Дозовая компенсация у млекопитающих

Если классические генетики были убеждены, что все то, что верно для мухи — верно и для слона, то молекулярные биологи, а вслед за ними и мы с вами, видим, что все то, что верно для мухи, верным для слона бывает редко. Поэтому нас уже не может удивить тот факт, что у человека дозовая компенсация организована строго противоположным образом. Здесь одна из двух Х-хромосом выключается у самок. Вернее, выключаются все Х-хромосомы, кроме одной, вне зависимости от пола. Причем выключается она весьма осно

вательно, так что видна под световым микроскопом как особо плотное образование в интерфазном ядре. В 1949 г. это образование было обнаружено в ядрах самок М. Барром и Е. Бертрамом, и получило название «тельце Барра» (рис. 11.5).

Интерфазное ядро мужчины (слева) и женщины (справа) под световым микроскопом. Тельце Барра указано стрелкой

Рис. 11.5. Интерфазное ядро мужчины (слева) и женщины (справа) под световым микроскопом. Тельце Барра указано стрелкой

То, что это именно инактивированная Х-хромосома, через 10 лет предположил известный американский эволюционист Сузуму Оно, а в 1961 г. Мэри Лайон выдвинула гипотезу, оказавшуюся верной для большинства млекопитающих, что «лишняя» Х-хромосома случайным образом инактивируется у самок, поэтому инактивацию Х-хромосомы называют «лайонизацией». Таким образом, каждая самка оказывается не столько гетерозиготной по аллелям локусов, расположенных в Х-хромосоме, сколько мозаичной в отношении того, какой из аллелей работает. В клетках самок случайным образом работает только одна из двух гомологичных Х-хромосом, полученных от отца или матери.

За примерами далеко ходить не надо. Всем известны трехцветные кошки (рис. 11.6'*, а). В эмбриональном развитии млекопитающих меланоциты мигрируют из нервного гребешка в кожу эмбриона. Во многих случаях они не достигают противоположной, брюшной стороны эмбриона, и тогда брюшная сторона животного остается белой. Однако, кроме белого, у трехцветных кошек чередуются пятна и двух других цветов — рыжего и серого. Это клоны меланоцитов, в которых инактивированы разные Х-хромосомы, одна из которых несет функциональный, а другая аморфный аллель упоминавшегося ранее гена рецептора к меланокортину, который у кошек находится в Х-хромосоме. У человека он находится в 16-й хромосоме, а если бы, как у кошек, был в Х-хромосоме, то гетерозиготные девушки были бы естественно мелированными.

Существуют и так называемые черепаховые кошки, у которых серый и рыжий разбиты на гораздо меньшие пятна (рис. 11.6, б). Можно предположить, что у таких кошек преобладают клоны меньшего размера, т. е. инактивация одной

'Жимулев И.Ф., Коряков Д.Е. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. 258 с.

’’ en.wikipedia.org

Кошки трехцветной (а) и черепаховой (б) окраски

Рис. 11.6. Кошки трехцветной (а) и черепаховой (б) окраски

изХ-хромосомпроизошлапозженаодно-дваделения клеток-предшественников меланоцитов. Но это не так. У этой породы меланоциты мигрируют быстрее, и клетки из разных клонов часто перемешиваются в ходе миграции, что приводит к более мелким секторам окраски.

Пример с трехцветными кошками показывает нам обширные клеточные клоны, в которых работает одна и та же Х-хромосома. Это означает, что одна из Х-хромосом не инактивируется после каждого клеточного деления de novo случайным образом, а инактивированное состояние возникает однократно и случайно на какой-то стадии развития и затем закономерно наследуется при репликации хромосом. Заметим, что в ходе митоза все хромосомы претерпевают еще более плотную конденсацию, а затем деконденсируются. Однако ранее инактивированная Х-хромосома деконденсируется снова лишь до состояния тельца Барра. Такое наследование состояния в отношении транскрипционной активности в ряду клеточных поколений, не связанное с изменением ДНК, называется эпигенетическим наследованием. Таким образом, инициация инактивации одной из Х-хромосом есть один феномен, а эпигенетическое наследование такого состояния — другой феномен, и за это отвечают разные механизмы.

Мы только что сталкивались с эпигенетическим наследованием, но это было эпигенетическое наследование не трансрипционной активности, а судьбы транскрипта в лице положительной обратной связи альтернативного сплайсинга мРНК гена Sxl дрозофилы. Как видим, и у млекопитающих, и у мух дозовая компенсация связана с эпигенетическим наследованием.

Наиболее удивителен и загадочен механизм инициации инактивации. Он начинается в единственном локусе Xie (X-chromosome inactivation centre), комплементарные цепи ДНК в котором представляют собой гены-антагонисты двух нетранслируемых РНК. Они большие, около 17 тысяч пар оснований, подвергаются сплайсингу и полиаденилированию. (Первичная структура данного локуса у млекопитающих очень изменчива, но функция сходна.) Одна из этих РНК называется Xist (X-inactive specific transcipt), другая — Tsix. Сначала Txis синтезируется активно, a Xist — слабо. Затем, в случае присутствия двух Х-хромосом, на одной хромосоме такая активность сохраняется, а на другой синтез Tsix прекращается и начинается синтез Xist. Толчком к этому изменению предположительно служит спаривание Х-хромосом, которое возможно только в случае присутствия в ядре более одной такой хромосомы. РНК Xist начинает покрывать Х-хромосому, распространяясь от локуса Xie в обе стороны, предположительно опять-таки через некие «ретрансляторы», роль которых, возможно, выполняют мобильные генетические элементы.

