Неоцентромеры — это новые центромеры , которые образуются в месте на хромосоме, которое обычно не является центромерным. Обычно они возникают из-за нарушения нормальной центромеры. [1] Эти неоцентромеры не следует путать с «шишками», которые также были описаны как «неоцентромеры» у кукурузы в 1950-х годах. [2] В отличие от большинства нормальных центромер, неоцентромеры не содержат сателлитных последовательностей , которые являются высокоповторяющимися, а вместо этого состоят из уникальных последовательностей. Несмотря на это, большинство неоцентромер все еще способны выполнять функции нормальных центромер [1] в регулировании сегрегации хромосом и наследования. Это поднимает много вопросов о том, что необходимо, а что достаточно для образования центромеры.
Поскольку неоцентромеры все еще являются относительно новым явлением в клеточной биологии и генетике, может быть полезно иметь в виду, что неоцентромеры могут быть в некоторой степени связаны с точечными центромерами, голоцентромерами и региональными центромерами. В то время как точечные центромеры определяются последовательностью, региональные и голоцентромеры эпигенетически определяются тем, где находится определенный тип нуклеосомы (содержащей центромерный гистон H3 ). [3]
Аналитически может быть также полезно принять во внимание, что центромера обычно определяется по отношению к кинетохору , в частности как «часть хромосомы, которая связывает две сестринские хроматиды вместе через кинетохор». Однако появление исследований неоцентромер ставит под сомнение это традиционное определение и ставит под сомнение функцию центромеры, выходящую за рамки «посадочной площадки» для формирования кинетохоры. [4] Это расширяет сферу функции центромеры, включая регулирование функции кинетохоры и митотического веретена .
Неоцентромеры были обнаружены сравнительно недавно. Впервые их обнаружил Энди Чу в клиническом случае кариотипирования человека в 1997 году [5] с использованием флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) и цитогенетического анализа. Неоцентромеры были обнаружены на хромосоме 10 пациента, который был ребенком с задержкой развития.
Цитогенетический и FISH анализы его хромосом обнаружили три маркерные хромосомы : одна была бисателлитной хромосомой, а две были получены из хромосомы 10. Из двух, полученных из хромосомы 10, одна образовала кольцо, а другая - «удаленную» версию хромосомы 10, обозначенную как mar del (10). [5] Было подтверждено, что два вывода были получены из хромосомы 10 с использованием характеристики YAC и BAC; [6] это подтверждение служит формой эндогенного контроля для эксперимента по инициированию неоцентромеры. Mar del (10) и бисателлитные хромосомы присутствовали в каждой исследованной клетке, но кольцевая хромосома присутствовала только в 4–8% клеток. [5] Некоторые приписывают эту статистику возможной митотической нестабильности кольцевых хромосом. [7]
Центромеры традиционно определяются темноокрашенным гетерохроматином , который состоит из первичного сайта сужения [7] — эта конвенция существует, потому что гетерохроматин обычно находится по бокам центромеры. Имея это в виду, центромерный гетерохроматин был обнаружен на бисателлитных и кольцевых маркерах, но не на маркере mar del(10). Однако mar del(10) все еще был способен стабильно разделяться in vivo и in vitro, что подразумевает наличие функциональной центромеры и кинетохоры. Было высказано предположение, что центромерный гетерохроматин так же важен, как и кинетохора, в разделении и стабилизации хромосом, поскольку гетерохроматин связан с набором белка и имеет определяющую способность подавлять экспрессию генов. [8] Однако это представление оспаривается наблюдением в mar del (10).
Спустя десятилетие после первоначального наблюдения неоцентромер, к 2002 году было задокументировано еще 60 случаев человеческих неоцентромер по всему геному, а не только на хромосоме 10. [7] Эти случаи также обычно наблюдались у детей с задержкой развития или врожденными аномалиями. [7] К 2012 году было описано более 90 случаев человеческих неоцентромер в 20 различных хромосомах. [9]
Исследования показывают, что неоцентромеры в конечном итоге формируются в результате эпигенетических процессов, а не изменений в последовательности ДНК. [7] Существует общее мнение, что неоцентромеры являются результатом попытки исправить хромосомы, в которых отсутствует обычная центромера, посредством перестроек хромосом.
