Рекомбинационные узелки
Синаптонемальный комплекс обеспечивает структурную основу, необходимую для рекомбинационных событий, но сам он, вероятно, непосредственно в этих событиях не участвует. Как полагают, важную роль в этих событиях играют рекомбинационные узелки, которые представляют собой очень крупные белковые комплексы с диаметром около 90 нм (для сравнения заметим, что крупная молекула глобулярного белка массой 400000 дальтон имеет диаметр порядка 10 нм).
Рекомбинационные узелки "сидят" на некоторых расстояниях друг от друга на "лестнице" синаптонемального комплекса, между двумя гомологичными хроматидами ( рис. 15-14 ). Предполагается, что это место расположения крупных мультиферментных "рекомбинационных аппаратов", которые подтягивают друг к другу локальные участки ДНК материнской и отцовской хроматид через область синаптонемального комплекса шириной 100 нм.
О такой функции рекомбинационных узелков свидетельствуют некоторые косвенные данные:
1. Общее число узелков примерно равно общему числу хиазм , наблюдаемых позже в профазе .
2. Узелки распределены вдоль синаптонемального комплекса таким же образом, как и перекресты, например, подобно перекрестам, узелки отсутствуют в тех областях, где синаптонемальный комплекс соединяет отрезки гетерохроматина. Кроме того, генетические и цитологические исследования показывают, что произошедший кроссинговер препятствует осуществлению другого кроссинговера в близлежащем участке хромосомы. Точно так же и узелки, как правило, не располагаются очень близко жруг к другу.
3. Некоторые мутации у дрозофилы приводят к аномальному распределению перекрестов по длине хромосом и резко пониженной частоте рекомбинаций, при этом у мух оказывается меньше рекомбинационных узелков и их размещение вдоль хромосомы изменено так же, как и распределение перекрестов. Такая корреляция служит веским доводом в пользу того, что каждый кроссинговер определяется локализацией одного узелка.
4. Как полагают, при генетической рекомбинации в области каждого кроссинговера происходит синтез некоторого количества ДНК. Метод радиоавтографии в сочетании с электронной микроскопией позволяет показать, что радиоактивные предшественники включаются в пахитенную ДНК главным образом в области рекомбинационных узелков или поблизости от них.
Поскольку рекомбинационных узелков бывает примерно столько же, сколько происходит перекрестов, можно думать, что эти узелки очень эффективно вызывают рекомбинацию между хроматидами двух гомологичных хромосом. К сожалению, о структуре рекомбинационных узелков и механизме их действия пока мало что известно.
Впервые рекомбинационные узелки (РУ) как цитологические структуры, имеющие отношение к мейотическому кроссинговеру , были описаны Карпентер в 1975 г. ( Carpenter, 1975 ). Анализируя ультратонкие срезы ооцитов дрозофилы, Карпентер обнаружила небольшие электронно- плотные структуры сферической формы, диаметром примерно 100 nm. Карпентер назвала эти структуры рекомбинационными узелками,посколь- ку их поведение, как оказалось, совпадает с поведением кроссоверных обменов.
Карпентер нашла, что среднее число рекомбинационных узелков на ооцит состовляет около 5, это соответствует числу обменов в мейозе - 5-6. Большая часть узелков располагается в дистальных районах аутосом и связана с синаптонемными комплексами эухроматиновой мор- фологии. Рекомбинационные узелки никогда не обнаруживаются в хромоцентре . Хромосомные плечи , как правило, имеют один рекомбинационный узелок, биваленты с двумя узелками встречаются редко. Одиночные узелки локализованы, как правило, в середине плеча, в то время как двойные - по краям. Таким образом, число и распределение РУ в профазе мейоза ооцитов дрозофилы соответствует числу и распределению кроссоверных обменов . Это совпадение позволило Карпентер утверждать, что обнаруженые ею структуры являются цитологическими маркерами кроссинговера в мейотической профазе.
