11 Молекуярные механизмы определения пола. Дозовая компенсация (Лекции по генетике)

Лекция 11МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛАИ ДОЗОВАЯ КОМПЕНСАЦИЯ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru11.1. Молекулярные механизмы определения пола11.1.1. Вводные замечания.Такие различия в деталях на первый взгляд одной и той же кариологической системыопределения пола у мухи и слона приводят нас к желанию разобраться в генетическихмеханизмах определения пола, то есть ответить на вопрос какие же процессы приводят ктому, что развивается организм того или иного пола. Мы можем заранее предположить,что речь будет идти о регуляторных каскадах и сетях, в которых одни гены включают ивыключают другие, и что, коль скоро речь идет о сложных многоклеточных организмах,ступеней в каскадах или узлов в сетях будет очень много.

Поэтому нас будут интересоватьсамые первые звенья этих каскадов, обычно связанные с половыми хромосомами.Заметим, однако, что у наших ближайших эволюционных родственников, имеющихэпигамное определение пола, половых хромосом-то нет, а эти самые первые звеньянесомненно есть.Приведенные ниже схемы определения пола у дрозофилы и млекопитающихзначительно упрощены и учитывают только главные сигналы и их главные мишени.Отметим три обстоятельства.1) Различия в молекулярных механизмах определения пола выглядят гораздо болеесильными, чем в кариологической системе его определения.2) В реальности все биологические макромолекулы работают в окружении ивзаимодействии со множеством других, присутствие, количество и свойства которыхтакже определяется соответствующими генами, которые могут оказывать влияние налюбые рассматриваемые процессы, в том числе и на развитие половых признаков.3) Хотя схемы показывают нам сцены из жизни молекулярных продуктов, кодируемыхопределенными отрезками ДНК, это знание во многом добыто методами классическойгенетики.

За всем схемами стоит изучение фенотипов многих мутантных аллелей каждогоиз задействованных локусов и их сочетаний, полученных в результате хитроумныхскрещиваний, сопряженное с чтением первичной структуры ДНК и выяснением1конкретного содержания каждой мутации и ее последствий для функции молекулярногопродукта. В случае дрозофилы и мыши многие мутации существуют в генетическихколлекциях и поддерживаются в качестве линий.

В случае человека мы не можемобъединять мутации в одном генотипе по своему произволу, однако практикасовременной медицины в развитых странах снабжает нас богатой информацией о влиянииогромного количества одиночных мутаций, регистрируемых у носителей того или иногосиндрома.11.1.2. Механизм определения пола у дрозофилы.Ключевым геном определения пола у дрозифилы является уже упоминавшийся намиген Sex lethal (Sxl). Этот локус расположен на Х-хромосоме. Но что удивительно - смеханизмом определения пола его расположение на половой хромосоме никак не связано– с точки зрения этого механизма ничего не изменилось бы, если бы он находился и ваутосоме. (У дрозофилы Х хромосома составляет примерно пятую часть генома и попастьв нее немудрено).Ген Sxl имеет два альтернативных промотора, ранний проксимальный и позднийдистальный.

Пол зависит от того, каким образом Sxl начнет транскрибироваться вэмбриональном развитии. А это, в свою очередь, зависит от соотношения продуктов двухгрупп генов – «числителей» и «знаменателей». Числители находятся в Х-хромосоме, этоsisterless a (sis-a), sisterless b (sis-b – этот локус на поверку оказался давно известнымлокусом scute, который тем самым получил второе название), sisterless-c (sis-c) и runt.Расположение именно этих генов в Х-хромосоме превращает ее в хромосому,определяющую пол у дрозофилы. Знаменатели расположены в аутосомах, это deadpan(dpn) на хромосоме 2 и некие другие. Кроме того, как мы помним из рассмотрениялеталей, уровень (но не тип) транскрипции активируется материнским продуктом генаdaughterless (da), который тоже находится в Х-хромосоме, но не относится к генамчислителям, поскольку его продукт в данном случае поступает из материнскогоорганизма.

Есть и еще один ген, белковый продукт, находящийся в цитоплазмеяйцеклетки, который также влияет на интенсивность транскрипции Sxl, но обратнымобразом, подавляя ее.Соотношение продуктов генов-числителей и генов-знаменателей, соответствующеесоотношению Х-хромосом и аутосом 1:1, инициирует транскрипцию с раннего промоторана стадии синцитиальной бластодермы. Если числителей вдвое меньше или знаменателейвдвое больше (что соответствует соотношению Х : А = 0,5), ранний промотор не2активируется. Любопытно, что эффект числителей аддитивен, то есть продукты разныхгенов-числителей взаимозаменяемы – гомозигота по нуль-аллелю одного из них приводитк такому же фенотипу, как и дигетерозигота по нуль-аллелю в двух из них.

