Исследования функциональной активности гетерохроматина (обзор литературы)

Исследования функциональной активности гетерохроматина (Обзор литературы)

Энглевский Н.А.

Гетерохроматин — неактивная, компактно упакованная разновидность ядерного вещества — хроматина. В хромосомах гетерохроматиновые участки расположены преимущественно в районах центромер. По сравнению с эухроматиновыми участками они содержат меньше структурных генов (кодирующих белки или полипептиды), отличаются более поздней репликацией (удвоением). Расположение гетерохроматина на хромосомах очень индивидуально.

Основные отличия гетерохроматина от эухроматина [1].

• 1) Плотная упаковка ДНК. В топологически разомкнутой ДНК не может существовать торсионное напряжение. Различия в упаковке эуи гетерохроматиновых блоков метафазных хромосом выявляются не только при окраске по Гимза (Gи С-полосы), но также при использовании электронного или фазово-контрастного микроскопа. По завершении митоза компактное состояние ДНК частично сохраняется и проявляется в виде хромоцентров интерфазного ядра. Плотная упаковка ДНК деконденсируется холодом и колцемидом.
• 2) Поздняя репликация ДНК. В настоящее время принято считать, что это не запаздывание репликации ДНК гетерохроматина в S-периоде клеточного цикла, а просто ДНК гетерохроматина имеет другое расписания репликации.
• 3) Подавлена транскрипция (инактивация Х хромосомы?). В качестве доказательства приводится пример: ядра покоящихся лимфоцитов периферической крови почти полностью гетерохроматизированы и транскрипционно неактивны.
• 4) Гетерохроматин вызывает эффект положения гена. В рамках обсуждаемой гипотезы автор утверждает, что ген, попавший в блок гетерохроматина, должен быть инактивирован, потому что разрывы в его ДНК будут индуцированы одновременно с индукцией разрывов в молекулах ДНК всего блока в процессе его гетерохроматинизации.
• 5) Склонность к агрегации (липкость). Неоднократно отмечалась упорядоченность хромосом в митозе, приписываемая «притяжению» между гетерохроматиновыми районами гомологов. Описана конъюгация гетерохроматиновых районов сестринских хроматид [2, 3]. В политенных ядрах нередко образуются эктопические контакты между блоками интеркалярного гетерохроматина разных хромосом [4].

Все эти проявления липкости могут быть следствием образования гибридных ДНК, включающих в себя однонитевые участки двух разных блоков гетерохроматина.

• 6) Высокая частота локализации концов перестроек хромосом. Общепринято, что хромосомная перестройка получается после разрыва пары внутриили межхромосомных связей, инверсии концов и их последующего восстановления. Автор гипотезы предполагает, что наличие однонитевых разрывов с «липкими» концами в гетерохроматиновой ДНК заметно облегчает образование гибридных участков и тем самым увеличивает частоту перестроек, концы которых оказываются локализованными в блоках гетерохроматина
• 7) Формируется в онтогенезе через разрывы ДНК. Процесс формирования гетерохроматина в раннем развитии животных достаточно продолжителен и сопряжен с разрывами ДНК. У самок мышей гетерохроматинизация Х-хромосомы происходит в те же сроки, и тем же механизмом, что и формирование гетерохроматина.
• 8) Вариабельность количества ДНК.
• 9) Гетерохроматин обогащен повторами и мобильными генетическими элементами.
• 10) Подавлена рекомбинация в мейозе.

Сущность гетерохроматина — одна большая загадка. На сегодняшний день о нем известно крайне мало, немногие авторы занимались его исследованием. В современных руководствах (Б. Льюин, 1987; Ф. Айала и Дж. Кайгер, 1988; Б. Апьбертс и др., 1994) гетерохроматину уделено очень мало внимания, и это внимание крайне формально. А между тем 16% генома человека принадлежит гетерохроматину [6]. В хромосомах дрозофилы доля гетерохроматина составляет около 33% [19].

Долгое время после открытие гетерохроматина его считали «мусором» ДНК из-за малого количества в нем генов. Сейчас гетерохроматин вновь будоражит умы ученых: «мусор» или важная структурная часть? Нужен или нет?

Наиболее полно и с широким охватом исследования гетерохроматина описаны в блестящей монографии А. А. Прокофьевой-Бельговской «Гетерохроматические районы хромосом» (1986г). Автор монографии считала, что хроматин, который виден в интерфазном ядре это конденсированный по внутренней мембране (в отличие от деспирализованного эухроматина, что обеспечивает уровень интенсивности обмена) — является гетерохроматином, жестко спирализованным. Она называет его «щитом», внутриядерным барьером, где адсорбируются различные вещества и экзогенные вирусы, следующие из цитоплазмы в ядро [18].

