Элиминация одного из родительских геномов у гибридов зеленых лягушек комплекса Pelophylax esculentus
|
Введение 3
Обзор литературы 5
Диминуция хроматина 6
Диминуция хроматина у инфузорий 7
Диминуция хроматина у нематод 8
Диминуция хроматина у копепод 9
Диминуция хроматина у миксин 10
Диминуция хроматина у миног 11
Элиминация хромосом у птиц 12
Удаление генетического материала у межвидовых гибридов 13
Удаление генетического материала при гибридной стерильности и летальности 13
Преодоление гибридной стерильности посредством избирательного удаления генетического материала у растений 14
Преодоление гибридной стерильности посредством избирательного удаления генетического материала у межвидовых гибридов животных, размножающихся клонально 16
Состав и структура комплекса Pelophylax esculentus 19
Особенности кариотипов родительских видов и цитогенетические маркеры для их идентификации 20
Полиплоидные гибридные формы 22
Особенности воспроизводства гибридов в различных типах популяционных систем 23
Популяционные системы L-E типа 23
Популяционные системы R-E типа 23
Популяционные системы R-L-E типа 24
Популяционные системы E типа 24
Гаметогенез у родительских видов. Нормальный гаметогенез 25
Основные стадии оогенеза у родительских видов из комплекса зеленых лягушек 25
Основные стадии сперматогенеза у родительских видов из комплекса зеленых лягушек. 27
Особенности гаметогенеза у P. esculentus 29
Предполагаемые механизмы элиминации генетического материала 30
Материалы и методы 32
Места отлова, объем выборок и локалитеты экспериментальных животных 32
Приготовление метафазных хромосом 33
Флуоресцентная in situгибридизация 33
Флуоресцентная in situгибридизация на препаратах хромосом 34
3D флуоресцентная in situгибридизация 35
Флуоресцентная и лазерная сканирующая конфокальная микроскопия 36
Результаты 37
Адаптация протокола картирования повторяющейся последовательности, специфичной для генома P. lessonaeс помощью флуоресцентной in situгибридизации 37
Идентификация хромосом родительских видов во время метафазы мейоза в ходе деления сперматоцитов взрослых гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов 37
Идентификация хромосом родительских видов в клетках зародышевой линии во время раннего гаметогенеза у головастиков, полученных от скрещивания гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов с одним из родительских видов 39
Анализ морфологии гонад взрослых животных из разных популяционных систем 40
Обсуждение результатов 40
Идентификация хромосом обоих родительских видов с помощью видоспецифичных зондов 41
Элиминация одного из родительских геномов у гибридных самцов из популяционных систем L-E и R-E типов происходит премейотически 42
Элиминация одного из родительских геномов происходит в ходе раннего гаметогенеза головастиков, полученных от скрещивания гибридов из популяционных систем L-E и R-E типов 43
Элиминация генетического материала одного из родительских видов происходит на ранних стадиях онтогенеза гибридных головастиков и не происходит у взрослых гибридов 44
Выводы 45
Приложения 48
Список цитируемой литературы 57
Обзор литературы 5
Диминуция хроматина 6
Диминуция хроматина у инфузорий 7
Диминуция хроматина у нематод 8
Диминуция хроматина у копепод 9
Диминуция хроматина у миксин 10
Диминуция хроматина у миног 11
Элиминация хромосом у птиц 12
Удаление генетического материала у межвидовых гибридов 13
Удаление генетического материала при гибридной стерильности и летальности 13
Преодоление гибридной стерильности посредством избирательного удаления генетического материала у растений 14
Преодоление гибридной стерильности посредством избирательного удаления генетического материала у межвидовых гибридов животных, размножающихся клонально 16
Состав и структура комплекса Pelophylax esculentus 19
Особенности кариотипов родительских видов и цитогенетические маркеры для их идентификации 20
