Войти
Холоцентрические хромосомы - это хромосомы, которые имеют несколько кинетохор по своей длине. чем одиночная центромера, типичная для других хромосом. Они были впервые описаны в цитогенетических экспериментах, датированных 1935 годом, и, начиная с этого первого наблюдения, термин холоцентрическая хромосома относится к хромосомам, которые: i) лишены первичного сужения, соответствующего центромерам, наблюдаемым в моноцентрических хромосомах; и ii) они обладают множественными кинетохорами, рассредоточенными вдоль оси хромосомы, так что микротрубочки связываются с хромосомами по всей своей длине и перемещаются поперек полюса от метафазной пластинки. Эти хромосомы также называют холокинетическими, потому что во время деления клеток хроматиды раздвигаются параллельно и не образуют классических V-образных фигур, типичных для моноцентрических хромосом. Холоцентрические хромосомы эволюционировали несколько раз в течение эволюции как животных, так и растений, и в настоящее время сообщается примерно у восьмисот различных видов, включая растения, насекомых, паукообразных и нематод. Вследствие их диффузных кинетохор голоцентрические хромосомы могут стабилизировать хромосомные фрагменты, способствуя перестройкам кариотипа. Однако холоцентрическая хромосома может также иметь ограничения для кроссинговера, вызывая ограничение количества хиазм в бивалентах, и может вызывать реструктуризацию мейотических делений, приводящую к инвертированному мейозу.
Впервые голоцентрические хромосомы были описаны в 1935 г. идентифицировать хромосомы с диффузной кинетохорой (или с диффузной кинетохорной активностью), благодаря чему эти хромосомы могут связываться с микротрубочками по всей своей длине. В последние десятилетия в нескольких исследованиях было установлено, что такое же поведение во время митоза может наблюдаться не только для голоцентрических / голокинетических хромосом, но также и для поликинетических хромосом, которые содержат многочисленные (но дискретные) сайты связывания микротрубочек, но термин «холоцентрический / голокинетический» до сих пор используется для обоих.
В моноцентрических хромосомах кинетохора (красные кружки) может быть легко идентифицирована, поскольку она расположена в первичном сужении хромосомы (центромере) во время метафазы (M, верхний прямоугольник). В анафазе (A, верхний ящик) хроматиды перемещаются к полюсам после их прикрепления к микротрубочкам, и можно наблюдать V-образные структуры, возникающие в результате пассивного движения хромосомных плеч. В холоцентрической хромосоме присутствует кинетохора на всю хромосому (красные линии), и во время метафазы нет первичного сужения (M, нижний прямоугольник). Во время анафазы (A, верхний ящик) холоцентрические хроматиды движутся к полюсам как линейные параллельные стержни. Если хромосомный разрыв происходит в моноцентрической хромосоме (нижнее поле), ацентрические фрагменты хромосомы не могут быть прикреплены к микротрубочкам во время метафазы (M), и они теряются во время анафазы (A). Напротив, разрыв хромосомы в голоцентрической хромосоме приводит к образованию хромосомных фрагментов, которые сохраняют кинетическую активность благодаря расширению центромеры на всю хромосому и могут быть надлежащим образом унаследованы. До того, как стали доступны молекулярные методы, наличие голоцентрических хромосом оценивалось в основном с использованием цитология и, учитывая, что многие виды трудно изучать цитологически, можно предположить, что истинное присутствие холоцентризма может быть недооценено. Кроме того, существует несколько таксонов, хромосомы которых еще не охарактеризованы, но их филогенетическое положение предполагает, что они должны иметь холоцентрические хромосомы. К настоящему времени наличие холоцентрических хромосом было оценено примерно у 800 видов, включая насекомых, растений, паукообразных и нематод, что позволяет предположить что обычно холоцентрические хромосомы произошли в результате конвергентной эволюции от предков, обладающих моноцентрическими хромосомами. Интересные исключения представлены насекомыми, принадлежащими к Neoptera, чьи моноцентрические хромосомы, вероятно, произошли от холоцентрического предка в результате двух разных и независимых событий. Свидетельства конвергентной эволюции предполагают, что холоцентризм адаптивен, но конкретные условия, при которых холоцентризм обеспечивал селективное преимущество, по-видимому, различны для разных таксонов. Действительно, у насекомых-фитофагов (таких как тли и чешуекрылые ) холоцентризм может быть связан с производством растениями соединений, способных вызывать хромосомные разрывы (clastogens ), тогда как в других случаях холоцентризм позволяет столкнуться с повреждением ДНК в результате высыхания и / или других факторов разрушения хромосом. Несмотря на эти различия, холоцентрические хромосомы обладают внутренними преимуществами, поскольку хромосомные мутации, такие как деления и слияния, потенциально нейтральны в голоцентрических хромосомах по сравнению с моноцентрическими. Однако гипотеза о холоцентризме как об антикластогенной адаптации требует более систематической проверки, включая как контролируемые лабораторные эксперименты, так и полевые исследования кластогенных градиентов и крупномасштабные филогенетические анализы. В то же время Nagaki et al. предположили, что холоцентризм может быть легко приобретен в процессе эволюции растений и животных за счет небольшого различия в происхождении кинетохор. В частности, они предположили, что если направление происхождения кинетохор поворачивается на 90 ° и происходит вдоль осей хромосом до теломерных областей, можно «генерировать» голоцентрические хромосомы без каких-либо дальнейших шагов.
