К вопросу о молекулярных механизмах гибридной стерильности
В рамках все той же дискуссии о видообразовании http://kouprianov.livejournal.com/98933.html?view=921205 логично возник вопрос: какие именно проблемы возникают в мейозе у отдаленных гибридов.
В литературе часто упоминается, что в мейозе имеет место проверка на точность спаривания хромосом. Вроде как, если хромосомы проверку не проходят - апоптоз, если проходят - мейоз идет дальше. Каковы могут быть молекулярные механизмы такой проверки и правда ли она есть?
Оказалось, что тема животрепещущая, наука только-только начинает что-то в этом понимать. Попытаюсь здесь на пальцах изложить некоторые результаты своего копания в PubMed. Наиболее здравыми мне показались обзоры:
Burgoyne et al., The consequences of asynapsis for mammalian meiosis// Nature Reviews Genetics, published online 3 February 2009
Zickler From early homologue recognition to synaptonemal complex formation// Chromosoma (2006) 115: 158-174
Оказалось, что гипотеза а том, что при отдаленном скрещивании работает механизм, который «подсчитывает» различия в полной последовательности ДНК, просто не верна.
Во-вторых, оказалось, что мезанизмы мейотической рекомбинации и спаривания гомологов различаются у разных групп организмов очень значительно, но очень грубо варианты можно разделить на две группы: как у дрозофилы и как у млекопитающих. Про Дрозофилу и некоторых других, у кого нормальный мейоз возможен вообще без кроссинговера, поговорим в другой раз.
Сейчас поговорим о млекопитающих, у которых для нормального спаривания гомологичных хромосом, а затем для их правильного расхождения по дочерним клеткам, необходимо
(1) Внести двуцепочечные разрывы в ДНК (2) Провести гомологичную рекомбинацию (3) Обеспечить как минимум один кроссинговер на хромосому (примерно 1 из десяти разрывов на выходе дает именно кроссинговер, остальные - конверсию, см. рис ниже) (4) Экспрессировать на определенных стадиях мейоза несколько сотен аутосомных генов (5) Не экспрессировать гены с половых хромосом
Для лучшего понимания привожу картинку из Burgoyne et al. 2009
Для лучшего понимания привожу картинку из Burgoyne et al. 2009
ПОДПИСЬ К РИСУНКУ
А) Во время премейотической S-фазы ДНК каждой хромосомы реплицируется, в результате получается две сестринские хроматиды, соединенные друг с другом при помощи белков когезинов.
B) В ходе стадии лептотены в ДНК вносятся сотни двуцепочечных разрывов (DSB; красные круги), и каждая пара сестринских нитей ДНК начинает сборку осевого элемента (green).
С) К зиготене вся ДНК уложена так, что все двойные разрывы локализованы вдоль осегого элемента, ДНК лежит вдоль него, но большая часть выпетливается.
Осевые элементы гомологичных хромосом начинают синапсис:
Формируются поперечные филаменты синаптонемного комплеска. Толчком к синапсису является залезание однонитевых концов ДНК (образующихся при процессинге двойных разрывов) в гомологичные хромосомы (начальный этап гомологичной рекомбинации).
Синаптонемный комплекс распространяется вдоль по хромосоме.
D) Окончание синапсиса считается началом стадии пахитены. Разрывы в ДНК уже репарированы, при этом часть разрешается как кроссинговер (образуются хиазмы - перекресты). У большинства организмов необходима как минимум одна хиазма для нормальной сегрегации хромосом.
Е) В ходе диплотены синаптонемный комплекс разрушается. Теперь гомологичные хромосомы держатся друг за друга только благодаря результату кроссинговера - хиазмам.
F) Диакинез первой метафазы мейоза. Осевые элементы разбираются, когезины уходят с хромосом, но остаются в прицентромерных и центромерных районах.
И.т.д.
Соединение гомологичных хромосом в профазе мейоза можно разделить на три этапа.
-Узнавание
-Грубое пресинаптическое выравнивание
-Синапсис, обеспечиваемый сборкой синаптонемного комплекса
Каким образом происходит грубый поиск гомологов, до конца не ясно. У млекопитающих теломеры выстраиваются на ядерной оболочке в так называемый «букет», который важен для рассортирования хромосом на пары гомологов. У некоторых организмов гомологи лежат рядом и соединены постоянно.
