Пространственные и сетчатые конструкции, Вернадский, Шухов, Ладовский, Крутиков, Мельников, Савельев, Мухин, Шевнин, Shevnin, геномная архитектура

понедельник, 17 марта 2008 г.

Well-defined genome architecture in the human sperm nucleus. Chromosoma.

Мудрак
Ольга Станиславовна
Архитектура хромосом в ядре сперматозоида человека
03.00.25 – гистология, цитология, клеточная биология
Санкт-Петербург
2006
Работа выполнена в Медицинской школе Восточной Вирджинии, США

Научный руководители: чл. - корр. РАН, доктор биологических наук,

Томилин Николай Викторович

Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург

доктор биологических наук, профессор

Заленский Андрей Олегович

Медицинская школа Восточной Вирджинии, США

Официальные доктор биологических наук, профессор

оппоненты: Михельсон Виктор Михайлович,

Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург

чл. - корр. РАМН, доктор биологических наук,

Баранов Владислав Сергеевич

Институт акушерства и гинекологии им. Д.О. Отта
РАМН, Санкт-Петербург

Ведущая организация: Институт
экспериментальной медицины

Институт цитологии РАН по
адресу: 194064 Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цитологии
РАН.
Ученый секретарь кандидат биологических наук
диссертационного совета Е.В. Каминская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Регуляция генной экспрессии в интерфазных ядрах эукариотических
клеток осуществляется не только на уровне индивидуальных генов и
хроматина, но и на ядерном уровне, включающем перемещение локусов в
ядре посредством изменения крупномасштабной структуры хроматина (Van
Driel et al., 2003). Поэтому изучение геномной архитектуры (трехмерной
организации генома) интерфазных ядер – одно из важнейших направлений
современой клеточной биологии.

В сперматозоидах человека – генетические активности подавлены.
Репрессия репликации и транскрипции обеспечивается сверхкомпактной
упаковкой ДНК специфическими для сперматозоидов белками –
протаминами. Несмотря на это, и в ядрах сперматозоидов обнаружены
элементы геномной архитектуры, а именно: 1) каждая хромосома занимает
в ядре зрелого сперматозоида ограниченный объем - хромосомную
территорию (ХТ) (Brandriff, Gordon, 1992; Haaf, Ward, 1995; Zalensky et al.,
1995); 2) внутриядерная локализация этих территорий неслучайна (Luetjens
et al., 1999; Hazzouri et al., 2000; Tilgen et al., 2001; Zalenskaya, Zalensky,
2004; Foster et al., 2005); 3) центромеры всех хромосом сосредоточены в
центре ядра и образуют компактный хромоцентр (Zalensky et al., 1993, 1995;
Haaf, Ward, 1995; Hoyer-Fender et al., 2000); 4) теломеры расположены на
периферии ядра, где они взаимодействуют, образуя димеры (Zalensky et al.,
1995, 1997; Meyer-Ficсa et al., 1998; Hazzouri et al., 2000); 5) в большинстве
случаев теломерные димеры образованы за счет взаимодействий концов
одной и той же хромосомы, и, следовательно, хромосомы сложены
наподобие шпильки (Solov’eva et al., 2004).

Какова роль геномной архитектуры в генетически неактивном ядре
сперматозоида?

Локализация теломер на ядерной мембране может быть важна для
процесса оплодотворения. После проникновения сперматозоида в ооцит,
периферически расположенные теломеры сперматозоида - одни из первых

районов хромосом, экспонированных к ооплазме. Показано, что
деконденсация отцовского хроматина зависит от управляемого
микротрубочками движения мужского пронуклеуса к женскому (Sutovsky and
Schatten, 2000). Взаимодействие теломер с микротрубочками было
показано для дрожжей (Ding et al., 1998; Hiraoka, 1998). Таким образом,
направляемое микротрубочками движение мужского пронуклеуса к
женскому, осуществляется с участием теломер. Наконец, теломерные
ассоциации (Zalensky et al., 1995, 1997) могут обеспечивать сохранение
территориальной организации хромосом во время их деконденсации в
яйцеклетке, наблюдаемое вплоть до стадии полностью развитого
пронуклеуса (Brandriff, Gordon, 1992).

