Атлас синаптонемных комплексов (СК-кариотипов) некоторых видов млекопитающих

Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова
Российской академии наук
Л.Д. Сафронова, Е.В. Черепанова,
 В.М. Малыгин, Е.Г. Сергеев
АТЛАС
синаптонемных комплексов (СК-кариотипов)
некоторых видов млекопитающих
Товарищество научных изданий КМК
Москва 2018

Сафронова Л.Д., Черепанова Е.В., Малыгин В.М., Сергеев Е.Г. Атлас
синаптонемных комплексов (СК-кариотипов) некоторых видов млекопитающих. М.: Т-во научных изданий КМК. 2018. 84 с.
Несмотря на интерес, проявляемый к проблеме гибридной стерильности, для достижения полного понимания основных механизмов, лежащих в
основе этого феномена, необходим широкий сравнительный анализ как генетических, так и цитогенетических данных. Изучение аномалий поведения
мейотических хромосом и морфологических нарушений в формировании
синаптонемных комплексов (СК), как одной из причин гибридной стерильности, могут пролить свет на решение этой проблемы. Приведенные в атласе
показатели митоза (в некоторых случаях) и мейоза позволят быстро находить информацию о кариотипах и поведении хромосом в мейозе. В  атласе
приведены микрофотографии 13 видов и 11 межвидовых гибридов.
Для специалистов в области систематики животных, цитогенетиков и
селекционеров сельскохозяйственных млекопитающих, специалистов звероводческих хозяйств.
Рецензенты: кандидат биологических наук М.И. Баскевич
                           кандидат биологических наук З.Г. Кокаева
                          кандидат биологических наук М.А. Монахова
Ответственный редактор  доктор биологических наук В.Н. Орлов
Фото на обложке: Осевые элементы хромосом и латеральные элементы синаптонемного комплекса Ph. cambelli (СК) имунноокрашенные
антителами против SYCP3 протеинов (зеленые) Bar=5mm.
ISBN 978-5-907099-24-1
© Сафронова Л.Д., Черепанова Е.В., Малыгин В.М.,
    Сергеев Е.Г., текст, иллюстрации, 2018.
© ИПЭЭ РАН, 2018.
© ООО «КМК», издание, 2018.

Посвящается памяти
Юрия Сергеевича Демина  (1936–1984),
 выдающегося ученого, основателя направления
в изучении мейоза на примере
синаптонемных комплексов
(СK-кариотипов) у млекопитающих.

ВВЕДЕНИЕ
Исследования хромосомных наборов млекопитающих до 1980-х годов ограничивались преимущественно митотическими хромосомами
и значительно реже – мейотическими, причем мейоз описывали на
поздних стадиях мейоза I, диакинезе или метафазе I. Неоднократно
публиковались списки видов и атласы с указанием основных показателей кариотипа: 2n, NFa, форма X- и Y-хромосом, особенностей G- и
С-окраски  (Hsu, Benirschke,1977, Cytotaxonomy and vertebrate
evolution, 1973; Орлов, 1974; Орлов, Булатова, 1983).
Одни из наиболее важных событий мейоза – тесное сближение (синапсис) родительских хромосом и кроссинговер, обмен сегментами
хромосом, происходят на более ранних стадиях мейоза, зиготене и
пахитене. До конца 1970-х годов не существовало методов, позволяющих напрямую проследить (визуалировать) синапсис хромосом.
Кроссинговер, обеспечивающий разнообразие и генетическую изменчивость хромосом, оценивали в основном по его генетическим и цитогенетическим последствиям, таким как частота кроссоверных обменов и правильное расхождения хромосом.
В 1956 г. произошло знаменательное для исследования мейоза событие – открытие синаптонемного комплекса (СК) – субмикроскопической трехлинейной белковой структуры, формирующихся между
двумя гомологичными хромосомами. СК был открыт одновременно и
независимо друг двумя американскими исследователями М.Д. Мозес
(Moses, 1956) и Д.В. Фоссет (Fawcett, 1956) при электронно-микроскопическом исследовании срезов семенников животных и человека.
Первоначально единственным методом исследования СК был электронно-микроскопический анализ ультратонких срезов, который требовал чрезвычайно трудоёмкой 3D реконструкции. В обычном световом микроскопе синаптонемный комплекс не виден (его сечение 150–
200 нм), поскольку замаскирован хроматином.
Исследования ультратонких срезов СК млекопитающих были начаты одновременно во многих странах на самых разных объектах. В
нашей стране эти исследования были начаты Ю.Ф. Богдановым в ИМБ
4

