Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Инактивация X хромосомы у млекопитающих






У млекопитающих факультативный гетерохроматин проявляется в феномене инактивации Х-хро-


 

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

ИЗМЕНЕНИЕ ТРАНСКРИПЦИИ В ХОДЕ РАЗВИТИЯ 111

 

Рис. 11.1. Гетерохроматизация отцовских хромосом y самцов мучнистого чернеца. Самец мучнистого чернеца становится функционально гаплоидным, и в сперматозоиде оказываются только эухроматиновые хромосомы. Эти хромосомы становятся гетерохроматиновыми, если потомок окажется самцом

мосомы. В 1949 г. Барр и Бертрам (Barr, Bertram, 1949) обнаружили в ядрах нейронов кошки интенсивно окрашенные тельца, расположенные вблизи ядерной оболочки. Позже эти тельца, названные тельцами Барра, были обнаружены у самок многих млекопитающих, в том числе и у человека: было показано, что они представляют собой неактивную Х-хромосому (рис. 11.2). Это означает, что, хотя в клетках самок содержатся две Х-хромосомы. а в клетках самцов - только одна, у самок транскрипционно активна может быть лишь одна Х-хромосома. Этот феномен называют компенсацией дозы гена. В одной из наиболее ранних работ по инактивации Х-хромосомы изучали закономерности окраски мышей (Магу Lyon, 1961). Если пигментация волосяного покрова определяется аутосомным геном, то окраска мыши будет либо такой, как у одного из родителей, либо промежуточной. В любом случае мышь будет одноцветной. Однако если самка мыши гетерозиготна по Х-сцепленному гену окраски, то результат будет совершенно иной: она будет пятнистой (рис. 11.3). Для объяснения этого феномена исследовательница предложила следующую гипотезу: 1) В ходе раннего развития самок млекопитающих обе Х-хромосомы активны. 2) Впоследствии

 

Рис. 11.2. Ядра эпителиальных клеток гортани человека, окрашенные фиолетовым крезилом. А. Клетка нормального самца Χ Υ не содержит тельца Барра. Б. Клетка нормальной самки XX содержит одно тельце Барра (указано стрелкой). В. Клетка самки с тремя Х-хромосомами. Можно видеть два тельца Барра: только одна Х-хромосома активна в клетке. (Из Moore, 1977.)

 

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

112 _______________ ГЛАВА 11______________________________________________________________________________

Рис 11.3. Инактивация Х-хромосомы у млекопитающих. А. Схема, иллюстрирующая случайную инактивацию Х-хромосомы. Предполагается, что инактивация происходит в период имплантации. Б. Самка мыши, гетерозиготная по гену окраски dappled, связанному с Х-хромосомой. Видны участки с резко различающейся пигментацией. (Фотография с любезного разрешения М. F. Lyon.)

 

одна из Х-хромосом в каждой клетке выключается.

Эта инактивация происходит случайным образом. В одних клетках инактивируется отцовская Х-хромосома, тогда как в других – материнская.

3) Этот процесс является необратимым. Коль скоро Х-хромосома инактивировалась, она будет неактивной у всех потомков этой клетки. (Участки пигментации у этих мышей достаточно большие.) Таким образом, все ткани у самок млекопитающих являются мозаиками из клеток двух типов.

Некоторые из наиболее убедительных данных в пользу этой модели были получены в биохимических экспериментах с клонами клеток человека. Существует наследственная болезнь человека, называемая синдромом Леша–Найхана; эта болезнь характеризуется отсутствием фермента гипоксантинфосфорибозилтрансферазы (ГФРТ), синтез которого контролируется Х-хромосомой. Синдром Леша–Найхана передается с Х-хромосомой. Это означает, что мужчины, несущие соответствующую мутацию в своей единственной Х-хромосоме, заболевают и умирают от этой болезни. У женщин присутствие мутантного гена ГФРТ может маскироваться другой Х-хромосомой, которая несет аллель дикого типа. Женщина, у которой имеются сыновья, страдающие этой болезнью, является переносчиком, поскольку у нее имеется мутантный ген ГФРТ на одной Х-хромосоме и ген ГФРТ дикого типа на другой Х-хромосоме. Если представленная выше гипотеза правильна, то у такой женщины клетка должна синтезировать либо активный, либо неактивный фермент ГФРТ в зависимости от того, какая Х-хромосома функционирует. Для проверки этого положения индивидуальные клетки кожи, взятые от женщины, гетерозиготной по гену ГФРТ, помещали в культуральную жидкость (Barbara Migeon, 1971). Каждая из этих клеток делилась, образуя клон. При окрашивании этих клонов на присутствие ГФРТ дикого типа было выявлено, что примерно половина клонов содержала этот фрагмент, а половина - нет (рис. 11.4).