Подробный молекулярный анализ структуры холоцентрических хромосом в настоящее время доступен только для нематоды Caenorhabditis elegans, тогда как наличие истинных голокинетическая природа была также подтверждена в других таксонах свидетельствами того, что экспериментально индуцированные фрагменты хромосом продолжают прикрепляться к веретену и правильно разделять. Для большинства видов данные о холоцентризме связаны с анализом поведения хромосом во время анафазы миграции, поскольку холоцентрические сестринские хроматиды мигрируют параллельно полюсам веретена, в отличие от моноцентрических, в которых тянущие силы действуют на одну хромосомную точку, а хромосомные ветви идут позади. Как следствие, хроматиды холоцентрических хромосом расходятся параллельно и не образуют классических V-образных фигур, характерных для моноцентрических. Более того, если холоцентрическая хромосома фрагментирована (например, с помощью рентгеновского облучения ), каждый фрагмент сохраняет активность центромеры и может правильно сегрегировать на полюсы.
Среди членистоногих наличие голоцентрической хромосомы было зарегистрировано у различных видов, принадлежащих к насекомым (Odonata, Zoraptera, Dermaptera, Psocoptera, Phthiraptera, Thysanoptera, Hemiptera, Trichoptera и Lepidoptera ), скорпионы (Buthoidea ), клещи и клещи надотряда Acariformes и рода Rhipicephalus (Ixodidae ), пауки (Dysderidae и Segestridae ), многоножки и многоножки. Несмотря на это широко распространенное явление, большинство имеющихся в настоящее время данных о холоцентризме относится к видам тлей и чешуекрылых. У тлей холоцентрические хромосомы были глубоко изучены, и их способность стабилизировать хромосомные фрагменты была связана с их фитофаговым образом жизни. Действительно, некоторые растения производят химические вещества, способные вызывать повреждение ДНК у насекомых-вредителей. Никотин, например, представляет собой встречающийся в природе алкалоид, обнаруженный в основном в представителях семейства пасленовых (включая Nicotiana tabacum ), который может вызывают стресс репликационной вилки, приводящий к различным формам повреждения ДНК, включая хромосомные фрагментации. О подобных эффектах сообщали также другие производимые растениями молекулы, такие как кофеин и этанол. Принимая во внимание их способность способствовать наследованию хромосомных фрагментов, холоцентризм был связан с повторяющимися изменениями кариотипов некоторых видов тлей, в частности персиковой картофельной тли Myzus persicae, где также наблюдались как меж-, так и внутрииндивидуальные перестроенные кариотипы. Интересно, что тли также обладают конститутивной экспрессией кодирующего гена теломеразы, так что они могут инициировать синтез теломер de novo последовательностей во внутренних точках разрыва, что приводит к стабилизации хромосомных фрагментов. Среди животных, не являющихся полиплоидными, чешуекрылые демонстрируют наибольшую вариабельность числа хромосом между видами в пределах одного рода и заметные уровни межвидовой и внутривидовой вариабельности кариотипа. Чешуекрылые действительно допускают хромосомные вариации с учетом их голокинетических хромосом, что способствует успешному наследованию новых фрагментов деления или слияния. Как следствие, чешуекрылые могут избежать пагубных последствий крупномасштабного деления и слияния хромосом. Тем не менее, они иногда могут переносить гетерозиготность в отношении множественных перестроек у гибридов между популяциями с различиями в их кариотипах, что вызывает вопросы о дополнительных механизмах, которые спасают фертильность хромосомных гибридов. Следовательно, считается, что у чешуекрылых эволюция хромосом играет роль в усилении видообразования. Сравнивая геномы видов чешуекрылых, также можно было проанализировать эффект холоцентризма с точки зрения скорости фиксированных хромосомных перестроек. Этот подход продемонстрировал у чешуекрылых два хромосомных разрыва на мегабазу ДНК за миллион лет: показатель, который намного выше, чем тот, который наблюдался у дрозофилы, и является прямым следствием холоцентрической природы геномов чешуекрылых. На структурном уровне холоцентрические хромосомы насекомых не были изучены подробно, но интересно подчеркнуть отсутствие гомологов CENP-C и CENP-A, которые ранее считались важными для кинетохоры, функционирующие у эукариот.
