Политенные хромосомы отражают функциональную организацию генома Drosophila

Политенные хромосомы Drosophila melanogaster – удобная модель для изучения интерфазных хромосом эукариот. Им свойственны гигантские размеры в сравнении с хромосомами диплоидных клеток и поперечная исчерченность, возникающая в связи с упорядоченным расположением хроматид. Каждый район политенных хромосом обладает уникальным дисковым рисунком. С использованием модели четырех типов хроматина, которая выявляет домены различной степени компактизации, удалось соотнести физическую и цитологическую карты некоторых районов политенных хромосом и показать основные свойства генетической и молекулярной организации дисков и междисков, описанию которых посвящен данный обзор. Междискам на молекулярной карте генома соответствуют декомпактный aquamarine хроматин и 5’-концы повсеместно активных генов. Серые диски содержат промежуточный по уровню компактизации lazurite и malachite хроматин и в основном кодирующие части генов. Черные плотные транскрипционно неактивные диски обогащены ruby хроматином. Локализация нескольких десятков междисков на молекулярной карте генома позволила по данным полногеномных проектов подробно исследовать их архитектуру. Распределение белков и регуляторных элементов генома в промоторных районах генов, локализованных в междисках, показывает, что эти части междисков, вероятно, отвечают за формирование хроматина открытого типа, который визуализируется в политенных хромосомах как междиски. Таким образом, постоянная генетическая активность междисков и серых дисков и неактивность генов в черных дисках лежат в основе универсального дискового рисунка в хромосомах всех тканей дрозофилы. Особый случай представляет самая маленькая – четвертая – хромосома дрозофилы с нетипичной белковой композицией хроматина. При помощи модели четырех состояний хроматина и флуоресцентной in situ гибридизации была уточнена ее цитологическая карта и определены геномные координаты всех дисков и междисков. Показано, что, несмотря на особенности этой хромосомы, ее дисковая организация в целом соответствует остальному геному. Выбиваются из общей схемы особо длинные гены разных хромосом дрозофилы, которые могут занимать целую серию чередующихся дисков и междисков (до девяти структур), образованных частями этих генов.

1. Andreyeva E.N., Kolesnikova T.D., Demakova O.V., Mendez-Lago M., Pokholkova G.V., Belyaeva E.S., Rossi F., Dimitri P., Villasante A., Zhimulev I.F. High-resolution analysis of Drosophila heterochroma¬tin organization using SuUR Su(var)3-9 double mutants. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 2007;104(31):12819-12824.

2. Boldyreva L.V., Goncharov F.P., Demakova O.V., Zykova T.Y., Levit¬sky V.G., Kolesnikov N.N., Pindyurin A.V., Semeshin V.F., Zhimu- lev I.F. Protein and genetic composition of four chromatin types in Drosophila melanogaster cell lines. Curr. Genomics. 2017;18(2): 214-226.

3. Bridges C.B. Cytological data on chromosome four of Drosophila me- lanogaster. Trans. Dyn. Dev. 1935;10:463-473.

4. Czermin B., Melfi R., McCabe D., Seitz V., Imhof A., Pirrotta V. Dro-sophila enhancer of Zeste/ESC complexes have a histone H3 me- thyltransferase activity that marks chromosomal Polycomb sites. Cell. 2002;111(2):185-196.

5. Demakov S.A., Semeshin V.F., Zhimulev I.F. Cloning and molecular genetic analysis of Drosophila melanogaster interband DNA. Mol. Gen. Genet. 1993;238(3):437-443.

6. Demakov S.A., Vatolina T.Y., Babenko V.N., Semeshin V.F., Belyae-va E.S., Zhimulev I.F. Protein composition of interband regions in polytene and cell line chromosomes of Drosophila melanogaster. BMC Genomics. 2011;12(1):566.

7. Demakova O.V., Pokholkova G.V., Kolesnikova T.D., Demakov S.A., Andreyeva E.N., Belyaeva E.S., Zhimulev I.F. The SU(VAR)3-9/ HP1 complex differentially regulates the compaction state and de¬gree of underreplication of X chromosome pericentric heterochro¬matin in Drosophila melanogaster. Genetics. 2007;175(2):609-620.

8. Eaton M.L., Prinz J.A., MacAlpine H.K., Tretyakov G., Kharchen¬ko P.V., MacAlpine D.M. Chromatin signatures of the Drosophila replication program. Genome Res. 2011;21(2):164-174.

9. Figueiredo M.L., Philip P., Stenberg P., Larsson J. HP1a recruitment to promoters is independent of H3K9 methylation in Drosophila mela¬nogaster. PLoS Genet. 2012;8(11):e1003061.

10. Hoskins R.A., Landolin J.M., Brown J.B., Sandler J.E., Takahashi H., Lassmann T., Yu C., Booth B.W., Zhang D., Wan K.H., Yang L., Boley N., Andrews J., Kaufman T.C., Graveley B.R., Bickel P.J., Carninci P., Carlson J.W., Celniker S.E. Genome-wide analysis of promoter architecture in Drosophila melanogaster. Genome Res. 2011;21(2):182-192.

11. James T.C., Eissenberg J.C., Craig C., Dietrich V., Hobson A., El¬gin S.C. Distribution patterns of HP1, a heterochromatin-associated nonhistone chromosomal protein of Drosophila. Eur. J. Cell Biol. 1989;50(1):170-180.

12. Johansson A.M., Stenberg P., Bernhardsson C., Larsson J. Painting of fourth and chromosome-wide regulation of the 4th chromosome in Drosophila melanogaster. EMBO J. 2007a;26(9):2307-2316.

13. Johansson A.M., Stenberg P., Pettersson F., Larsson J. POF and HP1 bind expressed exons, suggesting a balancing mechanism for gene regulation. PLoS Genet. 2007b;3(11):e209.

14. Kharchenko P.V., Alekseyenko A.A., Schwartz Y.B., Minoda A., Rid-dle N.C., Ernst J., Sabo P.J., Larschan E., Gorchakov A.A., Gu T., Linder-Basso D., Plachetka A., Shanower G., Tolstorukov M.Y., Lu- quette L.J., Xi R., Jung Y.L., Park R.W., Bishop E.P., Canfield T.K., Sandstrom R., Thurman R.E., MacAlpine D.M., Stamatoyannopou- los J.A., Kellis M., Elgin S.C., Kuroda M.I., Pirrotta V., Karpen G.H., Park PJ. Comprehensive analysis of the chromatin landscape in Drosophila melanogaster. Nature. 2011;471(7339):480-485.

15. Kholodilov N.G., Bolshakov V.N., Blinov V.M., Solovyov V.V., Zhimu¬lev I.F. Intercalary heterochromatin in Drosophila. III. Homology between DNA sequences from the Y chromosome, bases of polytene chromosome limbs, and chromosome 4 of D. melanogaster. Chro¬mosoma. 1988;97(3):247-253.

16. Khoroshko V.A., Levitsky V.G., Zykova T.Y., Antonenko O.V., Belyae¬va E.S., Zhimulev I.F. Chromatin heterogeneity and distribution of regulatory elements in the late-replicating intercalary heterochroma¬tin domains of Drosophila melanogaster chromosomes. PLoS One. 2016;11(6):e0157147.

17. Khoroshko V.A., Pokholkova G.V., Zykova T.Yu., Osadchiy I.S., Zhi¬mulev I.F. Gene dunce localization in the polytene chromosome of Drosophila melanogaster long span batch of adjacent chromosomal structures. Dokl. Biochem. Biophys. 2019;484(4):1-4.

18. Khoroshko V.A., Zykova T.Yu., Popova O.O., Zhimulev I.F. Border structure of intercalary heterochromatin bands of Drosophila me- lanogaster polytene chromosomes. Dokl. Biochem. Biophys. 2018; 479(1):114-117.