Наиболее распространенным типом перестройки, приводящей к неоцентромере, является инвертированная дупликация, относящаяся к классу I. Полученная маркерная хромосома состоит из двух копий сегмента хромосомы. Каждая из двух копий является зеркальным отражением сегмента хромосомы. Неоцентромера образуется в интерстициальном участке между точкой разрыва и одной из теломер . [ 7] Несмотря на наличие идентичных последовательностей в двух половинах хромосомы, неоцентромера образуется только один раз. В некоторых случаях сегрегация этих хромосом приводит к частичной трисомии , а в других случаях — к частичной тетрасомии . При частичной тетрасомии кариотип выглядит нормальным, за исключением маркерной хромосомы.
Механизмы формирования неоцентромеров пока неясны, но некоторые из них были предложены. Существует сильное предположение, что неоцентромеры формируются во время митоза или мейоза . [10]
Для класса I предлагаемый механизм заключается в том, что разрыв хроматиды происходит во время митоза, что приводит к образованию фрагмента хромосомы. Этот ацентрический фрагмент хромосомы может разделиться с неповрежденной хроматидой и привести к частичной тетрасомии; или он может разделиться с комплементарной разорванной хроматидой и привести к частичной трисомии, поскольку разорванная хроматида может быть сохранена путем восстановления теломер. [10] В обоих случаях инвертированный дублированный маркер образуется только после деления клетки и репликации путем воссоединения разорванных, реплицированных концов фрагмента. [10] Также предполагается, что обмен U-типа во время мейоза I может привести к частичной тетрасомии.
С другой стороны, маркерные хромосомы класса II возникают в результате второго наиболее распространенного типа перестроек: интерстициальных делеций. Хромосома перестраивается, образуя кольцевую хромосому и линейную хромосому. Поэтому, оглядываясь назад, первое наблюдение неоцентромер, сделанное Энди Чу в 1997 году, скорее всего, было примером перицентрической интерстициальной делеции класса II, за которой последовала сложная перестройка. Неоцентромера может появиться либо на линейной хромосоме, либо на кольцевой хромосоме, в зависимости от того, на какой из них отсутствует центромера. [10]
Для класса II неясно, когда происходит перестройка. Общие постулаты включают двойной разрыв хромосомы с воссоединением концов. Альтернативный аргумент заключается в том, что во время мейоза I петлеобразование и гомологичная рекомбинация внутри сестринской хроматиды могут вызвать эту перестройку. [10]
Грубая оценка показывает, что образование неоцентромеры на инвертированных дуплицированных хромосомах происходит каждые 70 000–200 000 живорождений. [10] Однако эта статистика не включает перестройки класса II.
Человеческие центромеры обычно состоят из 2000–4000 килобаз из 171 пары оснований повторяющейся единицы. Этот альфа-сателлит вообще не присутствует в человеческих неоцентромерах. [10] К 2008 году было обнаружено более 90 случаев человеческих неоцентромер на маркерных хромосомах, которые испытали потерю центромеры и последующую перестройку. [10] Общие черты среди этих человеческих неоцентромер включают в себя анальфоидность, окрашивание C-полосы отрицательно, содержание первичного сайта сужения и связывание с необходимыми белками центромеры, которые сигнализируют о наличии кинетохора. [10]
Неоцентромеры были обнаружены в раковых опухолях человека, [10] хотя наблюдаемая частота неоцентромеров в популяции относительно низкая. Существует сильная корреляция между неоцентромерами и определенным классом (ALP-WDLPS) липоматозных опухолей . [11] Было замечено, что липоматозные опухоли с альфоидными последовательностями в центромере более агрессивны и метастатичны. Следовательно, одно из предположений заключается в том, что неоцентромеры могут быстро эволюционировать в центромеру с альфа-сателлитом, но корреляция между повторяющейся последовательностью и агрессивностью опухолей остается неясной. [10]
Неоцентромеры также были зарегистрированы при карциноме легких и остром миелоидном лейкозе . [10] Возможно, стоит отметить, что неоцентромеры при раке могут встречаться чаще, чем это наблюдается в настоящее время, поскольку многие скрининговые исследования рака, включающие кариотипирование, не используют анализы, которые обнаруживают образования неоцентромеров.
