Синаптонемный комплекс как индикатор хромосомной изменчивости Коломией, Оксана Леонидовна

Краткое описание

Коломией,ОксанаЛеонидовна.Синаптонемныйкомплекскакиндикаторхромосомнойизменчивости: диссертация ... доктора биологических наук в форме науч. докл. : 03.00.15. - Москва, 1998. - 62 с. : ил.; 20х15 см.больше
Цитаты из текста:

стр. 1
Российская Академия Наук Институт общей генетики им. Н . И . Вавилова на правах рукописи ^ УЖ05.224.23^75.858:57Ь354А22 К0ЛОксанаЛеонидовнаСИНАПТОНЕМНЫЙКОМПЛЕКСКАКИНДИКАТОРХРОМОСОМНОЙИЗМЕНЧИВОСТИГенетика 03.00.15 Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук в форме научного

стр. 4
свиде­ тельствуют о перспективности использования этого метода для изуче­ н и яхромосомнойизменчивости, механизмов дифференциального вос­ произведения генотипов

стр. 62
молекулярнь1Х компонентовсинаптонемныхкомплексов. Там же. С. 67. 47. Коломиец О.Л. Перспективы использования электронно-микроскопичес­ кого анализасинаптонемныхкомплексовмейотических хромосом в цитогенетических исследованиях. Тез. Межд. симп." Лаб. животные в мед. биол. и биотехн. исследованиях." М. 1992.

