Формирование хромосомного букета впервые описано в конце 1800s (TIMELINE) | The course of research into bouquet formation

1885 Carl Rabl установил, что после анафазы хромосомы деконденсируются и лишь появляются снова в следующей профазе в виде того же самого анафаза-подобного арранжемента, с центромерами, направленными в сторону центросом ('Rabl orientation') в соматических клетках некоторых животных и растений. Это контрастирует с уникальным 'bouquet' арранжементом хромосом в профазе первого мейотического деления, когда теломеры собраны в пучек на ядерной оболочке, обращенной к центросоме (Рис. 1). Связь такого расположения хромосом с редукцией хромосом обнаружена József Gelei

(Box.2) Box 2 | József Gelei (1885-1952)

The concept of a reduction division

В 1887, August Weismann, хотя и не в полном объеме предложил концепцию редукционного деления ('Reduktionstheilung'), который уменьшает вдовое диплоидный набор хромосом в зародышевых клетках.

На базе этой концепции зоолог Theodor Boveri предположил в 1892, что гомологичные хромосомы (гомологи) должны спариваться (Konjugation) для осуществления редукционного деления. И действительно такое спаривание вскоре олнаружил Johannes Rückert во время первого мейотического деления. В 1895, John E. S. Moore наблюдал поляризацию хромосомных нитей на одной из сторон ядра в профазе мейозаI и назвал это SYNAPSIS . Сопоставление этих данных с результатами, полученными Gregor Mendel в 1865 привело к созданию хромосомной теории (TIMELINE).

Polarization and homologue alignment

В 1904, Theodor Boveri предложил первую гипотезу, объясняющюю расположение хромосом PROPHASE I

Венгерский цитолог József Gelei (Box.2)установил side-by-side спаривание гомологов. Gelei удалось зафиксировать хрупкое расположение LEPTOTENE хрoмосом, включая топологию букета. Это было подтверждено Karl Belar, который выявил переход от лептотенных к ZYGOTENE хромосомам.

Gelei's показал, что в начале первой мейотической профазы D. lacteum хромосомы перестаиваются в непрерывную лептотенную нить. Он выявил, что при этом отдельные лептотенные хромосомы распределяют свои концы по периферии ядра (Рис. 2a). На стадии поздней лептотены хромосомные концы — названные 'теломерами' Hermann Muller в 1938 — стягиваются в ограниченный сектор ядерной оболочки (топология букета; (Рис. 2b), напоминая расположение hook-shaped хромосом. При этом большинство гомологов в лептотенном букете разделено (Рис. 3a,b).

(Рис.2.) | Dynamics of the bouquet stage in prophase I of flatworm (a–c) and mouse (d–f).

(Рис.3.) | Chromosome topology in the flatworm bouquet.

Gelei пришел к выводу, что образование букета (конгрегация TELOMERES) обеспечивает параллельное расположение гомологов в то же время делает возможным определенное количество движений, которые, по-видимому, связаны с цитосклетеом (аггрегация хромосомных концов, которая всегда происходит вблизи центросомы, находящейся на цитоплазматической стороне основания букета; (Рис. 1a,b; Рис. 2b). Эта топология отличает букет от ранее описанной ориентации Rabl, при которой центросома обращена лицом к кластеру центромер во время предшествующей анафазы. Gelei - пионер микроманипуляций (Рис. 3c), который выявил крепкое присоединение хромосомных концов к ядерной оболочке - which revealed a firm attachment of chromosome ends to the nuclear envelope — ему не удалось отделить теломеры от основания букета.

В последующие 20 лет было установлено, что продолжительность существования букета видо-впецифична (Рис. 2).

Bouquet formation and recombination

Во времена 1950s выявлен состоящий из трех частей zipper-like protein ribbon — названный SYNAPTONEMAL COMPLEX (TIMELINE) — который соединяет гомологи вдоль всей их длины в PACHYTENE. Выявлено, что гомологи пристегиваются др. к др с помощью синаптонемального комплекса во время стадии букета. ЭМ высокого разрешения подтвердила находку Gelei's, крепкое присоединение профазных теломер к ядерной оболочке и выявило электрон-плотные узелки (recombination nodules). Эти узелки были ассоциированы с синаптонемальным комплексом и их число соответствовало числу и распределению CHIASMATA, т.е. они были связаны с рекомбинацией.

Ультраструктурный и генетический анализ показал, что образовние букета независит от синапсов и рекомбинации. Букет образуется и при ASYNAPTIC мейозе делящихся дрожжей. гаплоидной ржи и во время ACHIASMATE (нерекомбинантного) мейоза у самок Bombyx mori, а также у дефицитных по реекомбинации мутантов Saccharomyces cerevisiae (которые кроме того неспособны формировать зрелый синаптонемальный комплекс).

Предполагается, что образование кластеров мейотических теломер провоцирует и временно стабилизирует нестабильные взаимодействия хромосом, эта кластеризация становится несущественной по мере увеличения синапсов, закрепляющих такое взаимодействие. Топология букета теряется во время зиготены и ранней пахитены у большинства организмов с синаптическим мейозом, но сохраняется во время всей асинаптической профазы I у делящихся дрожжей. Нарушения синапсов (связанные с мейотической рекомбинацией) удлинняют стадию букета у мутантных почкующихся дрожжей и у мышей. У мышей продолжительность стадии букета короткая (Рис.2.)она косвенно увеличивается при нарушении ataxia-telangiectasia mutated (Atm) киназы, которая является центральной частью machinery, которая выявляет повреждения ДНК, репарирует вдойнфе разрывы ДНК во время мейоза и обеспечивает некоторые аспекты метаболизма теломер.

