что представляет собой сателлитная днк
Научная электронная библиотека
Юров И. Ю., Ворсанова С. Г., Воинова В. Ю., Чурносов М. И., Юров Ю. Б.,
3.3. Типы хромосомной ДНК
Вся нуклеотидная последовательность ДНК в геноме человека полностью установлена. Однако это утверждение относится лишь к эухроматиновым районам хромосом (около 90 % генома), в то время как определить полностью последовательности ДНК гетерохроматина пока не удалось. В состав генома человека входят уникальные последовательности ДНК, кодирующие отдельные гены, и многочисленные семейства повторяющихся последовательностей ДНК, которые являются транскрипционно неактивными. Повторяющиеся ДНК имеют два основных типа организации в хромосомной ДНК: тандемно повторяющиеся (или сателлитные) и диспергированные по геному последовательности.
К тандемно повторяющимся последовательностям относятся три основных типа ДНК: сателлитные, минисателлитные и микросателлитные ДНК. Сателлитная ДНК человека образована большими участками тандемно повторяющихся последовательностей различной сложности. Повторы ДНК этого типа не транскрибируются и расположены преимущественно в участках гетерохроматина генома – в центромерных участках всех хромосом и районах вторичных перетяжек.
Минисателлитные ДНК состоят из среднего размера (20–70 пн) тандемно повторяющихся единиц ДНК (до 1000 повторов длиной до 20 тысяч пн), диспергированных среди различных участков геномной ДНК. Минисателлиты обычно не транскрибируются. К этим повторам относятся так называемые гипервариабельные (высокополиморфные) минисателлитные ДНК, находящие применение при генетической идентификации личности (ДНК фингерпринт).
Микросателлитые ДНК представлены короткими тандемными повторами (1–4 пн), диспергированными по геному. Распространенные мононуклеотидные повторы (А или Т) образуют до 0,3 % генома человека. Динуклеотидные повторы формируют до 0,5 % генома. Тринуклеотидные или четырехнуклеотидные повторы относительно редки, но очень часто высокополиморфны и находят применение в разработке полиморфных маркеров для молекулярно-генетических исследований и диагностики.
Существует два основных класса диспергированных ДНК повторов, которые различаются по длине: короткие и длинные ДНК повторы. Короткие диспергированные ДНК повторы (SINEs) относятся к так называемому семейству Alu повторов. Длина Alu повторов составляет около 280 пн. Эти повторы встречаются примерно через каждые 3 тысячи пн, число которых составляет до одного миллиона на геном. Длинные диспергированные ДНК повторы (LINEs) относятся к так называемому семейству L1 или Kpn повторов. Усреднённая последовательность L1 повтора имеет длину 6,1 тысяч пн. Число этих повторов составляет более 100000 на геном.
Распределение уникальных и повторяющихся последовательностей ДНК в хромосомах человека неравномерно. Эухроматиновые районы хромосом содержат перемежающиеся участки, обогащённые короткими или длинными диспергированными повторами (Alu и L1). Гетерохроматиновые районы хромосом содержат, в основном, сателлитные ДНК повторы.
Простые тандемные повторы (сателлиты)
Простые тандемные повторы (сателлиты)
Как и у других организмов, в геноме человека присутствуют короткие повторяющиеся нуклеотидные последовательности, которые расположены вплотную друг за другом (тандемно). Их часто называют сателлитными ДНК. Мы уже говорили о сателлитных ДНК ранее. Это те участки ДНК, которые при центрифугировании в градиенте солей цезия осаждаются отдельно вне области основной массы ДНК. В разных типах сателлитной ДНК различные копии представлены неодинаково — их численность варьируется от сотен до миллионов. Если записать их структуру текстом, то это выглядит, как, например, предложение из одного и того же слова: столстолстолстолстолстолстолстолстол. Ясно, что такие предложения не могут кодировать никакую серьезную информацию. Тем не менее выяснилось, что с сателлитными нуклеотидными последовательностями в некоторых случаях могут специфически взаимодействовать отдельные белки. А это уже некоторое довольно серьезное указание на возможное участие таких повторов в каких-то клеточных процессах.