В хроматине спермиев человека 85 % ДНК связаны с протаминами, а
15 % ДНК - с гистонами (Gatewood, et al., 1990). Предположительно,
распределение нуклеопротаминовых и нуклеогистоновых районов
неслучайно. Показано, что гистоны ассоциированы с некоторыми
кодирующими последовательностями (гены акрозина, бета-глобина, IGF-2
гены), а также с некодирующими повторами (Alu, центромеры и теломеры)
(Wykes, Krawetz, 2003; Zalenskaya et al., 2000). Предполагают, что
специфическое распределение гистонов и протаминов внутри ядра
сперматозоида важно не только для трехмерной организации, но также
может нести эпигенетическую информацию, например, маркировать набор
генов, вовлеченных в ранний эмбриогенез (Gatewood et al., 1987). Так,
эмбрион-специфический .- и .-глобиновые гены обогащены гистонами в
сперматозоиде, в то время как постнатально экспрессирующийся .-
глобиновый ген обогащен протаминами (Gardiner-Garden et al., 1998).

Таким образом, реорганизация мужского генома, активация и
экспрессия отцовских генов после оплодотворения и на ранних стадиях
эмбриогенеза зависит от их структурной организации и пространственной
упаковки в сперматозоиде. Поэтому, изучение иерархической организации
хромосом в ядре сперматозоида (хромосомной архитектуры) приобретает
несомненную актуальность.


Цель и задачи исследования

Цель работы заключалась в выявлении новых элементов упорядоченной
геномной архитектуры, характерных для зрелого сперматозоида человека
методом флуоресцентной гибридизации in situ (FISH).

Были сформулированы следующие экспериментальные задачи:

1. Проанализировать процесс декомпактизации хромосом 1, 2, 5 в
искусственно деконденсированных ядрах сперматозоидов человека,
моделирующий события, происходящие при оплодотворении.

2. Описать общую топологию и способ упаковки хромосом 1, 2, 5 и их
плечевых доменов в искусственно деконденсированных ядрах
сперматозоида человека.



Основные положения, выносимые на защиту

1. Хромосомы 1, 2, 5 имеют неслучайную локализацию в ядре
сперматозоида человека.

2. В пределах ХТ хромосомы имеют конформацию шпильки: они изогнуты
на 180 ° в области центромеры, а плечи сближены по всей длине.

3. Хромосомные изгибы локализованы неслучайно, что показано впервые в
ядре сперматозоида.

4. Плечи хромосом шириной ~ 1000 нм сформированы из двух
параллельных фибрилл хроматина. Каждая из фибрилл состоит из
хроматиновых глобул диаметром 500 ± 70 нм, соединенных между собой
более тонкими хроматиновыми нитями.

Предложена модель иерархической упаковки сперматозоидов,
начиная от 500 нм хроматиновых глобул до компактной хромосомной
территории.

Научная новизна работы

Впервые на сперматозоидах человека выполнена гибридизация in situ с
хромосом-специфическими плечевыми пробами, что позволило
визуализировать p- и q- плечевые домены внутри хромосомной территории.

Впервые описан процесс декомпактизации хромосом в искуственно
деконденсированных ядрах сперматозоидов человека.

Впервые изучена внутренняя организация хромосомного плеча в
деконденсированном сперматозоиде и, на основании полученных
результатов, предложена модель организации хромосом в ядре
сперматозоида, заполняющая существующий пробел между
представлениями об упаковке ДНК в нуклеопротаминовые тороиды и
сведениями о крупномасштабной архитектуре ДНК и хромосом в ядре.

ВЫВОДЫ

1. Хромосомы 1, 2, 5 имеют неслучайную локализацию в ядре
сперматозоида человека.

2. В пределах хромосомной территории хромосома имеет конформацию
шпильки: она изогнута на 180 ° в области центромеры, а плечи сближены по
всей длине.

3. Хромосомные изгибы локализованы неслучайно, что показано впервые в
ядре сперматозоида.

4. Предложена модель организации хромосом в ядре сперматозоида,
заполняющая существующий пробел мeжду представлениями об упаковке
ДНК в нуклеопротаминовые тороиды и сведениями о трехмерной структуре
ядра.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Olga Mudrak and Andrei Zalensky. Direct visualization of chromosome path in
the Human Sperm Nucleus. In “EVMS Research Day Conference, Norfolk, VA
(USA), October 1, 2004”.

