Важная роль в формировании и поддержании архитектоники клеточного ядра принадлежит гетерохроматину. Последний представляет собой блоки высокоповторяющихся последовательностей ДНК, различных по протяженности и нуклеотидному составу. Часть из них — сателлитная ДНК околоцентромерных районов — расположена в области центромеры (структурный гетерохроматин). На ее долю приходится 2-3 % всей ДНК клетки. Особенно значительные по размерам и числу повторов блоки сатДНК находятся в прицентромерных районах хромосом 1, 9 и 16. Другие гетерохроматиновые блоки, «рассеянные» по длине хромосомы представляют интеркалярный гетерохроматин, на долю которого приходится до 45-50 % всей ДНК клетки. Это так называемая «лишняя» или «эгоистическая» ДНК, назначение которой в ядре остается загадочным. Наконец, различают еще факультативный гетерохроматин, представленный неактивной гетерохро- матизированной Х-хромосомой в соматических клетках с женским кариотипом ХХ, идентифицируемый цитологически в интерфазном ядре как тельце Барра, а также в половом XY-пузырьке в сперматоцитах на стадии пахитены.
Ранее было принято рассматривать конститутивный (структурный) гетерохроматин как функционально инертный компонент генома эукариот, в том числе и человека. В настоящее время это понятие претерпевает серьезные изменения. Все больше появляется данных, подтверждающих известную гипотезу А. А. Прокофьевой-Бельговской о важной роли гетерохроматина не только как структурного компонента генома, но и как возможного регулятора его активности [158]. Существенную роль в этом сыграли исследования последних лет, касающиеся тонкой структурно-функциональной организации гетерохроматина в ядре, его роли в поддержании микроархитектоники интерфазных хромосом (хромосомных территории), участие в процессах рекомбинации и образовании межхромосомных перестроек, а также в регуляции генной экспрессии [779, 824]. Подробно изучены и биомеханизмы репрессии гетерохроматина и расположенных в нем структурных генов [61, 398]. В частности, установлено, что триггерная роль в репрессии гетерохроматина принадлежит коротким (20-23 п.о.) некодирующим двухцепочечным молекулам РНК (малые интерферирующие РНК — siRNA), которые синтезируются на коротких повторяющихся последовательностях. Присоединение этих молекул РНК к ДНК индуцирует каскад биохимических реакций, приводящих к метилированию цитозиновых остатков CpG-динуклеотидов, гипоацетилированию гистонов, определяющих нуклеосомную организацию ДНК, и присоединение к этим фрагментам особых белковых комплексов, полностью изолирующих ДНК от действия транскрипционных факторов и, таким образом, предотвращающих транскрипцию генов [779].
Вместе с тем, если роль гетерохроматина в стабилизации центромеры, в поддержании 3-мерной пространственной архитектоники ядра и в обеспечении точности процессов рекомбинации и хромосомных перестроек уже может считаться доказанной, то значение гетерохроматина в регуляции генной активности пока остается в области предположений и спекуляций.
Исключение, пожалуй, составляет только факультативный гетерохроматин Х-хромосомы, механизмы инактивации которой изучены достаточно подробно [587]. В опытах на мышах установлено, что инактивация одной Х-хромосомы у особей женского пола происходит еще во время дробления зародыша и, по-видимому, знаменует собой первичную дифференцировку функционально и морфологически однородных бластомеров на клетки внутренней клеточной массы (ВКМ) и клетки трофэктодермы (см. главу 1). Непосредственно контролирует инактивацию ген XIST, расположенный в центре инактивации Х-хромосомы XIC - Xq13.1. Экспрессия этого гена приводит к синтезу специфического РНК-продукта размером 13 000 п. о., который быстро распределяется по всей Х-хромосоме и является триггером таких реакций как инактивация ДНК (метилирование цитозиновых нуклеотидов), стабилизация гистонов (метилирование лизинов, гипоацетилирование), посадка на хроматин специфических белковых комплексов, стабилизирующих спи- рализацию (гетерохроматизацию) ДНК и препятствующих действию факторов транскрипции (см. также раздел 10.2.2). Существенно, что у мышей и, по-видимому, у человека процесс инактивации Х-хромосомы в трофэктодерме и ее производных, в том числе в клетках цитотрофоб- ласта плаценты неслучайный и затрагивает почти исключительно Х- хромосому отцовского происхождения, то есть поступившую с геномом спермия. В клетках ВКМ и ее производных этот процесс рандоминизи- рован, то есть одинаково часто инактивируются отцовская или материнская Х-хромосомы. Следовательно, все особи женского пола у лабораторных млекопитающих и у человека являются природными мозаиками по генам Х-хромосомы, что имеет существенное значение в половом диморфизме проявления мутаций генов Х-хромосомы [42]. Важно, однако, подчеркнуть, что основные сведения об особенностях инактивации Х-хромосомы в эмбриогенезе пока получены в модельных экспериментах на мышах. Существуют данные, что у зародышей человека на стадии 4-8 бластомеров наблюдается экспрессия гена XIST только на отцовской Х-хромосоме. Это дает основание предполагать, что в производных тро- фобласта у человека, так же как и у лабораторных мышей происходит избирательная гетерохроматизация (инактивация) именно отцовской
Х-хромосомы [573]. На каких стадиях происходит инактивация Х-хро- мосомы в эмбриогенезе человека окончательно не выяснено и заслуживает специального анализа.