К настоящему времени в геноме человека обнаружено по крайней мере шесть видов сателлитных повторов. Это в первую очередь три типа так называемых классических сателлитов. Сателлит 1 состоит из элементарной повторяющейся последовательности нуклеотидов длиной 42 п. н. (располагается на семи разных хромосомах); сателлиты 2 и 3 состоят из элементарных повторяющихся единиц длиной 5 п. н. (первый из них обнаружен на четырех, а второй — на двенадцати разных хромосомах).
Кроме того, во всех хромосомах человека присутствуют альфа-сателлитные повторы. Они имеют элементарную повторяющуюся нуклеотидную последовательность длиной 171 п. н. Существуют еще бета-сателлитные повторы с элементарной повторяющейся единицей длиной 68 п. н., которые встречаются лишь на девяти хромосомах. Еще реже представлены в геноме человека гамма-сателлитные повторы, имеющие элементарную повторяющуюся единицу длиной 220 п. н. Такие повторы присутствуют только на двух хромосомах человека (8 и X).
Распределение всех сателлитных ДНК вдоль хромосом не выглядит случайным. Так, некоторые из них «гнездятся» в районах, прилежащих к концам хромосом, и в области центромеры (перетяжка на хромосомах, которая не всегда расположена в самом центре, см. рис. 7). В частности, центромеры всех хромосом человека, размер которых варьирует от 0,1 до 4 млн. п.н., состоят преимущественно из альфа-сателлитных ДНК.
Наряду с типичными сателлитными ДНК, в геноме человека имеются нуклеотидные последовательности, получившие название мини- и микросателлитов, которые разбросаны по большинству участков всех хромосом и в сумме составляют около 3% генома человека. В среднем один из таких сателлитов содержится в каждых 2 тыс. п. н. человеческого генома. Минисателлиты представляют собой повторяющиеся нуклеотидные последовательности размером от 11 до 500 п. н. Кластеры таких повторов занимают от 0,1 до 20 тысяч п. н. в человеческом геноме, а общее число таких районов во всех хромосомах человека составляет несколько тысяч. Еще меньше по размерам микросателлиты. Их повторяющаяся нуклеотидная последовательность состоит из 10 и меньше п. н. Микросателлиты занимают в геноме человека обычно небольшие участки (до 150 п. н.). Когда же в тексте повторяется всего одна «буква» из четырех, такие структуры называют гомополимерными нуклеотидными последовательностями. Примером гомополимерной последовательности нуклеотидов в геноме человека может служить последовательность ААААААААААААААААААААААА на одной нити и, соответственно, ТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТ на другой.
Микросателлиты, состоящие из двух пар нуклеотидов (динуклеотидные повторы), занимают около 0,5% генома человека. Наиболее частыми динуклеотидами являются АЦ и АТ (50 и 35% всех динуклеотидов, соответственно). А вот динуклеотидный повтор, состоящий из пары ГЦ, в ДНКовом тексте человека занимает всего лишь 0,1%. Наиболее частые из более «сложных» микросателлитов (тринуклеотидных повторов) являются ААТ (33% от всех тринуклеотидных повторов) и ААЦ (21%). Триплет ЦГГ, который довольно редок в геноме, присутствует в гене FMR–1, определяющем синдром ломкости X-хромосомы. У нормальных людей число копий ЦГГ в гене варьирует от 6 до 54. А вот у больных индивидуумов такие триплеты «размножаются» и их число в гене может достигать 200–1300 копий. Подробнее о связи между сателлитными повторами и различными заболеваниями человека мы еще поговорим далее. Но остается загадкой: зачем такие нуклеотидные последовательности вообще нужны геному.
