Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 148
Текст из файла (страница 148)
Рис.7.87. Однояйцевые близнецы, выросшие порознь. )С любезного разрешения маису Ц 5еваЦ Рис. 7.88. Инвктивация Х-хромосомы в женских клетках.о)Только инактивированнаяХ-хромосома покрыта Х15Т-РНК, визуализирован ной здесь при помощи гибридизации гп згти с флуоресцентно мечеными РНК, имеющими комплементарную нуклеотидную последовательность. На рисунке показаны ядра двух соседних клеток.
б) Тот же образец, окрашенный антителами против компонента комплекса белков группы Ро)усеять, который покрывает Х-хромосому и помогает подавитьь экспрессию ее генов. ) Из В. Рапп! пй, Азетьоггз Елгутог 376: 419-428, 2004 С разрешения Асаг)егшгс Ргем ) а) 10 мкм У млскопитакпцих компенсапия доз генов достигается путем инакти вагцги транскрипции одной из двух Х хромосом в женских соматиче ский клетках — процесс, извсст ный как инактивация Х-хромосомьз (Х-зпассзуа6оп). На ранней стадии развития женского эмбриона, когда он состоит из нескольких тысяч клеток, одна из двух Х хромосом в каждой клетке сильно конденсируется в тип гстсрохро матина. Конденсированную Х хромосому можно легко увидеть в световой микро скоп в интсрфазных клетках; она располагается в окрестностях ядсрной мембраны (рис.
7.88), и ее первоначальным названием было тельце Бирри (Ватт Ьогг'17). В результатс ннактивации две Х.хромосомы могут сосуществовать в одном ядре, подвсргаясь действию одних и тех же диффундируюгцих рсгуляторных белков, но полностью различаясь по экспрессии своих генов. Первоначальный выбор, какую из Х хромосом пнактивировать, унаследован ную от матери (Хн) или унаследованную от отца (Х„), случаен. После своей инакти вации Х, или Х„остастся неактивной при всех последующих делениях этой клетки и сс потомков, указывая на то, что неактивное состояние исправно поддерживается в течение множества циклов репликации ДНК и митоза. Поскольку ннактивация Х хромосомы — событие случайное и происходит после того, как в эмбрионе уже сформировалось несколько тысяч клеток, каждый женский организм представляет собюй мозаику из клональных групп клепж, в которых инактивирована Х„- или Х„-хромосома(рис.
7.89). Эти клональ ныс группы расположены во взрослом организме небольшими кластерами, по скольку сестринские клстки стремятся оставаться в тесном контакте друг с дру гом в ходе последних стадий развития. Например, инактивация Х хромосомы ~~ф~~('3~) ~Я~фЫР)'4Ь ~4Ь4Ь в этом клоне активны только Хо в этом клоне активны только Хи Рис. тяэ. Инактивации Х-хромосомы. Клональное наследование конденсированной неактивной Х-хромосомы, что имеет место т самок млекопитающих. вызывает рыже черную черепаховую окраску шерсти некоторых кошек.
У этих кошек одна Х хромосома несет ген, который дает рыжуто окраску шерсти, а другая Х хромосома несет аллель того же гена, в результате действия которого образуется черный окрас. Это случайная инактивация Х-хромосомы, что порождает участки клеток разного цвета. В отличие от кошек, коты этой генетической линии либо аб солютно рыжие, либо абсолютно черные в зависимости от того, какую Х-хромосому они унаследовали от своих матерей. Инактивация Х хромосомы поддерживается в течение тысячи клеточных де лений, но она не всегда постоянна. В частности, она обратима в ходе образования половых клеток, так что нсе гаплоидные ооциты содержат активную Х-хромосому и могут экспрессировать продукты ее генов.
Как происходит инактивация транскрипции целой хромосомы? Инактивация Х-хромосомы начинается и распространяется от единственного участка в середине Вктзюйвв Х-щхгмогома неактивная Х-хромосома Рис. 7 90. Инаитивация Х хрояюсомы у млекопитающих. Инактизация Х хромосомы начинается с синтеза Х15ТРНК (специфический к ни активации Х хромосомы тра некрипт; Хцпасоуаооп зрес)бс тгапзспрт) с покуса Х1С (центр и нактива ции Х хромосомы; Х1паства11оп сеп1ег).
Ассоциация Х15Т РН К с одной из двух женских Х хромосом коррелирует с конденсацией этой хромосомы. На ранних стадиях эмбриогенеза оба процесса, присоединение Х15Т РНК и конденсация хромосшиы, постепенно движутся отлокуса Х1С по направлению к концам хромосомы. Детали того, как это происходит, остаются еще нерасшифрованными. Х-хромосомы, центра инактивации Х-хромосомы (Х-)пае6уа6оп сеп1ег, Х1С). В Х1С закодирована необычная молекула РНК, Х1БТ РОК, которая зкспресси руется исключительно с неактивной Х-хромосомы и чья экспрессия необходима для ее инактивации. С Х)ЯТ-РНК не синтезируется белок, и она остается в ядре, где в итоге покрывает всю неактивную Х-хромосому. Распространение Х18Т-РНК, начиная от Х1С и по всей хромосоме, совпадает с распространением сайленсинга генов, указывая нато, что Х1ЯТ-РНК направляет образование и расширение области гетерохроматина (рис.
