Хромосомы типа ламповых щеток: современные представления и перспективы исследований

А. В. Красикова, Т. В. Куликова

ХРОМОСОМЫ ТИПА 
ЛАМПОВЫХ ЩЕТОК

СОВРЕМЕННЫЕ 
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
И ПЕРСПЕКТИВЫ 
ИССЛЕДОВАНИЙ

ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 576.316.353
ББК 28.05
 
К78

Р е ц е н з е н т д-р биол. наук Д. С. Боголюбов (ФГБУН Ин-т цитологии РАН)

К78
Красикова А. В., Куликова Т. В.
Хромосомы типа ламповых щеток: современные представления и перспективы исследований. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. 
ун-та, 2019. — 104 с.
ISBN 978-5-288-05984-1

Издание содержит обзор современных работ по хромосомам типа ламповых щеток. Рассмотрены механизмы поддержания хромомерно-петлевой организации хромосом типа ламповых щеток, характер транскрипции на латеральных петлях хромосом, классификация формирующихся 
в определенных локусах хромосом ядерных доменов. Описаны методы работы с хромосомами типа ламповых щеток, которые позволяют использовать этот объект для развития исследований в актуальных направлениях 
клеточной и молекулярной биологии, биологии развития и цитогенетики. 
Научный труд предназначен ученым и специалистам, профиль научнопедагогической деятельности которых связан со структурой и функцией 
хромосом и ядерных телец, транскрипцией и процессингом РНК, регуляторными и архитектурными некодирующими РНК, и может быть полезен 
студентам и аспирантам естественнонаучных факультетов вузов и академических институтов. 

УДК 576.316.353  
ББК 28.05 

Издание осуществлено при финансовой поддержке 
Российского фонда фундаментальных исследований 
по проекту № 19-14-00024, не подлежит продаже.

В оформлении обложки использован рисунок авторов

© Санкт-Петербургский 
     государственный университет, 2019 
© А. В. Красикова, Т. В. Куликова, 2019
ISBN 978-5-288-05984-1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ................................................................................................... 
7

Глава 1. Современные представления о хромосомах типа 
ламповых щеток ............................................................................ 
9
1.1. Гипертранскрипционный тип оогенеза ........................... 
—
1.2. Ядро ооцита при гипертранскрипционной 
активности хромосом .......................................................... 
10
1.3. Организация хромосом типа ламповых щеток ............. 
14
1.4. Строение центромерных районов хромосом типа 
ламповых щеток .................................................................... 
21
1.5. Строение терминальных районов хромосом типа 
ламповых щеток .................................................................... 
22
1.6. Хроматин хромосом на стадии ламповых щеток .......... 
23
1.7. Котранскрипционные этапы процессинга РНК. 
Состав РНП-матрикса латеральных петель хромосом 
типа ламповых щеток ........................................................... 
29
1.8. Спектр последовательностей, транскрибируемых 
на хромосомах типа ламповых щеток .............................. 
33

Глава 2. Ассоциированные с хромосомами типа ламповых щеток 
ядерные домены .......................................................................  
40
2.1. Сложные петли хромосом типа ламповых щеток  как 
локус-ассоциированные ядерные домены ...................... 
41
2.2. Ядрышки .................................................................................. 
46
2.3. Коилинсодержащие тельца: тельце гистонового 
локуса, «жемчужины» и осевые гранулы ........................ 
47
2.4. Центромерные белковые тела............................................. 
52
2.5. Спагетти-маркер .................................................................... 
55

Глава 3. Методы работы с ядрами растущих ооцитов 
и хромосомами типа ламповых щеток .................................... 
57
3.1. Методы работы с ядрами растущих ооцитов. 
Исследования трехмерной организации хромосом 
типа ламповых щеток ........................................................... 
—
3.2. Методы микроинъекций генно-инженерных 
конструкций, антител и других молекул в цитоплазму 
и ядро ооцита ......................................................................... 
58

3.3. Микрохирургические методы получения препаратов 
хромосом типа ламповых щеток ....................................... 
59
3.4. Флуоресцентная гибридизация in situ 
и иммунофлуоресцентное окрашивание хромосом 
типа ламповых щеток ........................................................... 
—
3.5. Микродиссекция хромомеров и маркерных структур  
61
3.6. Сканирующая электронная микроскопия хромосом 
типа ламповых щеток ........................................................... 
62

Глава 4. Перспективы исследований хромосом типа 
ламповых щеток ............................................................................ 
63
4.1. Гипотезы о функциональном значении хромосом 
типа ламповых щеток ........................................................... 
—
4.2. Фундаментальные открытия, сделанные с помощью 
хромосом типа ламповых щеток ....................................... 
65
4.3. Перспективы исследований ................................................ 
67