Полиплоидные гибридные формы 22
Особенности воспроизводства гибридов в различных типах популяционных систем 23
Популяционные системы L-E типа 23
Популяционные системы R-E типа 23
Популяционные системы R-L-E типа 24
Популяционные системы E типа 24
Гаметогенез у родительских видов. Нормальный гаметогенез 25
Основные стадии оогенеза у родительских видов из комплекса зеленых лягушек 25
Основные стадии сперматогенеза у родительских видов из комплекса зеленых лягушек. 27
Особенности гаметогенеза у P. esculentus 29
Предполагаемые механизмы элиминации генетического материала 30
Материалы и методы 32
Места отлова, объем выборок и локалитеты экспериментальных животных 32
Приготовление метафазных хромосом 33
Флуоресцентная in situгибридизация 33
Флуоресцентная in situгибридизация на препаратах хромосом 34
3D флуоресцентная in situгибридизация 35
Флуоресцентная и лазерная сканирующая конфокальная микроскопия 36
Результаты 37
Адаптация протокола картирования повторяющейся последовательности, специфичной для генома P. lessonaeс помощью флуоресцентной in situгибридизации 37
Идентификация хромосом родительских видов во время метафазы мейоза в ходе деления сперматоцитов взрослых гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов 37
Идентификация хромосом родительских видов в клетках зародышевой линии во время раннего гаметогенеза у головастиков, полученных от скрещивания гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов с одним из родительских видов 39
Анализ морфологии гонад взрослых животных из разных популяционных систем 40
Обсуждение результатов 40
Идентификация хромосом обоих родительских видов с помощью видоспецифичных зондов 41
Элиминация одного из родительских геномов у гибридных самцов из популяционных систем L-E и R-E типов происходит премейотически 42
Элиминация одного из родительских геномов происходит в ходе раннего гаметогенеза головастиков, полученных от скрещивания гибридов из популяционных систем L-E и R-E типов 43
Элиминация генетического материала одного из родительских видов происходит на ранних стадиях онтогенеза гибридных головастиков и не происходит у взрослых гибридов 44
Выводы 45
Приложения 48
Список цитируемой литературы 57
Программируемые геномные перестройки встречаются у достаточно широкого круга организмов, начиная с одноклеточных инфузорий и заканчивая позвоночными [Wang, Davis, 2014]. Такое широкое распространение свидетельствует о том, что механизмы удаления генетического материала возникали независимо в разных группах организмов. Эти процессы имеют большую функциональную важность для жизнедеятельности самых разнообразных живых существ. Программируемые геномные перестройки включают в себя рекомбинацию и перестройки генетического материала, например во время формирования разнообразных T - клеточных рецепторов на поверхностях Т-лимфоцитов, а также более радикальный процесс удаления частей генома [Wang, Davis, 2014]. На данный момент выделяют два основных типа программируемого удаления генетического материала: диминуцию хроматина и элиминацию хромосом. При диминуции удаляются отдельные участки хромосом, при элиминации целые хромосомы. Диминуция хроматина и элиминация хромосом могут выполнят разные функции в организме, от участия в определении пола до радикального способа инактивации генов [Muller, Tobler, 2000a; Wang, Davis, 2014]. Изучение процессов элиминации генетического материала важно для расширения наших представлений о функционировании генома и о его роли в жизнедеятельности живых организмов. Помимо этого, эти знания могут найти практическое применение в разработке методов получения чистых линий в селекции растений и животных, а также лечении генетических заболеваний, связанных с увеличением числа хромосом (синдром Патау, синдром Дауна, синдром Эдвардса и др.).
