Doskompensation av gener är en epigenetisk mekanism som gör det möjligt att utjämna nivån av uttryck av könsbundna gener hos män och kvinnor av de arter där könsbestämning sker med hjälp av könskromosomer . Så, till exempel, hos manliga däggdjur , är generna från X-kromosomen , utan att räkna de pseudoautosomala regionerna , närvarande i en kopia och hos honor - i två. Eftersom en sådan skillnad skulle kunna leda till allvarliga anomalier finns det mekanismer för doskompensation av gener som inte är direkt relaterade till könsbestämning. Hos däggdjur görs detta genom att inaktivera en X-kromosom i kvinnliga celler, så att det i varje somatisk cell hos en individ av båda könen bara finns en aktiv X-kromosom per diploid uppsättning kromosomer .
År 1949 märkte Murray Barr och Ewart Bertram , som studerade karyotypen av kattceller, att det i kärnorna hos honor finns en tät kropp som skiljer sig från nukleolen , men den finns inte i cellerna hos hankatter. De kallade denna struktur sexkromatin . Den blev senare mer känd som Barr-kroppen . 1959 fick Susumu Ohno reda på att Barr-kroppen är en superkondenserad X-kromosom [1] . 1961 föreslog Mary Lyon en hypotes enligt vilken inaktiveringen av X-kromosomen ger doskompensation för gener, och valet av kromosom som ska "stängas av" sker av en slump. Lyon drog sådana slutsatser på grundval av studien av celler med ett onormalt antal kromosomer, särskilt med trisomier för könskromosomer och polyploidi. Följande resultat erhölls:
| Karyotyp: | Antal inaktiverade X-kromosomer |
| Normal kvinna (XX + 44 autosomer): | ett |
| Normal hane (XY + 44 autosomer): | 0 |
| En kvinna med trisomi X (XXX + 44 autosomer): | 2 |
| Man med Klinefelters syndrom (XXY + 44 autosomer): | ett |
| Tetraploida kvinnliga celler (XXXX + 88 autosomer): | 2 |
Från de erhållna resultaten drogs slutsatsen att celler har någon form av X-kromosom "räknemekanism" och lämnar en aktiv X-kromosom per par autosomer. Till förmån för hypotesen om det slumpmässiga valet av kromosomen som ska omvandlas till heterokromatin , vilket framgår av observationen av mosaikfärgning hos honmöss som är heterozygota för X-kopplade gener som är ansvariga för färgen på pälsen. Mosaik uppstår på grund av det faktum att inaktivering av en av X-kromosomerna sker i embryots celler under gastrulationsperioden och ärvs mitotiskt , så att klonen av var och en av dessa celler behåller samma aktiva X-kromosom: moder eller fader ursprung. Liknande resultat som tyder på mosaicitet erhölls från isoformer av glukos-6-fosfatisomeras , som kodas av X-kromosomgenen hos människor.
De erhållna resultaten fick snabbt tillämpning både inom biologisk forskning och utanför. Sålunda, 1965, använde Stanley Gartler inaktiveringen av X-kromosomen för att bevisa det klonala ursprunget till cancertumörer . Och 1966, vid de olympiska spelen, började upptäckten av Barr-kroppar användas för att bekräfta idrottarnas kön.
Den största mängden information om de molekylära mekanismerna för doskompensation hos däggdjur har ackumulerats tack vare arbetet med embryonala stamceller .
Olika arter använder olika doskompensationsmekanismer: slumpmässig eller präglad inaktivering av en av X-kromosomerna i det homogametiska könet (hos däggdjur), en dubbel ökning av uttrycksaktiviteten med en av X-kromosomerna av det heterogametiska könet (i fruktflugan), eller en dubbel minskning av dess uttrycksaktivitet med båda X-kromosomerna, kromosomerna av det homogametiska könet (i nematoden Caenorhabditis elegans ). Oavsett den specifika mekanismen sker kompensation alltid endast hos ett av könen och är en nödvändig förutsättning för dess vitala aktivitet.
Hos Drosophila och däggdjur involverar doskompensation icke-kodande RNA som täcker den reglerade X-kromosomen, samt könsspecifik modifiering av proteiner - histoner på motsvarande kromosom.
Hos placenta däggdjur sker doskompensation av gener genom slumpmässig inaktivering av en av X-kromosomerna. Denna process inträffar ungefär under gastrulationsperioden (hos människor ungefär på den 12:e dagen). Alla ättlingar till en viss cell behåller inaktiverad samma kromosom som modercellen, det vill säga, liksom andra epigenetiska märken, är denna mitotiskt nedärvd. Omprogrammering av X-inaktivering sker i ursprungsceller i könsceller . En nyckelroll för att säkerställa inaktiveringen av X-kromosomen spelas av ett långt icke-kodande RNA Xist , som fungerar som ett cis -regulatoriskt element, det vill säga det påverkar exakt kromosomen från vilket det transkriberas .