Приложения .................................................................................................... 
70
П. 1. Протокол получения препаратов хромосом 
типа ламповых щеток ........................................................ 
—
П. 2. Протокол иммунофлуоресцентного окрашивания 
препаратов хромосом типа ламповых щеток .............. 
75
П. 3. Протоколы ДНК/(ДНК+РНК-транскрипт) 
флуоресцентной гибридизации in situ 
на препаратах хромосом типа ламповых щеток ......... 
77
П. 4. Протокол 3D иммунофлуоресцентного 
окрашивания ядер ооцитов ............................................. 
81
П. 5. Протокол 3D РНК-флуоресцентной гибридизации 
in situ ядер ооцитов ............................................................ 
82

Словарь терминов ......................................................................................... 
84

Литература ...................................................................................................... 
86

Биология иногда выявляет свои универсальные принципы 
через то, что выглядит как тайна или даже странность. 
Но в эволюции большинство вещей остались преимущественно механистически одинаковыми на молекулярном 
уровне, а то, что меняется, — это степень и окружение, 
в которых разыгрываются различные молекулярные процессы. Поэтому то, что выглядит как исключение, часто 
оказывается манифестацией молекулярного процесса, который в действительности в основе своей консервативен.
Э. Блэкберн

Предисловие

Ядро — ключевая для функционирования клетки органелла, которая содержит геномную ДНК организма. Запрограммированная 
регуляция экспрессии эукариотического генома невозможна без 
выраженной функциональной компартментализации клеточного 
ядра. Компартментализация межхроматинового пространства способствует правильному протеканию в ограниченном объеме интерфазного ядра ключевых внутриядерных процессов, таких как тран- 
скрипция, созревание вновь синтезируемых транскриптов, упаковка и транспорт информационной и некодирующей белки РНК, 
репликация, репарация и рекомбинация ДНК. Визуализация внутриядерных структур и процессов, происходящих на молекулярном 
уровне, представляется мощным инструментом при исследовании 
универсальных принципов организации архитектуры генома и механизмов регуляции экспрессии генов. Для этого перспективно 
привлечение модельного объекта, позволяющего преодолеть ограничения, связанные с небольшими размерами и «теснотой» интерфазных ядер. За счет гигантских размеров, выраженной хромомерно-петлевой организации, транскрипционной активности, а также 
отсутствия межхромосомных контактов и контактов с ядерной оболочкой на роль такого модельного объекта идеально подходят хромосомы типа ламповых щеток.
Настоящий труд посвящен хромосомам типа ламповых щеток, изучение которых привело ко множеству фундаментальных открытий 
в области структуры и функции хромосом. К актуальным биологическим проблемам, в решении которых может быть полезно изучение 
хромосом типа ламповых щеток, можно отнести построение моделей 
организации хромосом эукариот, иерархическую доменную организацию хроматина, динамику и механизмы регуляции транскрипции 
и процессинга РНК in vivo, функции длинных некодирующих РНК, 
механизмы формирования ядерных телец, в том числе в результате 

активности определенных локусов генома, фундаментальную роль 
хромосом в компартментализации клеточного ядра. Целью настоящей работы являлось восполнение нехватки современных сведений 
о хромосомах типа ламповых щеток. В книге освещаются вопросы 
организации ядра ооцита при гипертранскрипционном типе оогенеза, строения хромосом типа ламповых щеток, состава эу- и гетеро- 
хроматина и рибонуклеопротеинового матрикса латеральных петель 
хромосом типа ламповых щеток, спектра транскрибируемых на латеральных петлях последовательностей, а также классификации ассоциированных с хромосомами типа ламповых щеток ядерных телец. 
Следует отметить, что настоящий обзор не является исчерпывающим 
и опирается на ряд современных экспериментальных и обзорных статей, где даны более детальные сведения по отдельным разделам книги; 
исторические сведения наиболее подробно изложены в монографии 
Г. Кэллана (Callan, 1986). В заключение приведен перечень методов работы с хромосомами типа ламповых щеток и дано краткое описание 
методов приготовления препаратов хромосом типа ламповых щеток 
из ооцитов шпорцевой лягушки, флуоресцентной гибридизации in situ 
и иммунофлуоресцентного окрашивания хромосом типа ламповых 
щеток как в интактном ядре, так и на предметном стекле.
Авторы выражают глубокую признательность Елене Романовне 
Гагинской — основателю научной школы изучения хромосом типа 
ламповых щеток птиц — за посвящение в эту область исследований 
и годы научного руководства. Авторы благодарны Херберту Макгрегору и Джозефу Голлу — первопроходцам в изучении хромосом типа 
ламповых щеток амфибий — за  многолетнюю поддержку. Благодарим 
всех сотрудников лаборатории структуры и динамики клеточного 
ядра и кафедры цитологии и гистологии биологического факультета 
СПбГУ, с которыми мы работали в разные годы. Авторы очень признательны Дмитрию Сергеевичу Боголюбову и Евгению Валерьевичу 
Шевалю за подробные комментарии к рукописи. Отдельно хочется 
поблагодарить коллег, предоставивших оригинальные микрофотографии в качестве иллюстраций к тексту: Антонину Владимировну Маслову (рис. 1, б; 18), Дмитрия Викторовича Дедуха (рис. 2; 7, а) и Анну 
Михайловну Злотину (рис. 7, в).
Книга издана на средства гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 19-14-00024. В книге частично представлены результаты исследований, выполненных при поддержке грантов Российского научного фонда № 14-14-00131, № 19-74-20075, 
грантов Президента РФ МК-3609.2014.4, МК-1630.2017.4 и грантов 
Российского фонда фундаментальных исследований № 12-04-01807, 
№ 15-34-21020.