Элиминация части генетического материала была обнаружена у некоторых межвидовых гибридов растений и животных. У гибридов животных элиминация одного из родительских геномов может проходить после оплодотворения. Кроме того, элиминация генома была обнаружена в ходе развития зародышевых клеток или во время мейоза. Такой способ реорганизации генетического материала позволяет преодолеть гибридную стерильность благодаря предотвращению конфликта хромосом разных родительских видов в мейозе. Помимо элиминации одного из родительских животных, в ходе гаметогенеза также может происходить и эндорепликация оставшегося генома. Это позволяет осуществить нормальный мейоз и сформировать гаплоидные гаметы. Такой способ воспроизводства был назван гибридогенезом [Bogart, 1989; Schon, Martens, Dijk van, 2009]. С помощью гибридогенеза воспроизводятся гибридные лягушки комплекса Pelophylax esculentus.Зеленые лягушки Pelophylax esculentusявляются естественными гибридами двух родительских видов - Pelophylax ridibundusи Pelophylax lessonae. Вследствие гибридогенетического способа воспроизводства, гибридным лягушкам необходимо сосуществование с одним из родительских видов. В зависимости от того, с каким из родительских видов сосуществуют Р. esculentus,выделяют популяции L-E (P. lessonaeи Р. esculentus)и R-E (Р. ridibundusи Р. esculentus)типов. Помимо этого, существуют популяции, в которых все три вида сосуществуют вместе, а также популяции, состоящие исключительно из гибридов различной плоидности.
Несмотря на продолжительное изучение гаметогенеза у гибридов в разных популяционных системах, особенности механизмов элиминации генетического материала одного из родительских видов в системах L-E и R-E типа еще не до конца изучены. На данный момент известно, что в популяционных системах L-E типа в гонадах гибридных головастиков происходит преимущественная элиминация генома P. lessonaeи формирование гамет, содержащих геном Р. ridibundus.В популяционных системах R-E типа гибридные лягушки элиминируют как генетический материал Р. ridibundus,так и генетический материал P. lessonae.Таким образом, популяционные системы L-E и R-E типов различаются по способностям элиминировать геномы родительских видов и не являются симметричными. Изучение механизмов элиминации одного из родительских геномов у гибридов из различных локалитетов представляет актуальную задачу, так как позволяет расширить наши знания о механизмах удаления генетического материала и особенностях гибридогенетического способа воспроизводства.
На данный момент показано, что элиминация генетического материала одного из родительских видов происходит в гонадах головастиков посредством формирования микроядер [Dedukh и др., 2017]. Микроядра содержат отдельные хромосомы [Dedukh и др., 2019; Dedukh и др., 2020]. Предположительно, микроядра формируются посредством отставания отдельных хромосом во время анафазы митоза, вследствие не способности прикрепиться к веретену деления [Dedukh и др., 2020]. Кроме того, удаление хромосом может происходить посредством их отпочковывания из ядра на стадии интерфазы [Chmielewska и др., 2018]. Однако конкретные механизмы элиминации, а также особенности этого процесса в популяционных системах разных типов до сих пор не до конца изучены. Также не известно, протекают ли процессы элиминации у взрослых гибридов или они ограничены только ранним онтогенезом.
Для исследования элиминации и эндорепликации геномов необходимо применение цитогенетических маркеров, позволяющих надежно идентифицировать геномы обоих родительских видов. Идентификация генома P. ridibundusвозможна благодаря использованию флуоресцентной in situгибридизации с зондами к видоспецифичному перицентромерному повтору [Ragghianti и др., 1995]. Однако существующие цитогенетические маркеры для хромосом P. lessonaeне позволяют идентифицировать хромосомы P. lessonaeв клетках на стадии интерфазы [Dedukh et al., 2013]. Таким образом поиск надежных маркеров для идентификации генома P. lessonaeнеобходим для изучения данного комплекса.
Целью данной работы является поиск возможных этапов элиминации и эндоредупликации генома одного из родительских видов у взрослых гибридных самцов и гибридных головастиков из популяций L-E и R-E типов комплекса Pelophylax esculentus.
Для достижения поставленной цели исследования были сформулированы следующие конкретные задачи:
1. Адаптировать протокол картирования повторяющейся последовательности, специфичной для генома P. lessonae, для метафазных мейотических и митотических хромосом клеток зародышевой линии гибридных самцов с помощью флуоресцентной in situгибридизации (FISH).
