Дозовая компенсация генов — эпигенетические механизмы, позволяющие уравнять уровень экспрессии сцепленных с полом генов у самцов и самок тех видов, в которых определение пола происходит с помощью половых хромосом. Так, например, у самцов млекопитающих гены X-хромосомы, не считая псевдоаутосомных областей, присутствуют в одной копии, а у самок — в двух. Поскольку такая разница могла бы привести к серьёзным аномалиям, существуют механизмы дозовой компенсации генов, не связанных непосредственно с определением пола. У млекопитающих это осуществляется с помощью инактивации одной X-хромосомы в клетках самок таким образом, что в каждой соматической клетке особи любого пола на диплоидный набор хромосом приходится только одна активная X-хромосома.
История исследования
В 1949 году Мюррей Барр и Эварт Бертрам, исследуя кариотип клеток кошек, заметили, что в ядрах самок имеется плотное тельце, отличное от ядрышка, однако его нет в клетках кошек мужского пола. Они называли эту структуру половым хроматином. Позже она стала более известна как тельце Барра. В 1959 году Сусуму Оно выяснил, что тельце Барра — это сверхконденсированная X-хромосома. В 1961 году Мэри Лайон предложила гипотезу, согласно которой инактивация X-хромосомы обеспечивает дозовую компенсацию генов, а выбор хромосомы, которая будет «выключена», происходит случайно. Такие выводы Лайон сделала на основе исследования клеток с аномальным количеством хромосом, в частности с трисомиями по половым хромосомам и полиплоидией. Были получены следующие результаты: Кариотип:Кол-во инактивированных X-хромосомНормальная женщина (XX + 44 аутосомы):1Нормальный мужчина (XY + 44 аутосомы):0Женщина с трисомией по X-хромосоме (XXX + 44 аутосомы):2Мужчина с синдромом Кляйнфельтера (XXY + 44 аутосомы):1Тетраплоидные женские клетки (XXXX + 88 аутосом):2
Из полученных результатов был сделан вывод, что клетки имеют какой-то механизм «счёта» X-хромосом и оставляют одну активную X-хромосому на пару аутосом. В пользу гипотезы о случайности выбора хромосомы, подлежащей преобразованию в гетерохроматин, свидетельствовали наблюдения мозаичной окраски у самок мышей, гетерозиготных по X-сцепленным генам, отвечающим за окраску меха. Мозаичность возникает из-за того, что инактивация одной из X-хромосом происходит в клетках зародыша в период гаструляции и митотически наследуется таким образом, что клон каждой из этих клеток сохраняет активной одну и ту же X хромосому: материнского или отцовского происхождения. Похожие результаты, свидетельствующие о мозаичности, были получены при исследовании изоформ глюкозо-6-фосфатизомеразы, которая кодируется геном X-хромосомы у людей.
Полученные результаты быстро нашли применение как в биологических исследованиях, так и за их пределами. Так, в 1965 году Стэнли Гартлер использовал инактивацию X-хромосомы, чтобы доказать клональное происхождение раковых опухолей. А в 1966 году на Олимпийских играх детекция телец Барра стала использоваться для подтверждения пола спортсменов.
Наибольшее количество информации о молекулярных механизмах дозовой компенсации у млекопитающих было накоплено благодаря работам, проведённым на эмбриональных стволовых клетках.
Система XX/XY
Различные виды используют различные механизмы дозовой компенсации: случайную или импринтированную инактивацию одной из X-хромосом у гомогаметного пола (у млекопитающих), двукратное увеличение активности экспрессии с одной из X-хромосом гетерогаметного пола (у плодовой мушки) или двукратное её уменьшение с обеих X-хромосом гомогаметного пола (у нематоды Caenorhabditis elegans). Независимо от конкретного механизма, компенсация всегда происходит только у одного из полов и является необходимым условием его жизнедеятельности.
У дрозофилы и млекопитающих в осуществлении дозовой компенсации задействованы некодирующие РНК, которые покрывают регулируемую X-хромосому, а также осуществляется специфическая для пола модификация белков — гистонов на соответствующей хромосоме.
Млекопитающие У плацентарных млекопитающих дозовая компенсация генов происходит путём случайной инактивации одной из X-хромосом. Этот процесс происходит примерно в период гаструляции (у человека приблизительно на 12-й день). Все потомки определённой клетки сохраняют инактивированной ту же хромосому, что и материнская клетка, то есть, как и другие эпигенетические метки, эта митотически наследуется. Перепрограммирование X-инактивации происходит в примордиальных клетках зародышевой линии. Ключевую роль в обеспечении инактивации X-хромосомы играет длинная некодирующая РНК Xist, которая действует как цис-регуляторный элемент, то есть влияет именно на ту хромосому, с которой транскрибируется.
Часть генов на X-хромосоме избегают инактивации, в частности псевдоаутосомная область, то есть такие, которые имеют гомологичные последовательности на Y-хромосоме, и некоторые другие гены, которые, возможно, оказывают влияние на формирование половых признаков. Таких участков значительно больше у людей, чем у мышей. Активным на Xi остается также ген XIST.
