CC BY
35
№ З1З
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Август
2008
БИОЛОГИЯ
УДК 575, 576
И.Э. Вассерлауф
ДИНАМИКА ОРИЕНТАЦИИ ХРОМОСОМ В ЯДРАХ ТРОФОЦИТОВ ЯИЧНИКОВ У БЛИЗКОРОДСТВЕННЫХ ВИДОВ ПОДГРУППЫ D. melanogaster И ГРУППЫ D. virilis
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ - 07-04-01484 и Ведущей научной школой РФ - НШ- 2027.2008.4.
Проведен анализ ориентации первичных и вторичных политенных хромосом трофоцитов яичников Drosophila melanogaster. Выявленная ориентация хромосом трофоцитов принципиально отличается от организации политенных хромосом соматических тканей. Обнаружены существенные различия в архитектонике политенных хромосом трофоцитов между видами подгруппы D. melanogaster, а также между видами группы D. virilis. Выявлены эволюционные тенденции в реорганизации архитектоники хромосом у видов подгруппы D. melanogaster и видов группы D. virilis.
Тканевая специфичность ориентации хромосом в ядрах трофоцитов яичников в линиях Б. melanogaster
Ориентация хромосом в пространстве ядра у эукариот неслучайна и играет важную роль в экспрессии генов и сегрегации хромосом в процессе клеточного деления [1. С. 3; 2. С. 9; 3. С. 18]. Для интерфазного ядра характерна динамичность хроматина [4. С. 3; 5.
С. 7], при этом хромосомы сохраняют свою территориальность и взаимное расположение [6. С. 12; 7. С. 9]. По своей функциональной значимости ядра с политен-ными хромосомами большинства двукрылых насекомых являются хорошей моделью интерфазных ядер для изучения функциональной, структурной и пространственной организации хромосом.
В настоящее время известно, что одной из особенностей ориентации политенных хромосом в ядрах является тканеспецифичность. Впервые тканеспецифич-ность у двукрылых насекомых была выявлена только в соматических тканях - в слюнных железах, протара-кальной железы, средней и задней кишки и мальпигиевых сосудов. У Б. melanogaster с помощью конфокальной микроскопии и компьютерной обработки была обнаружена тканевая специфичность трехмерной ориентации политенных хромосом в ядрах соматической ткани (слюнных желез, протаракальной железы, средней и задней кишки и мальпигиевых сосудов) [8. С. 15].
Сравнительный анализ архитектоники хромосом в ядрах слюнных желез, протаракальной железы, средней и задней кишки Б. melanogaster показал характерную для соматической ткани полярную ЯаЫ ориентацию. В то же время было обнаружено, что в каждом клеточном типе гетерохроматиновые районы имеют уникальную структуру и тенденцию к объединению. При этом организация ядрышкового хроматина имеет свою специфичность.
В отличие от слюнных желез в ядрах протаракальной железы хромоцентр, «окантовывая» ядрышко, расположен внутри ядра. Структура хромоцентра средней кишки очень варьирует. В основном это сетчатое разделенное на сегменты образование, при этом проксимальные концы плеч аутосом часто отделены друг от друга; так, плечи 3Я и 3Ь рассредоточены почти на 50 мкм. Также было отмечено, что с увеличением политенизации уменьшается
относительная толщина гетерохроматических связей и возрастает склонность к разрывам [8. С. 15].
Таким образом, исследования показали тканеспе-цифичность структуры хромоцентра и его расположение в ядрах соматической ткани.
Впервые В.Н. Стегний [1. С. З; 9. С. 110] выявил кардинальные различия в архитектонике ядер соматической и генеративной тканей у малярийных комаров. Для архитектоники ядер слюнных желез и мальпигиевых сосудов характерна такая же ориентация хромосом, как у Drosophila [8. С. 15; 10. С. ЗЗ]. Хромосомы объединены центромерными районами в общий хромоцентр, который располагается вблизи с оболочкой ядра, и хромосомы лежат на периферии ядра.
В отличие от соматической ткани в ядрах трофоцитов яичников семи видов Anopheles политенные хромосомы не образуют общего хромоцентра. Каждая хромосома имеет свою пространственную локализацию в ядре. Некоторые хромосомы имеют прикрепления центромерными районами к оболочке ядра, а также локу-соспецифичными участками внутренних областей (ХЬ - плечо Х-хромосомы Anopheles messeae). Полагают, что подобные связи хромосом образуются с ядерным матриксом [9. С. 110; 11. С. 5]. Эти данные отражают принципы онтогенетической специфичности двух тканевых систем - соматической и генеративной [1. С. З; 9. С. 110].
Для двукрылых насекомых характерен нутримен-тарный тип оогенеза, где ооцит и трофоциты происходят от одной генеративной клетки (цистобласта). У дрозофилы после 4 делений формируется 16-клеточная циста (у комара циста состоит из 8 клеток). Одна из клеток цисты становиться ооцитом, остальные 15 -трофоцитами. Трофоциты связаны между собой и ооцитом цитоплазматическими мостиками. В ооците идет процесс мейоза, а в трофоцитах (питающих клетках) - эндоредупликация хроматина с образованием политенных хромосом и активный синтез рибосомаль-ной РНК. Все продукты, необходимые для роста и развития ооплазмы и созревания яйца, поступают из тро-фоцитов в ооцит. У малярийных комаров политенные хромосомы трофоцитов хорошо структурированы, имеют дисковую структуру [1. С. З; 9. С. 110], в то время как у дрозофилы на стадиях оогенеза с 8э по S7
выявляются эндополиплоидные ядра с различной степенью политенизации и морфологией хроматина: мелкие ядра с ретикулярной структурой хроматина; первичные политенные хромосомы, имеющие гетерохроматиновые блоки; помпонообразные, компактные хромосомы; стадия распада помпонообразных хромосом и ядра с ретикулярной структурой хроматина [15. С. 10]. Первичные политенные хромосомы на стадиях 84 - 85 эндоцикла удобны для изучения взаимного расположения хромосом в ядре. Только в мутантных линиях Б. melanogaster вґи- и /і- в ядрах псевдопитающих клеток образуются политенные хромосомы, по структуре сходные с хромосомами слюнных желез [13. С. 480].