Выше приведенный пример и множество других случаев указывают на то, что микро- и минисателлиты весьма изменчивы, т. е., как говорят, полиморфны. Их распределение и число в геноме каждого конкретного человека столь специфично, что может использоваться в качестве аналога отпечатков пальцев. Как только это было обнаружено, этим фактом сразу воспользовались. В настоящее время ненужная вроде бы фракция генома человека (а на самом деле возможно и нужная, но мы просто о ней мало что знаем) стала востребована человеком для своих практических целей. На основании вариабельности сателлитных ДНК была развита диагностика родственных связей между людьми, склонности человека к различным заболеваниям и др. (см. об этом подробнее далее в разделе о геномной дактилоскопии).
И, наконец, еще один вид сателлитной ДНК был обнаружен при секвенировании генома человека, который получил название мегасателлитов. Эти тандемные повторы имеют размер от 2,5 до 5 тыс. п. н. и повторяются от 50 до 400 раз. Мегасателлиты присутствуют лишь в небольшом числе хромосом (в 4, 8, 19 и X).
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Эти «белые вороны» — самцы-сателлиты у турухтанов
Эти «белые вороны» — самцы-сателлиты у турухтанов Такая система, построенная на балансе всех плюсов и минусов коллективной жизни, зиждется на способности особей приспосабливать тактику своего поведения к изменениям обстановки на току. Принцип поиска каждым членом
Перевёртыши (обращенные повторы)
Перевёртыши (обращенные повторы) В ДНКовых текстах человека, как, впрочем, и в ДНК других организмов, присутствуют уже упоминавшиеся обращенные повторы, перевертыши или, как их еще часто называют, палиндромы. Уже говорилось о том, что перевертыши-палиндромы хорошо
Диспергированные повторы
Диспергированные повторы В ДНКовом тексте генома человека содержится множество более длинных повторяющихся нуклеотидных последовательностей, которые в отличие от сателлитных повторов рассеяны (диспергированы) по всему геному. Эти повторы называют вездесущими, так
Диспергированные повторы умеют «прыгать»
Диспергированные повторы умеют «прыгать» В соответствии с законами классической генетики ожидалось, что в геноме все должно быть четко размечено, все гены-предложения должны располагаться в строго определенных местах текста. И большинство элементов генома
Перевёртыши (обращенные повторы)
Перевёртыши (обращенные повторы) В ДНКовых текстах человека, как, впрочем, и в ДНК других организмов, присутствуют уже упоминавшиеся обращенные повторы, перевертыши или, как их еще часто называют, палиндромы. Уже говорилось о том, что перевертыши-палиндромы хорошо
Простые тандемные повторы (сателлиты)
Простые тандемные повторы (сателлиты) Как и у других организмов, в геноме человека присутствуют короткие повторяющиеся нуклеотидные последовательности, которые расположены вплотную друг за другом (тандемно). Их часто называют сателлитными ДНК. Мы уже говорили о
Диспергированные повторы
Диспергированные повторы В ДНКовом тексте генома человека содержится множество более длинных повторяющихся нуклеотидных последовательностей, которые в отличие от сателлитных повторов рассеяны (диспергированы) по всему геному. Эти повторы называют вездесущими, так
Диспергированные повторы умеют «прыгать»
Диспергированные повторы умеют «прыгать» В соответствии с законами классической генетики ожидалось, что в геноме все должно быть четко размечено, все гены-предложения должны располагаться в строго определенных местах текста. И большинство элементов генома
Простые истоки: зарождение деятельности[1]
Простые истоки: зарождение деятельности[1] У песчинки нет психики; песчинка слишком проста. Еще более простые, атом углерода или молекула воды также не обладают психикой. В этом вопросе я не ожидаю каких-либо серьезных разногласий. Но как насчет более крупных молекул?
