Компенсация дозы генов у млекопитающих. Современная теория инактивации Х-хромосомы.

Еще в 1949 г. М. Барр и Ч. Бертрам обнаружили в соматических клетках кошек-самок компактные глыбки хроматина, которые но имени одного из исследователей получили в дальнейшем название телец Барра. В 1961 г. М. Лайон, изучая действие генов Х-хромосомы у мышей Mus musculus, выдвинула гипотезу об отсутствии генетической активности у гетеропикнотических Х-хромосом, которые в различных соматических клетках мышей могут быть либо материнского, либо отцовского происхождения.

Согласно этой гипотезе, в случае гетерозиготности по генам, сцепленным с полом, самки должны иметь мозаичный фенотип, поскольку содержат два типа клеток: одни - с мутантным, другие - с нормальным геном. Правильность этого предположения для Х-хромосом других млекопитающих, и в частности, человека была блестяще продемонстрирована на целом ряде примеров практически сразу после выдвижения гипотезы . Так в эритроцитах женщин, гетерозиготных по гену недостаточности глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы было обнаружено два типа клеток — с активным и неактивным ферментом. Подобный мозаичный фенотип был установлен по гену «недержания пигмента», по гену дефектной зубной эмали, а также по многим другим генам, локализованным в Х-хромосоме и отвечающим за Х-сцеплен-ные наследственные заболевания.

Многочисленые цитологические и биохимические исследования последующих лет подтвердили гипотезу М. Лайон и расширили описание феноменологии процесса, получившего название лайонизации Х-хромосомы самок. Эффект лайонизации был продемонстрирован с помощью разных методов. В частности, при цветовой слепоте обнаружили пятна дефектного цветовосприятия, используя для освещения сетчатки узкий пучок попеременно то красного, то зеленого света.

Современная теория инактивации Х-хромосомы. Инактивация одной из родительских Х-хромосом происходит в раннем эмбриональном развитии во всех соматических клетках самок млекопитающих. Она осуществляется путем гетерохроматизации: инактивироваиные Х-хромосомы, превращаются в плотно конденсированные тельца и втаком виде располагаются обычно по периферии ядра. Они образуют в соматических клетках гетеропикнотичные тельца Барра (половой хроматин). Ферменты транскрипции не могут работать на конденсированном хроматине, следовательно, дозы функционирующих генов становятся одинаковыми как у самцов, так и у самок. В случае полисомии по Х-хромосоме инактивируются все, кроме одной хромосомы, поэтому число телец Барра можно вsчислить по формуле n-1, где n - число Х-хромосом.

Неактивное состояние одной из Х-хромосом, установившись однажды в раннем эмбриогенезе, клонально передается дочерним соматическим клеткам во всех последующих клеточных поколениях. Предполагают, что роль механизма, закрепляющего инактивацию, играет метилирование цитозинов в молекуле ДНК.

дозы генов у млекопитающих

Инактивация в соматических клетках носит, как правило, случайный, характер, т.е. равновероятный для Х-хромосом материнского и отцовского происхождения. Однако есть немногочисленные примеры неслучайной инактивации одной из родительских Х-хромосом. В первую очередь к ним относятся аллели локуса Хсе у мышей -возможного кандидата на роль центра инактивации Х-хромосомы у этих млекопитающих. Преимущественная инактивация отцовской хромосомы выявлена в соматических тканях представителей отрядов яйцекладущих и сумчатых. В оогониях самок млекопитающих незадолго до вступления в профазу I мейоза неактивная Х-хромосома подвергается реактивации, что свидетельствует об обратимом характере инактивации в клетках этого типа. У самцов мыши единственная Х-хромосома в раннем сперматогенезе инактивирована и реактивируется на его конечных этапах. Цикл инактивации-реактивации Х-хромосомы у мыши представлен на рисунке, Он демонстрирует установленную экспериментально преимущественную экспрессию гена Xist на отцовской Х-хромосоме.

В настоящее время считается доказанным, что инактивация начинается в единственном центре Х1С (от англ. X-chromosome inactivation center), а затем прогрессивно распространяется вдоль всей длины хромосомы по закону «все или ничего». Все гены одной хромосомы инактивируются, а гены другой — остаются активными. Однако на Х-хромосоме человека в трех отдельных районах локализованы 8 генов, не повергающихся инактивации, причем один из них активен исключительно на инактивированной Х-хромосоме, а семь - на обеих.