Гетерохроматину был посвящен целый том из трехтомника И. Ф. Жимулева (1993), который идентифицировал его на гигантских, политенных хромосомах слюнных желез дрозофилы.

З.А. Медведев в 1984 году предположил о возрастных изменениях гетерохроматиновых районов хромосом человека.

гетерохроматин хромосома недостаточность.

Рис. 1. Случаи увеличения С-гетерохроматина у детей и родителей, подвергшихся воздействию солей тяжелых металлов

А.Д. Груздев в своей работе «Эуи гетерохроматин различаются топологией ДНК» [1] предложил гипотезу, объясняющая известные свойства гетерохроматина: плотную упаковку ДНК, транскрипционную неактивность, склонность к агрегации (липкость), эффект положения гена, в основе которой лежит предположение о том, что молекулы ДНК в гетерохроматине топологически разомкнуты и содержат однонитевые разрывы в участках с одинаковой или близкой последовательностью оснований.

В настоящее время появляются публикации, в которых сообщается об увеличении околоцентромерного гетерохроматина отдельных хромосом при почечной патологии, связанной с воздействием тяжелых металлов [5,6,7]. Отмечают также, что после воздействия цинка увеличивается околоцентромерный гетерохроматин в виде 9qh+ и выявляется патология ОМС [7].

Известно, что увеличение околоцентромерного гетерохроматина встречается и в общей популяции — до 4% случаев [6,8]. Однако отмечены группы риска, в которых это наблюдают чаще. Это, прежде всего, супружеские пары с нарушением репродуктивной функции [9], а также дети с задержкой психомоторного развития и врожденными пороками развития органов [10]. В этих двух группах частота индивидуумов с хромосомными вариантами составляет до 20%. В литературе имеются также данные о хромосомных вариантах при различных экологических воздействиях [11]. Так, известно, что у жителей высокогорья в Сардинии наблюдалось увеличение околоцентромерного гетерохроматина хромосом 1 и 9 [12], и авторы связывали это событие с проживанием индивидуумов в условиях гипоксии. Имеются также исследования, в которых увеличение околоцентромерного гетерохроматина отдельных хромосом связывают с воздействием радионуклидов и с большим сроком проживания детей на загрязненных ими территориях [5]. Во всех случаях предполагается селективная ценность С-гетерохроматина для адаптации человека к некоторым экстремальным средовым факторам (гипоксии, холоду, радиоактивным веществам и т. д.).

Доказано влияние солей тяжелых металлов на околоцентромерный гетерохроматин отдельных хромосом [13].

Активность мобильных элементов Ty1-copia и LINE элементов может приводить к значительному изменению нуклеотидного состава отдельных, в основном гетерохроматиновых, районов хромосом [14].

С гетерохроматином связан один из генетических синдромов — ICF (аббевиатура от англ. Immune deficiency — иммунодефицит, Centromeric instabilityнестабильность центромерного гетерохроматина, Facial dysmorphism — лицевые аномалии) [15]. Аутосомно-рецессивное заболевание, основными клиническими признаками которого являются лицевые аномалии, дефицит IgA и Т-клеток, инфекции верхних дыхательных путей и склонность к злокачественным новообразованиям. Цитогенетически характеризуется нестабильностью центромерных гетерохроматиновых районов хромосом 1, 9,16 и реже — 2 и 10, с образованием множественных ветвящихся структур. Недавно было обнаружено, что в основе этиологии синдрома лежит мутация гена, картированного в сегменте 20q12, который кодирует ДНК-метилтрансферазу ЗВ типа (DNMT3B). Мутация этого гена приводит к нарушению метилирования классической сателлитной ДНК, локализованной в центромерных гетерохроматических районах, что и приводит к нестабильности этих участков генома, выявляемой на хромосомном уровне. Также было установлено, что полные трисомии по аутосомам наблюдаются только по богатым гетерохроматином хромосомам.

У людей с заболеванием Альцгеймера наблюдается повышенное содержание гетерохроматина в ядрах клеток мозга. [16].

Установлено, что стимуляция центрального отрезка блуждающего нерва сопровождается уменьшением площади конститутивного гетерохроматина. Наряду с этим происходит изменение его пространственной локализации в пределах ядер нейронов. Полученные результаты свидетельствуют о возможности изменений морфологических характеристик гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса в условиях, моделирующих реализацию ваго-вагального рефлекса. [17].

