Синаптонемный комплекс - индикатор динамики мейоза и изменчивости хромосом

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова
Ю.Ф. БОГДАНОВ, О.Л. КОЛОМИЕЦ
СИНАПТОНЕМНЫЙ КОМПЛЕКС
— ИНДИКАТОР ДИНАМИКИ МЕЙОЗА
И ИЗМЕНЧИВОСТИ ХРОМОСОМ
Под редакцией д.б.н., профессора Н.А.Ляпуновой
Товарищество научных изданий КМК
Москва 2007

Ю.Ф. Богданов,  О.Л. Коломиец. Синаптонемный комплекс – индикатор динамики мейоза и изменчивости хромосом. Москва: Товарищество научных изданий КМК. 2007. 359
стр.
В книге изложены сведения о синаптонемном комплексе  (СК) — специфической структуре
мейотических клеток большинства эукариот — и примеры исследования этой структуры для
решения задач цитогенетики. Часть I книги описывает структуру и функции СК, его изменчивость и роль в возникновении и эволюции мейоза. Часть II содержит оригинальные исследования ультраструктуры СК у растений, грибов и животных. Часть III посвящена исследованиям
авторов, в которых СК использован как «инструмент» цитогенетики для кариотипирования клеток, изучения сложных случаев половых хромосом и В-хромосом, поведения в мейозе хромосом при множественных Rb-транслокациях, использованию СК как индикаторов спонтанных и
индуцированных хромосомных перестроек в мейозе у млекопитающих и растений. Изложены
оригинальные исследования, в которых СК использован для выявления аномалий мейоза и причин бесплодия у человека и генетического риска при побочном действии медицинских препаратов, включая антибиотики.
Книга предназначена для цитологов, цитогенетиков и медицинских генетиков преподавателей,
аспирантов и студентов биологических и медицинских вузов.
Yu.F. Bogdanov, O.L. Kolomiets. Synaptonemal Complex — Indicator of the Dynamics of
Meiosis and Chromosome Variation. Moscow: KMK Scientific Press. 2007. 359 pages.
The book considers the synaptonemal complex (SC), a specific structure occurring in meiotic cells of
most eukaryotes, and examples of its use to solve cytogenetic problems. Part I describes the structure
and functions of the SC, its variation, and its role in the origin and evolution of meiosis. Part II describes
the original data on the SC ultrastructure in plants, fungi, and animals. Part III focuses on the original
studies that have employed the SC as a cytogenetic tool in cell karyotyping, examining the sex and B
chromosomes, in complicated cases, analyzing the behavior of meiotic chromosomes in multiple Rb
translocations, and detecting spontaneous and induced chromosome rearrangements in meiosis in
mammals and plants. Original results are described for the use of the SC to detect meiotic abnormalities
and identify the causes of sterility in humans, as well as to assess the genetic risk associated with
administration of some drugs, including antibiotics.
The book is of interest for cytologists, cytogeneticists, and medical geneticists, as well as for teachers,
postgraduates, and students of biological and medical schools.
ISBN  978-5-87317-370-9
© Ю.Ф. Богланов, О.Л. Коломиец, 2007.
© Т-во научных изданий КМК, 2007.