2. Mudrak O, Tomilin N, Zalensky A. 2005. Chromosome architecture in the
human sperm nucleus. J. Cell. Sci. 118: 4541-4550.

3. Andrei Zalensky, Olga Mudrak, Maria Svetlova, Ludmila Solov’eva and Irina
Zalenskaya. 2005. Chromosome architecture in Human Sperm Nuclei. In “First
International Cytogenetic and Genome Society Congress, Granada (Spain), June
14-18, 2005”.

4. Andrei Zalensky, Olga Mudrak, Maria Svetlova, Ludmila Solov’eva.
Chromosome architecture in Human Sperm Nuclei In “EVMS Research Day
Conference, Norfolk, VA (USA), October 1, 2005”.


5. Mudrak O., Zalensky A. 2006. Genome architecture in human sperm cells:
possible implication for male infertility in: Male Infertility: Diagnosis and
Treatment. Informa UK Ltd. 73-85.



СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Allen M.J., Bradbury E.M., Balhorn R. 1995. The natural subcellular surface structure of
the bovine sperm cell. J. Struct. Biol. 114: 197-208. - Balhorn R., Brewer L., Corzett M. 2000.
DNA condensation by protamine and arginine-rich peptides: analysis of toroid stability using
single DNA molecules. Mol. Reprod. Dev. 56: 230-234. - Brandriff B.F., Gordon L.A. 1992.
Spatial distribution of sperm-derived chromatin in zygotes determined by fluorescence in situ
hybridization. Mutat. Res. 296: 33-42. - Canapa A., Cerioni P.N., Barucca M., Olmo E., Caputo V.
2002. A centromeric satellite DNA may be involved in heterochromatin compactness in gobiid
fishes. Chromosome Res. 10: 297-304. - Cremer T., Kurz A., Zirbel R., Dietzel S., Rinke R.,
Schrock E., Speicher M.R., Mathieu U., Juach A., Emmerich P., Scherthan H., Ried T., Cremer
C., Lichter P. 1993. Role of chromosome territories in the functional compartmentalization of the
cell nucleus. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. LVIII, 777-792. - Dietzel S., Jauch A., Kienle
D., Qu G., Holtgreve-Grez H., Eils.R., Munkel C., Bittner M., Meltzer P.S., Trent J.M., Cremer T.
1998. Separate and variably shaped chromosome arm domains are disclosed by chromosome
arm painting in human cell nuclei. Chromosome Res. 6: 25-33. - Ding D.Q., Chikashige Y.,
Haragushi T., Hiraoka Y. 1998. Oscillatory nuclear movement in fission yeast meiotic prophase is
driven by astral microtubules, as revealed by continuous observation of chromosomes and
microtubules in living cells. J.Cell Sci. 111, 701-712. - Eissenberg J.C., Elgin S.C. 2000. The
HP1 protein family: getting a grip on chromatin. Curr. Opin. Genet. Dev. 10: 204-210.- Fan J.Y.,
Rangasamy D., Luger K., Tremethick D.J. 2004. H2A.Z alters the nucleosome surface to promote
HP1 alpha-mediated chromatin fiber folding. Mol. Cell. 16: 655-661. - Flejter W.L., Van Dyke
D.L., Weiss L. 1984. Bends in human mitotic metaphase chromosomes, including a bend marking
the X-inactivation center. Am. J. Hum. Genet. 36: 218-226. - Foster H.A., Abeydeera L.R., Griffin
D.K., Bridger J.M. 2005. Non-random chromosome positioning in mammalian sperm nuclei, with
migration of the sex chromosomes during late spermatogenesis. J. Cell Sci. 118: 1811-1820. -
Gardiner-Garden M., Ballesteros M., Gordon M., Tam P.P. 1998. Histone- and protamine-DNA
association: conservation of different patterns within the beta-globin domain in human sperm.
Mol. Cell. Biol. 18: 3350-3356. - Gatewood J.M., Cook G.R., Balhorn R., Bradbury E.M., Schmid
C.W. 1987. Sequence-specific packaging of DNA in human sperm chromatin. Science. 236: 962-
964. - Gineitis A.A., Zalenskaya I.A., Yau P.M., Bradbury E.M., Zalensky A.O. 2000. Human
sperm telomere-binding complex involves histone H2B and secures telomere membrane
attachment. J. Cell Biol. 151: 1591– 1598. - Greaves I.K., Rens W., Ferguson-Smith M.A., Griffin
D., Marshall-Graves J.A. 2003. Conservation of chromosome arrangement and position of the X
in mammalian sperm suggests functional significance. Chromosome Res. 11: 503-512. - Gusse
M., Chevaillier P. 1980. Electron microscope evidence for the presence of globular structures in
different sperm chromatins. J. Cell Biol. 87: 280-284. - Haaf T., Ward D.C. 1995. Higher order
nuclear structure in mammalian sperm revealed by in situ hybridization and extended chromatin
fibers. Exp. Cell Res. 219: 604-611. - Hazzouri M., Rousseaux S., Mongelard F., Usson Y.,
Pelletier R., Faure A.K., Vourc'h C., Sele B. 2000. Genome organization in the human sperm
nucleus studied by FISH and confocal microscopy. Mol. Reprod. Dev. 55: 307–315. - Hiraoka Y.,
1998. Meiotic telomeres: a matchmaker for homologous chromosomes. Genes Cells 3: 405-413.