У малярийных комаров на стадии пахитены хромосомы ооцита не образуют локального хромоцентра, что также характерно для хромосом трофоцитов яичников
[9. С. 110], что говорит о их сходстве. Оценивать ориентацию определенных хромосом в ядре ооцита довольно сложно, поэтому сестринские ооциту клетки трофоцитов являются удобной моделью в изучении архитектуры их ядер.
Впервые нами проводился сравнительный анализ ориентации политенных хромосом в ядрах соматических тканей с первичными и вторичными политенными хромосомами (мутантная линия /і- и otu-) в ядрах трофоци-тов яичников Б. melanogaster. Первичные политенные хромосомы значительно короче обычных политенных хромосом, не имеют четко выраженной дисковой структуры, представлены «рыхлыми» пучками хромонем. С ростом политенизации в мутантных линиях /і- и ои образуются вторичные политенные хромосомы, по структуре сходные с хромосомами слюнных желез (рис. 1).
Рис. 1. Ориентация первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников линий fs (2)B - (б);
Canton’S (в) и вторичных политенных хромосом в ядрах псевдопитающих клеток яичников линий fs (2)B - (а); otu-11 - (г, д) D. melanogaster. Стрелками показаны места прикреплений хромосом прицентромерными районами к оболочке ядра. XL - левое плечо Х-хромосомы; 2R - правое плечо хромосомы 2; 2L - левое плечо хромосомы 2; 3R - правое плечо хромосомы 3; 3L - левое плечо хромосомы 3;
С - прицентромерные районы; N - ядрышко
Первичные политенные хромосомы
Было обнаружено сходство в ориентации первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов между линиями fs(2)B (рис. 1, б) и Canton’S (рис. 1, в). Прицентромерные районы хромосом не образуют общего хромоцентра, и этим кардинально отличаются от архитектуры хромосом в ядрах слюнных желез и других соматических тканей. Хромосомы в ядрах трофоцитов яичников D. melanogaster строго упорядочены - хромосомы
Х и 3 прицентромерными районами близко ассоциированы по отношению друг к другу, а хромосома 2 локализована напротив них. Точечная хромосома 4 очень компактная и находится в зоне прицентромерного района хромосомы 3. Причем хромосомы расположены (по часовой стрелке) в порядке ХЬ -4 - 3 - 2.
Выявленный нами порядок хромосом в ядрах тро-фоцитов (ХЬ-4-3-2) совпадает с упорядоченностью пахитенных хромосом в кольцевом хромоцентре в ядре ооцита (/Х-4/ 4-3К 3Ь-2Я 2Ь-Х) [14. С. 11]. Это еще
раз подтверждает, что упорядоченность хромосом ооцита и трофоцитов сходна.
Таким образом, первичные политенные хромосомы трофоцитов яичников Б. melanogaster имеют архитектонику хромосом в ядре, принципиально отличную от хромосом слюнных желез, причем отсутствие локального хромоцентра является главным тканеспецифичным критерием.
Вторичные политенные хромосомы
Вторичные политенные хромосомы выявляются в ядрах псевдопитающих клеток яичников мутантных линий/&’(2)Б (рис. 1, а), оЫ-11 (рис. 1, г, д). Ориентация вторичных политенных хромосом сходна с первичными политенными хромосомами/&’(2)Б (рис. 1, б) и Сап-^п’8 (рис. 1, в). Для них также характерно отсутствие хромоцентра, плечи хромосом разобщены и связаны между собой тонкими гетерохроматиновыми фибриллами, в прицентромерных районах 2Я и 3Ь хромосомных плеч выявляются асинапсисы, от которых отходят фибриллы к центромерным гетерохроматиновым блокам. От этих блоков выпетливаются тонкие фибриллы, непосредственно контактирующие с оболочкой ядра. В некоторых ярко прокрашиваемых ядрах выявляется ядрышко, которое практически занимает весь объем ядра. Х - хромосома ядрышкообразующая, ее прицен-тромерный гетерохроматиновый блок локализован на ядрышке, от которого также отходят фибриллы, контактирующие с оболочкой ядра. Прицентромерные районы хромосом 3 и 4 локализованы близко к прицен-тромерному району Х-хромосомы и образуют второе ядрышко, с которым контактируют. Хромосома 2 локализована напротив этих хромосом и также прицен-тромерным районом контактирует с ядрышком.
Таким образом, ориентация хромосом трофоцитов яичников на протяжении всего эндоцикла от первичных политенных хромосом до образования вторичных политенных хромосом не изменяется. В этом отношении интересно сопоставить наши данные с данными, полученными Седатом [8. С. 15] на слюнных железах Б. melanogaster. Им было выявлено в пяти ядрах «два хромоцентра», была обнаружена близкая локализация прицентромерных районов Х-хромосомы и хромосомы 3 и обособленность от них прицентромерного района хромосомы 2. Эта особенность ассоциации прицен-тромерных районов хромосом более ярко выявляется в ядрах трофоцитов яичников, где хромосомные плечи не образуют локального хромоцентра, а ассоциация прицентромерных районов в ядрах трофоцитов сохраняется. В то же время ярко выявляется отличие в ориентации хромосом в ядрах трофоцитов, где хромосомы не образуют общий хромоцентр и не имеют полярную ориентацию.
