Пространственная организация хромосом в ядре

Report
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южный федеральный университет»
Пространственная
организация хромосом в ядре
Ксения Куцын
Ростов-на-Дону
2012
Содержание
• Возникновение и развитие понятия хромосомных территорий
• Экспериментальные доказательства существования
хромосомных территорий
• Пространственное распределение хромосомных территорий
• Структура, форма и пластичность хромосомных территорий
• Динамика расположения хромосомных территорий во время
постмитотической дифференциации клеток и в окончательно
дифференцированных клетках
• Динамика и взаимодействие специфических локусов генов ,
расположенных на одной или на разных хромосомных
территориях
• Модели ядерной архитектуры
Геном, записанный пока в одномерном варианте, на самом деле трех- или
даже четырехмерен. Хромосомы - это объекты из реального мира,
занимающие в ядре часть трехмерного пространства.
Рубцов Н.Б., 2007
Оптические срезы интерфазного ядра
фибробласта человека.
Красным выделена ДНК хромосомы 9;
зеленым - ДНК её центромерного района.
Рубцов Н.Б., 2007
Проекции интерфазного ядра
фибробласта человека.
Линии показывают положения
плоскостей оптических срезов:
XY - синяя, XZ - зеленая, YZ - красная.
Возникновение и развитие
понятия
хромосомных территорий
В 1885 г. К. Рабл, обнаружив в клетках саламандр полярное
расположение центромер и теломер в анафазе митоза вблизи
поверхности ядер (конфигурация Рабла), предположил, что такой же
порядок расположения этих участков хромосом сохраняется и в
интерфазных ядрах.
Rabl, 1885
Вид сбоку
Вид сверху
Интерфазное ядро эпителиальной клетки саламандры
(Salamandra maculata larvae)
Т. Бовери считал, что хромосомы, видимые в митозе, сохраняют свои
индивидуальные особенности во время интерфазы и занимают разные
части ядерного пространства
Boveri, 1909
Эмбрионы лошадиной аскариды
на стадии двух бластомеров
Эмбрион лошадиной аскариды
на стадии четырех бластомеров
Различные взгляды на структурную
организацию хромосомных территорий
Strasburger 1905
Модель хромосомных территорий, предложенная
в 1905 году Эдвардом Страсбургером
В 1909 году Бовери предложил губкообразную модель строения
хромосомных территорий. На рисунке изображены две
хромосомные территории (ХТ) , образованные пучками хроматина,
ветвящимися и образующими сети.
Экспериментальные
доказательства
существования
хромосомных территорий
В 1977 году Стефан Стэк, Дэвид Враун и Уильям Дэви показали, что во
время интерфазы хромосомы остаются на разных территориях
Stack et al. 1977
Интерфазное ядро фиксированной клетки китайского хомячка,
окрашенное по Гимза, показывающее скопления хроматина,
отображающие отдельные хромосомные территории
Логическое обоснование опыта Кремера с локальным УФ
облучением ядра диплоидной клетки китайского хомячка лазером
на примере шерстяных ниток, собранных в «ядерном пространстве»
Cremer et al. 1982
Реализация опыта Кремера
Cremer et al. 1982
Метафазная пластинка, полученная из ядер клеток, полученных в
том же опыте, спустя 40 часов после облучения
Иммуноцитохимическая
идентификация облученной
ДНК в небольшой части
метафазной пластинки
Cremer et al. 1984
Авторадиограмма
ядра диплоидной клетки,
подвергнутого микрооблучению
Cremer et al. 1982
Прямые доказательства
существования хромосомных территорий
Schardin, 1985
In situ гибридизация
гибридной клеточной
линии «китайский
хомячок - X человек»,
несущей одну Ххромосому человека с
биотинилированной
геномной ДНК
человека на
метафазном
препарате(другие
хромосомы окрашены
по Гимза)
Современная гибридизация in situ
Tanabe et al. 2002
Микрофотография метафазной
пластинки. FISH с использованием
специфических окрашивающих зондов
(18 хромосома-красная, 19
хромосома- зеленая). Тотальная ДНК
окрашена DAPI.
