Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Хромосомы типа ламповых щеток: современные представления и перспективы исследований

Покупка
Новинка
Артикул: 767949.02.99
Доступ онлайн
244 ₽
В корзину
Первое издание вышло в 2019 году при финансовой поддержке РФФИ. 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 научно-педагогической 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.
Красикова, А. В. Хромосомы типа ламповых щеток: современные представления и перспективы исследований : монография / А. В. Красикова, Т. В. Куликова. - 2-е изд. - Санкт-Петербург : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2021. - 104 с. - ISBN 978-5-288-06086-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2183398 (дата обращения: 22.11.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
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. 2-е изд.  — СПб.: Изд-во 
С.-Петерб. ун-та, 2021. — 104 с.
ISBN 978-5-288-06086-1
Первое издание вышло в 2019 году при финансовой поддержке РФФИ. 
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 
В оформлении обложки использован рисунок авторов
©  Санкт-Петербургский 
     государственный университет, 2021 
©  А. В. Красикова, Т. В. Куликова, 2019
ISBN 978-5-288-06086-1


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


3.3.  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 
7


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 
9


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 невооружен10


ным глазом. Здесь стоит напомнить, что диаметр интерфазного ядра 
в соматических клетках у этого же вида составляет в среднем 10 мкм, 
таким образом, объем ядра ооцита в ~105 раз больше объема ядра 
соматической клетки. Благодаря крупным размерам ядер ооцитов 
клеточное ядро впервые обнаружено и описано при исследовании 
ооцитов курицы с помощью простой лупы. Ядро ооцита тогда было 
названо зародышевым пузырьком ([Purkinje, 1825], цит. по [Gall et 
al., 2004]). 
Растущие ооциты амфибий и  птиц являются исключительно 
удобными и  широко используемыми модельными объектами для 
изучения структуры и  функции эукариотического ядра и  других 
общебиологических проблем [Callan, 1986; Macgregor, 1986; Morgan, 
2002; Gall et al., 2004; Gaginskaya et al., 2009]. Ядра ооцитов амфибий 
на протяжении многих лет служат модельным объектом для исследования различных внутриядерных органелл. В  ооцитах амфибий 
подробно изучены особенности морфофункциональной и  молекулярной организации ядрышек и других внутриядерных телец, участвующих в динамике компонентов аппарата экспрессии генов ([Gall 
et al., 1999; Квасов и др., 2000; Gall, 2000; Gall et al., 2004] и др.).
В ядрах ооцитов амфибий помимо хромосом присутствуют многочисленные экстрахромосомные тельца (рис. 1, а): 1500–2000 экстрахромосомных ядрышек, достигающих 10–15  мкм в  диаметре, 
50–100  не связанных с  хромосомами телец, и  кроме этого, тысячи 
кластеров интерхроматиновых гранул (КИГ) [Gall et al., 2004]. Изучению ядрышек в ооцитах амфибий способствовало открытие явления 
амплификации генов рибосомной РНК (рРНК), приводящей к появлению сотен экстрахромосомных ядрышек [Gall, 1968]. Показано, 
что 90 % запасаемой ооцитом РНК представлено рРНК, что в случае 
гипертранскрипционного типа оогенеза обеспечивается амплификацией, т. е. множественным копированием локуса ядрышкового 
организатора. В ядре растущего ооцита шпорцевой лягушки экстра- 
хромосомные ядрышки лежат на периферии ядра, что обеспечивает 
быстрый экспорт рибосомных субчастиц в цитоплазму ооцита, а на 
более поздних стадиях ядрышки мигрируют в центр ядра. Амплифицированные гены рРНК в экстрахромосомных ядрышках послужили 
удобным объектом для разработки метода гибридизации in situ [Gall, 
Pardue, 1969], который стал одним из наиболее широко используемых в молекулярной цитогенетике.
Интересно, что у половозрелых самок птиц, в отличие от амфибий, амплификации ядрышкого организатора в оогенезе не происходит, более того, ядрышковый организатор на хромосоме остается неактивным [Koshel et al., 2016]. Таким образом, в ядре ооцита половоз11


Доступ онлайн
244 ₽
В корзину