Все эти данные позволяют предполагать, что ассоциация прицентромерных районов хромосом в ядрах соматической и генеративной систем клеток сохраняется вне зависимости от наличия или отсутствия хромоцентра.
Трофоциты яичников имеют важное функциональное значение в наработке большого количества ядрышкового материала, необходимого для ооцита. В связи с
этим наблюдается большое ядрышко, практически заполняющее все пространство ядра. Возможно, поэтому выявляется разобщение плеч хромосом и отсутствие локального хромоцентра. По предварительным данным, на лакто-ацетоорсеиновых препаратах нами было выявлено, что все хромосомы вытесняются ядрышком на периферию ядра и хромосомы прицентромерными районами непосредственно контактируют с ядрышком. Подобная тесная связь центромерных районов хромосом с ядрышком была также обнаружена в ооцитах [ІЗ. С. ІІ] и в ядрах прото-ракальной железы [8. С. ІЗ]. Если сопоставить различия в организации хромосом между отдельными соматическими тканями и между соматическими и генеративной, то в последнем случае разница гораздо существеннее.
Однако отсутствие локального хромоцентра в тро-фоцитах яичников не дает оснований считать, что его вообще не существует. По-видимому, хромоцентр, непосредственно связанный с образованием ядрышка в ядрах трофоцитов, с ростом ядрышка «разрастается», превращаясь в диффузный хромоцентр, рассредоточенный в пространстве ядра.
Тканевая специфичность ориентации хромосом в ядрах трофоцитов у Calliphora erythrocephala. У другого представителя двукрылых насекомых Calliphora erythrocephala нами также была выявлена тканевая специфичность ориентации хромосом в ядрах трофо-цитов. В отличие от хромосом щетинкообразующих клеток первичные политенные хромосомы в ядрах трофоцитов не образуют локального хромоцентра, хромосомы рассредоточены в пространстве ядра и строго упорядочены по отношению друг к другу. Зачастую можно обнаружить следующее ассоциированное распределение хромосом: 6-2, 4-З, З-І.
Таким образом, можно отметить, что тканеспеци-фичность пространственной организации хромосом, выявленная впервые на D. melanogaster (в соматических тканях) [І6. С. 7], а затем убедительно подтвержденная работами по видам комплекса Anopheles maculipennis (в соматических и генеративной системах клеток) [І. С. З] и, наконец, материалами группы Седа-та [8. С. ІЗ] и настоящими данными, имеет общее биологическое значение, связанное с функциональной особенностью этих клеток, для которых характерна эндоредупликация хроматина с образованием политен-ных хромосом и активным синтезом необходимых продуктов для определенных тканей.
Видовая специфичность ориентации хромосом в ядрах трофоцитов яичников у видов подгруппы D. melanogaster и группы D. virilis
В І979 г. В.Н. Стегний [І. С. З; 9. С. ІІ0] впервые обнаружил, что ориентация политенных хромосом в ядрах трофоцитов у малярийных комаров является не только тканеспецифичным, но и видоспецифичным признаком. В ядрах трофоцитов яичников близкородственных видов малярийных комаров были выявлены видовые отличия в ориентации хромосом. Видоспеци-фичность проявлялась в наличии или отсутствии связей определенных хромосом с ядерной оболочкой; в морфологии участков прикрепления хромосом к оболочке; в разобщенности мест прикрепления гомеологичных
хромосом на ядерной оболочке межвидовых гибридов [9. С. 110]. Было установлено, что в ходе филогенетического развития выявляются общие закономерности изменения в пространственной организации хромосом в ядрах трофоцитов яичников у близкородственных видов. Такая реорганизация архитектуры ядра, сопряженная с видообразованием, была названа системной мутацией [1. С. 3; 9. С. 110].
Вероятно, что системная мутация может являться одним из механизмов сальтационного видообразования, поэтому поиск феномена системной мутации у других представителей двукрылых насекомых необходим для выяснения общебиологического значения этого явления.
В связи с этим нами была изучена ориентация хромосом в ядрах трофоцитов яичников у близкородственных видов подгруппы D. melanogaster и группы D. virilis.
Ориентация первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников у близкородственных видов подгруппы D. melanogaster. Виды подгруппы D. melanogaster рода Drosophila (Sophophora) известны как комплекс девяти морфологически сходных и близкородственных видов. Подгруппу D. melanogaster подразделяют на два комплекса - «melanogaster» и «yakuba». В комплекс «melanogaster» входят следующие виды: D. melanogaster Meigen, 1830; D. simulans Sturtevant, 1919; D. mauritiana Tsacas, David, 1974; D. sechellia Tsacas, Bachli, 1981. В комплекс «yakuba» -D. yakuba Burla, 1954; D. teissieri Tsacas, 1971; D. erecta Tsacas, Lachaise, 1974; D. orena Tsacas, David, 1978; D. santomea Lachaise, Harry, 2000. Для всех видов характерен следующий кариотип: n = 4, две аутосомы -метацентрические, хромосома 4 - точечная, Х и Y -телоцентрики. D. orena отличается от других видов метацентрическими Х- и Y-хромосомами.