Однопроходные
Однопроходные — отряд млекопитающих, который включает в себя утконосов и четыре вида ехидновых, которые относятся к яйцекладущим млекопитающим. Хотя однопроходные тоже используют систему XX/XY, но в отличие от остальных млекопитающих, у них присутствует более одного набора половых хромосом. Самцы короткоклювой ехидны, например, имеют девять половых хромосом — 5 X и 4 Y, а самцы утконоса — 5 X-хромосом и 5 Y-хромосом. Недавнее исследованиеDeakin, Janine, et al (2008). The Status of Dosage Compensation in the Multiple X Chromosomes of the Platypus. PLoS Genetics, 4(7). обнаружило, что четыре Х-хромосомы утконоса, также как и Y-хромосома, гомологичны некоторым участкам Z-хромосомы птиц. Хромосома X1 утконоса имеет гомологию с Z-хромосомой курицы, и обе обладают гомологией с 9-й хромосомой человека. Открытие этой гомологии важно для понимания механизма дозовой компенсации однопроходных. В 50 % клеток самок утконоса экспрессируется только один аллель из всех X-хромосом, в то время как оставшиеся 50 % клеток экспрессируют множество разных аллелей. Хотя хромосома утконоса X1 имеет 11 генов, которые обнаруживаются во всех X-хромосомах млекопитающих, а хромосома X5 имеет ген, который называется DMRT1 и встречается в Z-хромосоме у птиц, являясь ключевым полообразующим геном птиц, в целом геномные исследования показали, что пять половых X-хромосом утконоса гомологичны Z-хромосоме птиц. У утконоса не обнаружен ген SRY (ключевой ген определения пола у млекопитающих). Для него характерна неполная дозовая компенсация, недавно описанная у птиц. Видимо, механизм определения пола утконоса сходен с таковым у его предков-рептилий.
Drosophila melanogaster У плодовой мушки Drosophila melanogaster, хотя определение пола, как и у млекопитающих, происходит с помощью половых хромосом, телец Барра в ядрах самок нет. Зато X-хромосома самцов становится гиперактивной, уровень экспрессии её генов достигает суммарного уровня экспрессии с обеих X-хромосом самок. В обеспечении такой активности ключевую роль играет рибонуклеопротеиновый комплекс MSL (), который, как свидетельствует его название, является необходимым для жизнедеятельности самцовDahlsveen, Ina, et al (2006). Targeting Determinants of Dosage Compensation in Drosophila, PLOS Genetics, 2(2).. В состав MSL входят белки продукты генов msl1, msl2, msl3, mle, mof, что вместе с некодирующими РНК RoX1 и RoX2 формируют компенсасому. Компенсасомы присоединяются к сотням генов, сцепленным X-хромосомой самцов, и избирательно усиливают транскрипцию некоторых из них, доводя её до уровня экспрессии в организме самок. Экспрессия по крайней мере некоторых из msl-генов находится под негативным контролем продукта гена Sxl (), участвующего в подсчёте X-хромосом и определении полаZhou, Qi (2013). The Epigenome of Evolving Drosophila Neo-Sex Chromosomes: Dosage Compensation and Heterochromatin Formation. PLoS Biology, 11 (11), 1-13*Deng, Xinxian and Meller, Victoria H. (2009). Molecularly severe roX1 mutations contribute to dosage compensation in Drosophila. Genesis, 47 (1), 49-54.
Caenorhabditis elegans У нематоды C. elegans пол определяется количеством X-хромосом: у самцов она одна, а у гермафродитов — две. Механизм дозовой компенсации у этих животных запускается тем же сигнальным путём, что и определение пола, но контролируется другой группой генов. Заключается этот механизм в двукратном снижении активности транскрипции на обеих X-хромосомах гермафродитов.
Определение пола и запуск дозовой компенсации начинается с подсчёта количества X-хромосом на одну аутосому. X: A-сигнал у самцов (X0) запускает экспрессию гена xol-1 , что определяет развитие зародыша по мужскому типу, а также подавляет экспрессию белка SCD-2. Наличие последнего является необходимым и достаточным условием для активации дозовой компенсации, которая, таким образом, происходит только у гермафродитов. SCD-2 также обеспечивает направление комплекса дозовой компенсации в X-хромосому. Этот мультимерний комплекс содержит много белков, которые имеют другие функции в клетке (например, MIX-1 задействован в различении хромосом в анафазе), или родственные с такими белками (в частности, белки DPY-26 DPY-27 и DPY-28 похожи на белки конденсинового комплекса, участвуют в упаковке митотических (и мейотических) хромосом). Комплекс дозовой компенсации присоединяется к X-хромосоме в нескольких местах, после чего его ингибирующее действие может распространяться на короткие или значительные расстояния.
Silene latifolia Как люди и мухи, некоторые растения тоже используют XX/XY-систему определения пола и соответствующие механизмы дозовой компенсации. Silene latifolia (Смолёвка белая) несёт либо мужской (XY) либо женский (XX) набор хромосом, причём Y-хромосома меньше, чем Х-хромосома, и, соответственно, меньше количество экспрессируемых с неё генов. Два независимых исследованияMeadows, Robin (2012). Sex Chromosome Equality in Plants. PLoS Biology, 10(4). e1001312. показали, что у мужских особей смолёвки экспрессия генов, сцепленных с Х-хромомсомой, составляет 70 % от экспрессии у женских особей. Если бы S. latifolia не использовала дозовую компенсацию, то ожидаемый уровень экспрессии генов, сцепленных с X-хромосомой мужских особей, составил бы 50 % от женского. Хотя это растение и имеет определённую дозовую компенсацию, экспрессия генов мужских особей всё равно не достигает 100 % от женских, поэтому было выдвинуто предположение, что система дозовой компенсации S. latiforia всё ещё находится в процессе эволюции. Кроме того, у видов растений, которые не обладают различающимися половыми хромосомами, дозовая компенсация может активироваться в ходе абберентных митозов или анеуплоидии и полиплоидии. Экспрессия генов на подвергнувшихся удвоению/делеции парах хромосом может усиливаться или ослабляться, чтобы компенсировать вредное воздействие и вернуть уровень экспрессии к норме.
Система ZZ/ZW