РАН (Богданов, 1977). К 1980-м годам стало очевидным, что СК –
универсальная консервативная структура, которая характерна для всех
групп эукариот.
В 1973 г. Коуэнс и  Meyer (Counce, Meyer, 1973) разработали новый метод анализа мейотических хромосом в профазе I мейоза, заключающийся в распластывании мейотических хромосом на поверхности гипотонического раствора (метод микроспредирования).  С использованием этого метода удается проследить все детали формирования осевых элементов хромосом, начало их сближения и синапсиса
с образованием СК на стадии зиготены, его коррекцию при хромосомных перестройках на стадии пахитены и др. Первоначально исследование СК проводили под световым микроскопом.  В нашей стране
первая работа с использованием свето-микроскопического анализа распластанных СК млекопитающих была выполнена под руководством
Ю.С. Деминым в Лаборатории проблем микроэволюции ИПЭЭ РАН
(Демин и др., 1983, 1984).
В дальнейшем во многих лабораториях мира разворачиваются широкие электронно-микроскопические исследования распластанных
СК, контрастированных азотнокислым серебром. Пионером этих исследований стал первооткрыватель СК – М. Мозес (Moses, 1977; 1979;
1982). В нашей стране электронно-микроскопические исследования
распластанных СК млекопитающих были начаты в ИОГен РАН (Коломиец и др., 1985; Богданов, Коломиец, 1985, Bogdanov et al., 1986;
Kolomiets et al,1988), в Институте цитологии и генетики СО РАН (Бородин, 1992). В Лаборатории проблем микроэволюции ИПЭЭ РАН
эти исследования были начаты Л.Д. Сафроновой (Сафронова и
др.,1988, 2003).
Используя метод СК, можно изучать кариотип и структуру хромосом. Этот метод имеет высокую разрешающую способность и позволяет успешно изучать влияние гетерозиготности по хромосомным перестройкам на фертильность человека и животных (Moses et al., 1979).
С использованием анализа СК на распластанных препаратах были
сделаны фундаментальные открытия в области хромосомной изменчивости (Bogdanov et al., 1986; Kolomiets et al., 1988; 1991; Богданов,
Коломиец, 2007)
События в мейозе тесно связаны с постсегрегационным действием генов в гаметах мышей (Демин, Сафронова,1972) и с эволюцией
кариотипа через презиготический отбор (избирательность оплодотворения) (Демин, Сафронова,1978).
5

Несмотря на интерес, проявляемый к проблеме гибридной стерильности, для достижения полного понимания основных механизмов, лежащих в основе этого феномена, необходим широкий сравнительный
анализ как генетических, так и цитогенетических данных. Изучение
аномалий поведения мейотических хромосом и морфологических
нарушений в формировании синаптонемных комплексов (СК), как
одной из причин гибридной стерильности, могут пролить свет на решение этой проблемы (Сафронова, 2003)
Структурные и геномные различия между родительскими геномами могут нарушить нормальный синапсис хромосом у первого поколения гибридов в течение 1 профазы мейоза и приводить к образованию аномальных конфигураций в процессе мейоза и негомологичному синапсису в процессе коррекции.
Использование ЭМ анализа синаптонемных комплексов получило
широкое распространение в связи с тем, что позволяет изучать хромосомные перестройки на более ранних стадиях мейоза, а именно
ранней-поздней пахитене-диплотене. Большая чувствительность данного метода выявляет микроаберрации, которые не обнаруживаются
при световой микроскопии и дает информацию, которую нельзя получить при метафазном анализе хромосом.
Синаптонемный комплекс дает четкое изображение хромосом в
процессе конъюгации и, следовательно, может использоваться как
хороший индикатор повреждения хромосом, позволяющий визуализировать структурные аномалии (Backer et al., 1995). Синаптонемный
комплекс дает схематический рисунок мейотических бивалентов и
позволяет характеризовать хромосомные аберрации и аномалии синапсиса, которые могут быть связаны с репродуктивной способностью индивидуумов.
В первую очередь эти публикации касались лабораторных и сельскохозяйственных животных и небольшого круга видов из природных популяций, всего немногим более 50 видов млекопитающих.
Приведенные в атласе показатели митоза (в некоторых случаях) и
мейоза позволят быстро находить информацию о кариотипах и поведении хромосом в мейозе. В этой информации заинтересованы систематики, изучающие механизмы репродуктивной изоляции. Так, на
примере сопоставления митоза и мейоза форм серых полевок, Microtus,
группы «arvalis» и мохноногих хомячков, Phodopus, удалось отчасти
выявить причины стерильности некоторых гибридов в этих родах
(Сафронова, 2003; Малыгин, Сафронова, 2017). Кроме того, заинте6