На картах митотических хромосом человека и мыши локализованы центры инактивации. Предполагается, что Х-хромосома остается активной до тех лор, пока не получит сигнал инактивации из такого центра. В районе ДНК протяженностью 50 т.п.н., который он занимает, находятся 4 компонента: Хсе, Xist, Tsix и DXPas34, играющие важную роль в инактивации Х-хромосомы. Оказалось, что ген Хсе (от англ. X-chromosome-controlling element) мыши, представленный тремя аллелями, контролирует выбор для инактивации одной из родительских Х-хромосом.

Ген Xist (отангл. X-inactive-specific transcript) кодирует нетранслируемую РНК, необходимую для инактивации Х-хромосомы, Его экспрессия обнаруживается в тех клетках, где Х-хромосома неактивна, но отсутствует у самцов и особей ХО. У человека полная последовательность гена XIST, имеющего несколько сайтов начала транскрипции, составляет более полутора десятков т.п.н. и включает 8 экзонов.

Tsix представляет собой РНК, контролирующую экспрессию гена Xist. Эта. РНК транскрибируется с параллельной (антисмысловой) цепи ДНК гена Хist. Активация Tsix происходит под влиянием локуса DXPas34, содержащего 34-членный повтор саттелитной ДНК.

Существует несколько моделей инактивации Х-хромосомы с участием гена Xist. Часть из них предполагает существование двух факторов, один из которых (продуцируемый кратковременно и в очень ограниченном количестве) блокирует инактивацию, а другой запускает ее. Как один из вариантов рассматривается возможность инициации транскрипции гена ХШ в результате произошедшего связывания гипотетического сигнала с центром инактивации. Предполагается, что дальше Xist может инициировать гетерохроматизацию локализованных вблизи него участков Х-хромосомы. Согласно другой гипотезе что ген Xist у мышей представляет собой центр инактивации, ответственный за все ее этапы, начиная с выбора экспрессируемого аллеля и заканчивая распространением и поддержанием инактивации. Две модели, базирующиеся на этой возможности, представлены на рисунке.

Инактивация Х-хромосомы в соматических клетках у плацентарных млекопитающих чрезвычайно стабильна. Напротив, инактивация у сумчатых млекопитающих весьма лабильна: реактивацию Х-хромосомы можно обнаружить как in vivo, так и в клеточных культурах разных тканей. Таким образом, наблюдается межвидовая вариация стабильности инактивированного состояния Х-хромосомы и внутривидовая — среди разных Х-сцепленных генов.

Установлено наличие небольших групп генов (в псевдоаутосомных районах), остающихся активными в инактивированной Х-хромосоме и имеющих гомологов в Y-хромосоме. Кроме них, в коротком плече, и в дистальном отделе длинного плеча X-хромосомы есть гены, сохраняющие активность в инактивированной Х-хромосоме. У мыши соответствующие гены в норме инактивируются. Разница в составе инакти-вируемьгх генов у человека и мыши может объяснить разные последствия появления особей с аномальным числом Х-хромосом у этих видов. Так, у человека большинство индивидов женского пола с кариотипом ХО погибает на эмбриональной стадии развития, а выжившие имеют заметные фенотипические аномалии, тогда как самки ХО у мыши внешне совершенно нормальные. Наличие аномалий у женщин ХО может быть связано с недостаточным количеством продукта генов, исключенных из инактивации, вследствие отсутствия второй Х-хромосомы. Напротив, у индивидов с дополнительной Х-хромосомой врожденные пороки развития могут быть результатом избыточной дозы этих генов.

- Читать далее "Регуляция генной активности на уровне репликации. Трансляционная и посттрансляционная регуляция генной активности."

Оглавление темы "Генные и хромосомные мутации.":
1. Регуляция транскрипции у прокариот. Негативная и позитивная регуляция генной активности.
2. Специфическая регуляция генной активности. Методы регуляции генной активности.
3. Неспецифическая регуляция генной активности. Компенсация дозы генов у дрозофилы.
4. Компенсация дозы генов у млекопитающих. Современная теория инактивации Х-хромосомы.
5. Регуляция генной активности на уровне репликации. Трансляционная и посттрансляционная регуляция генной активности.
6. Мутации. Теоритические основы мутационной изменчивости.
7. Геномные мутации. Гаплоидия. Полиплоидия.
8. Анеуплоидия. Нуллисомия. Моносомия. Полисемия.
9. Хромосомные мутации. Делеции. Дупликации.
10. Инверсии хромосом. Транслокации хромосом.

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: