Системные мутации как основной механизм видовой реорганизации генома

Системные мутации как основной механизм видовой реорганизации генома.

Все известные с начала XX века мутации были подразделены на три типа: генные, хромосомные и геномные. К настоящему времени стало очевидным, что существует еще один тип — системные мутации.

В 1979 г. был выявлен феномен кардинальной реорганизации архитектуры интерфазных ядер в онто- и филогенезе малярийных комаров |8|, затем подтвержденный на дрозофиле [14, 15]. Именно анализ архитектуры ядер генеративных клеток позволил нам выявить наиболее существенные закономерности: 1) принципиальное различие архитектуры хромосом в клетках генеративной ткани и в соматических клетках; 2) существенные различия в трехмерной организации хромосом в самих генеративных клетках между разными (в том числе и очень близкими) видами.

Видоспецифичность проявляется в следующих показателях: 1) наличие – отсутствие связей хромосом с ядерной оболочкой и локализация мест контактов на хромосомах; 2) морфология хромосомных участков прикрепления; 3) разобщенность локусов прикрепления гомеологичных хромосом у близких видов на ядерной оболочке; 4) наличие – отсутствие локального или диффузного хромоцентра.

Взаимоотношения хромосом с ядерной мембраной облигатно инвариантны в пределах каждого вида малярийных комаров и четко различаются между восемью изученными видами (рис. 1). У межвидовых гибридов проявляются видоспецифичные особенности каждого из видов, причем значительная пространственная разобщенность зон прикрепления каждого из гомеологов в гибридных клетках свидетельствует о видоспецифичности координат точек прикрепления на мембране        Рис.1. Схема эволюционного изменения архитектуры политенных хромосом трофоцитов яичников восьми видов малярийных комаров палеарктического комплекса Anopheles maculipennis. Стрелками показаны направления видообразования (сплошными - наиболее вероятные, пунктирными - менее вероятные).

На основании данных по видовым комплексам "D. melanogaster" и "D. virilis" можно оценить основные закономерности реорганизации хромосомной архитектуры в филогенетических направлениях от стволовых (исходных) видов к терминальным (производным) видам [14, 15]. Общая схема такова: у стволовых видов (D. orena, D. virilis, D. kanekoi, D. flavomontana) наблюдается концентрация гетерохроматина в области хромоцентра, затем у производных видов хромоцентр визуально исчезает, и хромосомы демонстрируют либо свободное (без прикрепления к ядерной оболочке) состояние (D. mauritiana, D. teissieri, D. yakuba), либо частичное (отдельные хромосомы) прикрепление (D .novamexicana) (рис. 2)

. Рис.2. Схема эволюционного изменения архитектуры первично политенных хромосом трофоцитов яичников восьми видов комплекса Drosophila melanogaster. Стрелками показаны направления видообразования, основанные на комплексных данных [14]

Обнаруженный принцип хромосомной реорганизации рассматривается нами как явление мутационного ранга, не имеющего аналогов среди известных типов хромосомных мутаций. Таким образом, перестройку архитектуры интерфазного ядра можно оценить как новый тип мутаций, названный нами системными мутациями.

Системные мутации возникают в результате пространственной реорганизации интерфазных хромосом в ядре за счет изменения хромосомно-мембранных взаимоотношений. Системные мутации в своем происхождении связаны с перестройкой хромоцентрального аппарата: изменяется структура хромоцентра (от локального до диффузного) вплоть до визуального исчезновения последнего; появляется (или исчезает) прикрепление центромерных, теломерных и других хромосомных локусов к ядерной оболочке. Особенностью системных мутаций является также то, что они: 1) четко выявляются только в клетках генеративной ткани; 2) являются видоспецифичными и не обнаруживают внутривидового полиморфизма; 3) проявляют «гетерозиготность» только у межвидовых гибридов, геномы которых отражают различия в архитектуре хромосом «отцовского» и «материнского» видов.

Таким образом, архитектура хромосомного аппарата генеративной ткани представляет собой элементарную типологическую систему, отражающую видоспецифичность признаков.

Происхождение системных мутаций. 

