Пространственная организация хромосом в ядре

1. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» Пространственная организация хромосом в ядре Ксения Куцын Ростов-на-Дону 2012

2. 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

3. 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 Рубцов Н.Б., 2007 Проекции интерфазного ядра фибробласта человека. Линии показывают положения плоскостей оптических срезов: XY - синяя, XZ - зеленая, YZ - красная. Оптические срезы интерфазного ядра фибробласта человека. Красным выделена ДНК хромосомы 9; зеленым - ДНК её центромерного района.

4. Возникновение и развитие понятия хромосомных территорий

5. 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(Salamandramaculata larvae)

6. Т. Боверисчитал, 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

7. Различные взгляды на структурную организацию хромосомных территорий Strasburger 1905 Модель хромосомных территорий, предложенная в 1905 году Эдвардом Страсбургером

8. В 1909 году Бовери предложил губкообразную модель строения хромосомных территорий. На рисунке изображены две хромосомные территории (ХТ) , образованные пучками хроматина, ветвящимися и образующими сети.

9. Экспериментальные доказательства существования хромосомных территорий

10. 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

11. 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

12. Реализация опыта Кремера Cremer et al. 1982 Метафазная пластинка, полученная из ядер клеток, полученных в том же опыте, спустя 40 часов после облучения

13. Иммуноцитохимическая идентификация облученной ДНК в небольшой части метафазной пластинки Cremer et al. 1984 Авторадиограмма ядра диплоидной клетки, подвергнутого микрооблучению Cremer et al. 1982

14. Прямые доказательства существования хромосомных территорий In situ гибридизация гибридной клеточной линии «китайский хомячок - X человек», несущей одну Х-хромосому человека с биотинилированной геномной ДНК человека на метафазном препарате(другие хромосомы окрашены по Гимза) Schardin, 1985

15. Современная гибридизация in situ Tanabe et al. 2002 Tanabe et al. 2002 Микрофотография метафазной пластинки. FISH с использованием специфических окрашивающих зондов (18 хромосома-красная, 19 хромосома- зеленая). Тотальная ДНК окрашена DAPI. Оптический срез ядра лимфобластоидной клетки человека, полученный с помощью конфокального микроскопа, после 3D FISH с теми же окрашивающими метками.

16. 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

17. Получение изображения хромосомных территорий ядра фибробласта человека Bolzer et al. 2005

18. Цветное изображение хромосомных территорий ядра фибробласта человека Bolzer et al. 2005 Гомологи находятся далеко друг от друга; хромосомы “выстроены” по периферии ядра.

19. 3D-реконструкция хромосомных территорий ядра фибробласта под разными углами Bolzer et al. 2005

20. Моделирование расположения хромосом в ядре фибробласта и их дальнейшая деконденсация с образованием хромосомных территорий Bolzer et al. 2005

21. Моделирование деконденсации хромосом с образованием хромосомных территорий Bolzer et al. 2005

22. Пространственное распределение хромосомных территорий

24. Определение расположения хромосомных территорий

25. Радиальное расположение Ранние данные о неслучайном радиальном распределении хромосомных территорий были получены в 3D FISH-опытах 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 Tanabe et al. 2002

26. Соседствующее расположение (паттерн сближенности)

27. Богатые генами хромосомы располагаются в центре ядра, а бедные - на переферии Tanabe et al. 2002

28. Koehler et al. 2009 Koehler et al. 2009 Ядра, тотально окрашенные DAPI (голубой), с окрашенными хромосомными территориями 19 (зеленый) и 20 (красный) хромосом у эмбриона коровы (Bostaurus) на стадии бластоцисты 3D реконструкция тех же ядер в другой проекции

29. 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 3Dреконструкция хромосомной территории 12 хромосомы после 3D FISH с теми же наборами BAC-клонов 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

30. Структура, форма и пластичность хромосомных территорий

31. 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

32. Выпетливаниетранскрипционно активных генов Недифференцированная клетка 4 день дифференцировки 10 день дифференцировки

33. Схема выпетливания генов Hoxb1 и Hoxb9 (черный) из хромосомной территории 11 хромосомы (серый) домовой мыши (Musmusculus) на разных стадиях дифференцировки эмбриональных стволовых клеток

34. 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

35. Стабильность и изменения расположения хромосомных территорий в делящихся клетках 5 μm Материнская клетка 5 μm Дочерние клетки

36. Динамика расположения хромосомных территорий во время постмитотической дифференциации клеток и в окончательно дифференцированных клетках

37. Предпочтительные радиальные позиции индивидуальных хромосом могут различаться в клетках, дифференцированных по разным путям (на примере хромосом мыши в разных типах клеток)

38. Реорганизация хромосомных территорий во время окончательной дифференцировки (на примере палочковидных клеток сетчатки) Rattusnorvegicus, коричневая крыса (ночной образ жизни) Sciuruscarolinensis, серая белка (дневной образ жизни) Marmotamonax, североамериканский лесной сурок (сумеречный образ жизни)

39. Динамика и взаимодействие специфических локусов генов, расположенных на одной или на разных хромосомных территориях

40. 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.

41. Перемещения доменов внутри хромосомных территорий являются хаотичными и весьма ограниченными. 5 μm

42. Концепция молчащей ядерной периферии и транскрипционно активной внутренней части ядра Выпетливаниетранскрипционно активных локусов во внутреннюю часть ядра Хромосомные территории

43. Визуализация локуса хроматина, привязанного к ламину А ядерной оболочки

44. Сложность регуляции генов на ядерной периферии

45. Целующиеся хромосомы Сайленсинг посредством групп репрессирующих белков Активация транскрипции генов

46. Образование хромосомных перестроек 2n 4n 2 μm

47. Внутри хромосомных территорий позиции генов не являются случайными.

48. Модели ядерной архитектуры

49. 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 межхроматиновыйкомпартмент

50. Модель компартментов межхроматиновых доменов постулирует размещение активных генов на поверхности хромосомных территорий