Лишние копии(допустим, введенные трансгенезом) sis-a и sis-b приводят к тому, что мухи с кариотипомсамцов развиваются в самок. Нуль-мутация в гетерозиготе по знаменателю dpn прилишней копии числителей приводят к выбору самцами самочьего пути, а лишняя копияdpn при нуль-мутации по одному из числителей – к выбору самцового пути самками(одного лишь изменения вдвое гена dpn недостаточно, так как это не единственныйзнаменатель).Все это становится возможным, поскольку ранний промотор имеет несколькоповторенных сайтов связывания с белковыми продуктами генов-числителей изнаменателей. Мы видим, что балансовая теория Бриджеса, довольно справедливоказавшаяся бессодержательной Моргану, наполнилась, наконец, реальным содержанием,так как тип транскрипции ключевого гена определения пола Sxl определяется балансомбелковых продуктов нескольких генов, кодируемых Х-хромосомой и аутосомами.Начиная со стадии клеточной бластодермы (когда ядра синцитиальной бластодермынаконец поделят цитоплазму на отдельные клетки) и затем в течение всей жизни мухиработает поздний промотор.

Ранний промотор расположен в интроне между экзонами 1 и2, с него начинается экзон E1 (всего экзонов 9, первые два из них обозначаются 1 и E1,остальные считаются с 2 до 8). Транскрипт с раннего промотора сплайсируется сэмбрионального экзона Е1 сразу до 4 экзона, с него считывается ранний белок SXL.Транскрипт с позднего промотора не содержит экзона Е1 и подвергается альтернативномусплайсингу, так что он может содержать или не содержать экзон 3; его трансляцияначинается с экзона 2. Функциональный белковый продукт гена Sxl имеет два РНКсвязывающих домена. Ранний белок SXL связывается с мРНК, считываемой с позднегопромотора, и блокирует акцепторный сайт сплайсинга третьего экзона, тем самымнаправляя альтернативный сплайсинг таким образом, что в процессированной мРНКотсутствует экзон 3.

В результате получается функциональный белок, отличающийся отраннего белка только первыми 25 аминокислотами. Поздний функциональный белоктакже в дальнейшем поддерживает такой же тип альтернативного сплайсинга своегособственного гена, образуя тем самым петлю положительной обратной связи в геннойсети. Именно такие эмбрионы, в которых имеется функциональный белок SXL,развиваются в самок.Если соотношение белковых продуктов числителей и знаменателей таково, что раннийпромотор не активируется, то ген Sxl транскрибируется сразу с позднего промотора и3сплайсируется по умолчанию, так что транскрипт включает третий экзон. Третий экзонсодержит два стоп-кодона, так что функционального белка не возникает и транскрипцияпродолжает идти по этому пути «по умолчанию».

Такие эмбрионы развиваются в самцов.Заметим, что и у них совершенно бесполезная транскрипция с позднего промоторапродолжается всю жизнь. По-видимому, это дешевле, чем создавать специальныймеханизм для ее выключения.Схема регуляции транскрипции и процессинга гена Sxl у дрозофилы показана наРисунке 11.1.Рисунок 11.1. Схема регуляции транскрипции и процессинга гена Sxl у самок (слева) исамцов (справа) дрозофилы (по Estes et al.

1995. Molecular and Cellular Biology 15: 904917).У нас за кадром остается весь тот огромный труд и все те остроумные эксперименты,которые потребовались, чтобы все это выяснить, а именно это и составляет настоящуюгенетику, тогда как мы рассматриваем «всего лишь» молекулярную биологию. Для этогопотребовалось множество разных мутаций по вовлеченным в систему генам, серииделеций, захватывающих, к примеру, ранний промотор гена Sxl, трансгенно внедренные вгеном те же самые гены, но под другими промоторами, множество скрещиванийсоответствующих линий в разных сочетаниях и по разным схемам и анализ потомства.Кроме связывания с мРНК собственного гена, белок Sxl связывается также с мРНК генаtransformer (tra) (хромосома 3), альтернативный сплайсинг которого он, собственно, идолжен регулировать. И снова повторяется такая же история! В присутствии4функционального белка SXL сплайсинг мРНК tra приводит к транскрипту, состоящему из1 и 3 экзонов, с которого транслируется функциональный белок.

Если жефукнционального SXL нет, еще один акцепторный сайт оказывается свободным, экзон 2включается в транскрипт, а он, как вы уже конечно догадались, несет стоп-кодон ифункционального белка не образуется. Функциональный белок TRA, в свою очередь,связывается с четвертым экзоном мРНК гена double sex (dsx), вместе с белком TRA-2. Втаком виде альтернативный сплайсинг мРНК dsx идет так, что процессированная мРНКсодержит экзоны 1-4 и дает белок DSXf. В отсутствии функционального белка TRA (равнокак и в отсутствии белка TRA2) процессированная мРНК содержит экзоны 1-3, 5-6 и даетбелок DSXm.Если до сих пор у нас самка имела функциональный белок, а самец не имел, то здесьвпервые появляется два разных функциональных белка, которые запускают разныерегуляторные каскады, которые и приводят к формированию разных полов.