомячков - сирийского и китайского. При выявлении ЯОР у китайского хомячка были использованы оба метода: Ag-метод показал активные ЯОР на № 4 и 5 хромосом, тогда как FISH-метод в двух других случаях, кроме 4 и 5, показал также ЯОР на хромосомах 6 и X. У сирийского хомячка в одном случае Ag-методом было выявлено 5 п.х. с ЯОР, а в другом – тоже 5 п.х. с ЯОР: № 6, 9, 16, 17, 19, но в этом случае иногда ЯОР выявлялись и на 2, 10 и 13 хромосомах. Результаты по грызунам ещё раз подтверждают, что число ЯОР не зависит от числа хромосом в диплоидном наборе: у Microtus agrestis (2n = 50) вообще не найдено ЯОР, тогда как у Akodon arviculoides (2n = 14) они обнаружены на 4 п.х.

Таблица №3. Число ЯОР у грызунов (Rodentia).

Теперь отдельно изучим поведение числа ЯОР у мыши Mus musculus, где их число колеблется от 3 до 11 (таблица № 4). Как правило, при определении числа ЯОР используют метод серебрения, что привносит дополнительные трудности в оценку их числа. Но только ли в этом причина? Возможно, такие несоответствия – это свойство самих рибосомных генов, которые относятся к умеренно повторяющимся генам и подвержены генетической рекомбинации. Однако это может быть связано с высокой плодовитостью мышей и другими характерными для грызунов признаками.

Таблица № 4. Лабильность ЯОР у мыши (2n = 40).

содержание   ..  609  610  611   ..