Введение к работе
Актуальность проблемы. Достижения современной генетики и биологии развития эукариот демонстрируют, что прогрессивное эволюционное преобразование онто- и филогенеза осуществляется не за счет изменений генного состава организма, а связано с дифференциальной экспрессией генов [Корочкин, 1977; Георгиев, 1989; Ferrai, Pombo, 2009]. Экспрессия множества генов жестко скоординирована по месту и времени в онтогенезе, которая, вероятно, имеет четкую «программу развития», носящую видоспецифичный характер [Wolpert, 1978; Gilbert, 1991; Lewin, 1994; Tanabe et al., 2002]. Тканеспецифичная экспрессия генов обеспечивается внутри- и межхромосомным взаимодействием различных доменов, формирующих хромосомные территории [Жимулев, 1993; Tarlof et al., 1984; Zhimulev, 1998; Zink et al., 2001; Boyle et al., 2001; Goetze et al., 2007]. При этом важнейшим обстоятельством эпигенетического контроля являются позиционные отношения хромосом между собой и с ядерной оболочкой [Гвоздев, 2001; Серов, 2003; Marshall, 2003]. Ориентация хромосом в пространстве ядра у эукариот играет важную роль в экспрессии генов, в сегрегации хромосом в процессе клеточного деления [Стегний, 1979; Глазков, 1999; Marshall, Sedat, 1999; Sadoni, Langer, 1999; Cremer, Cremer, 2001]. Для интерфазного ядра характерна динамичность хроматина [De Boni, Mintz, 1986; Marshall, et al., 1997; Abney et al., 1997; Csink, Henikoff, 1998], при этом хромосомы сохраняют свою территориальность и взаимное расположение [Croft et al., 1999; Cremer, Cremer, 2001; Karen et al., 2007]. По своей функциональной значимости ядра с политенными хромосомами большинства двукрылых насекомых являются хорошей моделью интерфазных для изучения функциональной, структурной и пространственной организации хромосом.
Изучение Anopheles показало, что пространственная организация политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников имеет тканевую и видовую специфику. Архитектоника хромосом ядер трофоцитов яичников может являться таксономическим признаком. Такая реорганизация архитектуры хромосом ядер трофоцитов яичников, сопряженная с видообразованием, была названа системной мутацией [Стегний, 1979, 1993]. Есть основания предполагать, что в подобных структурных перестройках архитектуры хромосом принимают участие мобильные генетические элементы (МГЭ), активация которых, в ряде случаев, осуществляется при инбредном размножении, гибридном дисгенезе и экстремальных температурах развития [Медведева, Савватеева, 1991; Стегний, 1993; Евгеньев и др., 1998; Васильева и др., 2009; Biemont et al., 1990]. Явление гибридного дисгенеза объясняется моделью Сведа [Sved, 1976], согласно которой при скрещивании лабораторных линий и природных популяций D. melanogaster проявляется несоответствие взаиморасположения родительских хромосом в пространстве ядра.
Ооцит и трофоциты по происхождению являются сестринскими клетками. У малярийных комаров политенные хромосомы трофоцитов имеют дисковую исчерченность и их можно идентифицировать [Стегний, 1979, 1993]. У других двукрылых насекомых в ядрах трофоцитов образуются политенные хромосомы, не имеющие четкой дисковой структуры.
В норме у дрозофилы в эндоциклах с S3 по S7 выявляются эндополиплоидные ядра с различной степенью политенизации и морфологией хроматина: первичные политенные хромосомы, имеющие гетерохроматиновые блоки; помпонообразные, компактные хромосомы; стадия дезинтеграции помпонообразных хромосом и ядра с ретикулярной структурой [Жимулев, 1992; Painter, Reindrop, 1939; King et al., 1981].
Исследования архитектуры ядер на протяжении эндомитотических циклов и изучение феномена реорганизации ядра в генеративной системе клеток (системной мутации) при видообразовании у ряда представителей двукрылых насекомых являются актуальными для понимания механизмов реорганизации ядра в процессе сальтационного видообразования.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было изучение взаиморасположения хромосом в ядрах трофоцитов яичников у ряда представителей Diptera и выявление видовых особенностей пространственной организации хромосом в подгруппе melanogaster и группе virilis рода Drosophila .
В ходе исследования решались следующие задачи:
-
Изучить взаиморасположение и особенности политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников на протяжении всех стадий политенизации у близкородственных видов подгруппы melanogaster и группы virilis рода Drosophila (Diptera: Drosophilidae), и Calliphora erythrocephala (Diptera: Calliphoridae).
-
Изучить филогенетическую реорганизацию гетерохроматина и ДНК хромоцентра D. orena в ядрах трофоцитов у близкородственных видов подгруппы melanogaster.
-
Выявить связь между декомпактизацией прицентромерного гетерохроматина и образованием ядрышка в ядрах трофоцитов яичников дрозофил и малярийных комаров.
-
Провести сравнительный анализ взаиморасположения хромосом в ядрах сестринских клеток трофоцитов и ооцита, а также сперматоцитов у малярийных комаров.
-
На основании анализа полученных данных выяснить эволюционные закономерности реорганизации хромосом в ядрах генеративной системы у близкородственных видов подгруппы melanogaster и группы virilis.
