Сравнительный цитогенетический анализ хромосомы, ограниченной клетками зародышевой линии, у вьюрковых птиц (Passeriformes, Aves)

Добавочная хромосома, ограниченная клетками зародышевой линии (germline-restricted chromosome, GRC), обнаружена у всех исследованных воробьинообразных птиц. Она элиминируется из клеток соматической линии в раннем эмбриогенезе и из сперматоцитов после первого или второго деления мейоза. GRC передается в ряду поколений преимущественно по материнской линии, содержит амплифицированные и перестроенные копии последовательностей хромосом основного набора. Некоторые из них экспрессируются в гонадах самцов и самок. Однако функция и эволюционная динамика GRC остаются неизвестными. Мы провели сравнительный цитогенетический анализ GRC пяти видов птиц семейства Вьюрковые – обыкновенного снегиря Pyrrhula pyrrhula, обыкновенной зеленушки Chloris chloris, обыкновенного щегла Carduelis carduelis, обыкновенной чечётки Acanthis flammea и обыкновенного щура Pinicola enucleator – с использованием флуоресцентной гибридизации in situ ДНК-зонда к целой GRC обыкновенного снегиря с материалом ядер распластанных сперматоцитов данных видов и иммунолокализации белков синаптонемного комплекса и центромеры. Мы впервые описали кариотип синаптонемных комплексов обыкновенного щура (2n = 82 + GRC). Биваленты основного набора состоят из девяти субметацентрических (семь макрои два микробивалента) и 32 акроцентрических микробивалентов. Все акроцентрические микробиваленты основного набора содержат центромеры, состоящие из нескольких центромерных доменов (метаполицентромеры). GRC щура представляет собой крупный акроцентрический макроунивалент. Перекрестная гибридизация in situ ДНК-зонда к GRC снегиря показала только слабые сигналы на GRC щура и чечётки, тогда как на GRC зеленушки и щегла сигналы отсутствовали. Эти данные согласуются с опубликованными результатами, полученными для двух других представителей этого семейства, и свидетельствуют о высокой видовой специфичности последовательностей GRC в пределах семейства Вьюрковые. Мы также обнаружили межвидовые различия в локализации последовательностей, сходных с последовательностями GRC снегиря, на бивалентах основного набора исследуемых видов. Таким образом, наши данные указывают на быструю эволюцию генетического состава GRC и видоспецифичную динамику увеличения и сокращения копийности выявленных последовательностей на хромосомах основного набора в ходе эволюции певчих птиц.

1. Anderson L.K., Reeves A., Webb L.M., Ashley T. Distribution of crossing over on mouse synaptonemal complexes using immunofluorescent localization of MLH1 protein. Genetics. 1999;151(4):1569- 1579. doi 10.1093/genetics/151.4.1569

2. Biederman M.K., Nelson M.M., Asalone K.C., Pedersen A.L., Saldanha C.J., Bracht J.R. Discovery of the first germline-restricted gene by subtractive transcriptomic analysis in the Zebra Finch, Taeniopygia guttata. Curr Biol. 2018;28(10):1620-1627. doi 10.1016/j.cub.2018.03.067

3. Borodin P., Chen A., Forstmeier W., Fouché S., Malinovskaya L., Pei Y., Reifová R., Ruiz-Ruano F.J., Schlebusch S.A., Sotelo-Muñoz M., Torgasheva A., Vontzou N., Suh A. Mendelian nightmares: the germline-restricted chromosome of songbirds. Chromosome Res. 2022;30(2-3):255-272. doi 10.1007/s10577-022-09688-3

4. Borodin P.M. Germline-restricted chromosomes of songbirds. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2023; 27(6):641-650. doi 10.18699/VJGB-23-75

5. Grishko E.O., Borodin P.M. Structure and evolution of metapolycentromeres. Vavilov J Genet Breed. 2024;28(6):592-601. doi 10.18699/vjgb-24-66

6. Grishko E., Malinovskaya L., Slobodchikova A., Kotelnikov A., Torgasheva A., Borodin P. Cytological analysis of crossover frequency and distribution in male meiosis of cardueline finches (Fringillidae, Aves). Animals. 2023;13(23):3624. doi 10.3390/ani13233624

7. Grishko E., Malinovskaya L., Tishakova K., Borodin P. Germline restricted chromosome (GRC) in diploid and polyploid spermatocytes of the Eurasian bullfinch, Pyrrhula pyrrhula (Fringillidae, Passeriformes, Aves). Animals. 2025;15(23):3394. doi 10.3390/ani15233394

8. Hooper D.M., Price T.D. Chromosomal inversion differences correlate with range overlap in passerine birds. Nat Ecol Evol. 2017;1(10): 1526-1534. doi 10.1038/s41559-017-0284-6