Оглавление диссертациидоктор биологических наук в форме науч. докл. Коломией, Оксана Леонидовна
Актуальность проблемы. Синалсис гомологичных хромосом — ключевое событие профазы I мейоза, обеспечивающее кроссинговер и формирование хиазм. Не менее важным событием профазы 1 мейоза являртла ТТАГ>ИИ0|ТГГМР уплитллг* — ппптталл ииллатптто xivttott т> imnnT-TAUTQ
V Л Ч//1 ^WXlXXMliVllV rt^VAUWVAU llp'J^VVVj AJXJ. VWlÚfillU JJIWIU/J, IWvjyjlVlllW цию, сегрегацию гомологов и последующее сбалансированное распределение генетического материала в гаметах.
Синапсис, рекомбинация и десинаисис хромосом — процессы, связанные с функционированием синаптонемного комплекса (СК) — специфической структуры, располагающейся между двумя гомологичными хромосомами в профазе I мейоза.
СК был открыт Moses (1956). Первоначально методом исследования СК был электронно-микроскопический анализ и реконструкция ультратонких срезов, выявивший больше сходства, чем различий, в структуре СК у представителей весьма отдаленных систематических групп. СК обнаружены у представителей всех царств зукариот: животных, растений и грибов (Moses, 1958; von Wettsíein et al., 1984). Эволюционная консервативность СК подтверждена данными биохимических и им-муноцитохимических исследований (Moens, 1992; Sato et. al., 1995).
В совокупности накопленные сведения позволяют рассматривать СК как древнейшее прогрессивное морфофизиологическое приобретение, возникшее на заре эволюции зукариот и сохранившее свое значение во всех систематических группах зукариот от простейших, появившихся в протерозое, до современных форм млекопитающих, появившихся в кайнозое.
В 1973 г. Counce & Meyer предложили новый метод анализа мейоти-ческих хромосом в профазе I мейоза, заключающийся в распластывании мейотических хромосом на поверхности гипотонического раствора • с последующим контрастированием и анализом поведения осевых элементов хромосом и СК. СК является своеобразным скелетом мейоти-ческого бивалента, поэтому конфигурация осевых элементов, приобретающих роль боковых элементов в структуре СК, служит парадигмой поведения гомологов'*на стадии профазы I мейоза. На основе метода, сложенного Counce & Meyer, удается проследить все детали фор-'рования осевых элементов, начало их физического сближения и си-сиса на стадии зиготены, синапсис и его коррекцию у гетерозигот ? хромосомным перестройкам на стадии пахитены и динамику деси-усиса хромосом на стадии диплотены.
Структурные изменения хромосом играют важную роль в мёйоти-•постмейотических процессах. Многочисленные данные свиде-твуют о том, что события, определяющие эволюцию кариотипа, ты с презиготической селекцией (Демин и др., 1978). На основе за СК в распластанных препаратах были сделаны фундаменталь-"крытия современной цитогенетики: открыто явление синаптической пригонки у гетерозигот по инверсиям и дупликациям (Moses & Poorman, 1984) и явление ареста и селекции клеток на стадии пахите-ны (Forejt et al., 1981), вскрыты причины нарушения гаметогенеза на стадии профазы I у анеуплоидов и отдаленных гибридов. Получены данные, позволяющие прогнозировать влияние гетерозиготности по хромлрпмным ттр.пргтппйнгам вгя Л1^птиттт.млгтч. nf.irnsc.tra vühhtuuv тл
----•. ~, - —. r ~--------------------М--г„. ~ —------- — —, . i- ^ тений (Navarro et al., 1981; Chandley, 1982; Федотова и др., 1991), доказана зависимость интерференции кроссинговера от непрерывности СК в биваленте (Moeiis, 1985; Бородин. 1992; Горлов. 1993; Maguire. 1996).
Формирование СК находится под контролем генов мейоза. Анализ СК растений позволил во многих случаях точно идентифицировать истинную природу мутаций, имеющих одинаковый или близкий фенотипический эффект (Федотова, 1988; Гребенникова, Голубовская, 1991 и др.).
В последние годы возрос интерес к биохимии и молекулярной организации С К (Rose et al., 1990; Dobson et al., 1994; Mocns, 1994;* Heyting, 1996). Однако при всем обилии данных о молекулярной организации СК вопрос о закономерностях реорганизации и роли отдельных структурных компонентов СК в процессе синапсиса хромосом остается неясным, а судьба осевых элементов хромосом на стадии поздней диплотены практически не обсуждалась: признанным оставалось представление об их деструкции (Holm, 1986).
Успехи, достигнутые цитогенетикой на основе анализа СК, свидетельствуют о перспективности использования этого метода для изучения хромосомной изменчивости, механизмов дифференциального воспроизведения генотипов и эволюции кариотипов. Этот метод нашел применение для решения актуальных проблем генетической безопасности (Allen et al., 1982).
Описанный круг проблем определил цели и задачи настоящей работы.
Цели и задачи исследования. Основной целью настоящей работы было исследование закономерностей синапсиса хромосом в профазе 1 мейоза и выявление таких деталей структуры и поведения осевых элементов хромосом и СК, которые могут служить маркерами хромосомной изменчивости и свидетельствовать о презиготической селекции и нарушении фертильности. Кроме того, были проведены иммуноцито-химкческие исследования, целью которых было выяснение вопросов о структурной организации С К, динамике изменения структурных компонентов СК в течение профазы I мейоза и эволюционной консервативности структурн ых компонентов С К.
Конкретные задачи исследования состояли в следующем. 1. Исследовать закономерности синапсиса хромосом у гетерозигот по хромосомным транслокациям, в том числе у гетерозигот по микроаберрациям.
2. Проанализировать взаимосвязи между изменчивостью хромосом, особенностями синапсиса хромосом, плодовитостью и процессами видообразования на основе исследования СК у гибридов разно-хромосомных форм слепушонок вида Ei'lobius tancrei рода Ellobius (Rodentia, Mammalia).
3. Провести сравнительный анализ структуры и поведения СК половых хромосом в профазе I мейоза у представителей трех видов слепушонок рода Ellobius, проанализировать возможные пути эволюции ТТОТТОВЬПГ ХПОМОСОМ В Г7ТЮЛÎ1, Л,'! этого ооца.