У всех видов подгруппы D. melanogaster в ядрах тро-фоцитов образуются первичные политенные хромосомы, которые по организации подобны первичным политенным хромосомам D. melanogaster и удобны для изучения видовых особенностей ориентации хромосом в ядре. На стадиях эндоцикла с S3 по S7 выявляются эндополиплоидные ядра с различной степенью политенизации и морфологией хроматина. Нами была изучена ориентация удлиненных и компактных первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов на стадиях S3 - S5 эндоцикла (рис. 2).
У видов подгруппы D. melanogaster была обнаружена сходная упорядоченность и ассоциация прицентромерных районов первичных политенных хромосом трофоцитов. У всех видов, кроме D. orena, плечи хромосом не объединены в локальный хромоцентр, подобный хромосомам слюнных желез. Хромосомы Х и 3 прицентромерными районами близко ассоциированы по отношению друг к другу, а хромосома 2 располагается напротив них. Точечная хромосома 4 либо находится в зоне прицентромерно-го района хромосомы 3 (D. melanogaster, D. simulans и D. sechellia, D. erecta, D. orena), либо локализована рядом с хромосомой 3 (D. mauritiana, D. yakuba, D. santomea, D. teissieri). Хромосомы при этом строго упорядочены по отношению друг к другу (по часовой стрелке) в порядке ХЬ - 4 - 3 - 2.
В то же время были выявлены видовые особенности в архитектонике хромосом, по всей видимости, связанные с количеством и распределением гетерохромати-
новых блоков в хромосомах. Организацию хромосом в ядре у видов подгруппы Б. melanogaster можно подразделить на несколько типов: 1-й тип - хромосомы не образуют локального хромоцентра, рассредоточены в пространстве ядра и прицентромерными тяжами контактируют с оболочкой ядра (Б. melanogaster) (рис. 2, а); 2-й тип - прицентромерные районы хромосом объединены хроматиновым тяжом с образованием «растянутого хромоцентра» (Б. іШиШт (рис. 2, б), (Б. єгє^ (рис. 2, з)); 3-й тип - прицентромерные районы хромосом объединены «кольцевым» хромоцентром (Б. і'ЄС-hellia (рис. 2, в)); 4-й тип - хромосомы рассредоточены в пространстве ядра, плечи хромосом в центромерном районе объединены гетерохроматиновым блоком, визуально не контактируют с оболочкой ядра и не образуют хромоцентра (Б. mauritiana (рис. 2, г), Б. yakuba (рис. 2, е), Б. santomea (рис. 2, ж), Б. teissieri (рис. 2, и)), 5-й тип - хромосомы имеют хромоцентральную организацию, хромоцентр содержит два крупных гетерохроматиновых блока (Б. orena (рис. 2, д)).
Почти у каждого вида были обнаружены два морфологических типа ядер. Так, у Б. іШиШт и Б. єгє^ в 25% ядер не выявляется характерный для этих видов «растянутый» хромоцентр, а у Б. sechellia, помимо ядер с «кольцевым» хромоцентром, встречаются ядра с «диффузным» хромоцентром. У Б. mauritiana, Б. yakuba, Б. santomea и Б. teissieri плечи хромосом объединены гетерохроматиновым блоком, а также встречаются ядра, в которых плечи хромосом разобщены и не содержат гетерохроматиновый блок, что, по-видимому, связано с деком-пактизацией гетерохроматина. В отличие от малярийных комаров, у которых ориентация хромосом в ядрах трофоцитов визуально не изменяется [1. С. 3; 9. С. 110], у видов подгруппы Б. melanogaster проявляются различные по морфологии типы ядер. Это связано с различными стадиями эндоцикла и функциональной значимостью ядер трофоцитов яичников, которые несут основную функциональную нагрузку в питании ооцита, связанную с образованием ядрышкового материала. С помощью Ag окраски, нами было установлено, что на протяжении эндоцикла наблюдается динамика гетерохроматиновых блоков, связанная с их декомпактизаци-ей и с функционированием ядрышка. Причем визуально наблюдаемый «разрыв» плеч хромосом 2 и 3 непосредственно связан с образованием ядрышка. По-видимому, помимо ядрышкообразующей Х-хромо-сомы прицентромерные гетерохроматиновые блоки хромосом 2 и 3, содержащие р-ДНК последовательности [17. С. 7], непосредственно принимают участие в образовании ядрышка. Несмотря на декомпактизацию гетерохроматина, приводящую к разобщению плеч хромосом, на протяжении всех стадий эндоцикла сохраняется ассоциация между прицентромерными районами хромосом Х с хромосомой 3, а хромосома 2 локализована в противофазе. Это свидетельствует о консервативности ориентации хромосом в пространстве ядра по отношению друг к другу.
В связи с вышесказанным видоспецифичность ориентации хромосом в ядре мы определяли на той стадии эндоцикла, когда архитектура хромосом в ядрах была наиболее характерной для определенного вида и таких ядер по количеству было значительно больше, чем ядер
с другим морфологическим типом. Таким образом, были выявлены определенные характерные черты для каждого вида подгруппы D. melanogaster. Так, у D. melanogaster хромосомные плечи разобщены и при-центромерными районами связаны с оболочкой ядра,
хромосомные плечи D. smulans объединены «растянутым» хромоцентром, хромосомы D. secheШa объединены в «кольцевой» хромоцентр, у D. mauritiana плечи хромосом 2 и 3 не имеют разобщения, и прицентромерные районы содержат гетерохроматиновые блоки.