Простые формы научения и их нейронная основа
Простые формы научения и их нейронная основа Нейрофизиологам сейчас известны три типа простого научения: 1) привыкание, или габитуация, 2) сенситизация и 3) классическое, или павловское, обусловливание. Эти типы научения называют «простыми», чтобы отличать их от таких
Простые формы научения и мозг человека
Простые формы научения и мозг человека Каким образом данные о том, что происходит в клетках морского моллюска, или о синтезе белков в мозгу могут пролить свет на природу научения и памяти у человека? Основные биохимические механизмы передачи нервных импульсов очень
Генетика, 2020, T. 56, № 1, стр. 47-54
Роль сателлитной ДНК в возникновении структурных перестроек в кариотипе человека
1 Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова
197341 Санкт-Петербург, Россия
2 Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова
194044 Санкт-Петербург, Россия
3 Акционерное общество “Международный центр репродуктивной медицины”
197350 Санкт-Петербург, Россия
4 Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
191186 Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 08.02.2019
После доработки 05.03.2019
Принята к публикации 19.03.2019
Сателлитная ДНК, мономеры которой образуют тандемно-повторяющиеся длинные массивы от сотен или тысяч копий до нескольких миллионов пар нуклеотидов, составляет не менее 10% в геноме человека. Использование новых методов секвенирования и биоинформатического анализа данных открывает дорогу для исследований организации и функционирования сателлитной ДНК человека и способствует пересмотру бытовавшего долгое время представления о “мусорном” характере этой части генома. Одной из важных особенностей сателлитной ДНК является участие в возникновении структурных перестроек в кариотипе человека. В обзоре рассматриваются механизмы участия сателлитной ДНК в образовании структурных перестроек, а также характер транскрипции тандемных повторов при структурных перестройках в кариотипе нормальных и опухолевых клеток.
Повторяющиеся последовательности ДНК составляют значительную часть генома эукариот, обусловливая феномен С-парадокса: когда количество транскрибируемых последовательностей структурных и регуляторных генов не совпадает с количеством ДНК гаплоидного набора [1]. В геноме человека на долю повторяющихся элементов приходится более двух третей от общего количества ДНК [2]. Одним из примеров такого типа ДНК является сателлитная ДНК (сатДНК), мономеры которой образуют тандемно-повторяющиеся длинные массивы от сотен или тысяч копий до нескольких миллионов пар нуклеотидов (пн) в геномах. Доля сатДНК в геноме человека составляет не менее 10% [3].
СатДНК человека представлена различными классами тандемных повторов, различающихся как длиной мономеров, так и их обогащенностью АТ- и CG-парами оснований. Так, например, α‑сатДНК и сатДНК I класса являются АТ-богатой фракцией генома, в то время как β-сатДНК – преимущественно CG-богатая [4]. Классические сателлиты II и III классов включают АТ- и CG-пары оснований ДНК [5]. СатДНК I, II и III классов имеют длину повторяющейся последовательности 5–20 пн, сатДНК α-, β- и γ-типа – 171, 68 и 220 пн соответственно [5, 6].
СатДНК имеет специфическое расположение в кариотипе человека. Так, центромерные районы состоят из тандемных повторов α-сатДНК с длиной мономеров около 171 пн, которые сгруппированы в повторы (или массивы) более высокого порядка [5, 6]. Отдельные мономеры сатДНК в составе повтора более высокого порядка негомологичных хромосом могут различаться, однако в пределах центромеры отдельной хромосомы имеют очень высокий уровень гомологии, который составляет 95–98% [7]. Они формируют протяженные области в районах конститутивного гетерохроматина. Протяженность повторов высокого порядка α-сатДНК может варьировать от 0.5 до 5 млн пн, причем размер центромерного блока сатДНК отдельных хромосом набора может отличаться у различных индивидов на порядок [5].
Перицентромерные районы хромосом, фланкирующие центромеры, характеризуются снижением уровня гомогенности повторяющихся элементов высокого порядка. Мономеры α-сатДНК в них перемежаются другими последовательностями и повторяющимися элементами [8]. Помимо мобильных элементов генома из семейств LINE и SINE, перицентромерные районы отдельных хромосом характеризуются присутствием в них классических сателлитов, а также β- и γ-сатДНК [1, 6, 9].