7.90). Любопытно, что около 10'к генов на Х-хромосоме избегают этого подавления транскрипции и остаются активными. Помимо содержания Х18Т РНК, гегерохроматин Х-хромосомы характеризу ется также наличием специфического варианта гистона 2А, гипоацетилированием гистонов НЗ и Н4, убиквитилированием гистона 2А, метилированием специфических позиций на гистоне НЗ и специфическими вариантами метилировигия ЛНК (относи тельно предположения о том, как все зти признаки могут быть причинно связаны, см. Рис.
7.81). Комбинация подобных модификаций, по видимому, делает большую часть инактивированной Х-хромосомы необычайно невосприимчивой к транскрипции. Поскольку, в принципе, зти модификации по крайней мере являются самораспростра няюшимися, то легко увидеть, как после инактивации Х хромосомы, зто состояние может стабильно поддерживаться в течение многих клеточных делений. Многие свойства инактивации Х хромосомы у млекопитающих остаются еще не открытыми.
Как принимается первоначальное решение: какую из Х-хромосом 7.4. Молекулярно-генетические механизмы 733 инактивировать? Какой механизм препятствует инактивации также и другой Х-хромосомы? Как Х15Т-РНК координирует образование гетерохроматина? Как некоторые гены Х-хромосомы избегают инактивации? Мы только начинаем понимать этот механизм регуляции генов, который является ключевым для выживания нашего собственного вида. Инактивация Х-хромосомы у самок — это только один из способов, с помощью которых в организмах, размножающихся половым путем, достигается компенсация доз генов. У дрозофилы большинство генов на единственной Х-хромосоме, которая есть в мужских клетках, транскрибируются примерно в два раза интенсивнее, чем их копии в женских клетках.
Зта специфическая для самцов «повышающая регуляция» (цр-геяп1а11оп) транскрипции является результатом изменения структуры хроматина на всей Х-хромосоме самца. Комплекс компенсации доз генов содержит несколько модифицирующих гистоны ферментов, так же как и две некодирующие РНК, транскрибнрованные с Х-хромосомы. Он собирается на сотнях участков вдоль Х-хромосомы и создает картины модификации гистонов, которые, предполагается, повышают интенсивность транскрипции, благодаря воздействиям на ее инициацию или элонгацию, большинства генов Х-хромосомы самца. У нематод используется третий тип стратегии компенсации доз генов.
В данном случае два пола представлены самцами (с одной Х-хромосомой) и гермафродитами (с двумя Х-хромосомами) и компенсация доз происходит путем примерно двукратной «понижающей регуляции» (г)оч и-геди!а(1оп) транскрипции каждой из двух Х-хромосом в клетках гермафродита. Зто осуществляется посредством структурных, охватывающих всю хромосому изменений в Х-хромосомах гермафродитов (рис. 7.91). Комплекс компенсации доз генов, который полностью отличается от комплекса дрозофилы и напоминает, вместо этого, комплекс конденсина (сопдепзгп), обеспечивающий компактизацию хромосом в ходе митоза и мейоза (см. рнс.
17.27), собирается вдоль каждой Х-хромосомы гермафродита и при помощи неизвестного механизма налагает глобальную двукратную репрессию на нормальный уровень экспрессии каждого гена. Стратегия и средства, используемые для того, чтобы вызвать компенсацию доз генов, отличаются у млекопитающих, мух и червей, но все они включают в себя структурные измененгш, затрагивающие целиком всю Х-хромосому.
Вероятно, что в ходе эволюции происходила независимая адаптация и приспособление характерных черт структуры хромосом, являющихся достаточно общими для всех, с целью преодолеть проблему высокой специфичности при регуляции генов, с чем сталкиваются животные, размножающиеся половым путем. 7.4.17.
В системе, контролирующей экспрессию генов, есть удивительные шумы До настоящего момента в этой главе экспрессия генов рассматривалась нами так, как если бы она была строго детерминированным процессом, так что если бы была известна концентрация всех соответствующих регуляторных белков и других контролируюгцих молекул, то можно было бы точно предсказать уровень экспрессии генов. На самом же деле поведению клетки присуще большое число случайных отклонений. Частично это происходит из-за случайных флуктуаций, происходящих в окружающей среде, и зто нарушает концентрации регуляторных молекул внутри клетки непредсказуемым образом.