Tanabe et al. 2002
Оптический срез ядра
лимфобластоидной клетки человека,
полученный с помощью
конфокального микроскопа, после 3D
FISH с теми же окрашивающими
метками.
Компьютерная обработка
серии оптических срезов
позволяет получить
трехмерную реконструкцию
ядра.
Видно, что обе хромосомы 19
расположены вплотную друг к
другу в центре ядра, тогда как
хромосомы 18 - порознь и на
периферии.
Tanabe et al. 2002
Получение изображения хромосомных территорий
ядра фибробласта человека
Bolzer et al. 2005
Bolzer et al. 2005
Цветное изображение хромосомных территорий ядра
фибробласта человека
Гомологи находятся далеко друг от друга;
хромосомы “выстроены” по периферии ядра.
3D-реконструкция
хромосомных
территорий ядра
фибробласта под
разными углами
Bolzer et al. 2005
Моделирование расположения хромосом в ядре
фибробласта и их дальнейшая деконденсация с
образованием хромосомных территорий
Bolzer et al. 2005
Моделирование деконденсации хромосом
с образованием хромосомных территорий
Bolzer et al. 2005
Пространственное
распределение
хромосомных территорий
Расположение хромосомных территорий в
ядерном пространстве
неслучайное
Радиальное
расположение
определяется либо с
помощью расстояния
между центром ядра и
центром хромосомной
территории,
измеряемого в % от
радиуса ядра, либо с
помощью вокселей
(элементов объемного
изображения)
случайное
Соседствующее
расположение
(паттерн
сближенности) –
свидетельствует о
возможном
функциональном
соучастии
исследуемых
ядерных структур
Определяется по
наличию
пространственного
расстояния,
большего чем при
неслучайном
распределении
Определение расположения
хромосомных территорий
Радиальное расположение
Tanabe et al. 2002
Ранние данные о
неслучайном радиальном
распределении
хромосомных территорий
были получены в 3D FISHопытах с ядрами
лимфоцитов человека с
использованием зондов
для окрашивания
хромосомы человека 19 с
высокой плотностью
генов и хромосомы
человека 18 - бедной по
содержанию генов
хромосомы
Соседствующее расположение
(паттерн сближенности)
Богатые генами хромосомы располагаются в
центре ядра, а бедные - на переферии
Tanabe et al. 2002
Koehler et al. 2009
Ядра, тотально окрашенные DAPI
(голубой), с окрашенными
хромосомными территориями 19
(зеленый) и 20 (красный) хромосом у
эмбриона коровы (Bos taurus) на
стадии бластоцисты
Koehler et al. 2009
3D реконструкция тех же ядер в
другой проекции
Частичная 3D реконструкция ядра лимфоцита
человека после 3D FISH с двумя по-разному
мечеными наборами BAC-клонов 12 хромосомы,
несущими последовательности из нескольких
богатых генами (зеленый) и нескольких бедных
генами (красный) участков
3D реконструкция
хромосомной территории 12
хромосомы после 3D FISH с
теми же наборами BACклонов
3D реконструкция хромосомной территории 12
хромосомы после 3D FISH с двумя по-разному
мечеными наборами BAC-клонов 12 хромосомы ,
содержащими последовательности активно
экспрессирующихся генов (зеленый) и
репрессированных генов (красный)
Kupper et al. 2007
Структура, форма и
пластичность
хромосомных территорий
Хромосомные территории, визуализированные с помощью 3D
FISH, выглядят как структуры с множеством форм, состоящих из
хроматиновых доменов.
Активно экспрессирующиеся и
репрессированные участки
хроматина равномерно
распределены по всей
хромосомной территории.