Рис. 2. Ориентация первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников у близкородственных видов подгруппы Drosophila melanogaster. D. melanogaster (a); D. simulans (б); D. sechellia (в); D. maurirtiana (г); D. orena (d);
D. yakuba (е); D. santomea (ж); D. erecta (5); D. teissieri (и); XL, 2, 3 - хромосомы; С - прицентромерные районы; ХЦ - хромоцентр
В комплексе «yakuba» D. orena имеет хромоцентральную организацию и этим отличается от всех видов подгруппы, у D. erecta хромосомные плечи объединены «растянутым» хромоцентром. D. yakuba, D. santomea и D. teis-sieri имеют сходную ориентацию хромосом в ядре - плечи хромосом 2 и 3 не разобщены и объединены гетерохроматиновым блоком. Суммируя полученные данные, можно сделать вывод, что есть ряд видов со сходной организацией хромосом в ядрах: D. smulans и D. erecta, а также виды D. mauritiana, D. yakuba, D. santomea и D. teis-sieri. В связи с этим проявляется несколько типов организации ядер трофоцитов: с локальной хромоцентральной организацией, с диффузным хромоцентром и ориентаци-
ей хромосом, с отсутствием хромоцентра и прикреплением прицентромерных районов хромосом к оболочке ядра.
Поскольку ряд видов имеет сходную организацию хромосом в ядре, нами были получены межвидовые гибриды с целью анализа более тонких видовых особенностей организации хромосом в пространстве ядра.
В комплексе «пйапс^айет» были получены межвидовые гибриды от следующих скрещиваний - D. mauritiana х х D. smulans; D. smulans х D. melanogaster; D. smulans х х D. secheШa; D. mauritiana х D. secheШa; D. secheШa х х D. mauritiana. У всех межвидовых гибридов в ядрах трофоцитов яичников выявляются нарушения в спаривании гомеологов, и асинаптированными могут быть прицентро-
мерные районы или же целиком хромосомные плечи (рис. 3). Полное отсутствие конъюгации больше характерно для «компактных» хромосом (рис. 3, б).
У гибрида D. таигі^апа х D. і'ітиіат (рис. 3, а, б) наблюдается объединение прицентромерных участков гомеологов «і'ітиіат» с «растянутым» хромоцентром, характерным для данного вида. Гомеологи «таи-гі^апа» в центромерной части не образуют такого объединения. Таким образом, в гибридной конфигурации сохраняются видоспецифичные позиции хромосомных плеч. У гибрида D. і'ітиіат х D. теїа-nogaster (рис. 3, в, г) (к сожалению, полученный только однажды) гомеологичные хромосомы полностью
асинаптированы и рассредоточены в пространстве ядра. Причем в отличие от гибрида D. таигШапа х D. &ч-ти1ат' (рис. 3, а, б) асинаптирование гомеологов наблюдалось на ранней стадии развития политенных хромосом. По-видимому, это связано с наибольшим межвидовым различием, для которого характерна не только видоспецифичность мест прикрепления хромосом на оболочке ядра, но и видоспецифичность в территориальности хромосомных плеч. Таким образом, у межвидового гибрида D. &'Ши1ат' х D. mela-nogaster проявляются яркие отличия в ориентации хромосом в ядрах трофоцитов яичника между видами D. &чти1ат' и D. melanogaster.
Рис. 3. Ориентация хромосом первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов у межвидовых гибридов В. таигШапа х В. $1ти1ат (а, б); В. 81ти1ап8 х В. melanogaster (в, г); ХЬ, 2Я, 2Ь, 3Я, 3Ь - обозначение плеч хромосом; Ст (таигШапа); Сб ($/'ти1ап$); 02^, С2Ьб, Сзкт,С зьб (5/ти1ап5); С2Ит, С2Ьт, Сзкт,
С зьт (те1апс§ав1ег) - прицентромерные районы гомеологов
У межвидовых гибридов В. &чти1ат' х В. secheШa; В. таигШапа х В. secheШa; В. secheШa х В. таигШапа в ядрах трофоцитов также проявляются нарушения в спаривании гомеологов в прицентромерных районах или полное асинаптирование хромосомных плеч. У гибрида В. &'Ши1ат' х В. secheШa также было обнаружено асинаптирование гомеологов. Визуально организация хромосом в ядрах этих гомосеквентных видов сходна, однако при скрещивании между ними наглядно выявляется видоспецифичная локализация диффузных хромоцентров по отношению к ядерной оболочке.
До открытия нового вида D. santomea в комплексе «уакиЬа» ни от одного межвидового скрещивания не были получены гибриды. D. santomea является гомосе-квентным видом по отношению к D. уакиЬа и поэтому легко скрещиваются между собой в обоих направлениях. Их гибриды были также найдены и в природных популяциях [26. С. 8]. Ориентация и структура хромосом в ядрах трофоцитов яичников у D. уакиЬа и D. і'ап-tomea визуально сходна. Тем не менее у межвидовых гибридов от скрещиваний - D. уакиЬа х D. і'ап^теа; D. santomea х D. уакиЬа - было выявлено нарушение в
спаривании гомеологичных хромосом в прицентромер-ных районах или полное асинаптирование плеч гомеологов.
Подобные результаты были ранее получены у гомо-секвентных видов малярийных комаров Anopheles maculipennis и An. subalpinus; An. atroparvus и An. subalpinnus [9. С. 110]. Для гомосеквентных видов, таких как D. sechellia и D. simulans (комплекс «melano-gaster»r), а также D. yakuba и D. santomea (комплекс «yakuba»), характерно сходство в ориентации хромосом в ядре, а их видоспецифичное различие проявляется только у межвидовых гибридов. Эти данные также свидетельствуют о близком родстве этих видов по их происхождению.