Еще один ген Х-хромосомы кодирует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу (Г6ФДГ). У этого фермента имеются обычно два электрофоретических варианта: Г6ФДГ-А и Г6ФДГ-В. Для мужчин характерен вариант А либо В, тогда как женщины в отношении фенотипа по этому ферменту могут быть А, В или AB. В клетках кожи гетерозиготных женщин обнаруживаются оба варианта Г6ФДГ (рис. 11.5). Однако изолированные клоны, полученные после клонирования индивидуальных клеток кожи от этих гетерозигот, экспрессируют только один из двух возможных вариантов. Ни один из клонов не экспрессировал оба варианта (Davidson et al., 1963).

Гипотеза об инактивации Х-хромосомы прекрасно объясняет дифференциальную инактивацию генов на уровне транскрипции. О ее важности дополнительно свидетельствовали некоторые интересные исключения из общих правил. Во-первых, гипотеза оказалась справедливой в отношении сома-


 

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ИЗМЕНЕНИЕ ТРАНСКРИПЦИИ В ХОДЕ РАЗВИТИЯ __________________________________ 113

Рис. 11.4. Устойчивая инактивация Х-хромосомы. Приблизительно 30 клеток от женщины, гетерозиготной по гену, обусловливающему недостаточность фермента ГФРТ, помещали в чашку Петри для культивирования. Клетки визуализировали с помощью радиоавтографии после инкубации в среде, содержащей радиоактивный гипоксантин. Клетки, содержащие ГФРТ, включают радиоактивные соединения в свою РНК и засвечивают фотографическую эмульсию, нанесенную поверх них. Клоны клеток без ГΦ Ρ Т выглядят более светлыми, так как их клетки не могут включать радиоактивные соединения (Из Migeon, 1971; фотография с любезного разрешения В. Migeon) Рис. 11.5. Две популяции клеток у женщин. Электрофорез препаратов, полученных из клеток кожи женщин, гетерозиготных по гену Г6ФДГ, показывает, что синтез происходит на обеих хромосомах, но на разных хромосомах в различных клетках. В культивированных гетерозиготных клетках кожи (дорожка 3) содержатся ферменты обоих типов. Однако в каждом клоне индивидуальных клеток кожи (дорожки 4–10) наблюдается только одна форма фермента.
Рис. 11.6. В ооцитах млекопитающих обе Х-хромосомы активны. Электрофорез клеток из яичников (дорожки 1 и 2) и легкого (дорожка 3) 14-недельного плода человека, гетерозиготного по Г6ФДГ. Клетки легкого экспрессируют А(АА)- и В(ВВ)-формы фермента, тогда как клетки яичника содержат также гетеродимер (AB). Выраженные А- и B-зоны в случае яичников отражают тот факт, что клетки собственно яичников экспрессируют только А- и B-формы фермента, а гетеродимер экспрессируется только в ооцитах. (Фотография с любезного разрешения В. Migeon.)

тических клеток. В женских половых клетках неактивная Х-хромосома реактивируется незадолго до вхождения клеток в мейоз (Кratzer, Chapman, 1981; Gartler et al., 1980). Таким образом, в зрелых ооцитах обе Х-хромосомы оказываются активными. Это показано на рис. 11.6. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа является димерным ферментом, поэтому каждая соматическая клетка содержит ферменты, построенные из двух А-субъединиц или из двух В-субъединиц. У гетерозиготной самки в одних клетках будет содержаться фермент, состоящий из двух А-субъединиц. тогда как в других - состоящий из двух В-субъединиц (в зависимости от того, какая Х-хромосома активна в конкретной клетке). Однако если в одной и той же клетке активны обе Х-хромосомы, то следует ожидать появления молекул этого фермента, состоящих из одной А-субьединицы и одной В-субъединицы. Именно это наблюдается в ооцитах (Gartler et al., 1973; Migeon, Jalalian, 1977). В них обнаруживается АВ-гетеродимер, что свидетельствует о транскрипционной активности в одной и той же клетке обеих Х-хромосом.

Вторая группа исключений касается случайного характера инактивации Х-хромосом. Правило случайности справедливо, однако иногда наблюдается предпочтительная инактивация отцовской Х-хромосомы. В тканях трофобласта самки мыши (у человека наблюдается иная ситуация) экспрессия материнской Х-хромосомы доминирует в такой степени, что отцовская Х-хромосома практически не экспрессируется. У сумчатых отцовская Х-хромосома также предпочтительно инактивируется во всех тканях зародыша (Sharman, 1971; Cooper et al., 1971). Мы пока не знаем, почему так происходит, но выяснение этого вопроса может оказаться ключе-


 

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

114 _______________ ГЛАВА 11 _____________________________________________________________________

Дополнительные сведения и гипотезы: Определение времени инактивации Х-хромосомы

 

