Как и общая структура самого ядра, хромосомы гораздо сложнее и динамичнее, чем дискретные, конденсированные тела, видимые при митозе или мейозе и изображенные во многих учебниках. В течение большей части клеточного цикла хромосомы не конденсируются, и большая часть экспрессии генов происходит в интерфазе.
Итак, как устроены хромосомы в большинстве случаев и как они расположены в ядре?
Интерес к этому имеет давнюю историю. Идея о том, что хромосомы занимают отдельные области в ядре, восходит к более столетию, в настоящее время известно, что хромосомы распределены неслучайно в эукариотическом ядре, занимая «территории хромосом», и что положение хромосом коррелирует с уровнем экспрессии генов.
Это интригует в контексте изменения размера генома: Беннетт соединил свою теорию нуклеотипа с тем, что он назвал «естественным кариотипом» - неслучайным пространственным распределением хромосом.
Существуют правила, лежащие в основе интерфазного позиционирования хромосом, хотя они, по-видимому, различаются у животных и растений и, вероятно, специфичны для типа клеток.
Может ли полиплоидия влиять на физическое распределение хромосом или областей хромосом или, в более общем смысле, на изменение размера генома?
Если так, могут ли такие изменения привести к новизне, и может ли эта новизна быть предсказуемой для полиплоидов?
Ответ на первый вопрос однозначно «да».
КТ у арабидопсиса остаются стабильными в диплоидных и низкополиплоидных клетках одной и той же ткани, но изменения происходят при более высоких уровнях эндоредупликации.
Sas-Nowosielska и Bernas (2016) описывают различия в относительном расположении флуоресцентных маркеров гибридизации на хромосомах 1 и 4 Arabidopsis ассоциируется как с полиплоидией цельного растения, так и с эндополиплоидией, что способствует различиям в плотности хроматина.
Необходимы дополнительные исследования диплоидов и синтетических автополиплоидов, чтобы подтвердить эти наблюдения и распространить их на другие растения. Это очень важно, потому что структура генома и ядерная архитектура довольно разнообразны у цветковых растений.
У многих животных и растений межфазные хромосомы распределены в так называемой конфигурации Рабла, так что их центромеры и теломеры расположены на ядерной мембране на противоположных сторонах ядра; однако, это не относится к арабидопсисуи некоторые другие растения, которые имеют «розеточное» расположение хромосом, в котором теломеры группируются вокруг ядрышка и центромеры расположены на периферии ядра.
Небольшие виды геномов имеют хромосомы в своих интерфазных ядрах, расположенных на диффузных участках хромосом, без какого-либо расположения Rabl, в то время как в больших геномах хромосомы проходят струноподобно через ядро с ориентацией Rabl, следуя через клеточный цикл.
То, что происходит в геномах промежуточного размера, либо немного, в зависимости от изучаемой ткани, либо еще предстоит определить.
Внутри интерфазного ядра расположение и организация хромосом у разных видов не подчиняются фиксированной схеме: это зависит от размера генома, развития и дифференцировки клеток.
Можно утверждать, что виды с большим геномом имеют гораздо большие логистические проблемы со своими геномами, чем виды с небольшим геномом, и что их хромосомы имеют гораздо меньше возможностей для получения лицензии на перемещение.
Корреляция между небольшими геномами и не-Rabl конфигурациями не идеальна. У семи из 12 изученных видов отсутствовала ориентация по Раблу.
К ним относятся не только арабидопсис и рис с очень маленькими геномами, но также два следующих наименьших генома, кукуруза и табак. Четыре вида с размерами генома 11–39,6 Gb/2C имели конфигурации Rabl, но, что удивительно, три крупнейших генома ( Lilium и оба вида Fritillaria , с 71,8–99,6 Gb/2C) также не имели конфигураций Rabl.
Влияние конфигураций Rabl и не-Rabl на то, как полиплоидия влияет на растения, неизвестно и заслуживает изучения.
В некоторой степени у нас также уже есть ответ на вопрос о том, могут ли вызванные полиплоидией физические изменения в хромосомах привести к новизне.
