Geenien annoskompensointi on epigeneettinen mekanismi, joka mahdollistaa sukupuoleen liittyvien geenien ilmentymisen tasaamisen niiden lajien miehillä ja naarailla, joissa sukupuolen määrittäminen tapahtuu sukupuolikromosomien avulla . Joten esimerkiksi urosnisäkkäillä X-kromosomin geenit , pseudoautosomaalisia alueita lukuun ottamatta , ovat läsnä yhdessä kopiossa ja naarailla - kahdessa kopiossa. Koska tällainen ero voi johtaa vakaviin poikkeamiin, on olemassa mekanismeja sellaisten geenien annoskompensoimiseksi, jotka eivät liity suoraan sukupuolen määrittämiseen. Nisäkkäillä tämä saadaan aikaan inaktivoimalla yksi X-kromosomi.naarassoluissa siten, että minkä tahansa sukupuolen yksilön jokaisessa somaattisessa solussa on vain yksi aktiivinen X -kromosomi diploidista kromosomiryhmää kohden .
Vuonna 1949 Murray Barr ja Ewart Bertram , jotka tutkivat kissan solujen karyotyyppiä , huomasivat, että naaraan ytimissä on tiheä runko, joka eroaa tumasta , mutta sitä ei ole uroskissojen soluissa. He kutsuivat tätä rakennetta sukupuolikromatiiniksi . Myöhemmin se tunnettiin paremmin nimellä Barr-kappale . Vuonna 1959 Susumu Ohno sai selville, että Barrin keho on superkondensoitunut X-kromosomi [1] . Mary Lyon esitti vuonna 1961 hypoteesin, jonka mukaan X-kromosomin inaktivoituminen kompensoi geenien annostusta ja "sammutettavan" kromosomin valinta tapahtuu sattumalta. Lyon teki tällaiset johtopäätökset sellaisten solujen tutkimuksen perusteella, joissa on epänormaali määrä kromosomeja, erityisesti sukupuolikromosomien trisomioita ja polyploidiaa . Saatiin seuraavat tulokset:
| Karyotyyppi: | Inaktivoitujen X-kromosomien lukumäärä |
| Normaali nainen (XX + 44 autosomia): | yksi |
| Normaali uros (XY + 44 autosomia): | 0 |
| Nainen, jolla on trisomia X (XXX + 44 autosomia): | 2 |
| Mies, jolla on Klinefelterin oireyhtymä (XXY + 44 autosomia): | yksi |
| Tetraploidiset naarassolut (XXXX + 88 autosomia): | 2 |
Saaduista tuloksista pääteltiin, että soluilla on jonkinlainen X-kromosomien "laskenta" ja ne jättävät yhden aktiivisen X-kromosomin autosomiparia kohti. Hypoteesin kannalle, joka koskee heterokromatiiniksi muunnettavan kromosomin satunnaista valintaa, mikä on osoituksena mosaiikkivärin havainnoista naaraspuolisilla hiirillä, jotka ovat heterotsygoottisia turkin väristä vastaavien X-kytkettyjen geenien suhteen. Mosaiikki syntyy siitä tosiasiasta, että yhden X-kromosomin inaktivoituminen tapahtuu alkion soluissa gastrulaation aikana ja periytyy mitoottisesti , joten kunkin solun klooni säilyttää saman aktiivisen X-kromosomin: äidin tai isän. alkuperää. Samanlaisia mosaiikkittomuuteen viittaavia tuloksia saatiin glukoosi-6-fosfaatti-isomeraasin isoformeista , joita X-kromosomigeeni koodaa ihmisissä.
Saadut tulokset löysivät nopeasti käyttöä sekä biologisessa tutkimuksessa että sen ulkopuolella. Siten vuonna 1965 Stanley Gartler käytti X-kromosomin inaktivaatiota todistaakseen syöpäkasvainten klonaalisen alkuperän . Ja vuonna 1966, olympialaisissa, Barrin ruumiiden havaitsemista alettiin käyttää urheilijoiden sukupuolen vahvistamiseen.
Eniten tietoa nisäkkäiden annoskompensoinnin molekyylimekanismeista on kertynyt alkion kantasoluilla tehdyn työn ansiosta .
Eri lajit käyttävät erilaisia annoskompensointimekanismeja: yhden homogameettisen sukupuolen X-kromosomien satunnainen tai painettu inaktivoituminen (nisäkkäillä), ekspressioaktiivisuuden kaksinkertainen lisääntyminen yhdellä heterogameettisen sukupuolen X-kromosomilla (hedelmäkärpäsessä), tai kaksinkertainen väheneminen sen ilmentymisaktiivisuudessa molemmilla X-kromosomeilla, homogameettisen sukupuolen kromosomeilla (sukkulamadossa Caenorhabditis elegans ). Tietystä mekanismista riippumatta korvaus tapahtuu aina vain toisessa sukupuolessa ja on sen elintärkeän toiminnan välttämätön edellytys.
Drosophilassa ja nisäkkäillä annoskompensointi käsittää ei-koodaavia RNA:ita , jotka peittävät säädellyn X-kromosomin, sekä proteiinien sukupuolispesifisen modifikoinnin - histonit vastaavassa kromosomissa.
Istukan nisäkkäillä geenien annoskompensointi tapahtuu yhden X-kromosomien satunnaisella inaktivoinnilla. Tämä prosessi tapahtuu suunnilleen gastrulaation aikana (ihmisillä noin 12. päivänä). Kaikki tietyn solun jälkeläiset säilyttävät inaktivoituneen saman kromosomin kuin emosolu, eli tämä, kuten muut epigeneettiset merkit, periytyy mitoottisesti. X-inaktivoinnin uudelleenohjelmointi tapahtuu ituradan alkusoluissa . Avainrooli X-kromosomin inaktivoinnin varmistamisessa on pitkällä ei-koodaavalla RNA: lla Xist , joka toimii cis - säätelyelementtinä, eli se vaikuttaa juuri siihen kromosomiin, josta se transkriptoituu .
Jotkut X-kromosomin geenit välttävät inaktivoitumisen, erityisesti pseudoautosomaalinen alue , eli ne, joilla on homologisia sekvenssejä Y-kromosomissa , ja jotkut muut geenit, jotka voivat vaikuttaa seksuaalisten ominaisuuksien muodostumiseen. Ihmisillä on huomattavasti enemmän tällaisia alueita kuin hiirillä. XIST -geeni pysyy aktiivisena myös Xi :ssä .
Monotreemit - nisäkkäiden irtauma, joka sisältää vesinokkaeläimiä ja neljä echidnas -lajia , jotka kuuluvat munasoluisiin nisäkkäisiin. Vaikka monotreemit käyttävät myös XX/XY-järjestelmää, toisin kuin muilla nisäkkäillä, niillä on useampi kuin yksi sukupuolikromosomisarja. Esimerkiksi urospuolisilla lyhytsokkaisilla echidnasilla on yhdeksän sukupuolikromosomia, 5 X ja 4 Y, kun taas urospuolisilla vesiskoirilla on 5 X-kromosomia ja 5 Y-kromosomia. Äskettäisessä tutkimuksessa [2] havaittiin, että neljä platypus X-kromosomia sekä Y-kromosomi ovat homologisia linnun Z-kromosomin tiettyjen alueiden kanssa. Platypussin X1-kromosomi jakaa homologian kanan Z-kromosomin kanssa, ja molemmilla on homologia ihmisen kromosomin 9 kanssa. Tämän homologian löytäminen on tärkeää yksittäisten ohittajien annoskompensointimekanismin ymmärtämiseksi. 50 %:ssa naaraspuolisen platypussin soluista vain yksi alleeli kaikista X-kromosomeista ilmentyy, kun taas loput 50 % soluista ilmentävät monia erilaisia alleeleja. Vaikka platypus X1 -kromosomissa on 11 geeniä , jotka löytyvät kaikista nisäkkään X-kromosomeista, ja X5 - kromosomissa on DMRT1-niminen geeni , joka löytyy lintujen Z-kromosomista ja joka on lintujen keskeinen sukupuoligeeni, yleiset genomitutkimukset ovat osoittaneet, että viisi sukupuolta Platypussin X-kromosomit ovat homologisia lintujen Z-kromosomin kanssa [3] . Platypusista puuttuu SRY-geeni (avaingeeni nisäkkäiden sukupuolen määrittämisessä). Sille on ominaista äskettäin linnuissa kuvattu epätäydellinen annoskompensointi. Ilmeisesti platypusin sukupuolen määrittämismekanismi on samanlainen kuin sen matelijoiden esi -isien mekanismi .