19. Kim M., Ekhteraei-Tousi S., Lewerentz J., Larsson J. The X-linked 1.688 satellite in Drosophila melanogaster promotes specific target¬ing by painting of fourth. Genetics. 2018;208(2):623-632.

20. Kolesnikova T.D., Goncharov F.P., Zhimulev I.F. Similarity in replica¬tion timing between polytene and diploid cells is associated with the organization of the Drosophila genome. PLoS One. 2018;13(4): e0195207.

21. Larsson J., Chen J.D., Rasheva V, Rasmuson-Lestander A., Pirrotta V. Painting of fourth, a chromosome-specific protein in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001;98(11):6273-6278.

22. Larsson J., Svensson M.J., Stenberg P., Makitalo M. Painting of fourth in genus Drosophila suggests autosome-specific gene regulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004;101(26):9728-9733.

23. Lundberg L.E., Kim M., Johansson A.M., Faucillion M.L., Josupeit R., Larsson J. Targeting of Painting of fourth to roX1 and roX2 proxi¬mal sites suggests evolutionary links between dosage compensation and the regulation of the fourth chromosome in Drosophila melano- gaster. G3 (Bethesda). 2013;3(8):1325-1334.

24. modENCODE consortium, Roy S., Ernst J., Kharchenko P.V., Kherad- pour P., Negre N., Eaton M.L., Landolin J.M., Bristow C.A., Ma L., Lin M.F., Washietl S., Arshinoff B.I., Ay F., Meyer P.E., Robine N., Washington N.L., Di Stefano L., Berezikov E., Brown C.D., Can- deias R., Carlson J.W., Carr A., Jungreis I., Marbach D., Seal- fon R., Tolstorukov M.Y., Will S., Alekseyenko A.A., Artieri C., Booth B.W., Brooks A.N., Dai Q., Davis C.A., Duff M.O., Feng X., Gorchakov A.A., Gu T., Henikoff J.G., Kapranov P, Li R., MacAl¬pine H.K., Malone J., Minoda A., Nordman J., Okamura K., Perry M., Powell S.K., Riddle N.C., Sakai A., Samsonova A., Sandler J.E., Schwartz Y.B., Sher N., Spokony R., Sturgill D., van Baren M., Wan K.H., Yang L., Yu C., Feingold E., Good P., Guyer M., Low- don R., Ahmad K., Andrews J., Berger B., Brenner S.E., Brent M.R., Cherbas L., Elgin S.C., Gingeras T.R., Grossman R., Hoskins R.A., Kaufman T.C., Kent W., Kuroda M.I., Orr-Weaver T., Perrimon N., Pirrotta V, Posakony J.W., Ren B., Russell S., Cherbas P, Grave- ley B.R., Lewis S., Micklem G., Oliver B., Park P.J., Celniker S.E., Henikoff S., Karpen G.H., Lai E.C., MacAlpine D.M., Stein L.D., White K.P., Kellis M. Identification of functional elements and regulatory circuits by Drosophila modENCODE. Science. 2010; 330(6012):1787-1797.

25. Nechaev S., Fargo D.C., dos Santos G., Liu L., Gao Y., Adelman K. Global analysis of short RNAs reveals widespread promoter-proxi¬mal stalling and arrest of Pol II in Drosophila. Science. 2010; 327(5963):335-338.

26. Riddle N.C., Elgin S.C. The dot chromosome of Drosophila: insights into chromatin states and their change over evolutionary time. Chro¬mosome Res. 2006;14(4):405-416.

27. Riddle N.C., Shaffer C.D., Elgin S.C. A lot about a little dot - lessons learned from Drosophila melanogaster chromosome 4. Biochem. Cell. Biol. 2009;87(1):229-241.

28. Semeshin V.F., Demakov S.A., Shloma V.V., Vatolina T.Y., Gorcha-kov A.A., Zhimulev I.F. Interbands behave as decompacted autono¬mous units in Drosophila melanogaster polytene chromosomes. Ge- netica. 2008;132(3):267-279.