Транскриптомы диплоидов и изогенных аутополиплоидов часто отличаются друг от друга. Если сравниваемые диплоиды и полиплоиды фактически являются изогенными, то по определению транскриптомные изменения между ними не обусловлены регуляторными различиями на основе последовательностей, а также не изменяется стехиометрия числа копий генов. Эпигенетический и эпигеномный механизмы дают потенциальные объяснения.
То, что архитектура хроматина влияет на экспрессию генов, неудивительно, потому что, пространственная организация хроматина критически влияет на функцию генома.
Подобно тому, как петли приводят отдаленные локусы ДНК в тесную пространственную близость, мы обнаруживаем, что они приносят разнородные аспекты биологии ДНК - домены, компартменты, хроматиновые метки и генетическую регуляцию - в тесную концептуальную близость.
Экспрессия гена может влиять или зависеть от его локальных взаимодействий хроматина, его ассоциаций с другими потенциально координированно контролируемыми генами и регуляторной среды, обеспечиваемой его ядерной локацией.
Хроматин в двухсторонних метазоях организован в «топологически ассоциированные домены» (TAD), состоящие из сотен килобаз ДНК, образующих основную единицу свертывания ДНК.
TAD высоко консервативны как у разных видов животных, так и у разных типов клеток внутри видов и недавно были идентифицированы в почкующихся дрожжах. TAD, вероятно, вовлечены в такие ядерные процессы, как регуляция транскрипции, репликация и рекомбинация, и их нарушение может привести к неправильной регуляции генов при раке.
Сами TAD организованы в «суб-TAD», «петли» и «изоляционные окрестности», которые участвуют в регуляции генов, специфичных для типа клеток, возможно, опосредованных специфичными для типа клеток факторами транскрипции, хотя это было спорным. Хроматиновая организация Arabidopsis отличается от таковой у животных, в частности, отсутствует четкая структура TAD.
Даже если у растений не так верно, как у животных, «складывание - это регуляция», взаимосвязь между расположением генов и транскрипционной активностью в растениях в значительной степени неясна - общепризнанно, что положение генов также важно для экспрессии в растениях.
Исследования, показывающие, что растительный хроматин движется в ответ на различные раздражители, подтверждают это открытие и отражают исследования в системах животных. Растительный хроматин является высокодинамичной матрицей, обеспечивающей функциональный шаблон для инструктирования, интерпретации или того и другого, уровня индексации хроматина регуляции генов.
Внутри отдельного растения структура и организация хроматина зависит от типа клетки, что также согласуется с гипотезой о том, что положение в ядре имеет биологическое значение.
Поскольку организация хроматина и положение хромосом влияют на транскрипцию, размер генома на уровне всего растения (в отличие от эндополиплоидии) действительно может иметь значение. Хромосомы видов с «промежуточным» размером генома могут принимать конфигурацию Rabl, конфигурацию букета или что-то среднее.
Не исключено, что удвоение размера генома может радикально изменить конфигурацию ядра, хотя и здесь нам не хватает механистического понимания конфигурации хромосом и сворачивания хроматина.
Учитывая специфичность типа клеток конфигурации хромосом и хроматина и различия в размере и форме ядер растений, влияние увеличения генома может варьироваться в зависимости от типа клеток у одного и того же вида, в зависимости от таких факторов, как скопление хроматина.
В некоторых комбинациях размера генома и типа клеток возможно, что удвоение может привести к механическому стрессу, который также влияет на структуру хроматина и экспрессию генов.
В любом случае, кажется очевидным, что существует много способов, которыми полипептид-индуцированный размер генома может привести к изменениям в размере и форме ядра, а также к структуре и расположению хроматина, и что эти изменения могут иметь фенотипические последствия в результате изменений экспрессии генов, скорости транспорта мРНК, приводящей к изменениям времени трансляции, и, возможно, многих других явлений.
Но в настоящее время невозможно сказать, существуют ли общие, возникающие паттерны в полиплоидах, поскольку эти эффекты специфичны для типов клеток, тканей, органов и стадий развития.