ресованность в атласе могут проявить цитогенетики и селекционеры
сельскохозяйственных млекопитающих и специалисты звероводческих хозяйств. В атласе приведены микрофотографии 13 видов и 11
межвидовых гибридов.
 Выражаем благодарность сотруднику ИПЭЭ им. А.Н. Северцова
РАН к.б.н. В.Б.Сычевой за помощь в оформлении рукописи.
7

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Краткое описание методики (световой и электронной микроскопии). Тотальные препараты распластанных сперматоцитов получали из
клеточной суспензии  семенников на поверхности капли гипотонического 0,2 М раствора  сахарозы и фиксировали в смеси сахарозы и параформальдегида  при РН 8,5. Для выявления синаптонемных комплексов препараты окрашивали 50% азотнокислым серебром при 60 °С в
течение 1 часа во влажной камере Анализ в  световом микроскопе проводили при максимальном увеличении (Fletcher, 1979).
Для электронно-микроскопического анализа использовали сперматоциты, находящиеся на стадии ранней и средней пахитены, отобранные из гетерогенной клеточной суспензии. Окрашенные клетки
отбирали под световым микроскопом, вырезали с помощью алмазного метчика и  исследовали под электронным микроскопом JEM-100
С. Japan (Dresser, Moses, 1980).
СК-кариотипирование. На основе электронно-микроскопического анализа было проведено кариотипирование тотальных препаратов
распластанных сперматоцитов, а также измерена длина СК аутосом и
осей  полового  бивалента. Для каждой клетки составлены раскладки
СК в порядке убывания их длины. Идентификацию  СК  аутосом  проводили на основании относительной длины  каждого СК.  Измеряли
синаптонемные комплексы по микрофотографиям с помощью прецизионного стереокомпаратора Stecometer C («Carl Zeiss», Jena). В дальнейшем также использовали для  измерения длины СК аутосом и осей
полового  бивалента программу  Leica Application Suite V3 на фотографиях.
8

ВИДОВЫЕ ОПИСАНИЯ КАРИОТИПОВ
(СК-кариотипы и метафазные хромосомы)
Отряд ХИЩНЫЕ
Сем. Псовые – Canidae
Обыкновенная лисица – Vulpes vulpes fulvus Desm.
(«черно-серебристая» морфа)
Для эксперимента были взяты звери в двухлетнем возрасте из популяции зверохозяйства «Пушкинский» Московской области. Исследованные животные были фенотипически нормальными. В качестве
экспериментального материала были взяты семенники при забое двух
самцов в двухлетнем возрасте.
У лисицы наименьшее среди видов семейства Canidae диплоидное число хромосом – 2n=34. Все аутосомы двуплечие, половые хромосомы сходны с таковыми у собаки (Графодатский, Раджабли, 1988).
Кариотип самца черно-серебристой (серебристо-черной) лисицы
(Vulpes fulvus) состоит из двух резко различающихся по размерам групп
хромосом – 32 макрохромосомы и 2 микрохромосомы. В группу макрохромосом входят 32 аутосомы, в том числе и X-хромосома. Аутосомы основного набора образуют постепенно убывающий в размерах
ряд из 16 пар двуплечих хромосом, X-хромосома трудно выявляется
на основании критериев обычного кариологического анализа – величины хромосомы и положения центромеры, и предположительно была
выделена как субметацентрик средних размеров. Представлено в кариотипе самок 34 макрохромосомы, а у самцов – 33.
На основе СК – кариотипирования были обнаружены 16 конфигураций аутосомных бивалентов и половой бивалент, что соответствует
стандартному диплоидному кариотипу самца серебристо-черных лисиц (Vulpes fulvus) (Switonski et al., 1987) (рис. 1а).
Было проанализировано всего 110 сперматоцитов, 63 и 47 клеток
от каждой лисицы. Были выявлены 24 СК-конфигурации, которые содержали 22 аутосомных бивалентов, половой бивалент и один трива9