Chromosome topology and bouquets

В зиготенных ядрах Gelei наблюдал соединение стержней (core) хромосом той или иной пары гомологов (Рис. 3d). Позднее это подтверждено на ЭМ уровне, в том числе и у человека. Движения U-образных хромосом букета м. облегчать закручивание хромосом одной вокруг др. - это м. уменьшать частоту переплетения до синапса. Однако, если соединение происходит между стержнями синапсировавших бивалентов, то это указывает на то, что такое закручивание не м.б. устранено образованием букета, а потребует разрыва и воссоединения одного из хромосомных стержней (core). Предполгается, что топология букета облегчает спаривание хромосом с перестройками, напр., пара гомологов, в которой один гомолог несет инвертированный сегмент, или Robertsonian транслокацию. С этим согласуется то, что сильно перестроенные пары гомологов у дрожжей, чтобы осуществить ограниченное спаривание нуждаются в теломерах.

В последнее время получены многочисленные мейотические мутанты, белковые маркеры и молекулярные зонды для мейотической профазы у грибов, растений и животных. Использование при этом современных технологий позволило установить, что пре-лептотенные юхромосомы разделены у большинства диплоидных сидов и что гомологи выстраиваются и начинают интимно спариваться во время стадии букета. Даже виды с ассоциацией премейотических гомологов или строгой Rabl ориентацией, образуют букеты.

Обрпазование букета - двухступенчатый процесс, связанный с дисперсным присоединением теломер к ядреной оболочке и их последующим движением в направлении места образрования кластера, которое у животных предопределяется расположением центросомы (Рис. 1a, 2b), а у дрожжей эквивалентным spindle pole body (SPB). У растений, у которых отсутствуют локализованные центры организации микротрубочек, образование букета совпадает с поляризацией всей клетки. Полиплоидные виды поддерживают Rabl ориентацию, которая вместе с образованием букета м. облегчать homosynapsis. Наконец, у всех исследованных видов узкий промежуток времени образования букета идентифицирован как момет перехода от лептотены к зиготене.

Telomere clustering

Белковые компоненты митотических теломер локализуются также в мейотических теломерах и во время мейоза у млекопитающих они включают TRF1 и TRF2 (которые связывают duplex теломерных повторов). Они обладают общей гомологией с Taz1⁺ теломерным белком Schizosaccharomyces pombe, который обязателен для образования букета.

У S. pombe, кластеризация теломер происходит в ответ на maсting феромоны и зависит от интеграции SPB. Мутации SPB или разрушение cytoplasmic dynein нарушает образование букета и ядерной подвижности, соответственно, что ведет к снижению уровня гомологичного спаривания и рекомбинации. Эти наблюдаения согласуются с ролью цитоскелета в формировани букета.

По аналогии с S. pombe, лекарства, дестабилизирующие микротрубочки, взаимодействуют с ядерной подвижностью и синапсами у растений и животных. Однако пока неясно влияют ли такие вещества непосредственно на образование букета. У S. cerevisiae, делеция ассоциированного с микротрубочками мотора KAR3 (kinesin-like nuclear fusion protein 3) ведет к нарушению синапса и рекомбинации. Однако, анализ мейоза гаплоидных дрожжей выявил образование букета в kar3Δ клетках, которые не согласуются с ролью KAR3 в формировании букета.

Disrupting bouquets: synaptic meiosis

В 1997 найден NDJ1, мейоз-специфический теломерный белок, у S. cerevisiae, необходимый для собственно распределения кроссоверов, HOMOLOGUE DISJUNCTION и интегральности теломерных комплексов. NDJ1 первый белок, необходимй для образования букета у организмов, испытывающих синаптический мейоз. Мутация NDJ1 устраняет мейоз-специяическое распределение теломер.Более того, флюоресценция in situ показала, что помимо разрушения букета NDJ1 мутанты обнаруживают заметную задержку гомологичного спаривания (но в конце концов оно заканчивается успешно). Особенно страдают физически малые хромосомы из-за отсутствия образования букета, возможно потому, что они имеют в этом случае меньшую возможность переплестись со своим гомологом. Т.обр., фенотип этих bouquet-defective мутантов подтверждает гипотезу, что каталитической активности образующегося букета способствует физическая близость компетентных к спариванию лептотенных хромосом (Box.1).

Очевидно, что NDJ1 участвует в привязывании теломер к мейотической ядерной оболочке. Интересно, что ядерная оболочка ооцитов лягушек содержит 70-kDa белок. который родственен теломерному белку TRF2 млекопитающих и м. участвовать в присоединении теломер к ядерной оболочке. В этой связи, интересно, что предсказываемый NDJ1белок имеет С-терминальный сайт myristoylation — модификации, которая направляет мейоз-специфический lamin C2 в мейотическую ядерную оболочку tсперматоцитов крыс. Во время митотической интерфазы теломеры дрожжей связываются с ядерными порами посредством белка Ku и с расширениями нуклеоплазматических пор MLP1 и MLP2 (которые являются TPR гомологами). Во время профазы I у человека, однако, ядерные поры и теломеры перераспределяются в пространственно различных секторах ядерной оболочки, что не согласуется с ролью ядерных пор и ассоцированных с ними белков в приклеплении мейотических теломер