Молекулярная биология, 2021, T. 55, № 6, стр. 999-1010

Упаковка молекул ДНК субхромосомного размера в хроматиновых тельцах макронуклеусов инфузорий

О. Г. Леонова a, А. А. Потехин bc, И. В. Некрасова b, Б. П. Караджян d, Б. В. Сёмин e, В. С. Прасолов a, В. И. Попенко a*

a Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук
119991 Москва, Россия

b Санкт-Петербургский государственный университет, биологический факультет, кафедра микробиологии
199034 Санкт-Петербург, Россия

c Зоологический институт Российской академии наук
199034 Санкт-Петербург, Россия

d Институт цитологии Российской академии наук
194064 Санкт-Петербург, Россия

e Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации
119435 Москва, Россия

* E-mail: popenko@eimb.ru

Поступила в редакцию 31.03.2021
После доработки 11.05.2021
Принята к публикации 12.05.2021

Аннотация

Принципиальное отличие соматических ядер (макронуклеусов) инфузорий от клеточных ядер высших эукариот состоит в том, что геном макронуклеуса представлен огромным числом (до десятков и сотен тысяч) минихромосом генного (0.5–25 т.п.н.) или субхромосомного (до 2000 т.п.н.) размера. Методом электронной микроскопии показано, что на стадии интерфазы хроматин макронуклеусов обычно имеет вид хроматиновых телец, или тяжей, толщиной 200–300 нм. Однако открытым остается вопрос о количестве молекул ДНК в индивидуальных хроматиновых тельцах. Нами изучена организация хроматина в макронуклеусах инфузории Didinium nasutum и трех видов Paramecium sp, отличающихся по пульс-электрофоретическому кариотипу, а также соответствие организации хроматина соматических ядер модели топологически ассоциированных доменов в ядрах высших эукариот. С помощью пульс-электрофореза показано, что размеры ДНК макронуклеуса изученных видов лежат в диапазоне 50–1700 т.п.н., однако основная часть молекул имеет длину менее 500 т.п.н. Сравнительный количественный анализ данных пульс-электрофореза и электронной микроскопии показал, что на стадии логарифмического роста культуры хроматиновые тельца P. multimicronucleatum содержат по одной минихромосоме, в то время как тельца в макронуклеусе D. nasutum – две и более молекул ДНК. Однако при снижении активности макронуклеусов при голодании хроматиновые тельца агрегируют, что приводит к увеличению их размера и/или формированию 200–300 нм фибрилл, состоящих из нескольких хроматиновых телец. Предложена модель формирования таких структур. Показано, что по топологическим характеристикам хроматиновые тельца в макронуклеусах инфузорий с субхромосомным размером ДНК соответствуют топологически-ассоциированным доменам высших эукариот.

Ключевые слова: хроматин, инфузории, макронуклеус, пульс-электрофорез, электронная микроскопия, топологически-ассоциированные домены

Список литературы

  1. Cremer T., Cremer M., Cremer C. (2018) 4D-нуклеом: компартментализация генома в контексте эволюции. Биохимия. 83, 452–466.

  2. Postberg J., Lipps H.J., Cremer T. (2010) Evolutionary origin of the cell nucleus and its functional architecture. Essays Biochem. 48, 1–24.

  3. Разин С.В., Ульянов С.В., Гаврилов А.А. (2019) 3D геномика. Молекуляр. биология. 53, 911–923.

  4. Razin S.V. (1996) Functional architecture of chromosomal DNA domains. Crit. Rev. Eukaryot. Gene Expr. 6, 247–269.

  5. Cockerill P.N., Garrard W.T. (1986) Chromosomal loop anchorage sites appear to be evolutionarily conserved. FEBS Lett. 204, 5–7.

  6. Gasser S.M., Laemmli U.K. (1986) The organization of chromatin loops: characterization of a scaffold attachment site. EMBO J. 5, 511–518.

  7. Iarovaia O., Hancock R., Lagarkova M., Miassod R., Razin S.V. (1996) Mapping of genomic DNA loop organization in a 500-kilobase region of the Drosophila X chromosome by the topoisomerase II-mediated DNA loop excision protocol. Mol. Cell. Biol. 16, 302–308.

  8. Marsden M.P.F., Laemmli U.K. (1979) Metaphase chromosome structure: evidence for a radial loop model. Cell. 17, 849–858.

