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.Ё. Коёомиец. Синаптонсмный компёекс - индикатор динамики мей-оза и изменчивости хромосом. Москва: Товарищество научных изданий КМК. 2007. 359 стр.

В книге изложены сведения о синаптонсмном комплексе (СК) — специфической структуре мсйотичсских клеток боёЬ0инства эукариот — и примеры иссёедования этой структуры для ре0ения задач цитогенетики. Часть I книги описывает структуру и функции СК, его изменчивость и роёь в возникновении и эвоёюции мейоза. Часть II содержит оригинальные иссёедования уёьтраструктуры СК у растений, грибов и животных. Часть III посвящена иссёедованиям авторов, в которых СК испоёьзован 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. Богданов, О.Ё. 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 ofthe 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 A- 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 синапто-немный 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. №.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. Слезин-гер, 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 (SM. Stack), X. 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

Введение




   Пятидесятые годы XX в были временем создания и бурного развития новых биологических дисциплин. Помимо безусловно наиболее значимого события — рождения молекулярной биологии, появилась клеточная биология — дисциплина, соединившая принципы и методы цитологии с принципами и методами биохимии. Одной из методических основ клеточной биологии стала электронная микроскопия. Начиная с 1952 г. и, примерно, до средины 60 гг., исследователи открывали в клетках новые субклеточные структуры и узнавали ультраструктуру тех органелл, тонкая структура которых была недоступна исследованию с помощью световых микроскопов. Ограничение световой микроскопии, как известно, обусловлено ее разрешающей способностью — примерно 0,14 мкм, что определяется длиной световой волны. Электронная микроскопия шаг за шагом повысила разрешающую способность исследования клеток до десятых долей нанометра — до нескольких ангстрем.
   В 50-е годы с помощью электронного микроскопа были визуализированы ядер-ная и цитоплазматическая мембраны, разные типы эндоплазматического ретикулума, тонкая структура митохондрий и аппарата Гольджи, в клеточных ядрах была открыта элементарная фибрилла хроматина. В 1956 г. два американских цитолога Мозес (Moses, 1956) и Фоссет (Fawo-ctt, 1956), независимо один от другого, сообщили об открытии в мейотических клетках уникальной субъядерной структуры, названной Мозесом синаптонемным комплексом. Мозес обнаружил синаптонемный комплекс в сперматоцитах речного рака, а Фоцет — в сперматоцитах мыши. Эта трехполосная или трехчленная структура, как ее тогда описывали, находится в щели между параллельно расположенными, конъюгирующими гомологичными хромосомами в профазе I деления мейоза, то есть внутри мейотического бивалента хромосом. Мозес сразу же убедился в том, что снаптонемный комплекс (СК) проходит вдоль всего бивалента хромосом на стадии пахитены в профазе I и, что он есть в каждом биваленте клеточного ядра. Из этого он сделал вывод о необходимости СК для конъюгации гомологичных хромосом. Уже через 10 лет после этого открытия Мозес констатировал, что СК обнаружен в мейозе примерно у 200 видов животных и растений и заключил, что эта структура — универсальный атрибут мейоза и, что она играет ключевую роль в конъюгации (синапсисе) гомологичных хромосом в ходе мейоза (Moses, 1968, 1969). Вскоре было доказано, что СК необходим для кроссинговера (см. гл. 1-3).

В 70-е годы исследователи стали использовать СК как диагностический признак профазы I мейоза у организмов с мелкими мейотическими клетками, у которых изучение мейоза путем световой микроскопии практически невозможно. СК оказался надежным маркером стадии пахитены мейоза у дрожжей (Roeder, 1995) и других одноклеточных эукариот, включая организмы со сложным жизненным циклом (см. гл. 3).
    В 1977 г. Мозес сделал еще один важный шаг в исследовании мейоза и роли СК в этом процессе. Усовершенствовав метод, разработанный Каунсом и Мейером (Counce, Meyer, 1973), Мозес продемонстрировал, что можно исследовать СК без ультратон-ких срезов клеток. Можно быстро — в течение трех часов — получать тотальные препараты распластанных клеток (микроспреды), на которых под малым увеличением электронного микроскопа виден полный набор всех СК клетки. Далее Мозес доказал, что СК может служить целям цитогенетики, что СК — профазный эквивалент метафазной хромосомы, что по морфологии СК можно изучать морфологию перестроенных хромосом (хромосомные делении, дупликации, транслокации, инверсии, см. гл. 11-14). Оказалось, что это несложно делать с гораздо более высокой точность, чем под световым микроскопом. В 80-е гг в передовых медицинских клиниках США и Европы стали проводить исследование СК у пациентов, сочетая его с анализом кариотипов под световым микроскопом. В 90-е годы в арсенале цитогенетики появился высокоэффективный метод флюоресцентной in situ гибридизации (FISH). Разные варианты методов гибридизации in situ заметно потеснили электронную микроскопию в применении к клеточной биологии и прикладной цитогенетике. Однако прецезион-ное исследование СК сохранило незаменимое значение для фундаментальных исследований механизма мейоза. Фундаментальные исследования молекулярных механизмов мейоза, начиная со средины 90-х гг., проходят стадию «бума»: ежегодно происходят авторитетные международные конференции по проблемам мейоза, поочередно — Гордоновские в США и Европейские под патронажем ЕМВО. Исследование СК осталось надежным методом высокоразрешающей цитогенетической диагностики в широком смысле этого слова: в применении к вопросам эволюции хромосомных наборов, при действии на хромосомы мутагенных факторов и в решении задач медицинской цитогенетики.
    50 летие открытия синаптонемного комплекса было отмечено в мироваой литературе выходом специального номера журнала «Chromosoma 2006, Vol. 115, No. 3», в котором опубликована серия обзорных статей, посвященных разнообразным аспектам исследования структуры и функции синаптонемных комплексов. Эти статьи отражают серьезные изменения в представлениях о механизмах мейоза, которые произошли после открытия и многолетних исследований синаптонемных комплексов у растений, грибов, животных, и важность исследования этой необыкновенной структуры для решения ряда медицинских проблем. Данная монография написана в том же русле и с тех же позиций, что описаны в юбилейном выпуске журнала, но базируется в большинстве глав (главы 4-17) на оригинальном материале, полученном авторами и коллективом участников этих работ.