4. Исследовать закономерности формирования осевых элементов и СК В-хромосом к поовести анализ озспределения В-хромосом на разных стадиях профазы I мейоза у лесной мыши Apodemus peninsulae (Muridae, Rodentia).
5. Исследовать действие различных мутагенных факторов, в том числе химических мутагенов, являющихся ингибиторами структурно-функциональных компонентов СК и хроматина, на структуру хромосом и СК.
6. Проанализировать эффективность выявления хромосомных аберраций с помощью электронно-микроскопического анализа СК на стадиях зиготены-диплотены у самцов домовой мыши (Mus muscuhis), подверженных действию радиационного облучения, и сравнить их с возможностями анализа хромосомных аберраций на стадиях диа-кинеза-метафазы I.
7. Исследовать особенности формирования СК у мужчин с нормальным кариотипом и нарушением сперматогенеза неясной этиологии, установить стадию и, по возможности, причины нарушения сперматогенеза.
В. Проанализировать закономерности поведения осевых элементов хромосом и СК у асинаптических и десинаптических мутантов ржи Secale cereaîe.
9. Исследовать формирование аутоиммунных антител против антигенов структурных компонентов СК у интактных самцов мыши и после сингенной иммунизации самцов мыши антигенами СК.
10. Исследовать распределение антигенов RecA-подобных белков в ядрах сперматоцитов у самцов млекопитающих, принадлежащих к разным таксономическим группам млекопитающих.
Научная новизна. Получены и интерпретированы новые данные о закономерностях синапсиса хромосом в мейозе. Выявлена динамика становления структуры СК-мультивалентов у грызунов, гетерозиготных по робертсоновским, реципрокным и нереципрокным транслокациям; выявлена задержка формирования осевого элемента хромосом в зоне транслокаций на стадиях зиготены и ранней пахитены, приводящая к отставанию синапсиса хромосом в районах транслокаций и формированию псевдобивалентов и тривалентов. Описаны детали реституции транспонированных хромосом на стадии поздней пахитены.
Впервые описана картина синапсиса хромосом у гибридов разно-хромосомных форм слепушонок Е. 1апст, гетерозиготных по разному числу Шз-метацентриков. Впервые обнаружено явление формирования цепочек СК-тривалентов, соединенных друг с другом на счет гетероло-гичного синапсиса между короткими (С-гетерохроматиновыми) плечами акроцентриков. дЗу'^Нйд ^хруГчлууи ¿1 ^ИИсиГС!!^ л]Х5МиСиГ*1 у С и Г»1аДТрСл шш^й слепушонок рода ЕИоЫш, характеризующегося уникальной дивергенцией половых хромосом: Е. /шсосарПт (XX — у самок, ХУ — у самцов), Е. Ыезсет (КО — у обоих полов) и Е. ¡апсш (XX — у обоих полов). Особенности синапсиса половых хромосом позволили предположить, что дивергенция хромосомного механизма определения пола берет качало от общего предка рода с обычными для грызунов формулами (XX — у самок, ХУ — у самцов).
Обнаружено, что уникальные половые хромосомы (XX) у самцов Е. 1апсге1 формируют в профазе I мейоза нетипичный для самцов других видов млекопитающих закрытый половой бивалент. Сделано заключение, что гомозиготность дистальных районов XX хромосом, приводящая к формированию закрытого полового бивалента, служит эволюци-онно-адаптивным приспособлением, которое способствует прохождению профазы 1 мейоза у гетерозигот по множественным КЬ-трансло-кациям у Е. ¡апсгек поддержание в природе робертсоновского веера с 2п = 54 до 2п = 32; скрещивание между собой отдаленных форм этого надвида и может служить объяснением неучастия половых хромосом в формировании ЯЬ-метацентриков.
Установлено, что В-хромосомы у самцов восточно-азиатской мыши Аробетш решши1ае на стадии пахитены формируют уни-, би- и муль-тиваленты, которые ассоциируют с половым (Х,У) бивалентом, что, однако, не препятствует формированию полового пузырька и не вызывает ареста клеток на стадии пахитены. Впервые описано явление увеличения числа В-хромосом в процессе профазы I мейоза.
При анализе СК у стерильных самцов мышей, гетерозиготных по микроаберрациям в Т-локусе хромосомы 17 пары, показана неслучайность ассоциации аутосомного бивалента с ХУ-бивалентом и арест сперматогенеза на стадии пахитены.
Впервые выявлена модификация боковых элементов СК на стадии диплотены: показано, что в участках, визуализированных до сих пор как бреши в структуре СК, происходит трансформация боковых элементов в длинные тонкие осевые элементы, поддающиеся контрастированию только кислым раствором Аз>ТО3 и, формирующие в материнских клетках пыльцы спирали, а в сперматоцитах мыши вытянутые волнистые оси.
Впервые описан блок десинапсиса хромосом у человека. Блок деси-напсиса хромосом экспериментально воспроизведен у самцов мышей путем введения им ингибиторов ДНК-топоизомеразы II.
На основании собственных иммуноцитохимических исследований СК на разных стадиях профазы I мейоза и данных литературы сделано ПрСДГЗОЛОЖСКЙС О МОДйфйКйЦЙК МОЛб^ЛЯрНОЙ ОрГйНйЗиЦИК СК к хроматина при переходе клеток от стадии пахитен ы к стадии диплотены. В частности, нами впервые выявлено уменьшение 11есА-подобных антигене р. в яцоах от стадии летттотекы к стадии пяхитены и отсутствие их на стадии диплотены.
Практическая ценность работы. Разработаны критерии идентификаций структурных перестроек хромосом на ранних стадиях профазы 1 мейоза на основе анализа конфигурации СК и возможного вклада аберрантных конфигураций СК и их ассоциаций с половым (XV) бивалентом в нарушение фертильности самцов животных.
Метод анализа СК использован для диагностики причин мужского бесплодия. При исследовании СК мужчин с нарушением сперматогенеза и нормальным кариотипом (46 ХУ) у разных пациентов обнаружено блокирование мейоза на разных стадиях: от лептотены до диплотены. Показана связь между развитием аутоиммунного процесса и нарушением синапсиса хромосом. Описанные случаи позволяют предполагать наличие асинаптической и десинаптической мутаций, а также микроаберраций в генотипах отдельных пациентов.