Трактат о гетерохроматине
Сегодня, в ходе дискуссии об эволюции и видообразовании, которую я уже три недели вела сначала тут http://kouprianov.livejournal.com/97302.html, потом здесь http://kouprianov.livejournal.com/97302.html, а теперь вот тут http://kouprianov.livejournal.com/98933.html?view=921205, мне задали вопрос:
«Вот имеется пара процентов генома, которые кодируют белки, еще сколько-то процентов кодирует РНК. Остальное (не помню сколько, но много) - мусор.
Так вот. Если бы мы могли аккуратненько вынуть из зиготы весь геном, вырезать из каждой хромосомы весь мусор, выкинуть его, сшить хромосомы, сохраняя в каждой из них прежний порядок смысловых кусков и вставить эти укороченные хромосомы обратно зиготе в ядро - то пострадают ли развитие организма и его взрослое существование?»
В ответ на этот вопрос у меня родился целый трактат о гетерохроматине, который не лез ни в какие комментарии, поэтому кладу к себе.
Специально для Костерина, который скажет мне, что я как всегда говорю слишком много, поясню, «зачем так много частностей». Мне хотелось немного проиллюстрировать (в рамках той же дискуссии) мою точку зрения, что геном живет своей собственной интересной жизнью и его структура имеет полное право называться фенотипом.
Итак, трактат о гетерохроматине : ...
Гетерохроматин - моя любимая тема, про него я работаю и читаю целый курс лекций, даже два
( http://www.fen.nsu.ru/fen.phtml?group=posob&topic=nasled
http://engrailed.narod.ru/ )
Но прежде, чем говорить о нем (ибо именно он составляет бОльшую часть того самого «мусора»), замечу, что геном эволюционирует в жестких рамках поддержания фенотипа организма. Адаптации адаптациями (в смысле, приспособленность вида к экологическим нишам), но надо сначала сделать рибосомы (которые от бактерий до человека почти не изменились), чтобы делать все белки, клетку со всеми ее структурными компонентами, ферментами, клеточным циклом, митозом... надо сделать ткани с совершенно определенными типамим клеток, органы и пр. Поварьировать, конечно, можно, но так, чтобы все это вместе как минимум, работало. Некоторые компоненты в эволюции законсервировались намертво, другие следуют принципу черной королевы - быстро бегут, но остаются стоять на месте в плане функции и даже морфологии. Это особенно касается гетерохроматиновых районов.
Для начала прямой ответ на прямой вопрос.
Итак, выбросить. Наверно, специально, для нас, природа такой эксперимент поставила. Есть такое явление, называется диминуция хроматина. Описано для отдельных видов аскарид, циклопов, миксин и некоторых других. У этих видов на стадии нескольких клеток происходит выбрасывание до 95% хромосомного материала. В клетках зародышевого пути весть геном сохраняется, за счет чего из поколения в поколение процесс повторяется. Нужно ли организму все, что выбрасывается, в зародышевом пути? Кое что, действительно, нужно, поскольку вместе с мусором выбрасываются несколько генов, необходимых развивающимся половым клеткам. Но есть два близких вида циклопа, у одного есть диминуция, у другого диминуции нет, нет и дополнительного материала (как будто он выкинут насовсем) и он живет и здравствует. Возможно, такая куча дополнительного материала позволяет увеличить объем ядра и общий размер клетки. Наука пока не в курсе. Но есть вероятность, что этот хроматин появился в таком количестве именно в клетках зародышевого пути, вторично.