Vissa gener på X-kromosomen undviker inaktivering, särskilt den pseudoautosomala regionen , det vill säga de som har homologa sekvenser på Y-kromosomen , och några andra gener som kan ha en inverkan på bildandet av sexuella egenskaper. Det finns betydligt fler sådana områden hos människor än hos möss. XIST -genen förblir också aktiv på Xi .
Monotremes - en avskiljning av däggdjur, som inkluderar näbbdjur och fyra arter av echidnas , som tillhör oviparösa däggdjur. Även om monotremer också använder XX/XY-systemet, till skillnad från andra däggdjur, har de mer än en uppsättning könskromosomer. Manliga kortnäbbade echidnas, till exempel, har nio könskromosomer, 5 X och 4 Y, medan manliga platypuses har 5 X-kromosomer och 5 Y-kromosomer. En nyligen genomförd studie [2] fann att fyra näbbdjurs X-kromosomer, såväl som Y-kromosomen, är homologa med vissa regioner av fågelns Z-kromosom. Näbbdjurets X1-kromosom delar homologi med kyckling Z-kromosomen, och båda delar homologi med human kromosom 9. Upptäckten av denna homologi är viktig för att förstå mekanismen för doskompensation för enstaka förbipasserande. I 50 % av cellerna i det kvinnliga näbbdjuret uttrycks endast en allel av alla X-kromosomer, medan de återstående 50 % av cellerna uttrycker många olika alleler. Även om näbbdjurs X1- kromosomen har 11 gener som finns på alla däggdjurs X-kromosomer, och X5 - kromosomen har en gen som kallas DMRT1 som finns på Z-kromosomen hos fåglar , som är en nyckelkönsgen hos fåglar, har övergripande genomiska studier visat att fem kön X-kromosomerna hos näbbdjuret är homologa med Z-kromosomen hos fåglar [3] . Platypusen saknar SRY-genen (en nyckelgen för könsbestämning hos däggdjur). Det kännetecknas av ofullständig doskompensation som nyligen beskrivits hos fåglar. Tydligen liknar mekanismen för att bestämma näbbdjurets kön den hos dess reptilförfäder .
Hos fruktflugan Drosophila melanogaster , även om könsbestämning, liksom hos däggdjur, sker med hjälp av könskromosomer, finns det inga Barr-kroppar i honornas kärnor. Å andra sidan blir X-kromosomen hos män hyperaktiv, uttrycksnivån för dess gener når den totala uttrycksnivån från båda X-kromosomerna hos kvinnor. Ribonukleoproteinkomplexet MSL ( Manlig specifik dödlig ) spelar en nyckelroll för att säkerställa sådan aktivitet , som, som namnet indikerar, är nödvändig för den vitala aktiviteten hos män [4] . MSL innehåller proteinprodukter av generna msl1 , msl2 , msl3 , mle , mof , som tillsammans med icke-kodande RNA RoX1 och RoX2 bildar en kompensasom . Kompensasomer fäster till hundratals X-länkade gener hos män och förstärker selektivt transkriptionen av några av dem, vilket för den till uttrycksnivån hos kvinnor. Uttryck av åtminstone några av msl- generna är under den negativa kontrollen av Sxl -genprodukten ( Könsdödlig ) involverad i X-kromosomräkning och könsbestämning [5] [6] .
Hos nematoden C. elegans bestäms kön av antalet X-kromosomer: hos män är det en, och hos hermafroditer är det två. Doskompensationsmekanismen hos dessa djur utlöses av samma signalväg som könsbestämning, men styrs av en annan grupp gener. Denna mekanism består i en dubbel minskning av transkriptionsaktivitet på båda X-kromosomerna hos hermafroditer.
Könsbestämning och doskompensation börjar med att räkna antalet X-kromosomer per autos. X: A-signal hos män (X0) triggar uttrycket av xol-1- genen , som bestämmer utvecklingen av embryot i ett manligt mönster, och undertrycker även uttrycket av SCD-2-proteinet. Närvaron av den senare är ett nödvändigt och tillräckligt villkor för aktivering av doskompensation, som alltså endast förekommer hos hermafroditer. SCD-2 styr också doskompensationskomplexet till X-kromosomen. Detta multimera komplex innehåller många proteiner som har andra funktioner i cellen (till exempel är MIX-1 involverad i att särskilja kromosomer i anafas ), eller relaterade till sådana proteiner (i synnerhet proteinerna DPY-26 DPY-27 och DPY-28 liknar proteiner kondensinkomplex , är involverad i förpackningen av mitotiska (och meiotiska ) kromosomer). Doskompensationskomplexet fäster på X-kromosomen på flera ställen, varefter dess hämmande effekt kan sträcka sig över korta eller avsevärda avstånd.