Introduction




    The 1950ies witnessed the origin and rapid development of new biological disciplines. In addition to molecular biology, whose advent was the most important event, cell biology arose as a discipline that combined the principles and methods of cytology with those of biochemistry. Electron microscopy, along with other methods, provided the technical basis for cell biology. Since 1952 to the mid-1960ies, new subcellular structures were discovered within the cell and the ultrastructure was established for the organelles whose fine structure was undetectable by light microscopy. As well known, the limited potential of light microscopy is caused by its resolution of about 0.14 pm, which is determined by the light wavelength. Electron microscopy gradually increased the resolution in cell studies from tenths of nanometers to several angstroms.
    In the 1950ies, electron microscopy allowed visualization of the nuclear and cytoplasmic membranes, the endoplasmic reticulum of various types, the fine structures of mitochondria and the Golgi complex, and elementary fibrils of chromatin in the cell nucleus. In 1956, American cytologists Moses (1956) and Fawcett (1956) independently reported the discovery of a unique subnuclear structure in meiotic cells; the structure was termed a synaptonemal complex (SC) by Moses. The SC was observed in crayfish spermatocytes by Moses and in mouse spermatocytes by Fawsett. This tripartite structure is detectable in meiotic prophase I within the cleft between parallel conjugating homologous chromosomes, that is, within a meiotic bivalent. As Moses verified, the SC goes along the total bivalent length in the pachytene stage of prophase I and occurs in every bivalent of the cell nucleus. Based on these findings, Moses concluded that the SC is essential for synapsis of homologous chromosomes.
    As early as ten years after this discovery, Moses reported that the SC was observed in meiosis in about 200 animal and plant species and concluded that the SC is a universal attribute of meiosis, and plays a key role in meiotic conjugation (synapsis) of homologous chromosomes (Moses, 1968, 1969). It was demonstrated soon afterwards that the SC is necessary for crossing over (see Chapters 1-3).
    In the 1970s, the SC came to be used as a diagnostic character of meiotic prophase I in organisms with small meiotic cells, where it is virtually impossible to study meiosis by light microscopy. The SC proved to be a reliable marker of meiotic pachytene in yeasts (Roeder, 1995) and other unicellular eukaryotes, including organisms with a complex life cycle (see Chapter 3).
    In 1977, Moses made another important step towards the understanding of meiosis and the meiotic role of the SC. He improved the technique developed by Counce and

Meyer (Counce, Meyer, 1973) and demonstrated that the SC can be studies without using ultrathin cell sections. Instead, it is possible to rapidly (within few hours) obtain spread preparations of total cells (microspreads), where the complete set of cell SCs is detectable under an electron microscope at a low magnification. Then, Moses demonstrated that the SC can be used for the purposes of cytogenetics, that the SC is a prophase equivalent of a metaphase chromosome, and that the SC morphology reflects the morphology of rearranged chromosomes (chromosomal deletions, duplications, translocations, and inversions; see Chapters 11-14). Such an analysis proved to be simple and far more accurate than with light microscopy. In the 1980ies, SC examination came into use in advanced clinics of the United States and Europe, in combination with karyotype analysis under a light microscope. The 1990ies added highly efficient fluorescence in situ hybridization (FISH) to the available cytogenetic techniques. Various in situ hybridization protocols displaced, to a considerable extent, electron microscopy in cell biology and applied cytogenetics. Yet precise examination of the SC is still indispensable in basic studies of the mechanism of meiosis. Starting from the mid-1990ies, a great boom in studying the molecular mechanisms of meiosis has set in: prestigious conferences are annually held to consider the problems of meiosis, Gordon research conferences in the United States alternating with EMBO conferences in Europe. SC analysis is still a reliable means of high-resolution cytogenetic diagnosis in the broad sense of the world, including issues of karyotype evolution, the effect of mutagenic factors on chromosomes, and problems of medical cytogenetics.
    The 50th anniversary of the discovery of the SC was marked in the literature by a special issue of Chromosoma (2006, vol. 115, no. 3), which includes a series of reviews focusing on various aspects of the structure and function of the SC. These papers reflect the dramatic changes that arose in the views of the mechanisms of meiosis after the discovery and long-term studies of the unusual structure, the SC, in plants, fungi, and animals, as well as the significance of such studies for many particular medical problems. This monograph follows the same line and the same principles as the special issue, but most of its chapters (Chapters 4-19) are based on the original data that we have obtained in cooperation with our colleagues.