Специфичность распределения гетерохроматических сегментов в индивидуальных хромосомах, с одной стороны, и полиморфизм гетерохроматиновых блоков по величине, с другой — характерные особенности гетерохроматина [6].

Совсем недавно стало известно, что неправильная работа некоторых конкретных гетерохроматиновых участков может привести к летальности в женских гибридных эмбрионах самок дрозофил [20].

Эуи гетерохроматин различаются топологией ДНК.

Paika I.J., Miller D.D. Distribution of heterochromatin in type III Y and other chromosomes of Drosophila athabaska // J. Heredity. 1974. V. 65. P. 238−240.

Lakhotia S.C., Kumar M. Heterochromatin in mitotic chromosomes of Drosophila nasuta // Cytobios. 1978. V. 21. P. 79−89.

Barr H.J., Ellison J.R. Ectopic pairing of chromosome regions containing chemically similar DNA // Chromosoma. 1972. V. 39. P. 53−61.

Ворсанова С.Г., Берешева А. К., Николаева Е. А., Колотий А. Д., Демидова И. А., Юров И. Ю., Балева Л. С., Соха Л. Г., Юров Ю. Б. Цитогенетическое и молекулярно-цитогенетическое исследование специфических хромосомных аномалий и вариантов у детей, проживающих в загрязненных по радиоактивному цезию (137Cs) районах Российской Федерации после аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). Сибирский экологический журнал, 2000; 7; 1, 79−84.

Демидова И. А, Ворсанова С. Г., Колотий А. Д., Розинова Н. Н., Юров Ю. Б. Цитогенетическое и молекулярно-цитогенетическое обследование детей с синдромом Картагенера. 1999. Российский вестник перинатологии и педиатрии, 4, 35−39.

Tubek S., Karcz-Socha I., Lewicki R., Krajewska B., Zabel M. Renovascular hypertension with high serum zinc in serum of a patient with ceroid-lipofuscinosis and genome 46, XY, 9qh+. 1999, Pol. Arch. Med. Wewn., 101(1); 59−63.

Прокофьева-Бельговская А. А. Гетерохроматические районы хромосом. М., Наука, 1986; 431.

Берешева А. К. Роль молекулярно-цитогенетической диагностики в генетическом консультировании супружеских пар с нарушением репродуктивной функции, 1994, Автореферат канд. диссертации, М., 20.

Ворсанова С.Г., Юров Ю. Б., Чернышев В. Н. Хромосомные синдромы и аномалии. Классификация и номенклатура. Р., «Молот», 1999; 191.

Демидова И.А., Ахмедова З. А., Берешева А. К., Игнатова М. С., Ворсанова С. Г. Цитогенетические обследования детей с эконефропатией, связанной с воздействием тяжелых металлов. 1996, Москва, Сборник тезисов 2-го съезда нефрологов России, 65.

Rossino R., Orru S., Miliа A., Mameli М. Variability patterns of populations in Sardinia. 1988, Atti Assoc. Genet. Ital, 34, 275−276.

Ворсанова С. Г., Ахмедова З. А., Демидова И. А., Игнатова М. С., Юров И. Ю., Берешева А. К., Харина Е. А., Юров Ю. Б. Цитогенетическая характеристика детей с нефропатиями из региона, загрязненного тяжелыми металлами. Журнал «Нефрология и диализ», Т. 2, 2000 г., № 3.

Беляев А. А. Роль мобильных элементов в микроэволюционных процессах у растений на примере Aegilops speltoides (Triticeae, Poaceae). Молекулярно-цитогенетический и молекулярно-генетический анализ. Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук, С-Пб, 2009.

Назаренко С.А., Яковлева Ю. С. Цитогенетика человека и хромосомные болезни // Методическое пособие. Изд-во «STT». Томск. 2001. 83 с.

А. Барабаш. Основы стереогенетики. Одесса, 2004 год.

Н.А. Дюжикова, В. В. Ошарина, Ю. Н. Савенко. Изменение характеристик конститутивного гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса крыс после стимуляцииблуждающего нерва. III Всероссийская конференция с международным участием, посвященная 175-летию со дня рождения Ф. В. Овсянникова, Санкт-Петербург, 29 сентября — 1 октября 2003 года.

Ойфа А. И. Мозг и вирусы (Вирусогенетическая гипотеза происхождения психических заболеваний). Изд: Русский мир, 1999 г, 199 стр. ISBN: 5−85 810−046−5.