Наиболее известная группа холоцентрических видов может быть обнаружена в классе нематод Secernentea, который включает C. elegans. другие нематоды обычно описываются как холоцентрические из-за их филогенетического родства с C. elegans, но реальные кариотипические свидетельства скудны или противоречивы. Развитие нематод обычно характеризуется фиксированными клонами и единственной несоответствующей гибелью клеток, поэтому было высказано предположение, что холоцентризм может избежать катастрофических последствий событий неисправности хромосом. Доступность нескольких молекулярных и геномных ресурсов позволила детально охарактеризовать голоцентрические хромосомы C. elegans и, в частности, молекулярно проанализировать структуру кинетохор. Текущие данные предполагают, что кинетохоры C. elegans образуют парные линии или пластинки на противоположных сторонах конденсированных митотических хромосом, где каждая линия представляет диффузную кинетохору единственной хроматиды. Просвечивающая электронная микроскопия хромосом C. elegans показала, что кинетохора имеет триламинарную структуру, очень похожую на ту, что наблюдается в моноцентрических хромосомах. Более 30 различных белков были идентифицированы как компоненты кинетохоры C. elegans, и половина из них уже была известна как функционирующие в кинетохоры моноцентрических хромосом. Среди них высоко изученные белки включают гомологи CENP-C и CENP-A, которые являются высококонсервативным структурным компонентом кинетохор у эукариот. В отличие от того, что обычно наблюдается в моноцентрических хромосомах, в холоцентрических хромосомах преимущественная локализация центромер в гетерохроматических областях отсутствует вместе с присутствием специфических последовательностей ДНК, которые у C. elegans не требуются для сборки функциональной кинетохоры. В связи с этим было замечено, что холоцентрические хромосомы нематод уникальны, потому что они имеют большое количество спутников, разбросанных по всему геному, тогда как в моноцентрических хромосомах нематоды не обнаруживаются разбросанные спутники trichinella spiralis. Интересно, что эти сателлитные ДНК не консервативны по своим последовательностям среди видов, что позволяет предположить, что сильно повторяющиеся ДНК могут способствовать образованию кинетохор ввиду их повторяемости, а не из-за их специфической последовательности. Отсутствие локализованной центромеры побудило несколько исследований идентифицировать белки, которые участвуют в когезии сестринских хроматид, оценивая, что это достигается за счет отдельного комплекса консервативных белков, называемого когезин, то есть состоит из ядерных субъединиц Scc3, Smc1, Smc3 и Scc1. Интересно, что они выполняют ту же функцию у организмов с моноцентрическими хромосомами, за исключением субъединицы Scc1, ген которой в дополнение к ортологу Scc1 представляет три дополнительных паралогичных гена.
У растений холоцентрические хромосомы были обнаружены у zygnematophycean водорослей из родов Myristica (Myristicaceae ), Chionographis (Melanthiaceae ), Cuscuta (Convolvulaceae ) и Droseraceae у видов (hydatellaceae ), prionium serratum (thurniaceae ) и, среди высших растений, во многих родах, принадлежащих семействам cyperaceae и juncaceae, включая снежный древесный кустарник luzula nivea (juncaceae ), наиболее хорошо изученное холоцентрическое растение. У Luzula spp центромерная активность локализована одновременно в нескольких равномерно распределенных участках вдоль каждой хромосомы, и хромосомы могут фрагментироваться естественным путем или облучением на более мелкие (но жизнеспособные) хромосомы. Наличие перестроенного кариотипа не влияет на приспособленность, как было оценено в исследованиях, сообщающих, что гибриды Luzula с родителями, обладающими меньшими и большими хромосомами, показали, что меньшие хромосомы выровнены и спарены с большими. Аналогичным образом было продемонстрировано, что у растений, принадлежащих к роду Carex, дифференциация кариотипа коррелирует с генетической дивергенцией внутри вида, между популяциями внутри вида и внутри популяций, что позволяет предположить, что, как ранее сообщалось у Lepidoptera, холоцентрические перестройки хромосом вносят вклад в генетическую дифференциацию на разных эволюционных уровнях в эволюции и видообразовании осок. У растений также было высказано предположение, что диффузная кинетохора холоцентрических хромосом может подавлять мейотический драйв центромерных повторов и его негативные последствия. В частности, расширения (или сокращения) центромерных повторов могут приводить к большей (или меньшей) кинетохоре, которая привлекает больше (или меньше) микротрубочек во время мейоза. Эта гипотеза, которая коррелирует наличие холоцентрических хромосом с подавлением центромерного влечения, очень интригует, но она объясняет только эволюцию хромосомного холоцентризма в мейозе, а не в митозе, и это нетривиально, учитывая, что некоторые виды с голоцентрическими хромосомами могут представлять ограничение активность кинетохор во время мейоза. Подобно тому, что ранее сообщалось для C. elegans, центромеры не образуются центромер-ассоциированными ретротранспозонами и ассоциированными с центромерами сателлитными ДНК, но белки cenH3, по-видимому, связаны с центромер-специфическим укладыванием хроматина, а не с специфические центромерные последовательности ДНК. Сохранение элементов между моно- и холоцентрическими хромосомами не ограничивается центромерными белками, но также распространяется на эпигенетические метки. В самом деле, зависимое от клеточного цикла фосфорилирование серина 10 или серина 28 из H3 (которое обычно обогащено перицентромерными областями моноцентрических хромосом растений) происходит равномерно вдоль хромосом Luzula. Как ранее описывалось для тлей, L. elegans обладает быстрым и эффективным образованием теломер de novo на основе теломеразного процесса заживления, который активизируется сразу после хромосомного повреждения облучением хромосом. Вновь образованные теломерные повторы были цитологически обнаружены через 21 день после облучения примерно в 50% случаев с полным заживлением теломер через 3 месяца, что способствовало стабилизации фрагментов и фиксации кариотипа.