Хроматин перицентромерных районов большинства типов клеток имеет типичные черты конститутивного гетерохроматина с высокой степенью метилирования ДНК и триметилированием гистона Н3 по лизину в 9-м положении [10], а также взаимодействием с негистоновым белком HP-1 (heterochromatin protein 1) – маркером репрессированного хроматина [11].
Центромерный хроматин имеет уникальный эпигенетический статус. Помимо присутствия характерных для формирования кинетохора белков, таких как CENP-A, ДНК собственно центромерного района гипометилирована [12]. В нуклеосомах, содержащих CENP-A, гистон H4 подвергается монометилированию по лизину в 4-м положении [13], а в нуклеосомах, несущих гистон H3, он дополнительно подвергается диметилированию по остаткам лизина в 9-м и 27-м положениях [14]. Кроме того, в кариотипе человека α-сатДНК центромер всех хромосом, за исключением Y-хромосомы, содержит CENP-B бокс: мотив из 17 пар оснований, связывающий белок CENP-B и участвующий в неслучайном фазировании нуклеосом в центромерных районах [9, 15].
СатДНК участвует в возникновении структурных перестроек как во время мейоза при формировании наследственной информации гамет, так и в передаче в ряду соматических клеток организма [5, 16]. Структурные перестройки в кариотипе человека можно разделить на категории: сбалансированные и несбалансированные. В сбалансированных перестройках, в отличие от несбалансированных, не наблюдается потери или приобретения генетического материала [17]. Несмотря на то что сатДНК представляет собой тандемные повторы и не содержит генов, структура которых могла бы быть изменена в результате структурной перестройки, она имеет важные структурные и функциональные характеристики, нарушение которых может иметь фенотипическое проявление.
Так, сатДНК принимает участие в образовании кинетохора и правильной сегрегации хромосом [9], кодирует регуляторные молекулы [11, 18], определяет топологию ядра [19], обеспечивает сохранение положения центромер на хромосомах [20], участвует в эволюции кариотипов [21, 22]. Помимо этого перемещение в результате перестройки локуса хромосом в область сатДНК может привести к изменению активности генов, расположенных в нем, в связи с феноменом “эффекта положения” [23]. Нарушение топологии на уровне укладки хроматина в ядре также может оказывать влияние на дифференциальную активность генов за счет изменения положения относительно регуляторных элементов [24]. Кроме того, ввиду гомологии нуклеотидных последовательностей сатДНК ряда хромосом может происходить нарушение синапсиса и сегрегации негомологичных хромосом, а также возникновение нереципрокных обменов в мейотическом делении [25].
МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХРОМОСОМНЫХ ПЕРЕСТРОЕК С УЧАСТИЕМ САТЕЛЛИТНОЙ ДНК
В настоящее время известно, что физические разрывы хромосом часто происходят именно в сатДНК центромерных и перицентромерных районов хромосом [15]. Отчасти это обусловлено природой образующих ее единиц: повторяющиеся последовательности ДНК способствуют замедлению или остановке вилки репликации, что может вызывать образование двуцепочечных разрывов в этих местах [26]. Было показано, что в норме во время репликации в клетках происходит до 40 двунитевых разрывов [27], которые восстанавливаются путем гомологичной рекомбинации в синтетический и постсинтетический периоды клеточного цикла [28]. Такая рекомбинация может поставить под угрозу стабильность генома, поскольку она “позволяет” генетический обмен между гомологичными повторяющимися последовательностями, распределенными по геному, что будет провоцировать возникновение структурных хромосомных перестроек [29].
К примеру, одна из наиболее часто встречающихся несбалансированных транслокаций без фенотипического проявления (цитогенетически определяемых вариаций числа копий ДНК) – перестройка между сатДНК III дистального бэнда гетерохроматина Y-хромосомы и коротких плеч акроцентрических хромосом, преимущественно хромосом 15 и 22 [6, 30]. Ввиду гомологии последовательности сатДНК III, составляющей эти районы, происходит ассоциация полового бивалента с короткими плечами акроцентрических хромосом и его перемещение с периферии в центральную часть ядра на стадии пахитены профазы первого деления мейоза, что нарушает синапсис и дальнейшую сегрегацию хромосом [6, 25, 31]. Следствием такой ассоциации может являться возникновение двуцепочечных разрывов сатДНК с последующим образованием дериватной аутосомы, содержащей материал сатДНК Y-хромосомы.