Например, результаты изучения диминуции у аскарид дают примерно такой сценарий: первоначально было много хромосом. Есть виды, у которых их до сих пор много (около сорока). Есть виды всего с одной или двумя парами хромосом (именно они очень помогли Бовери разобраться в закономерностях наследования хромосом от клетки к клетке). У этих видов на стадии нескольких клеток эти одиночные полицентрические (много центромер) хромосомы разрезаются на множество фрагментов, из которых те же сорок обладают всеми свойствами полноценных хромосом, с центромерами и теломерами. За центромеры идет растаскивание к полюсам. Все фрагменты, у которых центромер не было, остаются валяться в середине и потом аккуратненько уничтожается. Что любопытно, что у каждой из сорока получившихся хромосом были готовые теломеры, которые лежали прямо посередине единой хромосомы. Все это сильно наводит на мысль, что первоначально было много хромосом, потом они в зародышевом пути стали слипаться (возможно, возникли проблемы с теломерными белками), обросли гетерохроматином, но для нормального функционирования в соматических клетках все это оказалось не очень хорошо, сформировался механизм выкидывать лишнее. В подтверждение такого сценария можно сказать, что есть виды с различными переходными вариантами.
Гетерохроматиновые районы очень полиморфны в пределах одного вида. Блоки прицентромерного гетерохроматина могут занимать десятки процентов хромосомы, а могут быть достаточно короткими.
Ключевой вопрос - нужно ли это кому-нибудь, или это действительно «мусор».
Ответ: гетерохроматин имеет функции. Но эти функции не требуют определенных последовательностей ДНК. Для выполнения этих функций не очень важно количество гетерохроматина, главное, чтобы он был. Но структура ДНК гетерохроматина делает его очень вариабильным и быстро эволюционирующим.
Какие у гетерохроматина функции:
1) Поддержание функции центромеры.
Центромера у эукариот не имеет какой-то стандартной последовательности ДНК. Наследуется она эпигенетически. Это значит, что есть белки, связанные с ней, от репликации к репликации эти белки садятся в то же самое место, где сидели раньше. Прицентромерный гетерохроматин собирает на себя белки, которые помогают центромере принять правильную структуру.
Кроме того, с гетерохроматиновыми белками связывается белок, удерживающий метафазную хромосому от преждевременного разделения, что обеспечивает меньше случайных неправильных расхождений хромосом в митозе и мейозе.
Центромера, какая бы она не была, состоит из повторенной ДНК. Если повторам позволить рекомбинировать, то за счет неравного кроссинговера они быстро элиминируют. Гетерохроматиновые белки не позволяют делать кроссинговер и гомологичную рекомбинацию, что спасает повторы.
2)Поддержание теломер.
У теломеры две функции: решать проблему недорепликации концов и защищать концы от системы репарации.
Первая функция осуществляется за счет наращивания теломеразой повторенных последовательностей, которые можно потом недореплицировать. Тут возникает проблема незаконной рекомбинации между посторами, которая решается упаковкой в гетерохроматин (который не дает рекомбинировать).
Вторая функция осуществляется за счет упаковки в гетерохроматиновые белки. Система репарации двойных разрывов ДНК не видит в конце хромосомы двойного разрыва только до тех пор, пока он хорошо упрятан. Мутации по белкам, делающим гетерохроматиновую упаковку, приводят к частому слипанию и сшивке хромосом по концами. Благо, гетерохроматиновые белковые комплексы настолько многокомпонентны, что эффект от снижения количества какого-то одного компонента может быть не очень большой.
3)Гетерохроматин создает архитектуру ядра, управляя экспрессией генов в глобальном масштабе.
4)Гетерохроматин может управлять экспрессией генов «ин цис».
Вероятно, у Вас сложилась некоторая путаница, что же такое гетерохроматин, ДНК или белки, ведь работают-то в основном белки. То есть, соответствующие участки ДНК собирают на себе белковые комплексы, которые «работают». Дело в том, что многокомпонентные белковые комплексы, создающие "гетерохроматин" в смысле "состояние хроматина" собираются там, где низкая плотность активных генов. Повторенные последовательности - первая мишень для сборки. Например, засовываем в геном белой питунии трансген, кодирующий пигмент. Получаем розовый цветок. Засовываем два - цветок розовее. Засовываем три - цветок красный. Засовываем пять - цветок опять белый. Клетка распознала повтор и запаковала в гетерохроматин. (Про механизм этого явления у в моем спецкурсе целых несколько лекций).
Родственные механизмы клетка может использовать для надежной инактивации генов в тех тканях, где они не нужны.