Таким образом, только с помощью гибридологического анализа проявляются видовые отличия в ориентации хромосом в ядрах трофоцитов у видов подгруппы D. melanogaster.
Сопоставляя полученные данные с известными признаками видоспецифичной организацией политенных хромосом трофоцитов малярийных комаров [9. С. 110], можно отметить, что для подгруппы D. melanogaster характерны те же параметры видоспецифичности, что и впервые открытые для комаров. Эти принципы видоспецифичности заключаются в следующем:
1) наличие I отсутствие связей хромосом с оболочкой ядра и локализация связей на хромосомах;
2) морфология хромосомных участков прикрепления;
3) разобщенность мест прикрепления гомеологичных хромосом на ядерной оболочке межвидовых гибридов;
4) наличие I отсутствие хромоцентра.
Разумеется, на первичных политенных хромосомах нельзя сделать тонкого анализа морфологии отдельных участков хромосом в местах прикрепления к ядерной оболочке, однако наличие или отсутствие прикрепления хромосом хорошо видно, как и разобщенность гомеологов хромосом в гибридных геномах.
Таким образом, в подгруппе D. melanogaster, в том числе и у гомосеквентных видов D. simulans, D. sechellia, D. mauritiana (комплекс «melanogaster»), D. yakuba и D. santomea (комплекс «yakuba»), так же как и у малярийных комаров [1. С. З; 9. С. 110], была выявлена реорганизация ориентации хромосом в ядрах трофоцитов в процессе видообразования. Этот феномен впервые был открыт на малярийном комаре и назван системной мутацией [1. С. З; 9. С. 110]. Отсюда следует, что данные, полученные в подгруппе D. melanogaster, фактически подтверждают феномен системной мутации, открытый на малярийных комарах.
Мы предположили, что с помощью анализа видовой специфики архитектоники первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов 9 видов подгруппы D. melano-gaster можно установить, как эволюционировала хромосомная организация ядер, дополнить и уточнить данные по филогении подгруппы D. melanogaster и решить некоторые затруднения в вопросах систематики.
Эволюционные взаимоотношения видов подгруппы D. melanogaster интенсивно изучаются на протяжении нескольких десятилетий, и до сих пор существует множество нерешенных вопросов в филогении этих видов. Особенно спорным моментом являются филогенетические взаимоотношения между гомосеквентными
видами D. smulans, D. таигШапа и D. secheїїia. До сих пор нет однозначного ответа на вопрос, какой вид является исходным для всей подгруппы D. melanogaster.
Многочисленные исследования с использованием разнообразных подходов, таких как анализ политенных хромосом [18. С. 19; 19. С. 8], репродуктивной изоляции [20. С. 9], последовательностей митохондриальной и ядерной ДНК [21. С. 8], эволюции паттернов генной экспрессии [22. С. 10], двухмерный электрофорез белков и аллозимная изменчивость [23. С. 11], исследование молекулярной эволюции последовательностей ДНК [24. С. 11], вертикального и горизонтального переноса мобильных генетических элементов [25. С. 11] и многих других не позволили прийти к единой схеме филогении в данной подгруппе, в частности относительно расположения пар видов D. уакиЬа - D. teissieri и D. еге^а - D. огепа по отношению к филаде «melanogaster» - D. simulans -D. таигШапа - D. secheїїia.
С открытием нового вида D. santomea было дополнено филогенетическое древо происхождения видов подгруппы D. melanogaster. По последовательностям цитохрома Ь была выявлена общность цитоплазматического происхождения D. santomea, D. уакиЬа, D. teis-sieri [26. С. 8]. Молекулярные и кариотипические данные показали, что D. santomea является близкородственным к D. уакиЬа видом.
Используя комплексный подход, основанный на более чем десяти независимых показателях, Доувер с соавторами [27. С. 27] и позднее О’Грэди [28. С. 6] показали, что D. огепа является филогенетически исходным видом не только для комплекса «уакиЬа», но и для всей подгруппы D. melanogaster. Эти данные согласуются и с результатами, полученными нами на основе изучения ориентации хромосом в ядрах трофоцитов яичников у 9 близкородственных видов подгруппы D. melanogaster. Нами также было обнаружено, что D. огепа отличается от всех видов хромоцентральной организацией первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников. Такая архитектоника хромосом в ядре связана с большим количеством гетерохроматина в хромоцентре. Известно, что D. огепа -единственный в подгруппе вид, который содержит мета-центрические Х- и У-хромосомы, причем р- и С-окраски выявили наличие большого количества гетерохроматина в ХЯ- плече, а метацентрическая У-хромосома полностью гетерохроматиновая [19. С. 8].
На основе полученных нами данных об ориентации хромосом в ядрах трофоцитов у 9 видов подгруппы
D. melanogaster и литературных данных о филогенетических взаимоотношениях этих видов нами была построена схема эволюционных преобразований архитектоники хромосом в ядрах трофоцитов яичников (рис. 4).
Разработанная нами схема не является в прямом смысле схемой видообразования, хотя мы и склонны считать ее близкой к последней. Сопоставляя эту схему с известными кладограммами, мы не обнаружили принципиальных отличий. Однако наша схема наиболее однозначно определяет позиции каждого вида.