Hoyer-Fender S., Singh P.B., Motzkus D. 2000. The murine heterochromatin protein M31 is
associated with the chromocenter in round spermatids and is a component of mature
spermatozoa. Exp. Cell Res. 254: 72–79. - Hud N.V., Allen M.J., Downing K.H., Lee J., Balhorn
R. 1993. Identification of the elemental packing unit of DNA in mammalian sperm cells by atomic
force microscopy. Biochem. Biophys. Res. Commun. 193: 1347-1354. - Hud N.V., Milanovich
F.P., Balhorn R. 1994. Evidence of novel secondary structure in DNA-bound protamine is
revealed by Raman spectroscopy. Biochemistry. 33: 7528-7535. - Kirsch J.A.W., Lapointe F.J.,


Springer M.S. 1997. DNA-hybridisation studies of marsupials and their implications for
metatherian classification. Australian Journal of Zoology. 45: 211. - Kramer J.A., Krawetz S.A.
1996. Nuclear matrix interactions within the sperm genome. J. Biol. Chem. 271: 11619-11622. -
Luetjens C.M., Payne C., Schatten G. 1999. Non-random chromosome positioning in human
sperm and sex chromosome anomalies following intracytoplasmic sperm injection. Lancet. 353:
1240. - McLay D.W., Clarke H.J. 2003. Remodelling the paternal chromatin at fertilization in
mammals. Reproduction. 125: 625-633. - Martianov I., Brancorsini S., Gansmuller A., Parvinen
M., Davidson I., Sassone-Corsi P. 2002. Distinct functions of TBP and TLF/TRF2 during
spermatogenesis: requirement of TLF for heterochromatic chromocenter formation in haploid
round spermatids. Development. 129: 945-955. - Meyer-Ficca M., Muller-Navia J., Scherthan H.
1998. Clustering of pericentromeres initiates in step 9 of spermiogenesis of the rat (Rattus
norvegicus) and contributes to a well defined genome architecture in the sperm nucleus. J. Cell
Sci. 111: 1363–1370. - Perrini B., Piacentini L., Fanti L., Altieri F., Chichiarelli S., Berloco M.,
Turano C., Ferraro A., Pimpinelli S. 2004. HP1 controls telomere capping, telomere longation,
and telomere silencing by two different mechanisms in Drosophila. Mol. Cell. 15: 467-476. - Plaja
A., Miro R., Lloveras E., Sarret E., Fernandez B., Egozcue J. 2004. Intranuclear arrangement of
human chromosome 12 is reflected in metaphase chromosomes as non-random bending. Ann
Genet. 47: 429-432. - Romanato M., Cameo M.S., Bertolesi G., Baldini C., Calvo J.C., Calvo L.
2003. Heparan sulphate: a putative decondensing agent for human spermatozoa in vivo. Hum.
Reprod. 18: 1868-1863. - Sanchez-Vazquez M.L., Reyes R., Ramirez G., Merchant-Larios H.,
Rosado A., Delgado N.M. 1998. DNA unpacking in guinea pig sperm chromatin by heparin and
reduced glutathione. Arch. Androl. 40: 15-28. - Schultz R.M., Worrad D.M. 1995. Role of
chromatin structure in zygotic gene activation in the mammalian embryo. Semin. Cell Biol. 6: 201-
208. - Sobhon P., Chutatape C., Chalermisarachai P., Vongpayabal P., Tanphaichitr N. 1982.