ОГЛАВЛЕНИЕ
От редактора ..................................................................................................................7
Предисловие авторов ....................................................................................................9
Введение ....................................................................................................................... 11
Introduction ...................................................................................................................13
Часть I.   Общие сведения о синаптонемном  комплексе
Глава 1. Преобразования хромосом в ходе мейоза..................................................15
Глава 2. Синаптонемный комплекс, его структура и функции ..............................32
Глава 3. Роль синаптонемного комплекса в возникновении и эволюции мейоза ...56
Заключение Части I .....................................................................................................68
Часть II. Синаптонемный комплекс — индикатор динамики мейоза
Глава 4. Ультраструктура хромосом и синаптонемного комплекса в мейозе
у лилии  Lilium candidum ............................................................................................70
Глава 5. Особенности мейоза и синаптонемный комплекс у аскариды Ascaris suum .. 80
Глава 6. Синаптонемные комплексы ржи Secale cereale и динамика их деградации.... 105
Глава 7. Мейоз и синаптонемный комплекс у шампиньона Agaricus bisporus .. 119
Глава 8. Динамика синаптонемных комплексов в мейозе у мыши .....................123
Заключение Части II..................................................................................................135
Часть III.  Синаптонемный комплекс — индикатор изменчивости хромосом
Глава 9. Кариотипирование на основе СК и применение этого метода
в цитогенетике ...........................................................................................................137
Глава 10. Синаптонемные комплексы половых хромосом млекопитающих
на примере рода Ellobius ..........................................................................................144
Глава 11. Синаптонемные комплексы при робертсоновских транслокациях
и нестабильном  кариотипе ......................................................................................155
Глава 12. Синаптонемные комплексы А- и В-хромосом восточно-азиатской
мыши Apodemus peninsulae ......................................................................................168
Глава 13. Синаптонемные комплексы — индикаторы индуцированных
хромосомных перестроек.........................................................................................178
Глава 14. Синаптонемные комплексы — индикаторы гетерозиготных
инверсий .....................................................................................................................195
Глава 15. Синаптонемные комплексы — индикаторы мутаций специфических
генов мейоза...............................................................................................................210
Глава 16. СК как индикатор патологии сперматогенеза и причин бесплодия
у мужчин с нормальным кариотипом .....................................................................225

Глава 17. СК — индикатор аномалий мейоза при побочном действии
противомикробных антибиотиков...........................................................................252
Глава 18.  Специфические и неспецифические  нарушения структуры  СК
и хроматина у мышей после введения противоопухолевых препаратов,
ингибиторов ДНК-топоизомераз .............................................................................264
Глава 19.  Анализ СК у мышей после введения неоаквасепта — средства
для обеззараживания питьевой воды ......................................................................280
Заключение части  III ................................................................................................286
Послесловие. Перспективы исследований.............................................................290
Рефераты глав и заключения на английском языке ...............................................294
Цитированная литература ........................................................................................310
Предметный указатель ..............................................................................................352

SYNAPTONEMAL COMPLEX AS AN INDICATOR
OF THE DYNAMICS OF MEIOSIS AND CHROMOSOME
VARIATION CONTENTS
Editor’s Notes..................................................................................................................7
Preface .............................................................................................................................9
Introduction ...................................................................................................................13
Part I.   General Data on the Synaptonemal Complex
Chapter 1. Meiotic Transformations of Chromosomes ................................................15
Chapter 2. Synaptonemal Complex: Structure and Functions .....................................32
Chapter 3. Role of the Synaptonemal Complex in the Origin and Evolution
of Meiosis ......................................................................................................................56
Conclusion of the Part I ................................................................................................68
Part II. Synaptonemal Complex As an Indicator of the Dynamics of Meiosis
Chapter 4. Ultrastructure of Meiotic Chromosomes and the Synaptonemal
Complex in Lily Lilium candidum................................................................................70
Chapter 5. Specifics of Meiosis and the Synaptonemal Complex
in Ascarid Ascaris suum ................................................................................................80
Chapter 6. Synaptonemal Complexes in the Rye Secale cereale
and Dynamics of Their Degradation...........................................................................105
Chapter 7. Meiosis and the Synaptonemal Complex in White Button
Mushroom Agaricus bisporus..................................................................................... 119
Chapter 8. Dynamics of Mouse Synaptonemal Complexes in Meiosis .....................123
Conclusion of the Part II .............................................................................................135
Part III.  Synaptonemal Complex As an Indicator of Chromosome Variation
Chapter 9. Synaptonemal Complex-Based Karyotyping and Its Use in Cytogenetics .... 137
Chapter 10. Synaptonemal Complexes of the Mammalian Sex Chromosomes
with the Example of the Genus Ellobius ....................................................................144
Chapter 11. Synaptonemal Complexes in the Cases of Robertsonian
Translocations and Unstable Karyotype .....................................................................155
Chapter 12. Synaptonemal Complexes of the А- and B-Chromosomes of East
Asian Mouse Apodemus peninsulae ...........................................................................168
Chapter 13. Synaptonemal Complexes As Indicators of Induced
Chromosomal Aberrations ..........................................................................................178
Chapter 14. Synaptonemal Complex As an Indicator of Heterozygous Inversion
with the Example of Rye .............................................................................................195

Chapter 15. Synaptonemal Complexes As Indicators of Mutations of Specific
Meiotic Genes .............................................................................................................210
Chapter 16. Synaptonemal Complex As an Indicator of Spermatogenesis Defects
and Causes of Sterility in Karyotypically Normal Men .............................................225
Chapter 17. Synaptonemal Complex As an Indicator of Meiotic Abnormalities
Induced by Antimicrobial Antibotics..........................................................................252
Chapter 18. Specific and Nonspecific Alterations of the Synaptonemal Complexes
and Chromatin in Mice after Administration of DNA-Topoisomerase Inhibitors
Used as Anticancer Drugs ...........................................................................................264
Chapter 19. Synaptonemal Complex Analysis in Mice after Administration of
the Drinking Water Disinfectant Neoaquasept ...........................................................280
Conclusion of the Part III............................................................................................286
Epilogue. Prospects of Studies ...................................................................................290
English Abstracts of the Chapters and Part I–III Conclusions...................................294
References ...................................................................................................................310
Subject Index...............................................................................................................352

От редактора
Предлагаемая читателю книга является второй монографией на русском языке, посвященной исследованию мейоза. Первая монография «Цитология и генетика мейоза» под редакцией В.В.Хвостовой и Ю.Ф. Богданова вышла в издательстве
«Наука» в 1975 г. С тех пор прошло более 30 лет. За это время накоплено много
новой информации, и трактовка ряда молекулярных и цитологических явлений,
лежащих в основе мейоза, претерпела существенные изменения. Как справедливо
отметил Ю.Ф. Богданов в одной из своих обзорных публикаций (Богданов, 2000),
в середине 1990-х гг. в области исследования молекулярных механизмов мейоза
началось заметное оживление, вызванное принципиальными находками в области генетического контроля мейоза и, особенно, в области молекулярных механизмов мейотической рекомбинации. Важно также то, что сведения о генах, регулирующих мейоз, о специфических белках мейоза и закономерностях их взаимодействия, которые, как правило, сначала удается получить для относительно простых
организмов (дрожжи, нематоды), затем, благодаря универсальности и консерватизму основных мейотических событий, достаточно быстро распространяются на
млекопитающих и высшие растения. Центральное место в явлениях, которые связаны с синапсисом и рекомбинацией мейотических хромосом, занимает синаптонемный комплекс — специфическая структура мейотических хромосом, впервые
открытая в средине ХХ века благодаря развитию методов электронной микроскопии. Разработка и постоянное совершенствование доступных методов работы с
препаратами синаптонемных комплексов привели к тому, что эта структура  прочно вошла в арсенал объектов цитогенетики, и её исследования приобретают самостоятельный интерес при изучении репродукции и селекции растений и животных и в медицинской цитогенетике.
 Начиная с 1994 г. международное научное сообщество проводит ежегодные
конференции по проблемам мейоза. Все это способствовало тому, что фундаментальное явление жизненного цикла всех эукариотических организмов — мейоз,
долгие годы остававшееся предметом изучения достаточно узкого круга цитологов, попало в поле зрения исследователей, владеющих новейшими методами клеточной и молекулярной биологии, и генетики, и из камерной аудитории вышло на
широкую междисциплинарную арену.
 За истекшие годы в мировой литературе была опубликована одна монография, посвященная мейозу (John, 1990, см. список литературы, цитированной в данной монографии), несколько сборников статей на английском языке, которые представляют собой труды симпозиумов по проблемам мейоза, и тысячи оригинальных статей. Экспериментальные статьи, посвященные мейозу, периодически пуб