29. Seum C., Reo E., Peng H., Rauscher F.J., Spierer P, Bontron S. Dro-sophila SETDB1 is required for chromosome 4 silencing. PLoS Genet. 2007;3(5):e76.

30. Sher N., Bell G.W., Li S., Nordman J., Eng T., Eaton M.L., MacAl¬pine D.M., Orr-Weaver T.L. Developmental control of gene copy number by repression of replication initiation and fork progression. Genome Res. 2012;22(1):64-75.

31. Sidorenko D.S., Sidorenko I.A., Zykova T.Yu., Kolesnikova T.D., Goncharov F.P., Zhimulev I.F. Molecular and genetic organization of bands and interbands in the dot chromosome of Drosophila me- lanogaster. Chromosome 2018: International Conference. August 20-24, 2018, Novosibirsk, Russia. Abstracts. Novosibirsk: Institute of Molecular and Cellular Biology SB RAS; Novosibirsk State Uni¬versity, 2018;75.

32. Slawson E.E., Shaffer C.D., Malone C.D., Leung W., Kellmann E., Shevchek R.B., Craig C.A., Bloom S.M., Bogenpohl J., Dee J., Morimoto E.T., Myoung J., Nett A.S., Ozsolak F., Tittiger M.E., Zeug A., Pardue M.L., Buhler J., Mardis E.R., Elgin S.C. Com-parison of dot chromosome sequences from D. melanogaster and D. virilis reveals an enrichment of DNA transposon sequences in heterochromatic domains. Genome Biol. 2006;7(2):R15.

33. Vatolina T.Yu., Boldyreva L.V., Demakova O.V., Demakov S.A., Ko- koza E.B., Semeshin V.F., Babenko V.N., Goncharov F.P., Belyae-va E.S., Zhimulev I.F. Identical functional organization of nonpoly- tene and polytene chromosomes in Drosophila melanogaster. PLoS One. 2011a;6(10):e25960.

34. Vatolina T.Iu., Demakov S.A., Semeshin V.F., Makunin I.V., Baben-ko V.N., Beliaeva E.S., Zhimulev I.F. Identification and molecular genetic characterization of the polytene chromosome interbands in Drosophila melanogaster. Russ. J. Genet. 2011b;47(5):521-532.

35. Vogelmann J., Le Gall A., Dejardin S., Allemand F., Gamot A., La- besse G., Cuvier O., Negre N., Cohen-Gonsaud M., Margeat E., Nollmann M. Chromatin insulator factors involved in long-range DNA interactions and their role in the folding of the Drosophila ge¬nome. PLoS Genet. 2014;10(8):e1004544.

36. Zhimulev I.F., Boldyreva L.V., Demakova O.V., Poholkova G.V., Khoroshko V.A., Zykova T.Y., Lavrov S.A., Belyaeva E.S. Dro-sophila polytene chromosome bands formed by gene introns. Dokl. Biochem. Biophys. 2016;466(1):57-60.

37. Zhimulev I.F., Zykova T.Y., Goncharov F.P., Khoroshko V.A., Dema¬kova O.V., Semeshin V.F., Pokholkova G.V., Boldyreva L.V., Demi¬dova D.S., Babenko V.N., Demakov S.A., Belyaeva E.S. Genetic organization of interphase chromosome bands and interbands in Drosophila melanogaster. PLoS One. 2014;9(7):e101631.

38. Zykova T.Yu., Levitsky V.G., Belyaeva E.S., Zhimulev I.F. Polytene chromosomes - a portrait of functional organization of the Droso-phila genome. Curr. Genomics. 2018;19(3):179-191.

39. Zykova T.Yu., Levitsky V.G., Zhimulev I.F. Architecture of promoters of house-keeping genes in polytene chromosome interbands of Dro¬sophila melanogaster. Dokl. Biochem. Biophys. 2019;485(1):1-6.