Хотя это и не обсуждалось явно в отношении неоцентромер, стоит отметить, что цикл разрыв-слияние-мост также включает кольцевые хромосомы. [12] В частности, эти кольцевые хромосомы, вовлеченные в циклы разрыв-слияние-мост, имеют относительно высокий процент распространенности в липоматозных опухолях и более низкую, но все же заметную распространенность в легочных и острых миелоидных лейкозах, согласно базе данных Mitelman. Возможно, дальнейшее изучение кольцевых хромосом и заболеваний с точки зрения формирования неоцентромер может пролить свет на механизмы формирования опухолей из-за хромосомных аномалий. Например, можно задаться вопросом, содержат ли кольцевые хромосомы, присутствующие в опухолях, неоцентромеру после делеции класса II, поскольку неоцентромера может присутствовать или не присутствовать на кольце.
Помимо аутосом, человеческие неоцентромеры также наблюдались в половых хромосомах и коррелировали с некоторыми сцепленными с полом заболеваниями. В 1999 году анализ неоцентромеры в Y-хромосоме с местом сужения в амниоцитах 38-летней женщины, а также у ее мужа и зятя послужил экспериментальным доказательством того, что неоцентромеры могут стабильно передаваться через мейоз в следующее поколение. [13] Неоцентромера не только жизнеспособна на хромосоме, но и достаточна для правильного определения пола у мужчин. [14] Эти мейотически передаваемые неоцентромеры демонстрируют мозаицизм , который, как многие считают, обусловлен митотической нестабильностью. [7] Однако, напротив, другие также считают, что мозаицизм может развиваться постзиготически и, следовательно, не может быть результатом митотической нестабильности. [5] Постзиготическое образование происходит, когда функция неоцентромеры не установлена во время мейотической перестройки.
Другой случай мозаицизма наблюдался у 15-летней девочки с неоцентрической Х-хромосомой. [9] Ее клинические особенности, а также цитогенетический и FISH-анализы подтверждают, что это первый случай мозаичного синдрома Тернера с участием неоцентромеры. За время этого эксперимента до сих пор наблюдалось только два других случая неоцентрических Х-хромосом, что делает этот эксперимент третьим. Один из двух предыдущих случаев также был подтвержден как синдром Тернера, но не был мозаичным. Интересным взаимодействием здесь будет взаимодействие между неоцентромерами и геном XIST , который отвечает за инактивацию Х-хромосомы . Было высказано предположение, что аномалия, вызванная неоцентромерами, может объяснять избирательную инактивацию аномальной Х-хромосомы у этой пациентки. Принимая во внимание, что только менее 5% случаев синдрома Тернера являются мозаичными, [9] можно предположить, аналогично с анализами неоцентромер при раке, [10], что неоцентромеры могут встречаться с более высокой частотой при мозаичном синдроме Тернера, чем наблюдается.