Типичная хромоцентральная организация хромосом характерна только для одного вида - D. огепа, являющегося, по всей видимости, филогенетически исходным (анцестральным) видом. Огромные блоки гетерохроматина в центре, объединяющие центромерные районы
хромосом, очевидно, представляют собой плечо мета-центрической Х-хромосомы и, возможно, прицентро-мерную область хромосомы 2, дающие интенсивную Р-окраску [19. С. 8]. Б. огепа имеет максимальное среди всех видов содержание сателлитной ДНК (30% от всей ДНК) и небезосновательно признан реликто-
вым видом, имеющим эндемический ареал в высокогорье (2100 м) Камеруна [19. С. 8]. В. окпа дает начало двум филогенетическим линиям «уакиЬа» и «melanogaster», причем преобразование организации хромосом в ядрах этих линий отличается удивительным параллелизмом (рис. 4).
О. егес^а
О. telsslen
Рис. 4. Схема эволюционных преобразований архитектоники первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников у видов подгруппы В. melanogaster
Первый этап характеризуется превращением локального хромоцентра В. о^па в диффузный, объединяющий «растянутым» или «кольцевым» хромоцентром плечи хромосом (В. erecta, В. smulans и В. sechellia). Затем следующее преобразование приводит к отсутствию локального хромоцентра, при этом хромосомы либо имеют визуальную связь с оболочкой ядра, либо она отсутствует. Хотелось бы отметить, что, несмотря на такие преобразо-
вания архитектоники ядер при видообразовании, сохраняется консерватизм в ассоциации прицентромерных районов хромосом по отношению друг к другу (Х-хромосома с 3-й, хромосома 2 в противофазе), но вместе с тем места локализаций центромерных районов хромосом на ядерной оболочке менялись при каждом видообразовательном процессе. Это подтверждается гибридологическим анализом ядер трофоцитов межвидовых гибридов.
Таким образом, можно предположить общее направление эволюции ориентации хромосом в филогенетически близких видовых комплексах: от локального хромоцентра к кольцевому и к диффузному хромоцентру и затем к его визуальному исчезновению (отсутствие межхромосомных связей) и к контанктированию хромосом прицентромерными районами с оболочкой ядра (рис. 4).
Ориентация первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов у видов группы Б. уігіїіі'. Аналогичные исследования были проведены у 12 видов группы Б. уігіїіі'. Была выявлена та же картина, что и у видов подгруппы Б. melanogasteг. Изучение ориентации хромосом в ядрах трофоцитов яичников видов в двух фи-ладах «уігіїіі'» и «то^апа» выявило консерватизм в ассоциации хромосом по отношению друг к другу, в то же время хромосомы имеют видоспецифичную локализацию в ядре, что также подтвердилось анализом ориентации хромосом у межвидовых гибридов. Было установлено, что для филогенетически исходных видов Б. уігіїіі' и Б. капекоі характерно наличие диффузного хромоцентра с ярко выраженным блоком гетерохроматина (что сходно с Б. огепа). Сходную систему организации хромосом имеют дочерние виды Б. їиттеі и Б. АтотоШапа. Остальные виды частично (в филаде «уігіїіі-») или полностью (в филаде «топапа») теряют хромоцентральную организацию и хромосомы рассре-
доточены в пространстве ядра и имеют связь с оболочкой ядра.
Отсюда следует, что при видообразовательном процессе у видов группы В. у^И происходила подобная реорганизация хромосом в ядре, что и в подгруппе видов В. melanogaster. Эволюционные преобразования архитектоники хромосом в ядре шли от диффузного хромоцентра к его частичному, а затем и полному исчезновению, при этом хромосомы рассредоточены в ядре и некоторые из них контактируют с оболочкой ядра.
Таким образом, выявленная ранее на малярийных комарах реорганизация архитектоники ядер генеративной ткани в процессе сальтационного видообразования (системная мутация) [1. Т. 249. С. 3] является общебиологическим феноменом, характерным как для видов подгруппы В. melanogaster, так и для группы В. утШ. Полученные данные позволяют считать, что реорганизация архитектоники хромосом в ядрах трофоцитов, или системная мутация, является одним из ключевых механизмов в видообразовательных процессах. Однако следует отметить, что, несмотря на реорганизацию архитектуры ядра, сохраняется ассоциация хромосом по отношению друг к другу (например, у видов подгруппы В. melanogaster: Х-хро-мосома с хромосомой 3 и хромосома 2 обособлена от них), но вместе с тем места локализаций центромерных районов хромосом на ядерной оболочке претерпевают изменения при каждом видообразовательном процессе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стегний В.Н. Реорганизация структуры интерфазных ядер в онто- и филогенезе малярийных комаров / В.Н. Стегний // ДАН СССР. - 1979. -
Т. 249, № 5. - С. 1231-1234.
2. Глазков М.В. Ассоциация хромосом с ядерной оболочкой и упорядоченность пространственной организации генетического материала в
интерфазном ядре / М.В. Глазков // Цитология и генетика. - 1999. - Т. 33, № 2. - С. 79-88.
3. Marshall W.F. Nuclear architecture / W.F. Marshall, J.W. Sedat // Results Probl. Cell Differ. - 1999. - Т. 25 - Р. 283-301.
4. De Boni U. Curvilinear, three-dimensional motion of chromatin domains and nucleoli in neuronal interphase nuclei / U. De Boni, A.H. Mintz // Sci-
ence. - 1986. - Т. 234. - С. 863-866.
5. Marshall W.F. et al. Interphase chromosomes undergo constrained diffusional motion in living cells / W.F. Marshall et al. //Current Biology. - 1997. -
Т. 7. - Р. 930-939.