В конце 19 век, ван Бенеден (1883) и Бовери (1890) впервые описали мейоз, внимательно наблюдая за образованием зародышевых клеток у нематод <102.>Аскарида. Эти наблюдения вместе с несколькими дальнейшими анализами доказали, что канонический мейоз состоит из первого деления (называемого редукционным делением), которое включает в себя сегрегацию хромосомных гомологов, приводящую к уменьшению числа хромосом, и второго деления (определяемого эквационального деления), состоящего в разделении сестринских хроматид. Таким образом, общее правило мейоза: сначала гомологи, затем сестры.
Схематическое сравнение разделения хромосом, происходящего во время первого деления мейоза в стандартном и инвертированном мейозе. Однако понимание редукционного деления в мейозе Ascaris sp. был получен при изучении голоцентрических хромосом, которые во многих других таксонах следуют обратному порядку мейотического деления. Действительно, как сообщалось у нескольких нематод, у насекомых, принадлежащих к Hemiptera и Lepidoptera, у клещей и у некоторых видов цветковых растений с холоцентрическими хромосомами обычно присутствует инвертированная мейотическая последовательность, в которой сегрегация гомологов откладывается до второго мейотического деления. Более того, в большинстве случаев инвертированного мейоза наблюдается отсутствие канонической кинетохорной структуры вместе с ограничением кинетической активности концами хромосом. Эти изменения связаны со своеобразной сплоченностью, возникающей в тетрадах голоцентрических гомологичных хромосом во время мейоза, которые создают препятствия для высвобождения хромосом, участвующих в множественных событиях кроссинговера. В холоцентрических хромосомах мейоза самок C. elegans эта проблема обходится, ограничивая кроссинговер с образованием только одной хиазмы на каждый бивалент и запуская перераспределение кинетохорных белков вдоль двухвалентной оси, формируя специфичный для мейоза чашевидный структуры, которые равномерно покрывают каждую полубивалентную область, но исключены из среднебивалентной области. Во время анафазы I гомологичные хромосомы C. elegans разделяются на полюса за счет продвижения микротрубочек от среднебивалентных регионов к полюсам. В отличие от C. elegans, другие организмы с голоцентрическими хромосомами, включая как растения, так и насекомых, обходят эту проблему, разделяя сестринские хроматиды во время мейоза I, что приводит к термину инвертированный мейоз, в котором порядок редукционного и эквационального деления инвертируется по отношению к канонический мейоз. Следовательно, в этом случае разделение гомологичных хромосом следует за сегрегацией сестринских хроматид. Однако для успешного инвертированного мейоза необходимо, чтобы происходила биполярная ориентация сестринских кинетохоров вместе с их прикреплением к микротрубочкам с противоположных полюсов веретена в мейозе I. Это позволяет сегрегацию сестринских хроматид на противоположных полюсах в анафазе I. (эквациональное деление), но он требует механизма для выравнивания и спаривания гомологичных хромосом во время второго мейотического деления. Интересно, что наличие инвертированного мейоза также может способствовать правильной сегрегации хромосом у гибридов от родительских видов с различиями в их кариотипах или происходящих от популяций с перестроенным кариотипом, что позволяет сохранить фертильность и жизнеспособность гибридов и способствовать быстрой эволюции кариотипа и, возможно, хромосомному видообразованию., как описано в Lepidoptera.
Эта статья была адаптирована из следующего источника под лицензией CC BY 4.0 () (отчеты рецензентов ): Мауро Мандриоли; Джан Карло Маникарди (2020), «Голоцентрические хромосомы», PLOS Genetics, 16 (7): e1008918, doi : 10.1371 / JOURNAL.PGEN.1008918, PMC 7392213, PMID 32730246, Wikidata Q97932961