  9. Belmont A.S., Sedat J.W., Agard D.A. (1987) A three-dimensional approach to mitotic chromosome structure: evidence for a complex hierarchical organization. J. Cell Biol. 105, 77–92.

  10. Zatsepina O.V., Polyakov V.Yu., Chentsov Yu.S. (1983) Chromosoma. 88, 91–97.

  11. Cook P.R. (1995) A chromomeric model for nuclear and chromosome structure. J. Cell Sci. 108, 2927–2935.

  12. Razin S.V., Iarovaia O.V., Vassetzky Y.S. (2014) A requiem to the nuclear matrix: from a controversial concept to 3D organization of the nucleus. Chromosoma. 123, 217–224.

  13. Nishino Y., Eltsov M., Joti Y., Ito K., Takata H., Takahashi Y., Hihara S., Frangakis A.S., Imamoto N., Ishikawa T., Maeshima K. (2012) Human mitotic chromosomes consist predominantly of irregularly folded nucleosome fibres without a 30-nm chromatin structure. EMBO J. 31, 1644–1653.

  14. Ou H.D., Phan S., Deerinck T.J., Thor A., Ellisman M.H., O’Shea C.C. (2017) Visualizing 3D chromatin structure and compaction in interphase and mitotic cells. Science. 357(6349).

  15. Lieberman-Aiden E., van Berkum N.L., Williams L., Imakaev M., Ragoczy T., Telling A., Amit I., Lajoie B.R., Sabo P.J., Dorschner M.O., Sandstrom R., Bernstein B., Bender M.A., Groudine M., Gnirke A., Stamatoyannopoulos J., Mirny L.A., Lander E.S., Dekker J. (2009) Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome . Science. 326, 289–293.

  16. Kalhor R., Tjong H., Jayathilaka N., Alber F., Chen L. (2012) Genome architectures revealed by tethered chromosome conformation capture and population-based modeling. Nat. Biotechnol. 30, 90–98.

  17. Kantidze O.L., Razin S.V. (2020) Weak interactions in higher-order chromatin organization. Nucl. Acids Res. 48, 4614–4626.

  18. Разин С.В., Гаврилов А.А. (2018) Структурнофункциональные домены эукариотического генома. Биохимия. 83, 440–451.

  19. Jahn C.L., Klobutcher L.A. (2002) Genome remodeling in ciliated protozoa. Ann. Rev. Microbiol. 56, 489–520.

  20. Raikov I.B. (1982) The protozoan nucleus. morphology and evolution. Cell Biol. Monogr. 9, 1–474.

  21. Некрасова И.В., Потехин А.А. (2018) Интерференция РНК в формировании соматического генома у инфузорий Paramecium и Tetrahymena. Экологическая генетика. 16, 5–22.

  22. Martinkina L.P., Vengerov Yu.Yu., Bespalova I.A., Tikhonenko A.S., Sergejeva G.I. (1983) The structure of inactive interphase macromolecular chromatin of the ciliate Bursaria truncatella. Radial loops in the structure of chromatin clumps. Eur. J. Cell Biol. 30, 47–53.

  23. Борхсениус О.Н., Беляева Н.Н., Осипов Д.В. (1988) Структура хроматина соматического ядра инфузории Spirostomum ambiguum. Цитология. 30, 762–769.

  24. Karajan B.P., Popenko V.I., Raikov I.B. (1995) Organization of transcriptionally inactive chromatin of interphase macronucleus of the ciliate Didinium nasutum. Acta Protozool. 34, 135–141.

  25. Леонова О.Г., Иванова Ю.Л., Караджан Б.П., Попенко В.И. (2004) Динамика ультраструктурных изменений хроматина и ядрышек макронуклеуса инфузорий Paramecium caudatum и Bursaria truncatella при гипотонической обработке. Цитология. 46, 456–464.

  26. Sonneborn T.M. (1970) Methods in Paramecium research. Methods Cell Physiol. 4, 241–339.

  27. Rautian M.S., Potekhin A.A. (2002) Electrokaryotypes of macronuclei of several Paramecium species. J. Eukaryot. Microbiol. 49, 296–304.