Vaikka hedelmäkärpäsessä Drosophila melanogaster sukupuolen määrittäminen tapahtuu nisäkkäiden tapaan sukupuolikromosomien avulla, naaraiden ytimissä ei ole Barr-kappaleita. Toisaalta miesten X-kromosomi muuttuu hyperaktiiviseksi, sen geenien ilmentymistaso saavuttaa naisen molemmista X-kromosomeista ilmentymisen kokonaistason. Ribonukleoproteiinikompleksilla MSL ( Male specific lethal ) on keskeinen rooli sellaisen toiminnan varmistamisessa , mikä, kuten nimensä osoittaa, on välttämätön miesten elintärkeälle toiminnalle [4] . MSL sisältää geenien msl1 , msl2 , msl3 , mle , mof proteiinituotteita , jotka yhdessä ei-koodaavien RNA:iden RoX1 ja RoX2 kanssa muodostavat kompensasomin . Kompensasomit kiinnittyvät satoihin X-kytkettyihin geeneihin miehillä ja tehostavat selektiivisesti joidenkin niistä transkriptiota nostaen sen ekspression tasolle naisilla. Ainakin joidenkin msl -geenien ilmentyminen on Sxl -geenituotteen ( Sex lethal ) negatiivisen kontrollin alaisena, joka liittyy X-kromosomien laskemiseen ja sukupuolen määrittämiseen [5] [6] .
Sukkulamatossa C. elegans sukupuolen määrää X-kromosomien lukumäärä: miehillä se on yksi ja hermafrodiiteilla kaksi. Annoksen kompensointimekanismin laukaisee näissä eläimissä sama signalointireitti kuin sukupuolen määrittäminen, mutta sitä ohjaa eri geeniryhmä. Tämä mekanismi koostuu transkriptioaktiivisuuden kaksinkertaisesta vähenemisestä hermafrodiittien molemmissa X-kromosomeissa.
Sukupuolen määrittäminen ja annoksen kompensointi alkaa laskemalla X-kromosomien lukumäärä per autose. X: A-signaali miehillä (X0) laukaisee xol-1- geenin ilmentymisen , joka määrittää alkion kehittymisen urosmaisesti, ja myös tukahduttaa SCD-2-proteiinin ilmentymisen. Jälkimmäisen läsnäolo on välttämätön ja riittävä edellytys annoskompensaation aktivoitumiselle, jota siis esiintyy vain hermafrodiiteilla. SCD-2 ohjaa myös annoskompensaatiokompleksin X-kromosomiin. Tämä multimeerinen kompleksi sisältää monia proteiineja, joilla on muita toimintoja solussa (esimerkiksi MIX-1 osallistuu kromosomien erottamiseen anafaasissa ) tai sukua sellaisille proteiineille (erityisesti proteiinit DPY-26 DPY-27 ja DPY-28 ovat samanlaisia kuin proteiinien kondensiinikompleksi , osallistuu mitoottisten (ja meioottisten ) kromosomien pakkaamiseen). Annoskompensaatiokompleksi kiinnittyy X-kromosomiin useissa kohdissa, minkä jälkeen sen estovaikutus voi ulottua lyhyille tai pitkille etäisyyksille.
Kuten ihmiset ja kärpäset, jotkut kasvit käyttävät myös XX/XY-sukupuolen määritysjärjestelmää ja asianmukaisia annostuksen kompensointimekanismeja. Silene latifolia (valkoinen terva) sisältää joko uros- (XY) tai naaras- (XX) kromosomisarjan, jonka Y-kromosomi on pienempi kuin X-kromosomi, ja vastaavasti siitä ekspressoituneiden geenien määrä on pienempi. Kaksi riippumatonta tutkimusta [7] osoittivat, että X-kytkettyjen geenien ilmentyminen urospuolisissa tarantulassa on 70 % naisten ilmentymisestä. Jos S. latifolia ei käyttäisi annoskompensaatiota, odotettu geenin ilmentymistaso X-kytketyillä miehillä olisi 50 % naaraasta. Vaikka tällä kasvilla on jonkin verran annoskompensaatiota, urospuolisten geenien ilmentyminen ei vieläkään saavuta 100 % naaraista, joten on esitetty, että S. latiforian annoskompensointijärjestelmä on vielä kehitysvaiheessa. Lisäksi kasvilajeissa, joilla ei ole erillisiä sukupuolikromosomeja, annoskompensaatio voi aktivoitua poikkeamien mitoosien tai aneuploidian ja polyploidian aikana . Geenien ilmentyminen kromosomipareissa, joissa on tehty duplikaatio/deleetio, voi lisääntyä tai vähentyä haitallisten vaikutusten kompensoimiseksi ja ekspressiotason palauttamiseksi normaaliksi.