Другим примером перестроек с вовлечением сатДНК являются сбалансированные Робертсоновские транслокации, вовлекающие длинные плечи негомологичных или (реже) гомологичных акроцентрических хромосом, с двуцепочечными разрывами и их восстановлениями в центромерных или перицентромерных районах [21, 29, 32, 33].
Двуцепочечные разрывы, приводящие к аномальному (поперечному) разделению центромеры, могут вызвать одновременно редупликацию одного из плеч хромосом и образование изохромосомы [29, 32]. Воссоединение двуцепочечных разрывов перицентромерных районов сестринских хроматид (изохроматидный разрыв) по U-типу может привести к образованию дицентрической изохромосомы [29, 32].
В то же время было установлено, что само появление блоков высокоповторяющихся районов сатДНК происходит благодаря процессам рекомбинации и репарации двунитевых разрывов [34]. Причем особенности организации перицентромерных районов разных хромосом свидетельствуют о том, что в формировании гетерохроматиновых блоков преобладают межхромосомные обмены [35]. Замедление вилки репликации может также приводить к проскальзыванию полимеразы и повторной репликации отдельных участков ДНК [36]. В норме в клетках существуют несколько параллельных систем, препятствующих проскальзыванию полимеразы, однако при возникновении спонтанных нарушений клеточного цикла такие события имеют место [37]. Это приводит к увеличению копийности мономеров сатДНК, которое может не иметь фенотипического проявления и не подвергаться элиминации.
Увеличение копийности повторяющихся элементов α-сатДНК способствует повышению надежности связывания центромеры с веретеном деления в ходе делений мейоза [38]. Важная роль в поддержании стабильности α-сатДНК принадлежит белку CENP-A, который не только отвечает за правильное формирование кинетохора и прикрепление микротрубочек веретена деления [39], но и подавляет рекомбинацию в центромерных районах сатДНК в пролиферирующих клетках человека [20]. Это позволяет отодвинуть горячие точки рекомбинации от центромер и предотвратить нежелательные обмены в ходе клеточных делений [20, 40].
Вместе с тем одним из факторов, повышающих нестабильность центромерных районов хромосом, является особенность пространственной организации ДНК этих районов, которая характеризуется образованием сложной вторичной и третичной укладки и присутствием участков с неканонической спиралью ДНК и шпильками [26, 41]. Помимо увеличения торсионного напряжения, провоцирующего активное внесение двунитевых разрывов с последующей необходимостью их репарации, плавление дуплекса ДНК в таких районах требует больших затрат энергии, что затрудняет прохождение вилки репликации и приводит к ее остановке и накоплению в центромерных районах факторов репликативного стресса [26, 42, 43]. Таким образом, с одной стороны, повторяющиеся блоки сатДНК перицентромерных районов хромосом стабилизируют центромеры, а с другой стороны, увеличивают нестабильность генома и способствуют эволюции кариотипов [21, 22].
Увеличение массивов сатДНК требует поддержания их эпигенетического статуса, а его нарушения приводят к ломкости хромосом [44, 45]. Так, нарушение метилирования перицентромерного классического сателлита II на хромосомах 1 и 16 человека и сателлита III хромосомы 9 [46] приводит к ломкости этих хромосом и развитию тяжелого синдрома, получившего название ICF (от англ. Immunodeficiency, Centromeric Instability, Facial Anomalies: иммунодефицит, нестабильность центромерных районов, аномалии лица), который характеризуется также тяжелой умственной отсталостью [47]. Цитогенетически синдром ICF проявляется деконденсацией районов перицентромерного гетерохроматина этих хромосом, ассоциациями в прицентромерных областях на препаратах метафазных хромосом лимфоцитов с образованием радиальных структур, а также делециями с точками разрыва в сатДНК перицентромерных районов [48]. Установлено, что развитие синдрома может быть спровоцировано мутациями в разных генах, однако все они прямо или опосредованно связаны с поддержанием уровня метилирования ДНК [49–51]. Точный механизм, приводящий к ломкости хромосом в районах сатДНК при нарушении метилирования, не до конца изучен. Однако косвенно он может быть вызван нарушением регуляции транскрипции в этих районах или активацией мобильных элементов, присутствующих в блоках перицентромерного хроматина, что приведет к дестабилизации центромер [52, 53]. Кроме того, обогащение мобильными элементами с расположением мономеров во встречном направлении также может провоцировать хромосомные перестройки [54].
ТРАНСКРИПЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ САТЕЛЛИТНОЙ ДНК ПРИ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕСТРОЙКАХ КАРИОТИПА
Основываясь на том, что центромерные и перицентромерные районы хромосом лишены белок-кодирующих генов, исторически считалось, что эти области транскрипционно инертны [15]. Однако в настоящее время транскрипция сатДНК показана для многих организмов и клеточных линий [3, 55–57].
Большое количество хромосомных перестроек, детектируемых в кариотипах гематологических и солидных опухолей [16, 58], сбалансированных и несбалансированных перестроек без фенотипического проявления [6, 17, 59] и вариантов хромосом [6] затрагивает сатДНК центромерных и прицентромерных районов хромосом, вследствие чего транскрипционный статус сатДНК этих районов хромосом может быть нарушен [60].
Так, активация транскрипции сатДНК II класса и α-сатДНК наблюдается при ряде опухолей, причем оверэкспрессия сателлита II специфична именно для опухолевых клеток [61]. Следует отметить, что последовательность сатДНК II хромосомы 1 (район 1q12) является одной из частых точек разрыва при перестройках в гематологических опухолях [16]. Кроме того, такие перестройки могут способствовать эффекту гетерохроматинизации генов, которые в норме должны транскрибироваться, или, напротив, способствовать транскрипции генов, которые в результате перестройки находятся далеко от конститутивного гетерохроматина [58].
В целом следует отметить, что аберрантная транскрипция классических сателлитов I, II и III классов, а также α-сатДНК наблюдается при многих видах опухолей [60, 62, 63] вне зависимости от вовлеченности районов сатДНК в перестройку, что, по-видимому, связано с глобальными генетическими и эпигенетическими нарушениями генома этих клеток [60, 64].
Так, мутации или нокауты генов супрессоров опухолевого роста KDM2A и BRCA1 приводят к нарушению эпигенетических модификаций гистонов центромерных и перицентромерных районов хромосом и взаимодействию их с негистоновым белком HP-1, что способствует аберрантной активации транскрипции сатДНК и приводит к нестабильности генома [60, 64].
Кроме того, предполагается, что гиперактивация транскрипции α-сатДНК центромерных повторов может привести к уменьшению содержания или делокализации белка CENP-A [15, 20], что, в свою очередь, может способствовать увеличению хромосомных перестроек и анеуплоидий вследствие нарушения прикрепления веретена деления.
Гипометилирование сатДНК и особенно классического сателлита II класса также является одним из характерных эпигенетических признаков центромерных и прицентромерных районов хромосом в клетках опухолей [63]. Однако, известно, что транскрипция сатДНК происходит вне зависимости от статуса метилирования [65]. Так, например, в отличие от большинства опухолей аберрантной транскрипции сатДНК II не обнаружено в лимфоцитах клеток больных синдромом ICF [66], в которых этот сателлит также гипометилирован.