  28. Nekrasova I.V., Przybos E., Rautian M.S., Potekhin A.A. (2010) Electrophoretic karyotype polymorphism of sibling species of the Paramecium aurelia complex. J. Eukaryot. Microbiol. 57, 494–507.

  29. Тимофеева А.С., Раутиан М.С. (1997) Определение размера генома внутриядерной симбиотической бактерии Holospora undulata методом пульс-электрофореза. Цитология. 39, 634–639.

  30. Kornberg R.D. (1977) Structure of chromatin. Ann. Rev. Biochem. 46, 931–954.

  31. Olins A.L., Olins D.E. (1974) Spheroid chromatin units (ν bodies). Science. 183, 330–332.

  32. Tikhonenko A.S., Bespalova I.A., Martinkina L.P., Popenko V.I., Sergejeva G.I. (1984) Structural organization of macronuclear chromatin of the ciliate Bursaria truncatella in resting cysts and at excysting. Eur. J. Cell. Biol. 33, 37–42.

  33. Sloane N.J.A. (1984) The packing of spheres. Sci. American. 25, 116–124.

  34. Duret L., Cohen J., Jubin C., Dessen F., Goüt J.-F., Mousset S., Aury J.-M., Jaillon O., Noël B., Arnaiz O., Bétermier M., Wincker P., Meyer E., Sperling L. (2008) Analysis of sequence variability in the macronuclear DNA of Paramecium tetraurelia: a somatic view of the germline. Genome Res. 18, 585–596.

  35. Pritchard A.E., Seilhamer J.J., Mahalingam R., Sable C.L., Venuti S.E., Cummings D.J. (1990) Nucleotide sequence of the mitochondrial genome of Paramecium. Nucl. Acids Res. 18, 173–180.

  36. Johri P., Marinov G.K., Doak T.G., Lynch M. (2019) Population genetics of Paramecium mitochondrial genomes: recombination, mutation spectrum, and efficacy of selection. Genome Biol. Evol. 11, 1398–1416.

  37. Arnaiz O., Meyer E., Sperling L. (2020) Paramecium DB 2019: integrating genomic data across the genus for functional and evolutionary biology. Nucl. Acids Res. 48, D599–D605.

  38. Bernhard W. (1969) A new staining procedure for electron microscopical cytology. J. Ultrastruct. Res. 27, 250–265.

  39. Richmond T.J., Davey C.A. (2003) The structure of DNA in the nucleosome core. Nature. 423, 145–150.

  40. Murti K.G., Prescott D.M. (1999) Telomeres of polytene chromosomes in a ciliated protozoan terminate in duplex DNA loops. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96, 14436–14439.

  41. Murti K.G., Prescott D.M. (2002) Topological organization of DNA molecules in the macronucleus of hypotrichous ciliated protozoa. Chromosome Res. 10, 165–173.

  42. Jönsson F., Postberg J., Schaffitzel C., Lipps H.J. (2002) Organization of the macronuclear gene-sized pieces of stichotrichous ciliates into a higher order structure via telomere-matrix interactions. Chromosome Res. 10, 445–453.

  43. Schaffitzel C., Postberg J., Paeschke K., Lipps H.J. (2010) Probing telomeric G-quadruplex DNA structures in cells with in vitro generated single-chain antibody fragments. Meth. Mol. Biol. 608, 159–181.

  44. Новикова Е.Г., Попенко В.И. (1998) Визуализация организующих центров хроматина макронуклеуса инфузории Bursaria truncatella. Молекуляр. биология. 37, 567–575.

  45. Gavrilov A.A., Shevelyov Y.Y., Ulianov S.V., Khrameeve E.E., Kos P., Chertovich A., Razin S.V. (2016) Unraveling the mechanisms of chromatin fibril packaging. Nucleus. 7, 319–324.

  46. Rao S.S., Huntley M.H., Durand N.C., Stamenova E.K., Bochkov I.D., Robinson J.T., Sanborn A.L., Machol I., Omer A.D., Lander E.S., Aiden E.L. (2014) A 3D map of the human genome at kilobase resolution reveals principles of chromatin looping. Cell. 159, 1665–1680.

  47. Колесникова Т.Д. (2018) Дисковый рисунок политенных хромосом как отражение универсальных принципов организации хроматина в топологические домены. Биохимия. 83, 480–492.

Дополнительные материалы отсутствуют.