Ясно, что в этом участвуют последовательности ДНК, но тут проверка достаточно грубая. Не вышло в одном месте - попробуем в другом.
двуцепочечные разрывы вносятся в ДНК специальным ферментом. Далее происходят события, соответствующие гомологичной рекомбинации. Тут проще картинку показать, чем объяснять.
http://www.celldiv.com/content/figures/1747-1028-2-15-1.jpg
Соединение гомологичных хромосом через рекомбинационные интермедиаты способствует сборке синаптонемного комплекса.
Что будет, если на каком-то участке синапсис отсутствует?
Включится механизм, который будет упаковывать все неспаренные участки в «закрытый» хроматин, не способный к транскрипции. К таким районам относятся и половые хромосомы гетерогаметного пола.
Проблема, серьезность которой не подтвердилась:Раньше думали, что большое количество двойных разрывов в участках неспаренности гомологов, узнается системой контроля за целостностью ДНК и клетка идет в апоптоз. Оказалось, что клетка залечивает эти разрывы чуть позднее, используя в качестве матрицы не гомологичную хромосому, но сестринскую хроматиду (копию, возникшую после репликации).
Какие причины могут вызывать МНОГО асинапсиса?
--- Участки могут плохо синаптировать из-за наличия хромосомных перестроек (у разных организмов разные «способности» извернуть хромосомы так, чтобы перестроенные гомологи качественно конъюгировали по всей длине. Особенно это касается инверсий).
--- Уровень асинапсиса резко увеличивается у носителей мутаций, затрагивающих разнообразные белки, участвующие в мейозе.
Сюда попадают, например ферменты, метилирующие ДНК, фермент, вносящий двуцепочечные разрывы в ДНК, белки, участвующие в гомологичной рекомбинации и др.
Важно, что одни мутации могут компенсировать действие других.
Стабилизирующий отбор должен поддерживать систему в рабочем состоянии, но, из-за большого количества компонентов, возможет некий дрейф.
Лирическое отступление:
Есть примеры (правда, не для мейотических, а для политенных хромосом, но явления родственные), когда экспериментаторы направленно вели отбор по признаку более тесной конъюгации гомологичных хромосом. Взяли одну линию, разделили на две части и в каждой стали вести одинаковый отбор. Получили и там и там очень красивые, конъюгирующие по всей длине, хромосомы. А потом скрестили две линии и получили пушистики, в которых вообще хромосом не видно - так все оказалось расконъюгировано. Похожая штука может получиться и в случае отбора на хороший синапсис в мейозе.
Какие проблемы могут возникнуть при отдаленном скрещивании?
1) Напротив двойного разрыва не найдется гомологичной последовательности (для этого участки должны отличаться очень сильно. Точечные замены не помогут). Тогда он останется какое-то время разрывом, конъюгация гомологов в этом месте может быть затруднена. Клетка может себе позволить примерно два десятка таких разрывов. Этот механизм маловероятно играет важную роль.
2) Нарушен синапсис гомологов (накопление хромосомных перестроек, несогласованная работа генов)
А) Если какие-то участки не смогли синаптировать, они покрываются специальными белками, которые обеспечат транскрипционную инактивацию и плотную упаковку. Для млекопитающих еще не доказано, а на нейроспоре (плесень) доказано, что инактивируются и все гомологичные последовательности в геноме. Если сюда попали какие-то из нескольких сотен генов, необходимых для нормального мейоза или гаметогенеза - гаметы не будет.
Б) Если неспарившихся участков очень много, они оттягивают на себя белки, которые должны были участвовать в инактивации половых хромосом. В результате наблюдается экспрессия Х-хромосомных генов, которая нарушает мейоз и гаметогенез.
Сухой остаток:
У стерильных особей в пахитене мейоза часто наблюдается асинапсис гомологов, поэтому считали, что асинапсис сам по себе является мишенью системы клеточного контроля, отправляющей клетку в апоптоз.
Оказалось, что клетка умеет успешно бороться с проблемами, сопровождающими асинапсис, но ее методы борьбы (упаковка в гетерохроматин) могут привести к неправильной работе генома, несовместимой с дальнейшим мейозом или же гаметогенезом.
Для возникновения значительного количества асинапсисов нужны либо большое количество хромосомных перестроек в гетерозиготе (добавление одной-двух дополнительных неспаренных хромосом вносят лишь незначительные проблемы), либо рассогласование работы генов - участников мейоза, что выглядит наиболее вероятно.