Transmission and scanning electron microscopic studies of the human sperm chromatin
decondensed by micrococcal nuclease and salt. J. Exp. Zool. 221: 61-79. - Solov'eva L.,
Svetlova M., Bodinski D., Zalensky A.O. 2004. Nature of telomere dimers and chromosome
looping in human spermatozoa. Chromosome Res. 12: 817-823. - Strouboulis J., Wolffe A.P.
1996. Functional compartmentalization of the nucleus. J. Cell Sci. 109: 1991-2000. - Sutovsky
P., Schatten G. 1997. Depletion of glutathione during bovine oocyte maturation reversibly bliocks
the decondensation of the male pronucleus and pronuclear apposition during fertilization. Biol.
Reprod. 56: 1503-1512. - Sutovsky P., Schatten G. 2000. Paternal contributions to the
mammalian zygote: fertilization after sperm – egg fusion. Int. Rev. Cytol.: 195, 1–65. - Tilgen N.,
Guttenbach M., Schmid M. 2001. Heterochromatin is not an adequate explanation for close
proximity of interphase chromosomes 1–Y, 9–Y, and 16–Y in human spermatozoa. Exp. Cell Res.
265: 283–287. - Van Driel R., Fransz P.F., Verschure P.J. 2003. The eukaryotic genome: a
system regulated at different hierarchical levels. J. Cell Sci. 116: 4067-75. - Villeponteau B.
1992. Heparin increases chromatin accessibility by binding the trypsin-sensitive basic residues in
histones. Biochem. J. 288: 953-958. - Ward W.S. 1993. Deoxyribonucleic acid loop domain
tertiary structure in mammalian spermatozoa. Biol. Reprod. 48: 1193-1201. - Ward W.S., Partin
A.W. Coffey D.S. 1989. DNA loop domains in mammalian spermatozoa. Chromosoma. 98: 153-
159. - Ward M.A., Ward W.S. 2004. A model for the function of sperm DNA degradation. Reprod.
Fertil. Dev. 16, 547-554. - Ward W.S., Zalensky A.O. 1996. The unique, complex organization of
the transcriptionally silent sperm chromatin. Crit. Rev. Eukaryot. Gene Expr. 6: 139-147. - Wykes
S.M., Krawetz S.A. 2003. The structural organization of sperm chromatin. J. Biol. Chem. 278:
29471-29477. - Zalenskaya I.A., Zalensky A.O. 2000. Telomeres in mammalian germ-line cells.
Intern. Rev. Cytology. 218: 37-67. - Zalenskaya I.A., Zalensky A.O. 2004. Non-random
positioning of chromosomes in human sperm nuclei. Chromosome Res. 12: 163-173. - Zalensky
A.O., Breneman J.W., Zalenskaya I.A., Brinkley B.R., Bradbury E.M. 1993. Organization of
centromeres in the decondensed nuclei of mature human sperm. Chromosoma. 102: 509–518. -
Zalensky A.O., Allen M.J., Kobayashi A., Zalenskaya I.A., Balhorn R., Bradbury E.M. 1995. Well-
defined genome architecture in the human sperm nucleus. Chromosoma. 103: 577-590. -
Zalensky A.O., Tomilin N.V., Zalenskaya I.A., Teplitz R.L., Bradbury E.M. 1997. Telomere-
telomere interactions and candidate telomere binding protein(s) in mammalian sperm cells.

Комментариев нет:

Shukhov+Melnikov+Shevnin

Группы Google
Складной каркас сетчатой оболочки вращения. В.Г.Шухов, Н.П.Мельников
Перейти в эту группу

Архив блога