Liksom människor och flugor använder vissa växter även XX/XY könsbestämningssystem och lämpliga doskompensationsmekanismer. Silene latifolia (vit tjära) bär antingen en manlig (XY) eller kvinnlig (XX) uppsättning av kromosomer, med Y-kromosomen mindre än X-kromosomen, och följaktligen är antalet gener som uttrycks från den mindre. Två oberoende studier [7] visade att uttrycket av X-länkade gener i taranteller av hankön är 70 % av det hos honor. Om S. latifolia inte använde doskompensation, skulle den förväntade nivån av genuttryck hos X-kopplade män vara 50 % av honan. Även om denna växt har viss doskompensation, når genuttrycket hos hanar fortfarande inte 100 % av honorna, så det har föreslagits att doskompensationssystemet för S. latiforia fortfarande är under utveckling. Dessutom, hos växtarter som inte har distinkta könskromosomer, kan doskompensation aktiveras under aberrationsmitoser eller aneuploidi och polyploidi . Genuttryck på kromosompar som har genomgått duplicering/deletion kan öka eller minska för att kompensera för de skadliga effekterna och återställa uttrycksnivån till det normala.
Könsbestämningssystemet ZZ/ZW finns hos de flesta fåglar, vissa reptiler och Lepidoptera . I detta system är Z den större kromosomen, så homogametiska män (ZZ) tvingas inaktivera en del av det genetiska materialet för att balansera uttrycket med honor (ZW), som bär en liten W-kromosom. Istället för att heterokromatisera hela kromosomen, som förekommer hos människor, använder tuppar (en modellorganism) selektiv tystning , det vill säga bara vissa gener på den andra Z-kromosomen tystas [8] [9] . Således uttrycker tuppar i genomsnitt 1,4-1,6 av det totala Z-kromosom-DNA uttryckt i kycklingar [10] . Uttrycket av Z-kromosomgenerna hos zebrafinkar och tuppar är högre än uttrycksnivån för autosomala gener, men hos människor är uttrycksnivån för X-kromosomen hos en kvinna lika med uttrycksnivån för autosomala gener. gener [11] , vilket tydligt indikerar att hos tuppar och zebrorhannar finkar förekommer ofullständig tystnad. Precis som hos tamkycklingen har ZZ/ZW-systemet studerats i detalj i endast ett fåtal organismer; nyligen genomförda studier av detta system hos silkesmaskar [12] har funnit en liknande ofullständig kompensation för Z-kromosomgener. Z-länkade gener uttrycktes mer intensivt hos män än hos kvinnor, och flera gener var lika aktiva hos både män och kvinnor.
Även om den epigenetiska mekanismen för doskompensation hos fåglar fortfarande är dåligt förstådd i jämförelse med doskompensationsmekanismen hos människor och Drosophila, har ny forskning inom detta område avslöjat viktiga detaljer om denna process. En sådan detalj är MHM ( hane hypermethylated ), ett Xist- liknande långt icke-kodande RNA som endast uttrycks i kycklingar (ZW). Det är associerat med en kvinnlig hyperacetylering av histon 4 vid lysin 16 , nära MHM-lokuset på Z-kromosomen. Detta lokus studeras aktivt, eftersom det verkar vara ett doskompensationsställe, manliga Z-kromosomer är hypermetylerade och därför reduceras genuttrycket för detta lokus jämfört med kvinnliga könskromosomer, som är hyperacetylerade, och motsvarande gener uttrycks aktivt. [13] .
Liksom hos däggdjur är CpG-öar metylerade i tamkycklingen. En studie fann att CpG-öar finns främst i den kompensatoriska regionen av Z-kromosomen, som uttrycks olika hos höns och tuppar. Av denna anledning är det mycket troligt att dessa CpG-öar finns i de gener som är metylerade och avstängda på den manliga Z-kromosomen, men förblir aktiva på den kvinnliga Z-kromosomen.
Ibland inträffar inte inaktiveringen av X-kromosomen av en slump. Till exempel, hos pungdjur är kromosomen av faderligt ursprung alltid föremål för denna process. Detta fenomen kallas imprinted inactivation och anses vara en evolutionärt primitiv mekanism [14] .
Imprinted inaktivering kan ibland förekomma hos placenta däggdjur, såsom möss. Hos dessa gnagare, vid 2-4 blastomerstadiet , övergår den parentala X-kromosomen till ett heterokromatintillstånd . Detta inaktiveringsmönster bevaras i blastocysttrofoblasten , som är involverad i bildandet av moderkakan , medan omprogrammering sker senare i embryoblastcellerna : först går alla kromosomer in i ett aktivt tillstånd, varefter slumpmässig inaktivering sker [15] .