Kupper et al. 2007
Выпетливание транскрипционно активных генов
Недифференцированная
клетка
4 день
дифференцировки
10 день
дифференцировки
Схема выпетливания генов Hoxb1 и Hoxb9 (черный) из
хромосомной территории 11 хромосомы (серый) домовой мыши
(Mus musculus) на разных стадиях дифференцировки
эмбриональных стволовых клеток
Изображение хромосомных территорий инактивированной
(Хi, тельце Барра) и активной (Ха) Х-хромосомы ядра
фибробласта женщины (46,XX), показывающее различие в
форме, структуре поверхности и интенсивности окрашивания
двух гомологичных хромосомных территорий с разным
распределением функций.
Irina Solovei, Univ of Munich
Стабильность и изменения расположения
хромосомных территорий в делящихся клетках
5 μm
Материнская клетка
5 μm
Дочерние клетки
Динамика расположения
хромосомных территорий во
время постмитотической
дифференциации клеток и в
окончательно
дифференцированных
клетках
Предпочтительные
радиальные позиции
индивидуальных хромосом
могут различаться
в клетках,
дифференцированных по
разным путям (на примере
хромосом мыши в разных
типах клеток)
Реорганизация хромосомных территорий во
время окончательной дифференцировки
(на примере палочковидных клеток сетчатки)
Rattus norvegicus,
коричневая крыса
(ночной образ жизни)
Sciurus carolinensis,
Marmota monax,
серая белка
североамериканский
(дневной образ жизни)
лесной сурок
(сумеречный образ жизни)
Динамика и
взаимодействие
специфических локусов
генов, расположенных на
одной или на разных
хромосомных
территориях
Фотографирование серии
кадров одного и того же ядра
живой клетки нейробластомы
человека с одной и той же
точки съемки через равные
промежутки времени (20 мин)
(цейтрафейная съемка).
Отдельные воксели данной ХТ
окрашены красным.
Перемещения
доменов внутри
хромосомных
территорий являются
хаотичными и весьма
ограниченными.
5 μm
Концепция молчащей ядерной периферии и
транскрипционно активной внутренней части
ядра
Выпетливание
транскрипционно
активных локусов
во внутреннюю
часть ядра
Хромосомные
территории
Визуализация локуса хроматина, привязанного к ламину А
ядерной оболочки
Сложность регуляции генов на ядерной
периферии
Целующиеся хромосомы
Сайленсинг
посредством групп
репрессирующих
белков
Активация
транскрипции
генов
Образование хромосомных перестроек
2n
4n
2 μm
Внутри хромосомных территорий позиции генов не являются
случайными.
Модели
ядерной архитектуры
Модель межхроматинового компартмента – interchromatin
compartment (CT-IC) model - предполагает, что ядро состоит
из двух основных компонентов: хромосомных территорий
(CTs) и межхроматинового компартмента (IC).
Хромосомная
территория
Cremer, 2010
межхроматиновый компартмент
Модель компартментов межхроматиновых доменов
постулирует размещение активных генов на поверхности
хромосомных территорий
Модель, в которой ядерный матрикс представлен
как система внутренних ядерных каналов
Разин С.В. 1995
Список рекомендуемой литературы
1. Патрушев Л.И. Проблема размера генома эукариот. /
Патрушев Л. И., Минкевич И. Г. // Усп. Биол. Хим. –
2007. – т. 47: 293 – 370.
2. Разин С. В. Хроматин: упакованный геном. / Разин С.
В., Быстрицкий А. А. // монография. М. : БИНОМ.
Лаборатория знаний. – 2009. – 176 с.
3. Рубцов Н. Б. Хромосома человека в четырех
измерениях. / Рубцов Н.Б. // Природа. – 2007. - №8
4. Cremer T. Chromosome territories. / Cremer T., Cremer
M. // Cold Spring Harb Perspect Biol. – 2010.- Vol. 2. №3
5. Razin S. V. The channels model of nuclear matrix
structure. / Razin S. V. , Gromova I. I. // Bioessays. –
1995. – Vol. 17. - № 5: 443 – 450.
Работа выполнена при финансовой
поддержке Минобрнауки в рамках
ФЦП "Научные и научнопедагогические кадры
инновационной России", соглашение
14.А18.21.0199

similar documents