Несколько забавных феноменов, касающихся гетерохроматина:
Мобильные элементы - это враги и паразиты? По большей части - так, но даже такого "врага" как мобильные элементы эволюция приспособила к делу. Например, у дрозофилы нет теломеразы, вместо нее теломерные концы наращиваются за счет локального размножения "специально прирученных" мобильных элементов.
Неоцентромеры.
Поскольку центромеры поддерживаются эпигенетически, с определенной вероятностью центромера перескакивает в другое место хромосомы. Как правило, в первом же мейозе старая центромера на гомологе, которая (условно) крупнее и собирает на себе больше соответствующих белков, победит и вернет центромеру на место (конкуренция, механизм примерно понятен). Но если это Y, у которого нет нормального гомолога для спаривания, такая центромера может и наследоваться из поколения в поколение. Есть примеры возникновения неоцентромер у человека. Например, в раковых клетках, где геном нестабильный, постоянно возникают неоцентромеры. Обнаружены семьи, у которых в нескольких поколениях - метацентрический Y. В эволюционном масштабе неоцентромеры в аутосомах фиксируются не очень часто, но при сравнении разных видов млекопитающих, например, можно эти события очень хорошо проследить. Например, если сравнивать хромосомы человека и мыши, есть хромосомы, полностью сохранившие генный состав, но с разным положением центромеры. Можно легко определить, какая центромера будет старой, какая - более новой. Оказывается, что вокруг новой центромеры начинают очень быстро накапливаться повторенные последовательности. Во-первых, за счет дупликаций всего, что оказалось рядом (механизм не до конца понятен), во-вторых, за счет того, что туда начинают валиться сотнями мобильные элементы (механизмы примерно понятны). То есть, центромеры быстро обрастают прицентромерным гетерохроматином (скорее всего, отбор тут свое дело сделал на заре эволюции эукариот, когда задал свойство - наращивать гетерохроматин). На месте старой центромеры гетерохроматин достаточно быстро начинает рассасываться. Но след (остатки гетерохроматиновых последовательностей) сохраняется. Например, хромосомы 18 человека и мыши по составу генов практически не отличаются, но центромеры в разных местах. Там, где мышиная центромера, у человека ничего гетерохроматинового нет. Там, где человеческая центромера, у мыши большой фрагмент гетерохроматина. Гетерохроматина вокруг мышиной центромеры меньше, чем вокруг человеческой.
А вот пример, который показывает, что не так просто будет нам разделить геном на «мусор» и «не мусор».
У млекопитающих (точнее, у позвоночных, начиная с рыб) появилась тенденция расфракционировать геном (есть гипотезы, как это могло получиться). Если мы выделим у них геномную ДНК, порежем на кусочки, то обнаружим, что есть несколько дочтаточно четких фракций по плотности (сейчас я говорю именно про эухроматиновую часть, где гены). Понятно, что плотность фрагментов ДНК определяется АТ-ГЦ составом. Непосредственно гены богаты ГЦ парами. Оказалось, что есть протяженные фрагметны с высокой плотностью постоянно активных генов, там мало повторенных последовательностей, упаковка в белки обеспечивает "открытый хроматин". Есть фрагменты, где плотность генов меньше, много повторенных последовательностей, упаковка плотная. И там и там есть гены, но они совершенно по-разному регулируются. Яркий пример - гены альфа и бета глобинов, которые вместе дают гемоглобин. Эти гены происходят от общего предка, кодирующая последовательность отличается незначительно. Работают в одних и тех же клетках, требуются в одинаковых количествах. Но, волею судьбы, альфа-глобиновые гены оказались в "открытом" хроматине, бета-глобиновые - в закрытом. В результате, у них совершенно разные способы регуляции. Альфа-глобиновый ген решает проблему, как бы ненароком не заработать там, где не надо. Бета-глобиновый - как распаковаться там, где надо. В кроветворных клетках его регуляторы распаковывают достаточно протяженный участок, заставляют изменить время репликации (репликация генома имеет сложную пространственно-временную картину, все, что реплицируется раньше, будет упаковано в открытый хроматин, все, что позднее - в гетерохроматин), поменять белковый состав... Только после этого можно заняться тонкой регуляцией транскрипции.