6. Croft J.A. Differences in the localization and morphology of chromosomes in the human nucleus / J.A. Croft, J.M. Bringer, S. Boyle, P. Perry,
P. Teague, W.A. Bickmore // J. Cell Biol. - 1999. - Т. 145, № 6 - Р. 1119-1131.
7. Cremer T. Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells / T. Cremer, C. Cremer // Nat. Rev. Genet. - 2001. -
Т. 2. - С. 292-301.
8. Hochstrasser M. Three-dimensional organization of Drosophila melanogaster interphase nuclei. I. Tissue-specific aspects of polytene nuclear architec-
ture / M. Hochstrasser, J.W. Sedat // J. Cell Biol. - 1987а. - Т. 104. - С. 1455-1470.
9. Стегний В.Н. Архитектоника генома, системные мутации и эволюция / В.Н. Стегний. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1993. - 110 с.
10. Фролова С.Л. Развитие ядер типа слюнных желез в различных органах личинок Drosophila и их сравнение с «метаболическими» ядрами личинок и имаго / С.Л. Фролова // Биол. журн. - 1938. - Т. 7, № 4. - С. 703-736.
11. Фокина Н.А. Контактирование политенных хромосом с ядерной оболочкой / Н.А. Фокина, А.Ю. Керкис, А.Д. Груздев // Цитология. - 1972. - Т. 14, № 7. - С. 830-835.
12. DejK.J. The endocycle controls nurse cell polytene chromosome structure during Drosophila oogenesis / K.J. Dej, A.C. Spradling // Development. -
1999. - Vol. 126. - P. 293-303.
13. Жимулев И. Ф. Политенные хромосомы: морфология и структура / И.Ф. Жимулев. - Новосибирск: Наука, 1992. - 480 с.
14. Чадов Б.Ф. Определение взаимного расположения хромосом в профазе мейоза I дрозофилы по коориентации негомологов / Б.Ф. Чадов,
C.В. Банникова // Генетика. - 1993. - Т. 29, № 1. - С. 42-53.
15. Davring L. Female meiosis and embryonic mitosis in Drosophila melanogaster. I. Meiosis fertilization / L. Davring, M. Sunner // Hereditas. - 1979. -
Vol. 91. - P. 53-64.
16. Steffensen D.M. Chromosoma architecture and the interphase nucleolus: Date and theory on the mechanisms of differentiations and determination /
D.M. Steffensen // Chromosomes Today. - 1977. - Vol. 6. - P. 247-254.
17. Zurita F. The relative rDNA content of a NOR determines its level of expression and its probability of becoming active. A sequential silver staining and in-situ hybridization study / F. Zurita, R. Jimenez, R. Diaz de la Geuardia, M. Burgos // Chromosome Research. - 1999. - Т. 7 - С. 563-570.
18. Lemeunier F. Relationships within the melanogaster species subgroup of the genus Drosophila (Sophophora). II. Phylogenetic relationships between
six species based upon polytene chromosome banding sequences / F. Lemeunier, M. Ashburner // Proceedings of the royal society of London B. -1976. - Т. 193 - С. 275-294.
19. Lemeunier F. Relationships within the melanogaster species subgroup of the genus Drosophila (Sophophora). IV. The chromosome of two new species / F. Lemeunier, M. Ashburner // Chromosoma. - 1984. - Vol. 89. - P. 343-351.
20. Lachaise D. The reproductive relationships of Drosophila sechellia with D. mauritiana, D. simulans and D. melanogaster from the Afrotropical region / D. Lachaise, J.R. David, F. Lemeunier, L. Tsacas, M. Ashburner // Evolution. - 1986. - Т. 40. - С. 262-271.
21. Caccone A. A molecular phylogeny for the Drosophila melanogaster subgroup and the problem of polymorphism data / A. Caccone, E.N. Moriyama, J.M. Gleason, L. Nigro, J.R. Powell // Molecular biology and evolution. - 1996. - Т. 13. - С. 1224-1232.
22. Bonneton F. Developmental variability of metallothionein Mtn gene expression in the species of the Drosophila melanogaster subgroup / F. Bonneton, M. Wegnez // Dev. Genet. - 1995. - Т. 16. - С. 253-263.
23. Matsuo Y. Evolution of the amylase isozymes in the Drosophila melanogaster species subgroup / Y. Matsuo, N. Inomata, T. Yamazaki // Biochemi-
cal genetic. - 1999. - Т. 37. - С. 289-300.
24. Takano-Shimizu T. Local recombination and mutation effects on molecular evolution in Drosophila / T. Takano-Shimizu // Genetics. - 1999. -Т. 153. - С. 1285-1296.
25. Gentile K.L. Multiple lineages of R1 retrotransposable elements can coexist in the rDNA loci of Drosophila / K.L. Gentile, W.D. Burke, T.H. Eick-bush // Mol Biol Evol. - 2001. - Т. 18. - С. 224-235.
26. Lachaise D. Evolutionary novelties in islands: Drosophila santomea, a new melanogaster sister species from Sao Tome / D. Lachaise, M. Harry, M. Solignac, F. Lemeunier, V. Benassi, M.-L. Cariou // Evolution. January. - 2000. - Vol. 267. - P. 1487-1495.
27. Доувер Г. Динамика эволюции генома и дифференцировка видов / Г. Доувер, С. Браун, Э. Коэн, Дж. Даллас, Т. Стрэтчен, М. Трик // Эволюция генома. - М.: Мир, 1986. - С. 329-356.
28. O'Grady P.M. Polytene chromosomes as indicators of phylogeny in several species groups of Drosophila / P.M. O'Grady, R.H. Baker, C.M. Durando, W.J. Etges, R. DeSalle // Evolutionary Biology. - 2001. - С. 1-6.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 19 мая 2008 г.