Интересно, что еще до Карпентер аналогичные структуры наблюдал в профазе мейоза нейроспоры Гилиес (цит. по Carpenter, 1975 ). Он также назвал эти структуры узелками и показал, что они встречаются с частотой 1-2 на бивалент и что два узелка на одном плече всегда разделены - находятся на противоположных концах хромосомного плеча. Гилиес, однако, ограничился просто описанием узелков и ничего не говорил об их возможной функции.
После пионерской работы Карпентер были получены новые доказательства связи РУ и кроссинговера. Было показано, что у самок дрозофил, гомозиготных по мей-мутациям (мей-218, мей-41 и мей-с282), число сферических РУ в профазе мейоза уменьшается пропорционально уменьшению числа кроссоверных обменов ( Carpenter;1984 ). При цитологическом изучении гомозигот по мей-9 были получены результаты, указывающие на то, что РУ являются скорее потенциальными сайтами мейотического кроссинговера, чем следствием уже прошедшего обмена. У гомозигот по мей-9 число РУ на ядро не уменьшается, хотя среднее число кроссоверных обменов значительно снижено и составлеет 8% от нормы.
Анализ мейоза у насекомых Bithynia leachi и B. tentoculata также указывают на то, что наличие РУ в профазе мейоза не является достаточным условием для мейотического кроссинговера ( Debus,1978 ). Мейоз у этих видов ахиазматический , в то же время в профазе обнаруживается типичный синаптонемный комплекс и рекомбинационные узелки. Авторы считают, что функция РУ может состоять не только в обеспечении кроссоверного обмена, но и в создании условий для правильной сегрегации гомологичных хромосом в первом мейотическом делении.
На важную роль РУ в инициации синапсиса гомологов в ранней мейотической профазе указывают результаты цитологического изучения мейоза у растения Psilotum nudum ( Anderson, Stack, 1988 ). У этого вида на стадии зиготены положение узелков совпадает с положением сайтов инициации синапсиса . Иногда рекомбинационные узелки связаны всего с одним латеральным элементом синаптонемного комплекса, но, как правило, с обоими.
Большая часть полученных результатов указывает на то, что ре- комбинационные узелки являются медиаторами мейотического кроссинго- вера. Для многих видов показано хорошее соответствие между числом рекомбинационных узелков в профазе мейоза и числом кроссоверных об- менов. Это следующие виды: мышь, тутовый шелкопряд,лук,нейроспора, курица, сумчатые грибы ( Wettstein et al.,1984 ). В то же время, в исследованиях на человеке, кукурузе, крысе и саранче обнаружен де- фицит рекомбинационных узелков в ядрах пахитенных клеток, по срав- нению с хиазмами. Возможно, это связано с тем, что узелки теряются в процессе приготовления мейотических препаратов. Возможно также, что узелки являются временными структурами, которые разрушаются в ходе мейоза.
Морфологически рекомбинационые узелки могут различаться не только у разных видов, но и у одного вида на разных стадиях профазы мейоза. Еще Карпентер отмечала, что размеры сферических узелков в оогенезе дрозофилы могут меняться от 50 до 170 nm.Позднее Карпентер описала два морфологически дискретных типа узелков - сферические и эллипсоидные ( Carpenter,1984 ). Она показала, что эллипсоидные РУ встречаются лишь на стадии ранней пахитены, в то время как сферические - на всех стадиях мейотической профазы с одинаковой частотой.
Расмуссен и Холм обнаружили в профазе мейоза у человека последовательное превращение плотных рекомбинационных узелков в более рыхлые хроматиновые узелки и хиазмы . В ранней зиготене узелки имеют небольшой размер - около 30 nm., они сферической формы и плотно связаны с СК. В пахитене число типичных РУ уменьшается, узелки увеличиваются в размерах, становятся более электронноплотными и превращаются в рекомбинационные утолщения - "bars". Аналогичные изменения морфологии узелков происходят также в сперматогенезе домовой мыши ( Wettstein et al.,1984 ).