Как выше было отмечено, перестройка архитектуры хромосомного аппарата, или системные мутации, были обнаружены только в питающих клетках (трофоцитах) яичников самок комаров и дрозофилы. Изучение соматических тканей с политенными хромосомами (слюнные железы, мальпигиевы сосуды) не выявило каких-либо очевидных различий в пространственной организации хромосом между видами. Для всех изученных видов малярийных комаров в соматических тканях существует универсальная организация хромосом: они объединены центромерными районами в единый хромоцентральный узел по принципу эктопической конъюгации. Для дрозофил также характерна однотипная система организации политенных хромосом слюнных желез, хотя и хромоцентральное объединение центромерных участков представляет более диффузное хроматиновое «облако», чем у комаров. Интересно, что у межвидовых гибридов F1 в клетках слюнных желез малярийных комаров хромоцентр остается общим для гомеологов «отцовского» и «материнского» видов при отсутствии конъюгации между гомеологичными хромосомами (частичном — у аутосом и полном — у половых хромосом).

Таким образом, учитывая происхождение питающих клеток, системные мутации относятся непосредственно к генеративной сфере. Действительно, исследования, проводимые уже более 80 лет (Э. Вильсон, X. Равен, R. King), убедительно и однозначно свидетельствуют, что трофоциты у организмов с нутриментарным (алиментарным) типом оогенеза являются сестринскими с собственно ооцитом. В генеративной ткани самок первичные оогонии делятся несколько раз (у малярийных комаров - 3 раза, у дрозофилы - 4 раза). В результате возникает 8 клеток у комаров и 16 - у дрозофилы. Центральная по суперпозиции клетка становится ооцитом, остальные (7 - у комаров и 15 - у дрозофилы) - питающими (трофоцитами), R. King [16] показал, что ооцит связан со всеми остальными сестринскими клетками (трофоцитами) цитоплазматическими мостиками. Впоследствии ооцит претерпевает мейотические преобразования, а питающие клетки остаются диплоидными. В начале периода созревания фолликула хромосомы трофоцитов интенсивно политенизируются и с высочайшей активностью синтезируют РНК-продукты, практически полностью обеспечивая рост и развитие ооплазмы, и, что самое главное, формируют ооплазматическую сегрегацию.

Системные мутации наиболее четко проявляются в период максимального развития политенных хромосом у малярийных комаров. У дрозофилы в норме в трофоцитах существуют так называемые первично-политенные хромосомы, размеры которых значительно меньше таковых у комаров, и между тем системные мутации проявляются достаточно четко.

Методически пока невозможно оценить архитектуру хромосом в оогониях и ооците. Однако есть все основания считать, что топологические параметры взаиморасположения отдельных хромосом и их связи с ядерной оболочкой в оогониях и ооците так же, как и у трофоцитов, носят видоспецифичный характер. Наши данные показывают, что для ооцита малярийных комаров характерно отсутствие общего локального хромоцентра, что совпадает с данными по трофоцитам, следовательно, схема хромосомной организации у них идентична. В пользу этого свидетельствуют также «гибридные конфигурации» (F1) ядер ооцитов на стадии пахитены (от скрещивания Anopheles maculipennis и A. subalpinus), показывающие отсутствие конъюгации гомеологов хромосом, как и в «гибридных» трофоцитах.

В заключение, касаясь принципов пространственной организапии хромосом половых клеток (яйцеклеток и спермиев), необходимо отметить, что методические ограничения визуализации их хромосом не позволяют пока детально оценить характер топологии. Было бы опрометчиво предполагать, что архитектура хромосом и трофоцитов идентична, поскольку и структурно и функционально эти системы различаются, хотя и имеют общее происхождение. Однако есть достаточно оснований считать, что и в ооците, и в оогониях, а также в спермиях и сперматогониях элементы видоспецифичной архитектуры хромосом идентичны трофоцитам. В этом отношении важные данные демонстрируют межвидовые гибриды малярийных комаров. В трофоцитах самок F1 обнаруживаются все специфичные элементы организации хромосом, характерные для каждого из родительских типов. Впечатляет то, что посредством спермиев от родителя-самца передается полная информация относительно видоспецифичной архитектуры хромосом в трофоцитах самок своего вида. Это достаточно убедительный аргумент в пользу видоспецифичности хромосомной архитектуры ядер в генеративной ткани в целом с подобными же видоспецифичными особенностями в отдельных клеточных системах ткани. Клетки зародышевого пути от оогониев в гермарии до зрелого ооцита (у самок) и от сперматогониев до сперматозоидов (у самцов) определенно имеют видовую специфику в структурной организации ядерного материала, как это предполагал известный цитолог конца XIX века О. Гертвиг.