Как уже упоминалось, хорошо известно, что формирование центромеры регулируется эпигенетически. Однако эти эпигенетические механизмы все еще являются предметом споров; к счастью, неоцентромеры представляют собой модельную систему для изучения различных предлагаемых механизмов. [7] [15]
Центромеры хорошо связаны со специфическими белками, которые участвуют в формировании кинетохора и митотического веретена. Поскольку неоцентромеры не содержат повторяющихся последовательностей, они являются хорошими кандидатами для изучения эпигенетической регуляции распределения центромерных белков с использованием методов иммунопреципитации хроматина (ChIP) . [1]
Все центромеры связаны с центромерным белком A (CENPA). [8] CENPA также широко изучался как важный игрок в регуляции центромеры, поскольку он связывает и определяет местоположение центромеры как для нормальных центромер, так и для неоцентромер, независимо от последовательности ДНК. Существует общее мнение, что CENPA собирается в октамерные нуклеосомы, при этом две копии CENPA заменяют две копии гистона H3 в целевом локусе [16] — это простейшая модель, и многое еще неизвестно о составе нуклеосом CENPA.
Неоцентромеры были полезными инструментами в исследовании эффектов CENPA в отсутствие сателлитных последовательностей. Эти исследования пришли к выводу, что способность CENPA обматывать ДНК, по-видимому, не зависит от последовательности ДНК. [16] Это приводит к нескольким вопросам: как тогда CENPA решает, куда обматывать? Какова цель сателлитных последовательностей (которые присутствуют в большинстве эукариотических центромер), если они не нужны для обматывания CENPA? Чтобы еще больше усложнить вопрос, введение альфа-сателлитной ДНК в клетки может вызвать образование центромер de novo . [7] Пока что это говорит о том, что повторяющиеся последовательности могут играть фундаментальную, но не необходимую роль в формировании центромеры. Более того, неповторяющиеся центромеры также недавно наблюдались у лошадей, орангутанов и кур. [1] [17]
Сверхэкспрессия CENPA и CENPH (белок центромеры H) также связана с колоректальным раком. Стоит отметить, что сверхэкспрессия этих центромерных белков также связана с неоцентромеризацией. Следовательно, это может послужить началом объяснения того, как неоцентромеры могут приводить к раку. Сверхэкспрессия может быть вызвана потерей функции в регуляции CENPA путем протеолиза в неподходящие моменты клеточного цикла. [18] Однако эта связь требует дальнейшего изучения. [10]
Тот факт, что неоцентромеры и обычные центромеры не разделяют постоянную хроматиновую среду, также следует учитывать при рассмотрении эпигенетической регуляции формирования центромеры. [19] N-концевые хвосты гистонов могут быть модифицированы несколькими способами, включая фосфорилирование , ацетилирование , метилирование и убиквитинирование . Хотя некоторые модификации гистонов в центромерах, по-видимому, служат определенной цели — например, способствуя более высокому порядку организации хроматина в мышиных центромерах [18] — обычные и неоцентромеры имеют очень мало общих модификаций, но, возможно, все еще сохраняют ту же функцию центромеры.
Пополнение CENPA в каждом цикле, что важно для восстановления идентичности центромеры, осуществляется HJURP (белок распознавания центра Холлидея), или Scm3 у грибов и CAL1 у дрозофилы . [19] Привязка HJURP к нецентромерному локусу может привести к образованию неоцентромеры, даже после диссоциации HJURP. Кажется, что существует коэволюционная связь между шапероном дрозофилы CAL1 и CENPA, которая объясняет несовместимость видов — это обсуждается подробнее ниже. [20]
В то время как отложение CENPA происходит во время фазы S для S. cerevisiae , два пути отложения CENPA у S. pombe определяют, когда откладывается CENPA, а именно, фаза S и G2. У Arabidopsis thaliana эксперименты показывают, что отложение CENPA происходит через репликационно-независимый механизм в G2. Для людей это время, по-видимому, приходится на раннюю фазу G1. [18]
Эта временная регуляция важна, поскольку она раскрывает состав центромерного хроматина во время сборки кинетохора в митозе. Возможно, повторное отображение формирования неоцентромеров с точки зрения клеточного цикла может раскрыть больше информации о том, какой тип регуляции необходим для формирования центромеры.