В геноме есть много генов, несвоевременная работа которых приведет к катастрофическим последствиям для развития. Такие гены имеют тенденцию регулироваться как бета-глобиновые. Есть, наоборот, гены домашнего хозяйства, работающие всегда. Они все сидят в постоянно "открытых" ("самых эухроматиновых") районах. Другие гены понемногу перебрасываются с места на место, либо новые копии генов возникают то там, то там. И тут как повезет. Если гену удалось справиться с новыми условиями - он приживется. Если нет, а ген важный - организм помер, ситуация не наследуется.
Вот, например, у дрозофилы есть один важный ген, который у большинства видов сидит в самом настоящем богатом генами эухроматине. В одной филогенетической линии он оказался в соседстве с гетерохроматином. Результат - его интроны начали набиваться мобильными элементами и прочим мусором. Есть переходные варианты, где он не очень глубоко, на самом краешке, есть варианты, где в самом сердце прицентромерного гетерохроматина. Чтобы работать в таких условиях, он научился использовать белки гетерохроматина на свою пользу. Они стали неизменными участниками его регуляции. Теперь если мы делаем мутацию - перестройку, переносящую этот ген в эухроматин, он там не может работать.
Еще один забавный эволюционный казус. У дрозофилы был ген, кодирующий некий фермент, некую казеиназу. Работал в сперматоцитах. Все было хорошо. Но случилось так, что ген дуплицировался, и копия оказалась в прицентромерном гетерохроматине. Там он размножился, что любят делать все последовательности, оказавшиеся в прицентромерном гетерохроматине. Регуляторная область у него оказалась достаточно сильной, чтобы ген мог работать несмотря на гетерохроматин. Если вся эта компания работает, в сперматоцитах получается такое дикое количество этого фермента, что он кристаллизуется и клетки гибнут, набитые звездами кристаллов. Какое решение проблемы выбрала эволюция? Она сделала еще кучу повторов этого гена, но считывающихся в обратном направлении. В клетке есть механизм, за открытие которого пару лет назад дали нобелевскую премию - РНК-интерференция. Суть его в том, что если в клетке появляется двуцепочечная РНК (достаточно протяженная и гладкая - без петель, но достаточно очень маленького количества) - включается механизм уничтожения всех гомологичных РНК, а в некоторых случаях и запактвка гомологичного гена в гетерохроматин. В итоге, случайно расплодившиеся гены выключили, но какой ценой? Ценой удвоения нового мешающего мусора.
4)Еще один момент, о котором не сказала, так как это пока плохо разработанная тема. Мусор является местом, где сидят хромосомные белки, которые в нужный момент могут делать более важные дела. Например, у мышей очень длинные теломеры по сравнению с человеческими. Раз в десять длиннее. На них, похоже, сидят и ждут своего часа многие белки репараци ДНК. И оказывается, что пока теломеры такие длинные, многие мутации, вызывающие у человека преждевременное старение и опухоли, мышам не страшны - у них мощнее система репарации за счет того, что в каждый момент в клетке горездо больше соответствующих белков. Но стоило получить мышей с короткими теломерами, все "человеческие" синдромы проявились во всей красе.
Выводы: 1) Весь "мусор" в геноме появился не совсем случайно и имеет полезные приложения.
2)Весь мусор коэволюционировал вместе с геномом, поэтому "смысловая часть генома" подстроилась под такое окружение и вся регуляция многих генов на него завязана.
3)Забавный парадокс: "мусор" создает неустойчивость генома (перепрыжки мобильных элементов, незаконная рекомбинация повторов...), но, в то же время, увеличивает устойчивость развития за счет глубокой инактивации генов развития и тканеспецияичных генов там, где им нельзя, за счет повышения качества митоза и мейоза, поддержания теломер, поддержания архитектуры ядра.