Рис. 13.4. Неоцентромеры человека (указаны стрелками) лишены центромерной ?-сателлитной ДНК, но имеют CENP-A и гетерохроматин
AHTH-CENP-A-окрашивание зеленым цветом и анти-CENP-B-окрашивание красным цветом (который маркирует ?-сателлитную ДНК) идентифицируют неоцентромеру хромосомы 4, которая лишена ?-сателлита (основная часть рисунка) Эта хромосома 4 в остальных отношениях нормальна и передавалась на протяжении, по крайней мере, трех мейотических поколений нормальных особей Врезка изображает анти-НР1-окрашивание, которое показывает, что несмотря на отсутствие сателлитной ДНК гетерохроматин формируются вокруг активных неоцентромер. (Перепечатано, с любезного разрешения, из: Armor et al., 2004b [©National Academy of Sciences])
Генетические эксперименты на разных эукариотах подтвердили существенное значение CenH3 для формирования кинетохора и для расхождения хромосом (Amor et al., 2004а). Поскольку CenH3-содержащие нуклеосомы остаются на месте на протяжении всего клеточного цикла, они образуют фундамент для сборки других кинетохорных белков во время митоза и мейоза (глава 6). Чрезвычайно важным вопросом в исследованиях хромосом является вопрос о том, каким именно образом эти белки взаимодействуют, с тем чтобы обеспечить сцепление между центромерой и микротрубочками веретена, которое может противостоять сильным тянущим силам, прилагаемым к кинетохорам в анафазе. У дрожжей были идентифицированы несколько десятков специфичных для кинетохора белков (дополнительные детали см. в главе 6), хотя то, каким образом они взаимодействуют с содержащими CenH3 нуклеосомами и другими базовыми белками, такими как CENP-C, в настоящее время неизвестно. Еще одним вызовом является расшифровка процесса сборки CenH3 в нуклеосомы Тот факт, что центромеры составляют такую маленькую долю всего хроматина, затруднило биохимические подходы к этой замечательной проблеме, но мы надеемся, что совершенствующиеся технологии приведут к лучшему пониманию структуры и динамики кинетохор.
Рис. 13.5. Центромерные варианты H3 у модельных эукариот
(Слева) Хромосома человека, окрашенная антителами против специфичного для центромеры варианта гистона H3, CENP-A (зеленый цвет), и анти-CENP-B (красный цвет), маркирующий ?-сателлитную ДНК (любезно предоставлено Peter Warburton). (В центре) У Drosophila melanogaster анти-CenH3-антитела (красный цвет) окрашивают центромеры в метафазных хромосомах и на протяжении всей интерфазы (любезно предоставлено SusoPlatero). (Справа) У Caenorhabditis elegans анти-CenH3-антитела (зеленый цвет) окрашивают расположенные «конец в конец» голоцентромеры профазных хромосом (красный цвет) (любезно предоставлено Landon Moore)
Эволюция CenH3s не похожа на эволюцию гистонов любого другого класса. В то время как гистон H3 инвариантен по последовательности, что отражает действие чрезвычайно сильного очищающего отбора на каждый остаток, CenH3s эволюируют быстро, особенно в линиях растений и животных (Malik and Henikoff, 2003). Наиболее очевидным образом это демонстрируют аминотерминальные «хвосты», которые различаются по длине и последовательности до такой степени, что становится невозможным выравнивание CenH3s разных таксономических групп. Даже домен histone fold в CenH3 эволюирует на порядки быстрее, чем такой же домен H3. Какова же причина этого разительного эволюционного различия между H3, который функционирует в центромерах, и H3, который функционирует в других местах?
Быстро эволюирующие участки генов CenH3 Drosophila и Arabidopsis обнаруживают избыток нуклеотидных замен типа replacement nucleotide substitutions по сравнению с тем, что можно было бы ожидать исходя из скорости синонимических замен (Malik and Henikoff, 2003). Этот избыток — признак адаптивной эволюции. Адаптивная эволюция у растений и животных видна также по еще одному главному центромерному фундаментальному белку [major centromere foundation protein], CENP-C (Talbert et al., 2004). Хотя адаптивная эволюция хорошо документирована для генов, участвующих в генетических конфликтах (таких, как «гонка вооружений» между хозяином и паразитом), эти гены являются единственными известными существенными однокопийными генами, адаптивно эволюционирующими у любого организма. В случае CenH3 и CENP-C участки адаптивной эволюции соответствуют участкам связывания и «нацеливания» на ДНК Это позволяет предполагать, что главные связывающиеся с центромерой белки адаптируются к эволюирующей центромерной ДНК, давая, таким образом, центромерному хроматину возможность взаимодействовать с консервативной кинетохорной машинерией, связывающей центромеру с микротрубочками веретена. Было высказано предположение, что центромеры конкурируют в ходе женского мейоза за включение в ядро яйцеклетки, чтобы не быть утраченными в составе полярных телец (Talbert et al., 2004). Возникла бы «гонка вооружений», ведущая к экспансии центромер, вероятно путем неравного кроссинговера между сестринскими хроматидами. Подавление хозяином этого процесса мейотического драйва с помощью CenH3 и CENP-C приводило бы к избытку изменений типа замен в участках, взаимодействующих с ДНК. Организмы, для центромер которых нет возможности конкурировать, таких как почкующиеся дрожжи, не подвергались бы центромерному драйву, и это могло бы объяснить тот факт, что у них маленькие центромеры и их белки CenH3 и CENP-C находятся под действием сильного очищающего отбора