Научная новизна. Впервые в работе проведен анализ ориентации первичных политенных хромосом в ядрах трофоцитов яичников у Calliphora erythrocephala (Diptera: Calliphoridae), близкородственных видов подгруппы melanogaster и видов группы virilis рода Drosophila. У дрозофил обнаружены четыре типа организации ядра: 1) с локальным хромоцентром; 2) с диффузным хромоцентром; 3) с отсутствием визуального хромоцентра; 4) с прикреплениями хромосом к ядерной оболочке. Эволюционные преобразования взаиморасположения хромосом в ядрах трофоцитов у видов происходили по схеме: от локального хромоцентра у филогенетически исходных видов к его частичному, а затем и к полному исчезновению у производных видов, при этом хромосомы рассредоточены в ядре и образуют связи с оболочкой ядра у ряда видов. Показано, что реорганизация хромосомного аппарата при видообразовании у видов группы virilis и подгруппы видов melanogaster имеет сходный характер.
Установлено, что такие факторы, как низкая температура и инбридинг оказывают значительное влияние на синаптирование гомологичных хромосом в ядрах трофоцитов яичников в линиях D. melanogaster.
Обнаружено, что разобщенность плеч хромосом, выявленная на определенных стадиях эндоциклов (S3-S4) в ядрах трофоцитов у дрозофил и малярийных комаров происходит за счет декомпактизации прицентромерного гетерохроматина и образования ядрышка. У Calliphora erythrocephala с ростом политенизации плечи хромосом не разобщаются. Установлено сходство в организации пахитенных хромосом ооцита и политенных хромосом трофоцитов у малярийных комаров.
Основные положения, выдвигаемые на защиту.
-
У видов подгруппы melanogaster и группы virilis рода Drosophila характерны четыре морфологических типа организации ядер трофоцитов яичников.
-
Последовательности ДНК хромоцентра D. orena у близкородственных видов подгруппы melanogaster локализованы в прицентромерных и интеркалярных районах хромосом.
-
К факторам, приводящим к изменению организации хромосом в ядрах трофоцитов яичников у Drosophila, относятся низкие температуры и продолжительный инбридинг, которые играют важную роль в процессе видообразования.
-
У видов подгруппы melanogaster рода Drosophila и у малярийных комаров выявляется стадия политенизации, при которой плечи хромосом разобщаются за счет декомпактизации прицентромерных гетерохроматиновых блоков с образованием ядрышка.
Практическая значимость. Критерий «архитектоника ядра» имеет практическое значение для систематики двукрылых насекомых, что позволяет решить некоторые проблемы в диагностике эпидемически опасных видов (малярийных комаров) для человека. Были вскрыты видовые особенности взаиморасположения хромосом в ядрах трофоцитов яичников.
Результаты работы используются при чтении лекционных курсов для студентов Томского государственного университета. Полученный материал может быть использован в курсах лекций по цитологии, генетике и эволюционной цитогенетике в вузах c биологическими специальностями.
Апробация работы. Материалы работы доложены и представлены на следующих научных конференциях: V Всесоюзное совещание по проблемам биологии и генетики дрозофилы, г. Львов, 1987; IV Всесоюзное совещание «Структура и функции хромосом», г. Пущено, 1988; VI Всесоюзное совещание по проблемам биологии и генетики дрозофилы, г. Одесса, 1989; III Школа-семинар по генетике и селекции животных. II Научные чтения памяти ак. Д.К. Беляева, г. Новосибирск, 1989; III Всесоюзная конференция по генетике и цитологии мейоза, г. Новосибирск, 1990; VII Всесоюзное совещание «Структура и функции хромосом», г. Пущено, 1991; I Всесоюзная конференция по генетике насекомых, Москва, 1991; VI съезд ВОГиС, г. Минск, 1992; I съезд ВОГиС, Саратов, 1994; XX International Congress of Entomology, Fierce, Italy, 1996; Конференция, посвященная памяти В.П.Чехова, ТГУ, г. Томск, 1997; Конференция «Проблемы эволюции, цитологии и интродукции», г.Томск, 1997; Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, «Сибирская школа молодого ученого», г. Томск, 1998, II Съезд Вавиловского общества генетиков и селекционеров, г. Санкт-Петербург, 2000; 1-ая Международная конференция «Проблема вида и видообразования», г. Томск, 2000; 2-ая Международная конференция «Проблема вида и видообразования», 2001, г. Томск; «Their impact on organisms, genomes, and biodiversity», Second meeting 14-17 June 2002, Helsinki, Finland; XV Всероссийское совещание «Структура и функции клеточного ядра», г. Санкт-Петербург, 2002; «Генетика в ХХI веке: современное состояние и перспективы развития» III Съезд Вавиловского общества генетиков и селекционеров, г. Москва, 2004; IV международная конференция по кариосистематике беспозвоночных животных г. Санкт-Петербург, 2006; VII Межрегиональное совещание энтомологов Сибири и Дальнего Востока, г. Новосибирск, 2006; IV Международная конференция «Проблема вида и видообразования», г. Томск, 2006.
Вклад автора. Основные материалы и результаты получены автором самостоятельно. Данные по FISH в ядрах трофоцитов яичников C. erythrocephala и D. orena были получены совместно с Т.В. Ананьиной, А.Е. Ведерниковым, Т.А. Шелковниковой, К.Е. Усовым. Некоторые цитологические эксперименты проводились совместно с В.Н. Стегнием, Т.В. Ананьиной, Е.Ю. Митрениной, Т.А. Шелковниковой, Н.М. Немирович-Данченко, К.Е. Усовым.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из следующих разделов: введение, обзор литературы, материал и методы, результаты и обсуждение, заключение, выводы. Представленный материал иллюстрирован 8 таблицами и 61 рисунками, включающими в себя схемы, гистограмму и микрофотографии. Список цитируемой литературы включает 389 публикаций в отечественных и зарубежных журналах.