Особое место среди хромосомных перестроек занимают упомянутые выше транслокации между сатДНК III Y-хромосомы и аутосомами, которые встречаются с частотой 1 : 2000 в популяции [59]. Носители таких перестроек фенотипически нормальны, но могут иметь репродуктивные проблемы, связанные с нарушением формирования синаптонемного комплекса и сегрегации хромосом, а также возможным риском развития болезней геномного импринтинга [6, 17, 25, 30]. Высказано предположение о том, что наследование женщинами вместе с гаметой отца дериватной аутосомы, содержащей сатДНК III класса, транслоцированную с Y-хромосомы, может быть связано с повышенным риском малигнизации яичников [67, 68]. Поскольку гетерохроматиновые области не содержат генов, патологический эффект такой перестройки не совсем ясен. Может ли это быть связано с транскрипцией сатДНК, активация которой происходит во многих опухолях, или ее аберрантным уровнем – остается открытым вопросом. Однако в пользу последнего свидетельствует обнаружение транскрипции сатДНК перицентромерных районов ряда хромосом и сатДНК III бэнда Yq12, в частности, в развивающихся тканях семенников человека, происходящих при нормальной дифференцировке [62, 69].
Понимание всех аспектов транскрипции сатДНК – ее стадиоспецифичности и направления, набора транскрибирующихся классов сатДНК, изменения их уровня транскрипции, роли образующихся некодирующих РНК – представляет интерес и с точки зрения значимости полиморфных вариантов гетерохроматиновых блоков хромосом, самым частым из которых является структурное изменение хромосомы 9 – инверсия перицентромерного гетерохроматина [6]. Многочисленные исследования не дают однозначных ответов на вопросы о связи полиморфных вариантов хромосом, включающих изменение копийности и расположения сатДНК гетерохроматиновых блоков, с нарушением репродуктивной функции, клиническими или фенотипическими проявлениями [32]. Несмотря на данные о транскрипционной активности сатДНК в клетках человека [55, 56], в том числе в эмбриональных и экстраэмбриональных тканях [3, 70, 71], транскрипционный статус или изменение уровня транскрипции сатДНК в группе носителей полиморфных вариантов остаются неисследованными.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Структурные перестройки представляют собой изменения в строении хромосом, которые приводят к нарушению положения локусов на хромосомах с потерей или без потери генетического материала. Огромное количество комбинаций хромосом, участвующих в образовании того или иного типа перестройки, а также точек разрывов на коротких или длинных плечах этих хромосом определяет уникальность каждой хромосомной перестройки [17].
Ввиду структурной и функциональной значимости сатДНК структурные перестройки, в формирование которых вовлечены районы конститутивного гетерохроматина хромосом, заслуживают особого внимания. Понимание механизмов возникновения структурных хромосомных перестроек с участием сатДНК долгое время затруднялось недостатком информации об их организации и функционировании. Несмотря на то что в 2003 г. международный проект “Геном человека” аннотировал завершение сборки референсного генома человека [72], на самом деле в него не вошло более 10% генома человека [15]. Отсутствующие в сборке последовательности составляли главным образом тандемные повторы, включая районы ядрышковых организаторов, а также сатДНК конститутивного гетерохроматина [73]. Использование новых методов секвенирования и биоинформатического анализа позволило воссоздать линейную структуру повторяющихся элементов для некоторых хромосом, например сатДНК центромерного района Y-хромосомы человека [5, 74, 75]. Транскрипция сатДНК в настоящее время является доказанным фактом как для нормальных, так и для опухолевых клеток человека. Изменение статуса транскрипции сатДНК, и сатДНК II в частности, является прогностическим признаком ряда опухолей [60, 64].
Данные современных исследований свидетельствуют о функциональной значимости сатДНК, которая в норме играет важную роль в поддержании структурной и функциональной целостности кариотипа. Развитие методов исследования генома и транскриптома открывает дорогу для дальнейшего изучения организации и функционирования сатДНК человека, а также способствует пересмотру бытовавшего долгое время представления о “мусорном” характере этой части генома.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (№ 18-34-00279).
Все процедуры, выполненные в исследовании с участием людей, соответствуют этическим стандартам институционального и/или национального комитета по исследовательской этике и Хельсинской декларации 1964 г. и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики.
От каждого из включенных в исследование участников было получено информированное добровольное согласие.
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.