Характерным для интеркалярного гетерохроматина, сравнительно небольшие по длине фрагменты которого [617] рассеяны по хромосомам, является метилирование цитозиновых остатков СpG-динуклеоти- дов в ДНК и лизина 9 в гистоне Н3. Перманентная репрессия генов, прилежащих к интеркалярному гетерохроматину, достигается за счет специального комплекса белков, которые обладают гистон-деацетилаз- ной активностью и способствуют метилированию лизина 9 в гистоне Н3 [824].
Роль интеркалярного гетерохроматина в регуляции активности генов детально изучена на политенных хромосомах дрозофилы. Именно эксперименты на дрозофиле позволили придти к заключению, что гетерохроматин играет важнейшую роль в регуляции времени экспрессии генов, скорости клеточного деления, роста и даже дифференцировки, то есть контролирует все основные временные параметры индивидуального развития [61, 84]. Каким образом регулируется активность генов у млекопитающих и у человека, какова роль молекулярных и надмолекулярных механизмов, а также гетерохроматина в реализации программы индивидуального развития остается малопонятным. Интенсивные исследования этих актуальных вопросов генетики и цитогенетики развития продолжаются [108, 348, 550].
Известно, что области гетерохроматина сильно обеднены генами. Существование структурных генов в гетерохроматине до настоящего времени подвергается сомнению. Области, богатые интеркалярным гетерохроматином, такие как G-диски метафазных хромосом, содержат в десятки раз меньше генов, чем их концентрация в эухроматине (R-дисках) [161, 258]. Вместе с тем, присутствие в С-гетерохроматине структурных генов ранее было показано у дрозофилы [712] и пашенной полевки [807]. Наши эксперименты с ник-трансляцией in situ на метафазных хромосомах плода человека после обработки ДНКазой или метил-чувствительной рестиктазой НраП, а также результаты опытов с антителами к метилцитозину (см. главу 10) доказывают деметилированное состояние С-гетерохроматина в хромосомах 1, 9 и 16. На прямых препаратах из клеток хориона и плаценты деметилирование особенно выражено на одном из гомологов этих хромосом. Эти наблюдения в сочетании с литературными данными дают достаточно оснований для предположения о наличии структурных генов в С-ге- терохроматине этих хромосом и у человека. Более того, по аналогии с гетерохроматиновыми генами дрозофилы и пашенной полевки, можно предполагать, что эти гены контролируют ранние стадии эмбриогенеза человека. По завершении этих стадий происходит их необратимое выключение в соответствии с ранее описанным механизмом стабилизации (инактивации) гетерохроматина (см. выше). Уместно отметить, что согласно прямым цитогенетическим исследованиям зародышей человека с хромосомными аномалиями также получены данные, позволяющие сделать вывод о возможной генетической активности гетерохроматиновых районов хромосом в мейозе. Правда, при этом гетерохроматину отводится важная роль не как месту локализации ранних генов, а, скорее, как фактору, детерминирующему пространственную архитектонику ядра [117].
Таким образом, функции гетерохроматина в эмбриогенезе, как, впрочем, проблема гетерохроматина вообще, все еще далеки от своего решения. Более того, эта загадочная часть геномной ДНК в эмбриогенезе человека только начинает изучаться. Вместе с тем, нет сомнения, что исследования гетерохроматина представляют собой одно из магистральных направлений в цитогенетике развития человека.