После этого начинается собственно переход в инактивированное состояние, в котором Xist не играет ключевой роли, хотя и входит в состав хроматина. Как и активированное, такое состояние прежде всего связано с модификацией коровых гистонов, т. е. с изменением так называемого «гистонового кода». Но если при активации у дрозофилы это было присоединение анионов, то в данном случае — в основном определенное метилирование гистонов НЗ и Н4, убиквитинирование гистона Н2а и замещение его особым паралогичным вариантом. Некоторые из этих модифицированных гистонов привлекают другие белки. Гистоновые модификации, характерные для активного хроматина, такие как ацетилирование НЗ и Н4 и метилирование НЗ по другому остатку лизина удаляются. Это неудивительно, так как ацетилированные гистоны слабее связываются с ДНК. Кроме того, происходит метилирование и самой ДНК.

Однако у некоторых млекопитающих (но не у человека) картина еще сложнее. На определенных стадиях развития эмбриона и в его тканях инактивируется не случайная Х-хромосома, а пришедшая только от отца или только матери. Это означает, что Х-хромосома «помнит», от кого она пришла. Это явление называется молекулярным импринтингом. Вот как обстоит дело у мыши. У зиготы и двухклеточного эмбриона обе Х-хромосомы активны, но отцовская уже детерминирована к инактивации, которая начинается уже на стадии четырех клеток. Во время превращения в бластоцисту клетки разделяются на эмбриобласт и трофобласт. Трофобласт сохраняет инактивацию отцовской Х-хромосомы, а в эмбриобласте она реактивируется, после чего происходит случайная инактивация одной из Х-хромосом, как было описано выше (и так же происходит и у человека). Во время гаструляции клетки зародышевого пути обособляются, и в них снова происходит реактивация второй Х-хромосомы. Обе Х-хромосомы остаются активными до гаметогенеза, причем при мужском гаметогенезе Х-хромосома метится как отцовская (рис. 11.7’).

‘Жимулев И.Ф., Коряков Д. Е. Хромосомы. Структура и функции. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. 258 с.

Схема инактивации и реактивации материнской (верхняя полоска) и отцовской (нижняя полоска) Х-хромосом в онтогенезе мыши

Рис. 11.7. Схема инактивации и реактивации материнской (верхняя полоска) и отцовской (нижняя полоска) Х-хромосом в онтогенезе мыши

Несмотя на противоположный характер (активация и инактивация) до-зовой компенсации у дрозофилы и млекопитающих, мы можем усмотреть сходство этих процессов в том, что в обоих случаях в их запуске присутствует некодирующая РНК.

Итак, у человека все лишние Х-хромосомы случайно инактивированы, чем достигается дозовая компенсация. Откуда же тогда появляются синдромы Тернера и Кляйнфельтера и почему женщины XXX в среднем более высокие? При всех особенностях описываемых фенотипов, мы явно наблюдаем прямую связь между общим количеством половых хромосом и ростом человека.

Мы можем опять-таки заключить, что внегенеративная симптоматика, включая и указанную закономерность, связана с дозой псевдоаутосомных районов половых хромосом. Как мы уже упоминали, эти районы располо жены по концам половых хромосом (PAR1 и PAR2) и сохраняют гомологию в X- и Y-хромосоме, необходимую для их спаривания. Мы также помним, что в PAR1 находится ген SHOX (Short Stature Homeobox), продукт которого вовлечен в инициацию и созревание хондроцитов, а снижение дозы работающих аллелей с двух до одного у гетерозигот по его миссенс-мутациям приводит к укороченному телосложению. Именно поэтому дожившие до рождения носительницы кариотипа Х0, демонстрирующие синдромом Тернера, имеют укороченное телосложение, а женщины с синдромом Свайера, у которых доза псевдоаутосомных районов нормальная, — нормальное телосложение. В силу той же закономерности увеличение дозы гена SHOX до трех приводит к увеличению роста у людей с повышенным количеством половых хромосом, т. е. с кариотипами XXX, XXY и XYY. По-видимому, другие характерные нарушения при синдроме Тернера, помимо низкого роста, также связаны с недостатком дозы каких-то иных генов, поскольку делеции SHOX приводят к уменьшению роста, укорочению и деформации конечностей, подобных наблюдаемым при синдроме Тернера, но не к другим аномалиям этого синдрома.

В соответствии с логикой явления дозовой компенсации, псевдоауто-сомные районы половых хромосом избегают инактивации. Но следует заметить, что не инактивируются и около 15 % генов человека, имеющихся только в Х-хромосоме. Скорее всего, именно из-за каких-то или какого-то из таких генов у носительниц синдромов Тернера и Свайера не развиваются нормальные женские гонады. Единственное логическое объяснение этому факту состоит в следующем: 1) в Х-хромосоме есть какой-то ген, необходимый для нормального развития женских гонад; 2) его не менее чем двойная доза критична для нормального развития женских гонад; 3) этот ген попадает в те районы, которые не подвергаются дозовой компенсации даже при лайонизации Х-хромосом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >