Как уже отмечалось (см. раздел 10.1.1), активность ЯОР на 1-2 хромосомах изменяется от клетки к клетке и от поколения к поколению при сохранении неизмененной копийности кластеров р-генов [180, 505, 830].
Представляло интерес идентифицировать акроцентрики с вариабельными ЯОР и определить характер наблюдаемых изменений в зависимости от родительского происхождения хромосом. Для решения этих задач структурно-функциональное состояние ЯОР хромосом было прослежено в 14 полных семьях, т. е. в клетках цитотрофобласта хориона/плаценты у эмбрионов/плодов 8-19 недель развития с нормальным кариотипом, а также в лимфоцитах периферической крови их родителей. При анализе наследования ЯОР индивидуальных хромосом использовали два параметра — размер кластера p-генов и их транскрипционную активность. Используя в обоих случаях 4-балльную систему визуальной оценки, о копийности судили по величине гибри- дизационного сигнала после FISH с рДНК-зондом [3], об аргентофиль- ности ЯОР — по размеру гранул серебра [107]. Для каждого индивида было проанализировано не менее 11 метафазных пластинок.
Сравнительный анализ 140 ЯОР хромосом у плодов и их родителей с учетом поправки на межклеточную вариабельность показал, что в большинстве случаев (101 хромосома, 73 %) структурно-функциональный статус ЯОР сохраняется при наследовании, тогда как в 39 (27 %) он оказался измененным. При этом число хромосом с нестабильной активностью ЯОР варьировало от 1 до 4, преимущественно составляя 2-3 на клетку. Наблюдаемые различия касались преимущественно изменения аргенто- фильности. Лишь у двух эмбрионов было отмечено отсутствие активности ЯОР, которое было вызвано делецией кластера рибосомных генов на хромосомах 14 и 15, унаследованных от матери [136, 527].
Анализ состояния ЯОР хромосом в пределах групп показал, что при наследовании активность ЯОР была изменена у 17 из 84 хромосом группы D (20 %) и у 19 из 37 хромосом группы G (51 %), т. е. активность кластеров _р-генов на хромосомах группы G характеризуется большей изменчивостью, чем на хромосомах группы D.
При исследовании ЯОР индивидуальных хромосом оказалось, что чаще других меняется активность ЯОР хромосомы 21 (33 % от всех вариабельных ЯОР), в три раза реже — ЯОР хромосомы 14 (4 случая из 39). Изменчивость ЯОР остальных хромосом регистрируется примерно с одинаковой частотой (по 17-19 % для ЯОР хромосом 13, 15 и 22). При этом для ЯОР хромосом 13, 15, 21 и 22 с неизмененной структурой было зарегистрировано как увеличение, так и уменьшение активности (в 47 % и 53 % соответственно). Только ЯОРхромо- сомы 14 во всех 4 случаях, включая случай полной делеции кластера /gt;-генов, проявлял пониженную по сравнению с таковой у родителей активность.
Хромосомы 13, 14, 21 и 22 с вариабельными ЯОР имели как материнское, так и отцовское происхождение. В случае хромосомы 15 нестабильная активность ЯОР была присуща только гомологу отцовского происхождения, тогда как гомолог материнского происхождения характеризовался стабильным наследованием транскрипционной активности ЯОР.
Таким образом, семейный анализ индивидуальных ЯОР показал, что размеры кластеров /gt;-генов наследуются в 98,6 %, тогда как их транскрипционная активность характеризуется стабильным состоянием в 73 % случаев. Изменению активности подвержены примерно 1/4 ЯОР хромосом у эмбрионов, что в 2,5 раза превышает долю вариабельных ЯОР у взрослых индивидов и их родителей, т. е. в постнатальном периоде онтогенеза [505, 601]. Наличие в кариотипе эмбрионов большего числа вариабельных ЯОР можно объяснить отбором, направленным на поддержание определенной «адаптивной» дозы активных копий /gt;-генов на уровне, необходимом для обеспечения нормальной жизнедеятельности [199].
Следует отметить, что в цитотрофобласте число хромосом с вариабельными ЯОР составляло от 1 до 4 на клетку, при этом у разных эмбрионов увеличение или уменьшение активности затрагивало ЯОР хромосом, имеющих различное родительское происхождение, пре-
имущественно хромосом группы G. В какой-то мере это может быть обусловлено различиями в сроках развития исследованных эмбрионов [146, 559].
Разный вклад в функциональный полиморфизм ЯОР разных акро- центрических хромосом еще раз подтверждает гипотезу о существовании тенденции к функциональной дифференциации ЯОР хромосом группы D и G [3]. При этом ЯОР разных хромосом, отличаясь друг от друга числом копий генов рРНК, имеют разное функциональное значение. Высокая доля хромосом группы G, отличающихся по активности от родительских ЯОР, не противоречит высказанному ранее предположению о большей функциональной значимости рибосомных генных кластеров хромосом 21 и 22, нежели хромосом 13, 14, 15, по крайней мере, в период интенсивного органогенеза [146].
Закономерно возникает вопрос о том, какие механизмы лежат в основе различной функциональной активности ЯОР разных акроцент- рических хромосом. Можно предположить, что определенный вклад в дифференциальную экспрессию рибосомных генных кластеров разных хромосом вносят, во-первых, различия в регуляторных областях этих кластеров, а во-вторых, уникальные особенности прилежащих к ним сателлитных ДНК.
Известно, что последовательности, кодирующие рРНК, чрезвычайно консервативны, однако существует межвидовой и внутривидовой полиморфизм по спейсерным участкам, обусловленный преимущественным распределением специфически метилированных вариантов спейсерных участков по определенным парам акроцентрических хромосом [866]. В спейсерных участках, разделяющих _р-гены, локализованы также последовательности, влияющие на рекомбинацию и инициацию репликации, а также определяющие уровень транскрипции рДНК [446]. Таким образом, в основе специфических систем контроля транскрипционной активности ЯОР разных пар акроцентрических хромосом может лежать дивергенция спейсерных участков негомологичных акроцентрических хромосом.
Еще одной причиной неслучайного распределения вариантов Ag+^ОР по разным парам акроцентрических хромосом являются качественные и количественные различия в составе фланкирующих рДНК сателлитных последовательностей, которые по типу эффекта положения могут оказывать определенное влияние на функционирование
/gt;-генов [450, 679]. По сатДНК, входящих в состав блоков прицентро- мерного гетерохроматина и спутников, наиболее близки хромосомы 13 и 21 [198, 201, 298, 582]. Показана также высокая степень гомологии сателлитных последовательностей хромосом 14 и 22 [299]. В то же время для коротких плеч хромосом 15 характерен иной набор групп сатДНК [690]. Эти данные позволяют предполагать, что гомология по сатДНК хромосом 13 и 21, а также 14 и 22 способствует их ассоциации в мейозе и, следовательно, увеличивает частоту рекомбинации по коротким плечам этих хромосом. При этом негомологичная рекомбинация может приводить к «гомогенизации» не только сателлитных последовательностей [298], но и рибосомных генов этих хромосом. В то же время процесс негомологичной рекомбинации между короткими плечами хромосомы 15 и другими акроцентрическими хромосомами затруднен из-за дивергенции последовательностей сатДНК в прицентромерных районах [876]. Не исключено, что пониженная рекомбинация и дивергенция сатДНК хромосомы 15 влияет также на смежные участки, приводя к дивергенции спейсерных участков, участвующих в регуляции активности _р-генов.
Любопытно, что в отличие от ЯОР хромосом 13, 14, 21 и 22, вариабельность которых не связана с их родительским происхождением, активность ЯОР хромосомы 15 в клетках цитотрофобласта зависит от ее родительской принадлежности. Так, согласно полученным нами данным [136, 527], активность ЯОР хромосом 15, унаследованных от отца, часто оказывается вариабельной, в то время как активность ЯОР материнских хромосом 15 наследуется как стабильный признак. Таким образом, особенности функционирования ЯОР хромосомы 15 в клетках цитотрофо- бласта определяются ее родительским происхождением.
Наиболее известным примером зависимости транскрипционной активности кластеров рибосомных генов от их родительского происхождения является феномен ядерного доминирования, обнаруженный у межвидовых гибридов животных и растений, а также в гибридных соматических клетках млекопитающих [748]. Ядерное доминирование представляет собой экспрессию кластеров генов рРНК только одного родителя и инактивацию /gt;-генных кластеров другого, при этом степень репрессии одного из кластеров рДНК может изменяться [295]. Репрессия /gt;-генов осуществляется за счет обратимых эпигенетических изменений, в которых ключевую роль отводят метилированию
ДНК и деацетилированию гистонов [294], т. е. тем же механизмам, которые регулируют дозу активных рибосомных генов в геноме [370]. Интересно отметить, что на выбор того, какой из родительских ЯОР будет инактивирован, влияет не только метилирование регуляторных последовательностей рибосомных генов, но и других, иногда достаточно удаленных последовательностей, которые могут входить в состав регуляторных элементов других генов этой ЯО-хромосомы [294, 295].
Можно предположить, что в основе выявленных нами особенностей наследования функциональной активности ЯОР хромосом 15 лежат сходные механизмы. Во-первых, значительное влияние на функционирование ЯОР могут оказывать другие локусы, расположенные на этой хромосоме. В частности, в проксимальном районе длинного плеча хромосомы 15 (15q) локализован кластер из 10 импринтированных генов, активность которых определяется процессами метилирования [128]. Блоки метилированной ДНК, как правило, присутствуют и в коротких плечах хромосом 15, в то время как степень метилирования ЯО других хромосом существенно ниже [687].
Таким образом, особенности первичной организации (последовательности ДНК), а также конформационные изменения хроматина, возможно, и определяют активность _р-генов хромосомы 15 в зависимости от их родительского происхождения в клетках цитотрофобласта эмбрионов человека с нормальным кариотипом на 8-19 неделях развития. Безусловно, выявление возможных причин и механизмов зависимой от родительского происхождения активности ЯОР, в т. ч. и хромосомы 15, требует дальнейшего углубленного изучения с использованием комплексных цитогенетических и молекулярно-биологических подходов.