Глава 1

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
О ХРОМОСОМАХ ТИПА ЛАМПОВЫХ ЩЕТОК

1.1. Гипертранскрипционный тип оогенеза

Все многоклеточные организмы, размножающиеся половым путем, 
способны формировать высокоспециализированные клетки — гаметы. В ходе дифференцировки обоих типов гамет (яйцеклеток и сперматозоидов) их геномы редуцируются в результате мейотических делений, чтобы, слившись, сформировать зиготу — клетку, способную 
дать начало новому индивидууму. Оогенез — процесс формирования яйцеклетки — имеет особое значение, поскольку формирующая- 
ся после оплодотворения зигота наследует от яйцеклетки не только генетическую информацию, но и цитоплазматический материал. 
В цитоплазме ооцита (созревающей яйцеклетки) накапливаются питательные вещества, рибосомы, митохондрии и множество ферментативных комплексов, используемых эмбрионом на ранних стадиях 
развития. Кроме того, ооцит запасает множество разнообразных 
материнских матричных РНК (мРНК), которые в ходе эмбриогенеза 
будут служить матрицами для синтеза белков. Материнская цитоплазма необходима не только для энергетической и пластической 
(строительной, синтетической) поддержки ранних этапов развития 
эмбриона; в ходе оогенеза в ней накапливаются факторы эпигенетической регуляции экспрессии генома зародыша, такие, например, 
как короткие регуляторные РНК и ДНК-метилтрансферазы. Таким 
образом, цитоплазма яйцеклетки формирует среду, определяющую 
ход ранних этапов развития эмбриона, а эмбриогенез берет начало 
в оогенезе [Дондуа, 2018]. 
Роль цитоплазмы женских половых клеток эволюционно консервативна, однако в разных филогенетических группах сформированы 
разные механизмы достижения цитоплазмой функциональной зрелости. Различия этих способов определяют разнообразие типов оогенеза и связаны со степенью вовлеченности в синтез накапливаемых 

ооцитом веществ генетического и синтетического аппаратов самого 
ооцита, клеток гонад и других органов и тканей. Например, в ходе 
эволюции трофической функции яйцеклетки нагрузка, связанная 
с синтезом питательных веществ, переносится сначала с ооцита на 
специализированные желточные клетки в гонадах (у низших беспозвоночных), а затем выводится за пределы гонады и возлагается 
на клетки печени (у позвоночных) или жирового тела (у насекомых) 
[Гилберт, 2010]. В разных типах оогенеза различаются также и источники запасаемых ооцитом матричных и регуляторных материнских РНК. Так, согласно одной из классификаций, различают полигеномный и гипертранскрипционный типы оогенеза [Дондуа, 2018]. 
Оогенез называют полигеномным, если ядерный аппарат ооцита не 
участвует в синтезе материнских РНК, а их синтез осуществляется 
в ядрах специализированных клеток гонады. Например, у насекомых из отряда двукрылых ядро ооцита транскрипционно неактивно, а синтез информационных и регуляторных РНК осуществляется в ядрах так называемых питающих клеток [Bogolyubov, Parfenov, 
2008]. Питающие клетки имеют общее с ооцитом происхождение, 
т. е. относятся к клеткам зародышевого пути. В ядрах данных клеток 
происходит политенизация хромосом, что позволяет увеличить производительность транскрипции, а следовательно, и ускорить оогенез. 
Гипертранскрипционным называется тип оогенеза, при котором наибольшую активность в синтезе материнских РНК проявляет 
ядерный аппарат самого ооцита. По такому пути происходит оогенез 
у рыб, амфибий, рептилий, а также у насекомых из таких отрядов, как 
прямокрылые, стрекозы и поденки. В некоторых таксономических 
группах животных и ядро ооцита, и ядра окружающих фолликулярных клеток вносят свой, неравноценный, вклад в производство материнской РНК. По такому, сочетанному, типу осуществляется оогенез, 
например, у птиц [Гагинская, 1975]. 

1.2. Ядро ооцита при гипертранскрипционной 
активности хромосом

При гипертранскрипционном и сочетанном типах оогенеза происходит характерная трансформация ядерного аппарата, обеспечивающая интенсивную транскрипцию определенных участков генома. 
При этом ядро ооцита значительно увеличивается в размере, а хроматин деконденсируется. Так, диаметр ядра ооцита шпорцевой лягушки достигает 400 мкм, что позволяет видеть ядро невооружен