ZZ/ZW-sukupuolen määritysjärjestelmä löytyy useimmista linnuista, joistakin matelijoista ja perhosista . Tässä järjestelmässä Z on suurempi kromosomi, joten homogameettiset miehet (ZZ) pakotetaan inaktivoimaan osa geneettisestä materiaalista tasapainottaakseen ilmentymistä naisten (ZW) kanssa, joilla on pieni W-kromosomi. Koko kromosomin heterokromatisoinnin sijaan , kuten ihmisillä tapahtuu, kukot (mallieliö) käyttävät selektiivistä hiljentämistä , eli vain tietyt toisen Z-kromosomin geenit vaimentuvat [8] [9] . Siten kukot ilmentävät keskimäärin 1,4-1,6 Z-kromosomin kokonais-DNA:ta kanoissa [10] . Z-kromosomien geenien ilmentyminen urosseeprapeippoilla ja -kukoilla on korkeampi kuin autosomaalisten geenien ilmentymistaso, mutta ihmisellä naisen X-kromosomin ilmentymistaso on sama kuin autosomaalisten geenien ilmentymistaso. geenit [11] , mikä osoittaa selvästi, että kukoilla ja peippourospuolisilla seeprapeippoilla tapahtuu epätäydellistä hiljentymistä. Aivan kuten kotikanan kohdalla, ZZ/ZW-järjestelmää on tutkittu yksityiskohtaisesti vain muutamissa organismeissa; viimeaikaiset tutkimukset tästä järjestelmästä silkkiäistoukilla [12] ovat löytäneet samanlaisen epätäydellisen kompensaation Z-kromosomigeeneille. Z-kytketyt geenit ilmenivät voimakkaammin miehillä kuin naisilla, ja useat geenit olivat yhtä aktiivisia sekä miehillä että naisilla.
Vaikka lintujen annoskompensoinnin epigeneettistä mekanismia ymmärretään vielä huonosti verrattuna ihmisten ja Drosophilan annoskompensointimekanismiin, viimeaikaiset tutkimukset tällä alalla ovat paljastaneet tärkeitä yksityiskohtia tästä prosessista. Yksi tällainen yksityiskohta on MHM ( urospuolinen hypermetyloitu ), Xist -tyyppinen pitkä ei-koodaava RNA, joka ilmentyy vain kanoissa (ZW). Se liittyy histoni 4: n naisspesifiseen hyperasetylaatioon lysiinissä 16 , lähellä MHM-lokusta Z-kromosomissa. Tätä lokusta tutkitaan aktiivisesti, koska se näyttää olevan annoskompensaatiokohta, miehen Z-kromosomit ovat hypermetyloituneita ja siksi tämän lokuksen geeniekspressio on vähentynyt verrattuna naisten sukupuolikromosomeihin, jotka ovat hyperasetyloituneita ja vastaavat geenit ilmentyvät aktiivisesti. [13] .
Kuten nisäkkäissä, myös kotikanan CpG-saaret metyloituvat . Eräässä tutkimuksessa havaittiin, että CpG-saaria löytyy pääasiassa Z-kromosomin kompensaatioalueelta, jotka ilmenevät eri tavalla kanoissa ja kukoissa. Tästä syystä on erittäin todennäköistä, että nämä CpG-saaret sijaitsevat niissä geeneissä, jotka metyloituvat ja sammuvat miehen Z-kromosomissa, mutta pysyvät aktiivisina nais-Z-kromosomissa.
Joskus X-kromosomin inaktivoituminen ei välttämättä tapahdu sattumalta. Esimerkiksi pussieläimillä isältä peräisin oleva kromosomi on aina tämän prosessin kohteena. Tätä ilmiötä kutsutaan imprinted inaktivaatioksi ja sitä pidetään evoluutionaalisesti primitiivisenä mekanismina [14] .
Painettu inaktivaatio voi toisinaan tapahtua istukan nisäkkäissä, kuten hiirissä. Näillä jyrsijöillä 2-4 blastomeerivaiheessa vanhempien X-kromosomi siirtyy heterokromatiinitilaan . Tämä inaktivaatiomalli säilyy blastokystitrofoblastissa , joka osallistuu istukan muodostumiseen, kun taas uudelleenohjelmointi tapahtuu myöhemmin alkioblastisoluissa : ensin kaikki kromosomit siirtyvät aktiiviseen tilaan, minkä jälkeen tapahtuu satunnainen inaktivaatio [15] .