2. С помощью FISH идентифицировать хромосомы родительских видов во время метафазы мейоза в ходе деления сперматоцитов взрослых гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов для выявления особенностей процессов элиминации и эндоредупликации геномов у гибридов из разных популяционных систем.
3. С помощью 3D FISH провести анализ морфологии гонад взрослых гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов.
4. Идентифицировать хромосомы родительских видов и напрямую показать наличие хромосом P. lessonaeв клетках зародышевой линии во время раннего гаметогенеза у головастиков, полученных от скрещивания гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов с одним из родительских видов.
Элиминация части генетического материала была обнаружена у некоторых межвидовых гибридов растений и животных. У гибридов животных элиминация одного из родительских геномов может проходить после оплодотворения. Кроме того, элиминация генома была обнаружена в ходе развития зародышевых клеток или во время мейоза. Такой способ реорганизации генетического материала позволяет преодолеть гибридную стерильность благодаря предотвращению конфликта хромосом разных родительских видов в мейозе. Помимо элиминации одного из родительских животных, в ходе гаметогенеза также может происходить и эндорепликация оставшегося генома. Это позволяет осуществить нормальный мейоз и сформировать гаплоидные гаметы. Такой способ воспроизводства был назван гибридогенезом [Bogart, 1989; Schon, Martens, Dijk van, 2009]. С помощью гибридогенеза воспроизводятся гибридные лягушки комплекса Pelophylax esculentus.Зеленые лягушки Pelophylax esculentusявляются естественными гибридами двух родительских видов - Pelophylax ridibundusи Pelophylax lessonae. Вследствие гибридогенетического способа воспроизводства, гибридным лягушкам необходимо сосуществование с одним из родительских видов. В зависимости от того, с каким из родительских видов сосуществуют Р. esculentus,выделяют популяции L-E (P. lessonaeи Р. esculentus)и R-E (Р. ridibundusи Р. esculentus)типов. Помимо этого, существуют популяции, в которых все три вида сосуществуют вместе, а также популяции, состоящие исключительно из гибридов различной плоидности.
Несмотря на продолжительное изучение гаметогенеза у гибридов в разных популяционных системах, особенности механизмов элиминации генетического материала одного из родительских видов в системах L-E и R-E типа еще не до конца изучены. На данный момент известно, что в популяционных системах L-E типа в гонадах гибридных головастиков происходит преимущественная элиминация генома P. lessonaeи формирование гамет, содержащих геном Р. ridibundus.В популяционных системах R-E типа гибридные лягушки элиминируют как генетический материал Р. ridibundus,так и генетический материал P. lessonae.Таким образом, популяционные системы L-E и R-E типов различаются по способностям элиминировать геномы родительских видов и не являются симметричными. Изучение механизмов элиминации одного из родительских геномов у гибридов из различных локалитетов представляет актуальную задачу, так как позволяет расширить наши знания о механизмах удаления генетического материала и особенностях гибридогенетического способа воспроизводства.
На данный момент показано, что элиминация генетического материала одного из родительских видов происходит в гонадах головастиков посредством формирования микроядер [Dedukh и др., 2017]. Микроядра содержат отдельные хромосомы [Dedukh и др., 2019; Dedukh и др., 2020]. Предположительно, микроядра формируются посредством отставания отдельных хромосом во время анафазы митоза, вследствие не способности прикрепиться к веретену деления [Dedukh и др., 2020]. Кроме того, удаление хромосом может происходить посредством их отпочковывания из ядра на стадии интерфазы [Chmielewska и др., 2018]. Однако конкретные механизмы элиминации, а также особенности этого процесса в популяционных системах разных типов до сих пор не до конца изучены. Также не известно, протекают ли процессы элиминации у взрослых гибридов или они ограничены только ранним онтогенезом.