ликуются в таких строго рецензируемых и высоко-рейтинговых журналах как Cell,
Genetics, Genes and Development, Journal of Cell Science, PNAS, Science, а обзорные статьи — в Annual Review of Genetics, Current Oppinions in Cell Biology, и
других, и это отражает степень модернизации исследований в области мейоза.
Экспериментальные исследования Ю.Ф. Богданова в области клеточной биологии мейоза начались в 1966 г.1 В 1982 г. в эти исследования включилась опытный специалист в области клеточных ультраструктур О.Л. Коломиец, и руководимый  ими коллектив сосредоточился на проблемах мейоза и роли синаптонемного
комплекса в мейозе. В 1998 г. О.Л. Коломиец защитила докторскую диссертацию:
«Синаптонемальный комплекс как индикатор хромосомной изменчивости». Часть
этих исследований суммирована в данной монографии.
Исследования, близкие к теме данной книги ведутся И.Н. Голубовской (с 90-х
гг. в основном в США), С.П. Соснихиной и Е.И. Михайловой (частично – тоже за
рубежом), П.М.Бородиным и  Л.В. Высоцкой (Новосибирск) и другими. Работы
этих авторы освещены в данной монографии.
Есть основания надеяться, что книга будет полезна российским цитологам,
цитогенетикам, преподавателям, аспирантам и студентам биологических, сельскохозяйственных и медицинских вузов.
Н.А. Ляпунова
1  Богданов Ю.Ф., Ляпунова Н.А., Шерудило А.И., Антропова Е.Н. 1967 // Цитология. Т. 9. ¹.8.
С.986–990.

Предисловие авторов
Эта книга — результат 25-летнего исследования авторами мейоза у растений,
грибов, животных и человека. Это часть комплексных исследований цитологии,
молекулярной биологии и генетики мейоза, которые ведутся в лаборатории цитогенетики Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, начиная с 1982 г.
Этому предшествовало исследование цитологии и молекулярной биологии мейоза одним из авторов (Ю.Ф.Б.) в Институте молекулярной биологии (ИМБ) АН СССР
(ныне ИМБ им. В.А. Энгельгардта РАН). Некоторые результаты этих ранних исследований 70-х годов тоже включена в книгу.
Книга состоит из трех частей. Часть I — это обзор современных представлений о структуре и функции синаптонемных комплексов, а Части II и III — изложение результатов собственных исследований.
Большая часть экспериментальных и обзорных материалов, вошедших в книгу, опубликована авторами книги в отечественных и зарубежных журналах. Однако, некоторые результаты ранее были опубликованы только на английском языке,
за рубежом, например, подробное описание сложного пути формирования синаптонемных комплексов у аскариды (гл. 5), исследование необычных половых хромосом у грызунов рода Ellobius (слепушонки) (гл. 10) и некоторые результаты исследования синаптонемных комплексов у растений ржи (гл. 6). Мы воспроизводим их здесь ввиду оригинальности этих находок и их фундаментального характера.
Главным критерием для включения в книгу было соответствие материалов названию книги. Результаты исследований должны были либо содержать описание
динамики изменений синаптонемных комплексов в процессе мейоза и служить
маркерами стадий мейоза, или описывать связь спонтанной или индуцированной
изменчивости синаптонемных комплексов с мутационной изменчивостью хромосом. Многие факты мировой литературы свидетельствуют, что синаптонемные комплексы могут служить парадигмой хромосом в цитогенетических исследованиях,
и мы даем этому собственные доказательства. Некоторые из этих доказательств —
оригинальны.
Мы сознательно не включили в книгу полученные в лаборатории оригинальные результаты из области молекулярной биологии синаптонемных комплексов
(исследования О.И. Карповой, М.В. Пенкиной и др.), чтобы не выходить за рамки
задуманного названия книги. Однако, как уже сказано, общие сведения о молекулярной организации синаптонемных комплексов приводятся в Части I. Без них
природа этих структур была бы непонятной непосвященному читателю.

К нашему глубокому прискорбию некоторых участников совместных исследований, включенных в книгу, уже нет в живых. Это Н.Н. Воронцов, Г.Г. Горач,
Т.А. Кириллова, С.А. Резникова, В.А. Шевченко, а также консультанты на ранних этапах наших исследований Ю.С. Дёмин, А.М. Малашенко и С.И. Слезингер, и мы храним о них благодарную память.
В исследованиях, результаты которых вошли в книгу, принимали активное
участие сотрудники и аспиранты лаборатории цитогенетики и соавторы из других лабораторий и учреждений: Л.Ю. Жулева (гл. 4 и 5), С.С. Кунду (S.C. Kundu)
(гл. 5), Ю.С. Федотова (гл. 6, 14 и 15), Т.Ф. Мазурова и Т.В. Пащенко (гл. 6–7),
Ю.Т. Дьяков, И.С. Мажейка  и В.Е. Спангенберг (гл. 7 и 15), Е. Горнунг (гл 8),
Т.В. Сухачева (гл. 8 и 18), Н.И. Воронцова и Л.П. Тимофеева (гл. 6 и 9),
Е.А. Ляпунова и И.Ю. Баклушинская (гл. 10 и 11), Ю.М. Борисов, Т.Э. Борбиев
(гл. 12), Л.Д. Сафронова (гл. 12 и 13), М.Д. Померанцева, Е.И. Каликинская и
А.В. Чехович (гл. 13), С.А. Гаджиева (гл. 14), С.П. Соснихина, В.Г. Смирнов,
Е.И. Михайлова и С.Я. Дадашев (гл. 14 и 15), Е.Я. Гречанина (гл. 16), Л.Ф. Курило (гл. 16, 17), Н.К. Абудуев, Т.А. Богуш, Е.Е. Брагина, Е.Ф. Лосева, М.В. Мальцев, (гл. 18 и 19). Мы благодарим всех их за плодотворное сотрудничество. Мы
благодарны Т.М. Гришаевой, С.Я. Дадашеву, О.И. Карповой и М.В. Пенкиной за
творческие дискуссии и соавторство в обзорных публикациях, материалы которых использованы в гл. 2, И.Н. Голубовской, за творческие дискуссии и консультации, а также А.А. Строкову, Г.Л. Ячевской за методическую помощь в некоторых вопросах генетики, молекулярной биологии и цитологии, Е.Р. Гагинской и
ее сотрудникам за интерес к нашей работе и возможность использовать рабочие
места в лаборатории в Ст. Петергофе, А.Н. Кузьминой и М.Н. Перфильевой за
помощь в поиске литературы.
В ходе многолетней работы мы пользовались консультациями, организационной и материальной поддержкой наших зарубежных коллег Л. Андерсен (L.
Andersen), С.М. Стака (S.М. Stack), Х. де Йонга (H. de Jong), К. Хейтинг (C. Heyting),
Д. Зиклер (D. Zickler) и выражаем им глубокую признательность.
Мы благодарны администрации и коллективам Институтов, где велись наши
исследования, за создание условий для выполнения работы. Наши исследования
получали регулярную финансовую поддержку со стороны Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), некоторую поддержку со стороны государственных программам «Геном человека», «Приоритетные направления генетики»,
программы Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов», Международного научного фонда (гранты Сороса), INTAS, Научно-исследовательского центра Нидерландов (NWO).
 Мы будем благодарны читателям за отзывы и замечания.
Ю.Ф. Богданов
О.Л. Коломиец