Можно ожидать, что, поскольку центромера играет такую важную роль в сегрегации хромосом и общем наследовании, центромера будет высококонсервативной, в последовательности или в эпигенетической регуляции. Однако, даже несмотря на то, что вариант гистона CENPA фактически сохраняется, существует удивительно большое разнообразие в организации центромерного хроматина в разных линиях. [21] Еще одна поразительная вещь в эволюции центромеры заключается в том, что, хотя функция центромеры сохраняется среди всех эукариот, лежащая в ее основе ДНК быстро эволюционирует, это явление было названо «парадоксом центромеры». [22]
Дрожжи, дрозофила и млекопитающие имеют гетерохроматин, фланкирующий их центромеры. [8] Хотя шаперон позвоночных HJURP и шаперон дрожжей Scm3 разошлись, их N-концевые домены демонстрируют поразительную консервативность. [23] С другой стороны, у лягушек и кур в шаперонах есть домены, которые совсем не совпадают с доменами дрожжей. Следовательно, дальнейшее исследование механистических свойств этих шаперонов может потенциально выявить, как они помогают определить, где и какой тип центромеры и неоцентромеры образуются.
Другим элементом, который следует рассмотреть с эволюционной точки зрения, является то, что поскольку неоцентромеры жизнеспособны и могут передаваться мейотически от одного поколения к другому, они могут играть роль в эволюции видов. Недавно на Drosophila было показано , что коэволюция CENPA и его шаперона CAL1 может объяснить несовместимость видов. [20] Эта несовместимость существует между центромерными гистонами. Это наблюдение побуждает изучать неоцентромеры вместе с их шаперонами, чтобы выяснить, могут ли неоцентромеры также сопровождать «нео-шапероны».
Со временем неоцентромеры могут также распространяться в популяции и «созревать» в полные центромеры путем накопления повторяющихся элементов, что может затем привести к чему-то, известному как эволюционно новые центромеры. [24] [25] [26] Считается, что изменение положения центромеры и эволюционно новые центромеры также участвуют в видообразовании , поскольку несовместимость между центромерами может привести к репродуктивным барьерам . [27] [28]
Другие явления или исследования, которые могут быть или не быть явно связаны с неоцентромерами, могут относиться к связям, которые еще не были установлены в научной литературе.
Голоцентромеры, которые являются точечными центромерами, распределенными по всей хромосоме, наиболее подробно изучались у червей C. elegans . [8] Голоцентромеры служат в качестве модельных сравнений с неоцентромерами, поскольку голоцентромеры имеют, по-видимому, произвольные «семена» CENPA, распределенные по всей хромосоме, которые работают вместе, чтобы создать функциональный кинетохор. [1] Важно отметить, что эти семена CENPA исключены из генов или локусов, которые транскрибируются в зародышевой линии или раннем эмбрионе. Это приводит к мысли, что, по-видимому, случайное рассеяние этих семян не наследуется, и что каждое поколение или мейоз имеют свой собственный отчетливый рассеяние.
Результаты исследований модельных организмов, а именно индукция неоцентромеризации в куриных и грибковых системах, породили еще несколько корреляций для размышлений. [19] В частности, в куриных клетках DT40 было обнаружено, что ни модификации гистонов, ни раннее время репликации не связаны с образованием неоцентромеры. [29] Более того, было также обнаружено, что неоцентромеры образуются как на транскрипционно активных, так и на неактивных локусах, [29] бросая вызов общепринятому мнению о том, что центромеры не появляются в кодирующих областях хромосомы. Это приводит к вопросам о том, как неоцентромеры могут нарушать транскрипцию и экспрессию этих генов.
Наконец, недавнее открытие заключается в том, что двухцепочечная РНК определяет местоположение центромеры. [8] Похоже, что массивы повторяющихся последовательностей, фланкирующих центромеру, транскрибируются в РНК, которая в свою очередь может стать механизмом РНК-интерференции , способствующим формированию гетерохроматина. Это может быть связано с регулированием уровней центромерных белков, подобно тому, как уровни CENPA регулируются клеточным циклом и протеолизом.