Для исследования элиминации и эндорепликации геномов необходимо применение цитогенетических маркеров, позволяющих надежно идентифицировать геномы обоих родительских видов. Идентификация генома P. ridibundusвозможна благодаря использованию флуоресцентной in situгибридизации с зондами к видоспецифичному перицентромерному повтору [Ragghianti и др., 1995]. Однако существующие цитогенетические маркеры для хромосом P. lessonaeне позволяют идентифицировать хромосомы P. lessonaeв клетках на стадии интерфазы [Dedukh et al., 2013]. Таким образом поиск надежных маркеров для идентификации генома P. lessonaeнеобходим для изучения данного комплекса.
Целью данной работы является поиск возможных этапов элиминации и эндоредупликации генома одного из родительских видов у взрослых гибридных самцов и гибридных головастиков из популяций L-E и R-E типов комплекса Pelophylax esculentus.
Для достижения поставленной цели исследования были сформулированы следующие конкретные задачи:
1. Адаптировать протокол картирования повторяющейся последовательности, специфичной для генома P. lessonae, для метафазных мейотических и митотических хромосом клеток зародышевой линии гибридных самцов с помощью флуоресцентной in situгибридизации (FISH).
2. С помощью FISH идентифицировать хромосомы родительских видов во время метафазы мейоза в ходе деления сперматоцитов взрослых гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов для выявления особенностей процессов элиминации и эндоредупликации геномов у гибридов из разных популяционных систем.
3. С помощью 3D FISH провести анализ морфологии гонад взрослых гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов.
4. Идентифицировать хромосомы родительских видов и напрямую показать наличие хромосом P. lessonaeв клетках зародышевой линии во время раннего гаметогенеза у головастиков, полученных от скрещивания гибридных самцов из популяций L-E и R-E типов с одним из родительских видов.
1. Повторяющаяся последовательность, уникальная для генома P. lessonae, локализуется на двух парах хромосом P. lessonaeи на двух парах хромосом P. esculentus,соответствующих хромосомам P. lessonae,и не локализуется на хромосомах P. ridibundus.
2. У большинства гибридных самцов из системы L-E типа происходит премейотическая элиминация генома P. lessonaeи последующая эндоредупликация генома P. ridibundus.У гибридных самцов из системы R-E типа происходит премейотическая элиминация геномов разных родительских видов и эндоредупликация сохранившихся геномов в разных популяциях зародышевых клеток.
3. У большинства гибридных самцов из системы R-E типа и некоторых гибридных самцов из системы L-E типа могут формироваться сперматоциты с аберрантными наборами хромосом.
4. В гонадах гибридных головастиков из популяционной системы L-E типа формируются микроядра с хромосомами P. lessonae.В гонадах гибридных головастиков из системы R-E типа формируются микроядра, включающие хромосомы P. ridibundus,и микроядра, включающие хромосомы P. lessonae, что впервые было показано напрямую. В гонадах взрослых гибридных самцов из обеих популяционных систем микроядра не обнаруживаются.
5. Избирательная элиминация одного из родительских геномов в клетках зародышевой линии происходит во время раннего развития у головастиков и не происходит у взрослых гибридов.
2. У большинства гибридных самцов из системы L-E типа происходит премейотическая элиминация генома P. lessonaeи последующая эндоредупликация генома P. ridibundus.У гибридных самцов из системы R-E типа происходит премейотическая элиминация геномов разных родительских видов и эндоредупликация сохранившихся геномов в разных популяциях зародышевых клеток.
3. У большинства гибридных самцов из системы R-E типа и некоторых гибридных самцов из системы L-E типа могут формироваться сперматоциты с аберрантными наборами хромосом.
4. В гонадах гибридных головастиков из популяционной системы L-E типа формируются микроядра с хромосомами P. lessonae.В гонадах гибридных головастиков из системы R-E типа формируются микроядра, включающие хромосомы P. ridibundus,и микроядра, включающие хромосомы P. lessonae, что впервые было показано напрямую. В гонадах взрослых гибридных самцов из обеих популяционных систем микроядра не обнаруживаются.
5. Избирательная элиминация одного из родительских геномов в клетках зародышевой линии происходит во время раннего развития у головастиков и не происходит у взрослых гибридов.