9. Kinsella C.M., Ruiz-Ruano F.J., Dion-Côté A.-M., Charles A.J., Gossmann T.I., Cabrero J., Kappei D., Hemmings N., Simons M.J.P., Camacho J.P.M., Forstmeier W., Suh A. Programmed DNA elimination of germline development genes in songbirds. Nat Commun. 2019;10(1):5468. doi 10.1038/s41467-019-13427-4

10. Kumar S., Stecher G., Suleski M., Hedges S.B. TimeTree: a resource for timelines, timetrees, and divergence times. Mol Biol Evol. 2017; 34(7):1812-1819. doi 10.1093/molbev/msx116

11. Liehr T., Kreskowski K., Ziegler M., Piaszinski K., Rittscher K. The standard FISH procedure. In: Liehr T. (Ed.) Fluorescence In Situ Hybridization (FISH). Springer Protocols Handbooks. Springer, 2017; 109-118. doi 10.1007/978-3-662-52959-1_9

12. Malinovskaya L.P., Slobodchikova A.Y., Grishko E.O., Pristyazhnyuk I.E., Torgasheva A.A., Borodin P.M. Germline-restricted chromosomes and autosomal variants revealed by pachytene karyotyping of 17 avian species. Cytogenet Genome Res. 2022;162(3):148-160. doi 10.1159/000524681

13. Pei Y., Forstmeier W., Ruiz-Ruano F.J., Mueller J.C., Cabrero J., Camacho J.P.M., Alché J.D., … Hertel M., Teltscher K., Knief U., Suh A., Kempenaers B. Occasional paternal inheritance of the germline-restricted chromosome in songbirds. Proc Natl Acad Sci USA. 2022; 119(4):e2103960119. doi 10.1073/pnas.2103960119

14. Peters A.H., Plug A.W., van Vugt M.J., de Boer P. A drying-down technique for the spreading of mammalian meiocytes from the male and female germline. Chromosome Res. 1997;5(1):66-68. doi 10.1023/a:1018445520117

15. Pigozzi M.I., Solari A.J. The germ-line-restricted chromosome in the zebra finch: recombination in females and elimination in males. Chromosoma. 2005;114(6):403-409. doi 10.1007/s00412-005-0025-5

16. Price T.D., Hooper D.M., Buchanan C.D., Johansson U.S., Tietze D.T., Alström P., Olsson U., Ghosh-Harihar M., Ishtiaq F., Gupta S.K., Martens J., Harr B., Singh P., Mohan D. Niche filling slows the diversification of Himalayan songbirds. Nature. 2014;509(7499):222-225. doi 10.1038/nature13272

17. Reeves A. MicroMeasure: a new computer program for the collection and analysis of cytogenetic data. Genome. 2001;44(3):439-443. doi 10.1139/g01-037

18. Ruiz-Ruano F.J., Schlebusch S.A., Vontzou N., Moreno H., Biegler M.T., Kutschera V.E., Ekman D., … Segami J.C., Tan D.J.X., Torgasheva A., Whibley A., Suh A. Programmed DNA elimination drives rapid genomic innovation in two thirds of all bird species. bioRxiv. 2025. doi 10.1101/2025.07.16.664580

19. Schlebusch S.A., Rídl J., Poignet M., Ruiz-Ruano F.J., Reif J., Pajer P., Pačes J., Albrecht T., Suh A., Reifová R. Rapid gene content turnover on the germline-restricted chromosome in songbirds. Nat Commun. 2023;14(1):4579. doi 10.1038/s41467-023-40308-8

20. Torgasheva A.A., Malinovskaya L.P., Zadesenets K.S., Karamysheva T.V., Kizilova E.A., Akberdina E.A., Pristyazhnyuk I.E., Shnaider E.P., Volodkina V.A., Saifitdinova A.F., Galkina S.A., Larkin D.M., Rubtsov N.B., Borodin P.M. Germline-restricted chromosome (GRC) is widespread among songbirds. Proc Natl Acad Sci USA. 2019;116(24):11845-11850. doi 10.1073/pnas.1817373116

21. Torgasheva A., Malinovskaya L., Zadesenets K., Shnaider E., Rubtsov N., Borodin P. Germline-restricted chromosome (GRC) in female and male meiosis of the great tit (Parus major, Linnaeus, 1758). Front Genet. 2021;12:768056. doi 10.3389/fgene.2021.768056

22. Vontzou N., Pei Y., Mueller J.C., Reifová R., Ruiz-Ruano F.J., Schlebusch S.A., Suh A. Songbird germline-restricted chromosome as a potential arena of genetic conflicts. Curr Opin Genet Dev. 2023;83: 102113. doi 10.1016/j.gde.2023.102113