Инактивация одной из двух Х-хромосом млекопитающих в разных тканях происходит в разное время. В пределах зародыша эта инактивация происходит во всех клетках эпибласта до дифференцировки тканей (Nesbitl, 1974; Gartler, Riggs, 1983). Такая инактивация Х-хромосомы наблюдается также в клетках тератокарциномы. Как упоминалось в гл. 6, эти клетки напоминают ранние бластомеры внутренней клеточной массы тем, что являются тотипотентными и могут дифференцироваться в клетки других типов. В стволовых клетках тератокарциномы обе Х-хромосомы активны, но при дифференцировке этих клеток одна из Х-хромосом в каждой клетке становится поздно реплицирующейся и транскрипционно инертной (McBurney, Strutt, 1980).

В отличие от этого во внезародышевых тканях инактивация Х-хромосомы может происходить неслучайным образом и в различное время. Впервые инактивацию Х-хромосомы наблюдали в трофической эктодерме мыши, где специфически инактивируется Х-хромосома, полученная от отца (Tagaki, 1974; West et al., 1977). Этот пример напоминает ситуацию у самок сумчатых, у которых отцовская Х-хромосома инактивируется во всем зародыше (Cooper et al., 1971; Samollow et al., 1987). У мыши последующая инактивация Х-хромосомы происходит в тканях гипобласта и затем, наконец, в эпибласте зародыша (Monk, Harper, 1979). На рис. 11.7 показан цикл инактивации Х-хромосомы у мыши. То, что инактивация Х-хромосомы происходит подобным образом в плаценте мыши, вовсе не означает, что аналогичным образом она происходит в плаценте всех других млекопитающих.1 В вор-

1 Оказался в заблуждении даже Леонардо да Винчи. На его известном рисунке человеческого плода изображена плацента теленка, а не человека. Как отметил один исследователь, (Renfré e, 1982), этот рисунок служит предостережением тем, кто склонен к некритичной экстраполяции данных от одного вида млекопитающих к другому.

 

Рис. 11.7.Цикл инактивации Х-хромосомы у мыши. XМ и ХP – соответственно материнская и отцовская Х-хромосомы. Неактивное состояние обозначено жирным символом. Примордиальные первичные половые клетки перед тем, как они мигрируют в гонады, имеют конденсированную Х-хромосому (предположительно инактивированную): обе Х-хромосомы становятся активными вскоре после того, какпервичные половые клетки мигрируют в гонады (Witschi, 1957; Kratzer, Chapman, 1981). (По Gartler, Riggs, 1983.)

 


 

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

ИЗМЕНЕНИЕ ТРАНСКРИПЦИИ В ХОДЕ РАЗВИТИЯ________________________________________ 115

синках хориона человека некоторые клетки содержат две активные Х-хромосомы, а те Х-хромосомы, которые инактивированы, могут реактивироваться (Migeon et al., 1985, 1986). Кроме того, инактивация Х-хромосом в плаценте человека носит случайный характер: может быть выключена любая Х-хромосома – отцовская или материнская.

В следующей главе мы обсудим молекулярный механизм поддержания транскрипционной инертности одной из двух Х-хромосом.

вым этапом на пути к пониманию механизма инактивации Х-хромосомы.

В-третьих, инактивация Х-хромосомы может не распространяться на всю длину хромосомы. Почти все известные гены Х-хромосомы картированы на ее длинном плече. Однако у человека ген сульфатазы стероидов расположен на коротком плече Х-хромосомы. Оказалось, что этот локус не инактивируется (Mohandas et al., 1980). Таким образом, гетерохроматизация может не распространяться целиком на всю X-хромосому

Четвертое исключение на самом деле подтверждает правило. Окраску волосяного покрова у самцов некоторых млекопитающих можно объяснить лишь в том случае, если у этих животных происходит инактивация Х-хромосомы. К числу таких примеров относятся мозаичные и черепаховые коты. Характерная пятнистая окраска наблюдается обычно у кошек, и это рассматривается как следствие описанных выше привил. Но в редких случаях пятнистая окраска обнаруживается также у котов. Как это может происходить? Оказалось, что такие коты имеют генотип XXY. Имеющаяся Y-хромосома обусловливает ихмужской пол (см. гл. 21), но, как и у кошек, одна Х-хромосома у этих котов инактивируется (Centerwall, Benirschke, 1973). Таким образом, в клетках этих котов содержатся тельца Барри, сохраняющиеся после случайной инактивации одной из Х-хромосом. Исходя из всего сказанного, становится очевидным, что один из механизмов регуляции генов на уровне транскрипции заключается в переводе большого числа генов в гетерохроматин и, следовательно, в транскрипционно инертное состояние.


Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2024 год. (0.007 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал